一種針對專用校車學生座椅抗前傾性能的優化設計方法技術

本發明專利技術涉及校車碰撞安全領域，具體的說是一種針對專用校車學生座椅抗前傾性能的優化設計方法。該方法包括以下步驟：步驟一、建立座椅的簡化力學模型；步驟二、座椅力學參數的優化設計；步驟三、管材零件的優化設計；步驟四、座椅抗前傾性能的優化設計。本發明專利技術是一種快速準確建模、加快模型計算速度以及快速準確優化座椅抗前傾性能的優化設計方法，解決了目前針對校車學生座椅的抗前傾性能的優化設計過程中存在的設計盲目性，以及在優化設計過程中采用CAE技術手段時的反復建模和計算耗時長的問題。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及校車碰撞安全領域，具體的說是一種針對專用校車學生座椅抗前傾性能的優化設計方法。
技術介紹
隨著社會的發展，校車的使用量在我國逐年增加，與之而來的是校車事故的頻繁發生，給萬千家庭帶來了難以磨滅的痛苦。究其原因，有駕駛者和管理者粗心大意的原因，但校車自身安全性不達標也是重要原因之一。眾所周知，座椅是汽車上的重要安全性裝置之一，座椅的安全性高低直接關系著乘坐人員的安危。校車上專門供學生乘坐的座椅稱為專用校車學生座椅。校車學生座椅不同于一般乘用車座椅，其使用對象較為單一，主要乘坐對象為身材較小的中小學生和兒童，結構組成相對簡單，比較接近客車座椅的結構形式，一般可以分為座椅骨架、座椅彈性材料、座椅蒙皮和固定連接裝置四個部分。雖然校車學生座椅的組成較為簡單，但是對其安全性的要求卻很高，當發生校車的撞車事故時，座椅是主要與乘員接觸的裝置，人體運動的約束和碰撞能量的吸收耗散都主要通過座椅實現，因此必須對座椅的安全性進行細致的考察。針對座椅的安全性問題，2009年我國頒布實施了第一部針對專用校車學生座椅的法規GB24406，2012年對該法規進行了首次修訂。在修改后的GB24406-2012中，首次增加了專用校車學生座椅的動態試驗，考察座椅的抗前傾性能。在動態試驗中，根據座椅類別將被試驗座椅與輔助座椅按照要求的座椅間距安裝在代表車身的試驗臺上且與在實車上的固定連接狀態相同，幼兒專用校車座椅、小學生專用校車座椅的間距為690毫米，中小學生校車專用校車座椅的間距為780毫米，輔助座椅是動態試驗中被試驗座椅后面安放假人的座椅，輔助座椅應當與被試驗座椅保持狀態一致。將試驗假人按照規定步驟擺放在輔助座椅上，對于幼兒專用校車座椅僅使用符合GB27887中規定的6歲兒童人體模型進行試驗；小學生專用校車座椅和中小學生專用校車座椅分別使用6歲兒童人體模型和混合3型第5百分位人體模型進行試驗。使用臺車試驗裝置產生滿足要求的加速度(減速度)波形，模擬校車發生碰撞時的運動情況。對于配備有安全帶的專用校車學生座椅，還應進行帶有安全帶約束狀態的動態試驗。針對動態試驗中專用校車學生座椅的抗前傾性能，法規中提出的主要考察指標如下：①頭部允許指標(HIC)小于500；②胸部允許指標(ThAC)小于30g(總時間小于3ms者除外)(g＝9.81m/s2)③在使用混合3型第5百分位人體模型進行試驗時，腿部允許指標(FAC)小于10kN。最新座椅法規GB24406-2012的頒布實施極大的提高了對專用校車學生座椅的安全性要求，尤其是動態試驗的要求對于校車座椅的安全性提出了嚴苛的考驗。而校車座椅在我國的開發設計和研究工作還處于起步階段，新法規中動態試驗又具有其獨特性，各個座椅開發廠商均缺少相關設計經驗和試驗數據，導致了座椅的開發難度增大。針對新法規的動態試驗要求，目前大多數校車座椅開發廠商都是采用大量試驗的方式來確保座椅抗前傾性能滿足要求，通過反復試驗發現座椅設計方案中的缺陷然后對設計方案進行修改。隨著仿真技術的發展，一部分企業開始在開發過程中引入CAE技術代替試驗，使得設計人員能夠更快的獲取所設計座椅的抗前傾性能同時節省了企業開發成本。但是在目前使用CAE技術進行校車座椅優化設計過程中，座椅有限元分析模型都是基于座椅的幾何數據采用提取中位面后劃分殼單元網格建立，仿真模型中帶有座椅的幾何信息，通過仿真發現問題后又由設計人員對座椅幾何設計進行修改，再將修改的設計方案重新建模分析，直到最后的設計方案滿足法規要求。在這一過程中存在著建模過程復雜、重復建模的問題，且詳細的座椅分析模型存在著計算時間長、修改麻煩等不足。由此可見在目前專用校車學生座椅的優化設計工作中還缺少對優化設計方法的研究。
技術實現思路
本專利技術提供了一種快速準確建模、加快模型計算速度以及快速準確優化座椅抗前傾性能的優化設計方法，解決了目前針對校車學生座椅的抗前傾性能的優化設計過程中存在的設計盲目性，以及在優化設計過程中采用CAE技術手段時的反復建模和計算耗時長的問題。本專利技術技術防范結合附圖說明如下：所述的步驟一包括以下步驟：一種針對專用校車學生座椅抗前傾性能的優化設計方法，該方法包括以下步驟：步驟一、建立座椅的簡化力學模型；步驟二、座椅力學參數的優化設計；步驟三、管材零件的優化設計；步驟四、座椅抗前傾性能的優化設計。所述的步驟一包括以下步驟：11)提取座椅骨架中的管材零件；在已有的座椅有限元模型中，提取出座椅中結構的管材零件部分作為簡化對象；12)獲取管材的彎曲特性曲線；將座椅中管材按截面和厚度差異進行統計分類，建立不同類型管材的彎曲特性提取仿真模型；13)提取管材的彎曲特性參數；將獲得的所有管材的彎曲特性曲線進行簡化，選擇了五個特征值作為彎曲特性曲線的簡化表達參數，分別為M、Mp、θp、θm和Mm；其中M為管材開始發生屈服時的彎矩，即去掉完整彎曲特性曲線中純彈性階段部分后的起點值；Mp為彎矩曲線的峰值點，表示該截面類型的管材在某彎曲方向所能承受的最大彎矩，即最大承載能力；θp為對應達到最大承載能力時的彎曲轉角；θm為中使懸臂梁產生的最大彎曲轉動角度，若懸臂梁發生了屈曲，則表示發生屈曲時的轉動角度，Mm則為測得的薄壁梁發生最大彎曲角度時的彎矩；14)標記管材的變形位置；觀察已有模型的仿真結果中座椅的管材零部件的變形，對比管材變形前后的情況，選取管材變形位置的任一單元的任一節點號作為標記的管材變形位置；15)替換管材的建模單元；在對每個管材零件的單元進行替換時，以管材兩端的端點和標記的變形位置作為各個管材零件的分段位置，使用有限元單元類型中的梁單元分段替代已有模型中管材的殼單元模型，標記的變形節點處作為梁單元間的連接點；16)建立座椅簡化力學模型；在使用梁單元替換了殼單元的座椅模型中，將獲得的管材彎曲特性參數輸入對應管材的梁單元材料參數中，由此建立了座椅的簡化力學模型。所述的步驟二包括以下步驟：21)選擇簡化力學模型的優化參數；以建立的簡化力學模型中所有的管材彎矩簡化曲線參數中的M、Mp、θp和Mm四個參數作為優化指標，彎曲過程中懸臂梁產生最大彎曲轉動角度θm時，懸臂梁的最大彎矩為Mm，使不同的薄壁梁管材在彎曲的過程中的最大彎曲轉動角度均為θm；22)確定參數的優化區間；依據管材的標準法規和標準，參考實際需求范圍確定各個參數的優化區間；23)優化參數的試驗設計；利用ISIGHT軟件中的試驗設計方法建立設計參數的試驗組合，利用簡化力學模型對每組參數組合進行動態試驗的仿真計算，并統計獲得的乘員的傷害指標；24)建立響應方程；在獲得所有的參數試驗組合的乘員傷害指標后，利用ISIGHT軟件的建立響應面模塊對數據進行處理，建立優化指標與乘員的傷害指標的響應關系；25)獲取座椅的最優彎曲特性參數；利用獲得的響應關系方程，在ISIGHT軟件的遺傳算法模塊中，以乘員傷害指標最小化為優化目標，以座椅所有管材的彎曲特性參數為輸出，進行方程的尋優計算；最終獲得滿足乘員傷害指標條件下座椅簡化力學模型中所有管材的彎曲特性參數的理論計算值。所述的步驟三包括以下步驟：31)確定標準件選擇范圍；根據管材選擇所依據的標準和法規，確定出座椅骨架中管材零件的標準件選擇范圍；32)提取標準件的彎曲特性參數；采用步驟一中本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種針對專用校車學生座椅抗前傾性能的優化設計方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：步驟一、建立座椅的簡化力學模型；步驟二、座椅力學參數的優化設計；步驟三、管材零件的優化設計；步驟四、座椅抗前傾性能的優化設計。

【技術特征摘要】
1.一種針對專用校車學生座椅抗前傾性能的優化設計方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：步驟一、建立座椅的簡化力學模型；步驟二、座椅力學參數的優化設計；步驟三、管材零件的優化設計；步驟四、座椅抗前傾性能的優化設計。2.根據權利要求1所述的一種針對專用校車學生座椅抗前傾性能的優化設計方法，其特征在于，所述的步驟一包括以下步驟：11)提取座椅骨架中的管材零件；在已有的座椅有限元模型中，提取出座椅中結構的管材零件部分作為簡化對象；12)獲取管材的彎曲特性曲線；將座椅中管材按截面和厚度差異進行統計分類，建立不同類型管材的彎曲特性提取仿真模型；13)提取管材的彎曲特性參數；將獲得的所有管材的彎曲特性曲線進行簡化，選擇了五個特征值作為彎曲特性曲線的簡化表達參數，分別為M、Mp、θp、θm和Mm；其中M為管材開始發生屈服時的彎矩，即去掉完整彎曲特性曲線中純彈性階段部分后的起點值；Mp為彎矩曲線的峰值點，表示該截面類型的管材在某彎曲方向所能承受的最大彎矩，即最大承載能力；θp為對應達到最大承載能力時的彎曲轉角；θm為中使懸臂梁產生的最大彎曲轉動角度，若懸臂梁發生了屈曲，則表示發生屈曲時的轉動角度，Mm則為測得的薄壁梁發生最大彎曲角度時的彎矩；14)標記管材的變形位置；觀察已有模型的仿真結果中座椅的管材零部件的變形，對比管材變形前后的情況，選取管材變形位置的任一單元的任一節點號作為標記的管材變形位置；15)替換管材的建模單元；在對每個管材零件的單元進行替換時，以管材兩端的端點和標記的變形位置作為各個管材零件的分段位置，使用有限元單元類型中的梁單元分段替代已有模型中管材的殼單元模型，標記的變形節點處作為梁單元間的連接點；16)建立座椅簡化力學模型；在使用梁單元替換了殼單元的座椅模型中，將獲得的管材彎曲特性參數輸入對應管材的梁單元材料參數中，由此建立了座椅的簡化力學模型。3.根據權利要求2所述的一種針對專用校車學生座椅抗前傾性能的優化設計方法，其特征在于，所述的步驟二包括以下步驟：21)選擇簡化力學模型的優化參數；以建立的簡化力學模型中所有的管材彎矩簡化曲線參數中的M、Mp、θp和Mm四個參數作為優化指標，彎曲過程中懸臂梁產生最大彎曲轉動角度θm時，懸臂梁的最大彎矩為Mm，使不同的薄壁梁管材在彎曲的過程中的最大彎曲轉動角度均為θm；22)...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張君媛，房強，李林峰，倪瀅瀅，劉茜，郭強，紀夢雪，李仲玉，
申請(專利權)人：吉林大學，
類型：發明
國別省市：吉林;22