一种针对专用校车学生座椅抗前倾性能的优化设计方法技术

本发明专利技术涉及校车碰撞安全领域，具体的说是一种针对专用校车学生座椅抗前倾性能的优化设计方法。该方法包括以下步骤：步骤一、建立座椅的简化力学模型；步骤二、座椅力学参数的优化设计；步骤三、管材零件的优化设计；步骤四、座椅抗前倾性能的优化设计。本发明专利技术是一种快速准确建模、加快模型计算速度以及快速准确优化座椅抗前倾性能的优化设计方法，解决了目前针对校车学生座椅的抗前倾性能的优化设计过程中存在的设计盲目性，以及在优化设计过程中采用CAE技术手段时的反复建模和计算耗时长的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及校车碰撞安全领域，具体的说是一种针对专用校车学生座椅抗前倾性能的优化设计方法。
技术介绍
随着社会的发展，校车的使用量在我国逐年增加，与之而来的是校车事故的频繁发生，给万千家庭带来了难以磨灭的痛苦。究其原因，有驾驶者和管理者粗心大意的原因，但校车自身安全性不达标也是重要原因之一。众所周知，座椅是汽车上的重要安全性装置之一，座椅的安全性高低直接关系着乘坐人员的安危。校车上专门供学生乘坐的座椅称为专用校车学生座椅。校车学生座椅不同于一般乘用车座椅，其使用对象较为单一，主要乘坐对象为身材较小的中小学生和儿童，结构组成相对简单，比较接近客车座椅的结构形式，一般可以分为座椅骨架、座椅弹性材料、座椅蒙皮和固定连接装置四个部分。虽然校车学生座椅的组成较为简单，但是对其安全性的要求却很高，当发生校车的撞车事故时，座椅是主要与乘员接触的装置，人体运动的约束和碰撞能量的吸收耗散都主要通过座椅实现，因此必须对座椅的安全性进行细致的考察。针对座椅的安全性问题，2009年我国颁布实施了第一部针对专用校车学生座椅的法规GB24406，2012年对该法规进行了首次修订。在修改后的GB24406-2012中，首次增加了专用校车学生座椅的动态试验，考察座椅的抗前倾性能。在动态试验中，根据座椅类别将被试验座椅与辅助座椅按照要求的座椅间距安装在代表车身的试验台上且与在实车上的固定连接状态相同，幼儿专用校车座椅、小学生专用校车座椅的间距为690毫米，中小学生校车专用校车座椅的间距为780毫米，辅助座椅是动态试验中被试验座椅后面安放假人的座椅，辅助座椅应当与被试验座椅保持状态一致。将试验假人按照规定步骤摆放在辅助座椅上，对于幼儿专用校车座椅仅使用符合GB27887中规定的6岁儿童人体模型进行试验；小学生专用校车座椅和中小学生专用校车座椅分别使用6岁儿童人体模型和混合3型第5百分位人体模型进行试验。使用台车试验装置产生满足要求的加速度(减速度)波形，模拟校车发生碰撞时的运动情况。对于配备有安全带的专用校车学生座椅，还应进行带有安全带约束状态的动态试验。针对动态试验中专用校车学生座椅的抗前倾性能，法规中提出的主要考察指标如下：①头部允许指标(HIC)小于500；②胸部允许指标(ThAC)小于30g(总时间小于3ms者除外)(g＝9.81m/s2)③在使用混合3型第5百分位人体模型进行试验时，腿部允许指标(FAC)小于10kN。最新座椅法规GB24406-2012的颁布实施极大的提高了对专用校车学生座椅的安全性要求，尤其是动态试验的要求对于校车座椅的安全性提出了严苛的考验。而校车座椅在我国的开发设计和研究工作还处于起步阶段，新法规中动态试验又具有其独特性，各个座椅开发厂商均缺少相关设计经验和试验数据，导致了座椅的开发难度增大。针对新法规的动态试验要求，目前大多数校车座椅开发厂商都是采用大量试验的方式来确保座椅抗前倾性能满足要求，通过反复试验发现座椅设计方案中的缺陷然后对设计方案进行修改。随着仿真技术的发展，一部分企业开始在开发过程中引入CAE技术代替试验，使得设计人员能够更快的获取所设计座椅的抗前倾性能同时节省了企业开发成本。但是在目前使用CAE技术进行校车座椅优化设计过程中，座椅有限元分析模型都是基于座椅的几何数据采用提取中位面后划分壳单元网格建立，仿真模型中带有座椅的几何信息，通过仿真发现问题后又由设计人员对座椅几何设计进行修改，再将修改的设计方案重新建模分析，直到最后的设计方案满足法规要求。在这一过程中存在着建模过程复杂、重复建模的问题，且详细的座椅分析模型存在着计算时间长、修改麻烦等不足。由此可见在目前专用校车学生座椅的优化设计工作中还缺少对优化设计方法的研究。
技术实现思路
本专利技术提供了一种快速准确建模、加快模型计算速度以及快速准确优化座椅抗前倾性能的优化设计方法，解决了目前针对校车学生座椅的抗前倾性能的优化设计过程中存在的设计盲目性，以及在优化设计过程中采用CAE技术手段时的反复建模和计算耗时长的问题。本专利技术技术防范结合附图说明如下：所述的步骤一包括以下步骤：一种针对专用校车学生座椅抗前倾性能的优化设计方法，该方法包括以下步骤：步骤一、建立座椅的简化力学模型；步骤二、座椅力学参数的优化设计；步骤三、管材零件的优化设计；步骤四、座椅抗前倾性能的优化设计。所述的步骤一包括以下步骤：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，提取出座椅中结构的管材零件部分作为简化对象；12)获取管材的弯曲特性曲线；将座椅中管材按截面和厚度差异进行统计分类，建立不同类型管材的弯曲特性提取仿真模型；13)提取管材的弯曲特性参数；将获得的所有管材的弯曲特性曲线进行简化，选择了五个特征值作为弯曲特性曲线的简化表达参数，分别为M、Mp、θp、θm和Mm；其中M为管材开始发生屈服时的弯矩，即去掉完整弯曲特性曲线中纯弹性阶段部分后的起点值；Mp为弯矩曲线的峰值点，表示该截面类型的管材在某弯曲方向所能承受的最大弯矩，即最大承载能力；θp为对应达到最大承载能力时的弯曲转角；θm为中使悬臂梁产生的最大弯曲转动角度，若悬臂梁发生了屈曲，则表示发生屈曲时的转动角度，Mm则为测得的薄壁梁发生最大弯曲角度时的弯矩；14)标记管材的变形位置；观察已有模型的仿真结果中座椅的管材零部件的变形，对比管材变形前后的情况，选取管材变形位置的任一单元的任一节点号作为标记的管材变形位置；15)替换管材的建模单元；在对每个管材零件的单元进行替换时，以管材两端的端点和标记的变形位置作为各个管材零件的分段位置，使用有限元单元类型中的梁单元分段替代已有模型中管材的壳单元模型，标记的变形节点处作为梁单元间的连接点；16)建立座椅简化力学模型；在使用梁单元替换了壳单元的座椅模型中，将获得的管材弯曲特性参数输入对应管材的梁单元材料参数中，由此建立了座椅的简化力学模型。所述的步骤二包括以下步骤：21)选择简化力学模型的优化参数；以建立的简化力学模型中所有的管材弯矩简化曲线参数中的M、Mp、θp和Mm四个参数作为优化指标，弯曲过程中悬臂梁产生最大弯曲转动角度θm时，悬臂梁的最大弯矩为Mm，使不同的薄壁梁管材在弯曲的过程中的最大弯曲转动角度均为θm；22)确定参数的优化区间；依据管材的标准法规和标准，参考实际需求范围确定各个参数的优化区间；23)优化参数的试验设计；利用ISIGHT软件中的试验设计方法建立设计参数的试验组合，利用简化力学模型对每组参数组合进行动态试验的仿真计算，并统计获得的乘员的伤害指标；24)建立响应方程；在获得所有的参数试验组合的乘员伤害指标后，利用ISIGHT软件的建立响应面模块对数据进行处理，建立优化指标与乘员的伤害指标的响应关系；25)获取座椅的最优弯曲特性参数；利用获得的响应关系方程，在ISIGHT软件的遗传算法模块中，以乘员伤害指标最小化为优化目标，以座椅所有管材的弯曲特性参数为输出，进行方程的寻优计算；最终获得满足乘员伤害指标条件下座椅简化力学模型中所有管材的弯曲特性参数的理论计算值。所述的步骤三包括以下步骤：31)确定标准件选择范围；根据管材选择所依据的标准和法规，确定出座椅骨架中管材零件的标准件选择范围；32)提取标准件的弯曲特性参数；采用步骤一中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针对专用校车学生座椅抗前倾性能的优化设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、建立座椅的简化力学模型；步骤二、座椅力学参数的优化设计；步骤三、管材零件的优化设计；步骤四、座椅抗前倾性能的优化设计。

【技术特征摘要】
1.一种针对专用校车学生座椅抗前倾性能的优化设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、建立座椅的简化力学模型；步骤二、座椅力学参数的优化设计；步骤三、管材零件的优化设计；步骤四、座椅抗前倾性能的优化设计。2.根据权利要求1所述的一种针对专用校车学生座椅抗前倾性能的优化设计方法，其特征在于，所述的步骤一包括以下步骤：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，提取出座椅中结构的管材零件部分作为简化对象；12)获取管材的弯曲特性曲线；将座椅中管材按截面和厚度差异进行统计分类，建立不同类型管材的弯曲特性提取仿真模型；13)提取管材的弯曲特性参数；将获得的所有管材的弯曲特性曲线进行简化，选择了五个特征值作为弯曲特性曲线的简化表达参数，分别为M、Mp、θp、θm和Mm；其中M为管材开始发生屈服时的弯矩，即去掉完整弯曲特性曲线中纯弹性阶段部分后的起点值；Mp为弯矩曲线的峰值点，表示该截面类型的管材在某弯曲方向所能承受的最大弯矩，即最大承载能力；θp为对应达到最大承载能力时的弯曲转角；θm为中使悬臂梁产生的最大弯曲转动角度，若悬臂梁发生了屈曲，则表示发生屈曲时的转动角度，Mm则为测得的薄壁梁发生最大弯曲角度时的弯矩；14)标记管材的变形位置；观察已有模型的仿真结果中座椅的管材零部件的变形，对比管材变形前后的情况，选取管材变形位置的任一单元的任一节点号作为标记的管材变形位置；15)替换管材的建模单元；在对每个管材零件的单元进行替换时，以管材两端的端点和标记的变形位置作为各个管材零件的分段位置，使用有限元单元类型中的梁单元分段替代已有模型中管材的壳单元模型，标记的变形节点处作为梁单元间的连接点；16)建立座椅简化力学模型；在使用梁单元替换了壳单元的座椅模型中，将获得的管材弯曲特性参数输入对应管材的梁单元材料参数中，由此建立了座椅的简化力学模型。3.根据权利要求2所述的一种针对专用校车学生座椅抗前倾性能的优化设计方法，其特征在于，所述的步骤二包括以下步骤：21)选择简化力学模型的优化参数；以建立的简化力学模型中所有的管材弯矩简化曲线参数中的M、Mp、θp和Mm四个参数作为优化指标，弯曲过程中悬臂梁产生最大弯曲转动角度θm时，悬臂梁的最大弯矩为Mm，使不同的薄壁梁管材在弯曲的过程中的最大弯曲转动角度均为θm；22)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张君媛，房强，李林峰，倪滢滢，刘茜，郭强，纪梦雪，李仲玉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22