长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计方法

摘要

本发明属于汽车用复合材料研究领域，涉及一种长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计方法。包括以下步骤：1、确定乘用车后排座椅抗撞性要求；2、推导LFT平板最小穿透能量表达式；3、研究基于冲击能量要求下LFT平板材料设计方法；4、设计座椅背板骨架初始材料；5、验证初始设计结果有限元和试验；本发明以LFT平板最小穿透能量建立起能量吸收能力与材料参数及试验约束条件参数联系的桥梁，一方面估计LFT平板极限冲击能量，另一方面指导LFT材料初始设计和选择；本发明工程实际意义的应用是假设在确定冲击工况下，从安全系数的角度设定LFT平板需要吸收冲击能量的大致范围，计算得到LFT材料纤维体积分数及对应的平板厚度，实现材料初始设计。

说明书

技术领域

本发明涉及属于汽车用复合材料研究领域的一种乘用车后排座椅骨架初始材料设计方法，更确切地说，本发明涉及一种长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计方法。

背景技术

在汽车车身结构中座椅是相对独立的车身部件，有相应的法规对其刚度和强度等性能提出要求。其中，对于乘用车后排座椅而言，需要进行行李箱块冲击试验来考察其抗冲击性能，以确保正面碰撞过程中座椅不会对后排乘员造成伤害。

传统的金属座椅结构为了满足性能的要求，最常用的措施就是增加结构厚度，虽然保证了性能但随之而来的是座椅质量的增加。目前，以纤维增强复合材料为代表的轻量化材料正在逐步尝试替换金属材料，且有一定的轻量化效果。然而，由于模拟技术和设计方法的不足，往往在座椅设计初期需要盲目地进行大量的试制与试验测试，增加了开发的成本。采用长纤维增强热塑性复合材料(Long Fiber reinforced Thermoplastics，简称LFT)能量吸收分析模型和LFT材料初始设计方法，可以快速完成针对行李箱块冲击试验性能要求的LFT座椅背板骨架初始结构和材料的设计。

发明内容

本发明为了完成对乘用车后排座椅骨架初始材料设计，采用LFT能量吸收模型和LFT材料初始设计方法为主要手段，并以此提出了一种长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：

一种长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计方法，包括以下步骤：

步骤一：确定乘用车后排座椅抗撞性要求；

步骤二：推导LFT平板最小穿透能量表达式；

步骤三：研究基于冲击能量要求下LFT平板材料设计方法；

步骤四：设计座椅背板骨架初始材料；

步骤五：验证初始设计结果有限元和试验。

步骤一中所述的确定乘用车后排座椅抗撞性要求，具体是指：

(1)根据GB15083—2006中《行李位移乘客防护装置的试验方法》，对于汽车后排座椅冲击强度的认证规定，采用台车试验台进行座椅的冲击试验；

(2)试验样块尺寸为300mm×300mm×300mm，棱边倒角为20mm，质量为18kg，试验样块安装放置在行李舱的地板上，纵向与骨架有200mm的水平距离；

(3)试验样块为两块，两试验样块之间有50mm的横向距离，试验中台车所施加的减速度曲线满足《行李位移乘客防护装置的试验方法》要求；

(4)试验过程中及试验后，如果座椅及靠背锁仍保持原来位置，则认为满足要求；在试验期间，允许座椅骨架及其紧固件变形，条件是试验骨架和头枕部分的前轮廓不能向前方超出一横向垂面，对头枕部分，此平面经过座椅R-point，即R点前方150mm处的点；对座椅骨架部分，此平面经过座椅R点前方100mm处的点。

步骤二中所述的推导LFT平板最小穿透能量表达式，包括以下步骤：

第一，确定LFT平板最小穿透能量与LFT平板纤维总厚度存在着幂函数关系：

利用玻璃纤维和PP基体的密度值，将纤维质量分数换算为纤维体积分数V_f,再计算得到所有形式LFT平板的纤维总厚度t×V_f,将最小穿透能量U_{min>与纤维总厚度按式(1)进行非线性拟合，结果在对数坐标系中显示；}

U_{min>＝K×(t×Vf)^β>}

式中K和β是由试验确定的材料参数；

第二，分别对不同直径的落锤冲击不同纤维质量分数平板后的残余速度和初始冲击速度，并利用式(2)进行非线性拟合，得到落锤临界速度；

其中：v_r为落锤回弹速度，v_l为落锤临界速度，v₀为落锤初始冲击速度，k为拟合参数；

第三，将拟合得到的所有平板的临界速度按照式(3)进行计算，得到不同落锤直径时LFT平板的最小穿透能量U_min>；

m_p表示落锤质量；

第四，利用式(4)将不同落锤直径的最小穿透能量进行非线性拟合，拟合结果绘制于图中，得到不同落锤直径冲击时，最小穿透能量与纤维总厚度对数坐标图；

U_{min>＝K×(t×Vf)^β>}

公式中：K和β是由试验确定的材料参数，t为平板厚度，V_f为纤维体积分数；

第五，将式(4)进行修正，把LFT平板厚度、纤维体积分数和落锤直径的乘积作为自变量，公式(5)所示：

U_{min>＝K·(t·Vf·Dt)^β>}

D_t表示落锤直径；

第六：通过对比LFT平板最小穿透能量的理论计算和仿真计算结果，验证最小穿透能量理论表达式的准确性。

步骤三中所述的研究基于冲击能量要求下LFT平板材料设计方法，包括以下步骤：

首先：利用最小穿透能量作为桥梁，建立起平板吸能要求与材料参数之间的关系式(8)；

已知LFT能量吸收分析模型为：

求得U_min>为：

其中U_imp为落锤冲击能量，U_abs为平板吸收能量，U_imp和U_abs的取值范围均是[0,U_min>]；

将式(5)和(7)相结合可得联系：

然后：利用式(8)一方面估计LFT平板极限冲击能量，另一方面指导LFT材料初始设计和选择：

假设已知该LFT平板的厚度、纤维体积分数，和假设冲击体直径，同时了解冲击体回弹时平板的吸能要求，即U_abs已确定，根据式(8)从右至左，计算得到冲击体极限冲击能量，进而求得冲击体的极限冲击初始速度；

假设在确定冲击能量和冲击体直径这两个冲击工况条件下，从安全系数的角度，设定LFT平板需要吸收冲击能量的大致范围，根据(8)，从左至右计算，得到LFT材料纤维体积分数及对应的平板厚度，实现材料的初始设计。

步骤四中所述设计座椅背板骨架初始材料，包括以下具体内容：

对行李箱块冲击试验条件进行简化，利用式(8)对LFT座椅背板结构进行材料的初始设计和选择；

以单个行李块冲击背板为研究对象，将其简化为落锤冲击LFT平板结构，定义落锤的直径、质量和初始冲击速度，其中将行李块的边长视为落锤的直径；

从平板不被穿透及安全系数的角度考虑，分别计算，当平板吸收能量U_abs，占落锤冲击能量的比例为100％，90％，80％和70％时的LFT纤维质量分数和相应平板厚度，完成后排座椅背板骨架的初始设计。

步骤五中所述验证初始设计结果有限元和试验，包括以下步骤：

(1)选择一种质量分数的LFT材料，替换后排座椅背板骨架的金属材料，利用有限元分析软件，建立行李箱块冲击试验的仿真模型，将建立的有限元模型与台车试验结果对比，验证LFT材料模型的有效性；

(2)调整背板骨架厚度，进行计算获得符合要求的座椅背板厚度值，与基于能量吸收分析模型进行的座椅背板结构初始设计方法厚度值接近；以此证明，利用能量吸收分析模型，对LFT座椅背板结构进行初始材料设计的可行性与有效性。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计方法考虑复合材料力学特性表现出的应变率效应，通过非线性拟合建立起最小穿透能量与材料参数及落锤参数之间的关系。

2.本发明所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计方法以LFT平板最小穿透能量建立起能量吸收能力与材料参数及试验约束条件参数联系的桥梁。一方面可以估计LFT平板极限冲击能量，另一方面可以指导LFT材料初始设计和选择。假设已知该LFT平板的厚度，纤维体积分数和冲击条件，同时了解冲击回弹时平板的吸能要求，则可以计算得到冲击体极限冲击能量，进而求得冲击体的极限初始速度。此外，更具有工程实际意义的应用是假设在确定冲击工况下，从安全系数的角度设定LFT平板需要吸收冲击能量的大致范围，可以计算得到LFT材料纤维体积分数及对应的平板厚度，实现材料初始设计。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计的流程图；

图2为本发明所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计的试验样块质量及其布置图；

图3为本发明所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计的台车减速度曲线图；

图4为本发明所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计的LFT平板最小穿透能量与纤维总厚度对数坐标图；

图5-1为本发明所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计的落锤直径24mm时纤维质量分数为20％LFT平板落锤残余速度与初始冲击速度曲线图；

图5-2为本发明所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计的落锤直径24mm时纤维质量分数为30％LFT平板落锤残余速度与初始冲击速度曲线图；

图5-3为本发明所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计的落锤直径24mm时纤维质量分数为40％LFT平板落锤残余速度与初始冲击速度曲线图；

图6-1为本发明所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计的落锤直径16mm时纤维质量分数为20％LFT平板落锤残余速度与初始冲击速度曲线图；

图6-2为本发明所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计的落锤直径16mm时纤维质量分数为30％LFT平板落锤残余速度与初始冲击速度曲线图；

图6-3为本发明所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计的落锤直径16mm时纤维质量分数为40％LFT平板落锤残余速度与初始冲击速度曲线图；

图7-1为本发明所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计的落锤直径8mm时纤维质量分数为20％LFT平板落锤残余速度与初始冲击速度曲线图；

图7-2为本发明所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计的落锤直径8mm时纤维质量分数为30％LFT平板落锤残余速度与初始冲击速度曲线图；

图7-3为本发明所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计的落锤直径8mm时纤维质量分数为40％LFT平板落锤残余速度与初始冲击速度曲线图；

图8为本发明所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计的不同落锤直径冲击时最小穿透能量与纤维总厚度对数坐标图；

图9为本发明所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计的最小穿透能量与纤维总厚度和落锤直径乘积的对数坐标图；

图10为本发明所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计的最小穿透能量理论计算至仿真结果对比图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始设计方法流程图如图1所示，首先按照相关法规，明确对于乘用车后排座椅的抗撞性要求，搭建起有限元仿真模型；其次，建立起LFT平板最小穿透能量与平板厚度、纤维体积分数和落锤冲击之间的关系，完成最小穿透能量表达式推导；然后，根据LFT平板的最小穿透能量既与落锤冲击能量和平板吸收能量有关，又和材料纤维总厚度及落锤直径相关，因此利用最小穿透能量作为桥梁建立起平板吸能要求与材料参数设计之间的联系；接着，对行李箱块冲击试验条件进行简化，利用LFT平板材料设计方法对LFT座椅背板结构进行材料的初始设计和选择；最后，通过有限元仿真方法或试验试制对选择的纤维质量分数和厚度的座椅背板骨架进行验证，证明材料设计方法的有效性。

所述的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计方法如下：

1.确定乘用车后排座椅抗撞性要求

GB15083—2006中《行李位移乘客防护装置的试验方法》对于汽车后排座椅冲击强度的认证规定采用台车试验台进行座椅的冲击试验。试验样块尺寸为300mm×300mm×300mm，棱边倒角为20mm，质量为18kg。试验样块安装的位置如图2所示，放置与行李舱的地板上，纵向与骨架有200mm的水平距离；两试验样块之间有50mm的横向距离，试验中台车所施加的减速度曲线如图3所示。

试验过程中及试验后如果座椅及靠背锁仍保持原来位置，则认为满足要求。在试验期间，允许座椅骨架及其紧固件变形，条件是试验骨架和头枕部分的前轮廓不能向前方超出一横向垂面，对头枕部分，此平面经过座椅R-point，即R点前方150mm处的点；对座椅骨架部分，此平面经过座椅R点前方100mm处的点。

2.LFT平板最小穿透能量表达式推导

G.Caprino在研究复合材料层合板冲击特性时发现穿透能量不仅与材料参数有相关性而且与落锤直径这一加载条件存在函数关系。不难看出LFT平板最小穿透能量是联系能量吸收能力与材料参数及试验约束条件参数的重要桥梁。

复合材料层压板中平板厚度和纤维体积分数的乘积被定义为纤维总厚度，是影响穿透能量的主要参数，并与其存在幂函数关系。利用玻璃纤维和PP基体的密度值将纤维质量分数换算为纤维体积分数V_f,再计算得到了所有形式LFT平板的纤维总厚度(t×V_f),将最小穿透能量U_{min>与纤维总厚度按式(1)进行非线性拟合，结果在对数坐标系中显示。}

U_{min>＝K×(t×Vf)^β>}

式中K和β是由试验确定的材料参数。

确定LFT平板最小穿透能量与其纤维总厚度存在着幂函数关系。

毫无疑问，在落锤冲击能量不变的前提下落锤形状的变化会严重影响复合材料平板的穿透能量，其中落锤直径是典型的几何参数。因此，将落锤冲击模型中锤头质量一定的前提下，进行多种锤头直径计算。

分别对不同直径的落锤冲击不同纤维质量分数平板后的残余速度和初始冲击速度，并利用式(2)进行非线性拟合，得到落锤临界速度。

其中v_r为落锤回弹速度，v_l为落锤临界速度，v₀为落锤初始冲击速度，k为拟合参数。

将拟合得到的所有平板的临界速度按照式(3)进行计算，得到不同落锤直径时LFT平板的最小穿透能量U_min>。

利用式(4)将不同落锤直径的最小穿透能量进行非线性拟合，拟合结果绘制于图中，得到不同落锤直径冲击时最小穿透能量与纤维总厚度对数坐标图。

U_{min>＝K·(t·Vf)^β>}

可以看出不同落锤直径下拟合的曲线在研究范围内不会相交，甚至近似互相平行。因此，将式(4)进行修正，把LFT平板厚度、纤维体积分数和落锤直径的乘积作为自变量，如式(5)所示。

U_{min>＝K·(t·Vf·Dt)^β>}

将不同直径落锤冲击条件下得到的LFT平板最小穿透能量用式(5)进行非线性拟合，得到最小穿透能量的表达式。

通过对比LFT平板最小穿透能量的理论计算和仿真计算结果，验证最小穿透能量理论表达式的准确性。

3.基于冲击能量要求下LFT平板材料设计方法研究

LFT平板的最小穿透能量既与落锤冲击能量和平板吸收能量相关，又和材料纤维总厚度及落锤直径相关，因此利用最小穿透能量作为桥梁可以建立起平板吸能要求与材料参数之间的关系。

已知LFT能量吸收分析模型为：

可以求得U_min>为：

其中U_imp为落锤冲击能量，U_abs为平板吸收能量，U_imp和U_abs的取值范围均是[0,U_min>]。

将式(5)和(7)相结合可得联系：

在能量吸收分析模型确定的情况下，利用式(8)一方面可以估计LFT平板极限冲击能量，另一方面可以指导LFT材料初始设计和选择。假设已知该LFT平板的厚度，纤维体积分数和冲击体的直径，同时了解冲击体回弹时平板的吸能要求，即U_abs已确定，则根据式(8)从右至左计算得到冲击体极限冲击能量，进而求得冲击体的极限冲击初始速度。此外更具有工程实际意义的应用是假设在确定冲击能量和冲击体直径条件下，从安全系数的角度设定LFT平板需要吸收冲击能量的大致范围，则可以根据(8)从左至右计算得到LFT材料纤维体积分数及对应的平板厚度，实现材料的初始设计。

4.座椅背板骨架初始材料设计

先对行李箱块冲击试验条件进行简化，以便利用式(8)对LFT座椅背板结构进行材料的初始设计和选择。乘用车后排座椅通常采用“四六分”和“五五分”的结构形式，在行李块冲击时可以近似认为每个行李块只撞击其前面的座椅背板结构，之间没有交互影响。因此，以单个行李块冲击背板为研究对象，将其简化为落锤冲击LFT平板结构，定义落锤的直径、质量和初始冲击速度，其中将行李块的边长视为落锤的直径。从平板不被穿透及安全系数的角度考虑，分别计算当平板吸收能量U_abs占落锤冲击能量的比例为100％，90％，80％和70％时的LFT纤维质量分数和相应平板厚度，完成后排座椅背板骨架的初始设计。

5.初始设计结果有限元和试验验证

选择一种质量分数的LFT材料替换后排座椅背板骨架的金属材料，利用有限元分析软件建立行李箱块冲击试验的仿真模型来模拟，将建立的有限元模型与台车试验结果对比，验证LFT材料模型的有效性。

在此基础上，调整背板骨架厚度进行计算得到的厚度值与基于能量吸收分析模型对LFT座椅背板结构进行初始材料设计厚度接近，证明利用能量吸收分析模型对LFT座椅背板结构进行初始材料设计的可行性与有效性。

实施例：

本发明接下来结合实例介绍利用本发明提出的长纤维复合材料乘用车后排座椅骨架初始材料设计方法的过程。

1.确定乘用车后排座椅抗撞性要求

GB15083—2006中《行李位移乘客防护装置的试验方法》对于汽车后排座椅冲击强度的认证规定采用台车试验台进行座椅的冲击试验。试验样块尺寸为300mm×300mm×300mm，棱边倒角为20mm，质量为18kg。试验样块安装的位置如图2所示，放置与行李舱的地板上，纵向与骨架有200mm的水平距离；两试验样块之间有50mm的横向距离，试验中台车所施加的减速度曲线如图3所示。

试验过程中及试验后如果座椅及靠背锁仍保持原来位置，则认为满足要求。在试验期间，允许座椅骨架及其紧固件变形，条件是试验骨架和头枕部分的前轮廓不能向前方超出一横向垂面，对头枕部分，此平面经过座椅R-point，即R点前方150mm处的点；对座椅骨架部分，此平面经过座椅R点前方100mm处的点。

2.LFT平板最小穿透能量表达式推导

计算直径为24mm的落锤冲击模型，LFT平板最小穿透能量如表1所示，利用玻璃纤维和PP基体的密度值将纤维质量分数换算为纤维体积分数V_f，再计算得到所有形式LFT平板的纤维总厚度(t×V_f)，将最小穿透能量U_{min>与纤维总厚度按式(1)进行非线性拟合，结果在对数坐标系中显示见图4。}

表1LFT平板最小穿透能量

ω＝20％ω＝30％ω＝40％t＝2mm8.5811.1615.02t＝3mm14.0217.8221.33t＝4mm20.4324.9327.98

拟合结果中K＝30.69，β＝0.702，R²＝0.914，表明计算数据与拟合关系曲线具有良好的一致性。确定了LFT平板最小穿透能量与其纤维总厚度存在着幂函数关系。

在落锤冲击能量不变的前提下落锤形状会严重影响复合材料平板的穿透能量，其中落锤直径是典型的几何参数，保证锤头的质量为1kg，设置直径为24mm，16mm及8mm进行计算。

图5、图6和图7分别列出直径为24mm、16mm和8mm的落锤冲击不同纤维质量分数平板后的残余速度和初始冲击速度，并利用式(2)对数据进行非线性拟合。拟合结果中参数见表2、表3和表4。可以清楚地看出各拟合曲线与数据都具有非常好的一致性。

表2落锤直径为24mm的LFT平板临界速度拟合参数

LFT平板形式v_lkR²t＝2mm,ω＝20％4.141.800.999t＝3mm,ω＝20％5.301.810.999t＝4mm,ω＝20％6.401.840.999t＝2mm,ω＝30％4.721.840.999t＝3mm,ω＝30％5.971.900.999t＝4mm,ω＝30％7.061.830.999t＝2mm,ω＝40％5.481.880.999t＝3mm,ω＝40％6.531.870.999t＝4mm,ω＝40％7.841.790.999

表3落锤直径为16mm的LFT平板临界速度拟合参数

表4落锤直径为8mm的LFT平板临界速度拟合参数

将拟合得到的所有平板的临界速度按照式(3)进行计算得到不同落锤直径时LFT最小穿透能量U_{min>,计算结果如表5所示。}

表5落锤直径24mm、16mm和8mmm时LFT平板最小穿透能量

利用式(4)将落锤直径为24mm、16mm和8mm的最小穿透能量进行非线性拟合，拟合结果绘制于图中，得到不同落锤直径冲击时最小穿透能量与纤维总厚度对数坐标图，如图8所示。从图中可以看出三个落锤直径下拟合的曲线在研究范围内不会相交，甚至近似互相平行。因此将式(4)进行修正，把LFT平板厚度、纤维体积分数和落锤直径的乘积作为自变量，将三种直径落锤冲击条件下得到的LFT平板最小穿透能量用式(5)进行非线性拟合，拟合后的曲线与数据的对比结果如图9，可以看出二者具有良好的一致性。此时最小穿透能量的表达式为：

U_{min>＝1.72·(t·Vf·Dt)^0.928>}

其中，拟合方差R²＝0.901。图10对比LFT平板最小穿透能量的理论计算结果，可以看出绝大部分数据点分布在±10％的误差范围内，验证了最小穿透能量理论表达式的准确性。

3.基于冲击能量要求下LFT平板材料设计方法研究

LFT平板的最小穿透能量既与落锤冲击能量和平板吸收能量相关，又和材料纤维总厚度及落锤直径相关，因此利用最小穿透能量作为桥梁可以建立起平板吸能要求与材料参数之间的关系。

已知LFT能量吸收分析模型为式(7)，可以求得U_{min>为式(8)，将式(7)和(9)相结合可得联系：}

在能量吸收分析模型确定的情况下，利用式(10)一方面可以估计LFT平板极限冲击能量，另一方面可以指导LFT材料初始设计和选择。假设已知该LFT平板的厚度，纤维体积分数和冲击体直径这一冲击条件，同时了解冲击体回弹时平板的吸能要求，即U_abs已确定，则根据式(10)从右至左计算得到冲击体极限冲击能量，进而求得冲击体的极限冲击初始速度。此外更具有工程实际意义的应用是假设在确定冲击工况条件下，即U_imp和冲击体直径已确定，从安全系数的角度设定LFT平板需要吸收冲击能量的大致范围，则可以根据(10)从左至右计算得到LFT材料纤维体积分数及对应的平板厚度，实现材料的初始设计。

4.座椅背板骨架初始材料设计

对行李箱块冲击试验条件进行简化，以便利用式(10)对LFT座椅背板结构进行材料的初始设计和选择。选取“四六分”的乘用车后排座椅结构形式，在行李块冲击时可以近似认为每个行李块只撞击其前面的座椅背板结构，之间没有影响。因此，以单个行李块冲击背板为研究对象，将其简化为落锤冲击LFT平板结构，定义落锤的直径Dt为300mm，即行李块的边长，质量为18kg，初始冲击速度为8.57m/s，所以落锤的初始冲击能量U_{min>为660J。从平板不馁穿透及安全系数的角度考虑，分别计算当平板吸收能量Uabs占落锤冲击能量的比例为100％、90％、80％和70％时LFT纤维质量分数和相应平板厚度。}

汽车车身结构中通常使用的LFT的纤维质量分数范围为20％到50％。因此，利用式(10)对质量分数为20％、30％、40％和50％的LFT平板厚度t进行计算，对应的纤维体积分数为：9.77％、15.7％、22.4％和30.2％，结果如表6所示。

表6不同质量分数LFT材料不同安全系数下材料厚度计算

从表中可以看出随着纤维质量分数的增加，每个吸收能量条件下LFT平板的厚度也随之减小，最大值约为最小值的倍。当吸收能量与冲击能量的比逐渐减小，即安全系数增大时，平板厚度也明显增加，最大值约为最小值的8倍。

根据表中数据可以对后排座椅背板骨架进行初始设计，当选择力学性能最好的纤维质量分数50％的LFT时，座椅背板的最小厚度为12.33mm；当选择纤维质量分数40％的LFT时，背板的最小厚度为16.62mm，以此类推。

5.初始设计结果有限元和试验验证

选择纤维质量分数为50％的LFT替换后排座椅背板骨架的金属材料，座椅结构采用“四六分”的形式。两部分背板骨架的顶端均通过中心锁与车体结构相连，底部则利用中间和两侧支架与车体结构连接。

利用有限元软件Ls-Dyna建立行李箱块冲击试验仿真模型，其中LFT采用软件中24号弹-塑性材料模型模拟，一方面考虑当纤维质量分数为50％时纤维的分布随机性更大可以近似看成各向同性材料，另一方面是为了提高计算效率。材料模型中通过设置失效塑性应变来判断材料是否破坏。

将建立的有限元模型与台车试验结果对比，验证LFT各向同性材料模型的有效性，有限元模型的网格就是根据试制样件的几何模型建立的。

在此基础上，调整背板骨架厚度进行计算，发现当厚度为15mm时，座椅骨架能够满足法规要求，此结果可以充分地证明利用能量吸收分析模型对LFT座椅背板结构进行初始材料设计的可行性与有效性。