[發明專利]長纖維復合材料乘用車后排座椅骨架初始材料設計方法

有效

• 申請號: 201810400460.1
• 申請日: 2018-04-28
• 公開（公告）號: CN108416175B
• 公開（公告）日: 2019-04-05
• 發明（設計）人: 張君媛;李仲玉;張秋實;姜哲;紀夢雪;郭強;王丹琦;周浩;陸炳全
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 朱世林;張晶

1.一種長纖維復合材料乘用車后排座椅骨架初始材料設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：確定乘用車后排座椅抗撞性要求；

步驟二：推導LFT平板最小穿透能量表達式；

步驟三：研究基于沖擊能量要求下LFT平板材料設計方法；

步驟四：設計座椅背板骨架初始材料；

步驟五：通過試驗和有限元驗證初始設計結果；

步驟一中所述的確定乘用車后排座椅抗撞性要求，具體是指：

(1)根據GB15083—2006中《行李位移乘客防護裝置的試驗方法》，對于汽車后排座椅沖擊強度的認證規定，采用臺車試驗臺進行座椅的沖擊試驗；

(2)試驗樣塊尺寸為300mm×300mm×300mm，棱邊倒角為20mm，質量為18kg，試驗樣塊安裝放置在行李艙的地板上，縱向與骨架有200mm的水平距離；

(3)試驗樣塊為兩塊，兩試驗樣塊之間有50mm的橫向距離，試驗中臺車所施加的減速度曲線滿足《行李位移乘客防護裝置的試驗方法》要求；

(4)試驗過程中及試驗后，如果座椅及靠背鎖仍保持原來位置，則認為滿足要求；在試驗期間，允許座椅骨架及其緊固件變形，條件是試驗骨架和頭枕部分的前輪廓不能向前方超出一橫向垂面，對頭枕部分，此平面經過座椅R點，即R點前方150mm處的點；對座椅骨架部分，此平面經過座椅R點前方100mm處的點；

步驟二中所述的推導LFT平板最小穿透能量表達式，包括以下步驟：

第一，確定LFT平板最小穿透能量與LFT平板纖維總厚度存在著冪函數關系：

利用玻璃纖維和PP基體的密度值，將纖維質量分數換算為纖維體積分數V_f,再計算得到所有形式LFT平板的纖維總厚度t×V_f,將最小穿透能量U_minp與纖維總厚度按式(1)進行非線性擬合，結果在對數坐標系中顯示；

U_minp＝K×(t×V_f)^β (1)

式中K和β是由試驗確定的材料參數；

t為平板厚度；

第二，獲得不同直徑落錘沖擊不同纖維質量分數平板后的殘余速度和初始沖擊速度，并利用式(2)進行非線性擬合，得到落錘臨界速度；

其中：v_r為落錘回彈速度，v_l為落錘臨界速度，v₀為落錘初始沖擊速度，k為擬合參數；

第三，將擬合得到的所有平板的臨界速度按照式(3)進行計算，得到不同落錘直徑時LFT平板的最小穿透能量U_minp；

m_p表示落錘質量；

第四，利用式(1)將不同落錘直徑的最小穿透能量進行非線性擬合，擬合結果繪制于圖中，得到不同落錘直徑沖擊時，最小穿透能量與纖維總厚度對數坐標圖；

第五，將式(1)進行修正，把LFT平板厚度、纖維體積分數和落錘直徑的乘積作為自變量，公式(5)所示：

U_minp＝K×(t×V_f×D_t)^β (5)

D_t表示落錘直徑；

第六：通過對比LFT平板最小穿透能量的理論計算和仿真計算結果，驗證最小穿透能量理論表達式的準確性；

步驟三中所述的研究基于沖擊能量要求下LFT平板材料設計方法，包括以下步驟：

首先：利用最小穿透能量作為橋梁，建立起平板吸能要求與材料參數之間的關系式(8)；

已知LFT能量吸收分析模型為：

求得U_minp為：

其中U_imp為落錘沖擊能量，U_abs為平板吸收能量，U_imp和U_abs的取值范圍均是[0,U_minp]；

將式(5)和(7)相結合可得聯系：

然后：利用式(8)一方面估計LFT平板極限沖擊能量，另一方面指導LFT材料初始設計和選擇：

假設已知該LFT平板的厚度、纖維體積分數，和假設沖擊體的直徑，同時了解沖擊體回彈時平板的吸能要求，即U_abs已確定，根據式(8)從右至左，計算得到沖擊體極限沖擊能量，進而求得沖擊體的極限沖擊初始速度；

假設在確定沖擊能量和沖擊體直徑這兩個沖擊工況條件下，從安全系數的角度，設定LFT平板需要吸收沖擊能量的范圍，根據(8)，從左至右計算，得到LFT材料纖維體積分數及對應的平板厚度，實現材料的初始設計；

步驟四中所述設計座椅背板骨架初始材料，包括以下具體內容：

對行李箱塊沖擊試驗條件進行簡化，利用式(8)對LFT座椅背板結構進行材料的初始設計和選擇；

以單個行李塊沖擊背板為研究對象，將其簡化為落錘沖擊LFT平板結構，定義落錘的直徑、質量和初始沖擊速度，其中將行李塊的邊長視為落錘的直徑；

從平板不被穿透及安全系數的角度考慮，分別計算，當平板吸收能量U_abs，占落錘沖擊能量的比例為100％，90％，80％和70％時的LFT纖維質量分數和相應平板厚度，完成后排座椅背板骨架的初始設計；

步驟五中所述通過試驗和有限元驗證初始設計結果，包括以下步驟：

(1)選擇一種質量分數的LFT材料，替換后排座椅背板骨架的金屬材料，利用有限元分析軟件，建立行李箱塊沖擊試驗的仿真模型，將建立的有限元模型與臺車試驗結果對比，驗證LFT材料模型的有效性；

(2)調整背板骨架厚度，進行計算獲得符合要求的座椅背板厚度值，與基于能量吸收分析模型進行的座椅背板結構初始設計方法厚度值接近；以此證明，利用能量吸收分析模型，對LFT座椅背板結構進行初始材料設計的可行性與有效性。