CN106250639A - 一种针对专用校车学生座椅抗前倾性能的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种针对专用校车学生座椅抗前倾性能的优化设计方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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；

采用步骤一中所述的步骤12)所用的弯曲特性提取方法获取每种标准件的力学参数信息，将所有的结果统计成表格；

33)选择管材的替换方案；

根据步骤二中所述的步骤25)中最后优化计算获得的在乘员伤害指标最小条件下的座椅管材的弯曲特性参数理论计算值，按照定义的五个简化参数构成的简化曲线形态相似度高的原则，从标准件的参数统计表格挑选出参数接近的标准管材；根据选出的每种管材的标准件替换结果，在座椅的简化力学模型中对梁单元的材料中的材料曲线参数进行替换，完成座椅骨架中管材的优化。

所述的步骤四包括以下步骤：

41)仿真计算是否满足要求；

将管材参数替换完成的座椅简化力学模型进行动态试验的仿真计算，获得假人的伤害情况，判断座椅的抗前倾性能是否满足要求；

42)满足要求；

若座椅的抗前倾性能满足法规要求，管材的优化结果就作为座椅最终的优化设计方案；

43)不满足要求；

若有乘员伤害指标不满足要求，加厚座椅骨架中的固定连接件厚度，减薄背板厚度，软化靠背泡沫，直到仿真结果中乘员伤害满足要求；最终的管材优化结果和固定连接件、背板、泡沫的优化结果一同作为座椅的优化设计方案。

本发明的有益效果为：

1、本设计方法中针对座椅建立的简化力学模型，省略了在优化过程中对模型的几何数据修改过程，缩短了建模过程和时间。在现有的针对校车学生座椅的抗前倾性能优化过程中，每次设计方案的修改都要从几何模型出发，然后再重新对几何模型处理并建立CAE分析模型，而本发明提供的优化设计方法采用简化梁结构代替了座椅的详细有限元结构，对于座椅的几何信息采用数学参数表达，从而省略了在优化过程中对几何模型的修改过程。

2、本设计方法中建立的座椅简化力学模型数据量更少，使得在模型计算过程中耗时更少，更有利于大量计算。目前在校车学生座椅的优化过程中普遍采用的CAE模型一般都依据座椅几何数据建立，模型相对比较复杂，数据量大，导致了计算过程耗时长，而本发明中采用梁单元建立的座椅简化力学模型，减少了模型的数据规模，计算速度更快。

3、本设计方法中采用的力学参数组合优化寻优的方法，使优化目标明确，避免了优化过程中的盲目性和不确定性问题。在目前的校车学生座椅的抗前倾性能的优化过程中，设计人员由于缺少设计经验和方法，优化的过程中只能通过不断的试错直到寻找到满足要求的座椅结果，导致了设计过程的盲目性和不确定性，这一过程可能会耗费大量的时间。本发明中采用数学方法建立座椅设计参数的输入和最后输出的乘员伤害响应的关系，并采用数学方法寻找给定条件下的最优解，避免了优化过程中的盲目性和不确定性问题。

附图说明

图1校车学生座椅抗前倾性能设计方法流程框图；

图2儿童假人无约束工况座椅变形情况对比；

图3 5百分位女性假人无约束工况座椅变形情况对比；

图4座椅管材的主要变形位置标记；

图5座椅管材部分的简化梁单元模型；

图6管材弯曲特性提取模型加载和约束情况示意图；

图7管材的弯曲特性曲线简化参数示意图；

图8管材的标准件替换方案。

图中：A、靠背直管；B、坐垫后直管；C、坐垫前直管；D、侧围直管；E、左V形管；F、前椅腿直管；G、后椅腿直管；H、右V形管；

1、1号变形位置；2、2号变形位置；3、3号变形位置；4、4号变形位置；5、5号变形位置；6、6号变形位置；7、7号变形位置；8、8号变形位置；9、9号变形位置；10、10号变形位置；11、11号变形位置；12、12号变形位置；13、13号变形位置；14、14号变形位置；15、15号变形位置；16、16号变形位置；17、17号变形位置；18、18号变形位置；19、19号变形位置；20、20号变形位置；21、21号变形位置；22、22号变形位置；23、23号变形位置；24、24号变形位置；25、25号变形位置；26、26号变形位置；27、27号变形位置；28、28号变形位置；29、29号变形位置；30、30号变形位置；31、31号变形位置；32、32号变形位置；33、33号变形位置。34、儿童假人无约束工况座椅变形前位置；35、儿童假人无约束工况座椅变形后位置；36、5百分位女性假人无约束工况座椅变形前位置；37、5百分位女性假人无约束工况座椅变形后位置。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明所应用的校车学生座椅的抗前倾性能优化设计方法是针对GB24406-2012中对校车学生座椅动态试验的性能要求提出的。根据法规中要求，在校车学生座椅的动态试验中，座椅应当具有足够的抗前倾性能，在模拟碰撞事故的过程中能够对座椅后方的乘员提供足够的保护，避免乘员发生较大的伤害。

参阅图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，该方法包括以下步骤：

步骤一、建立座椅的简化力学模型；

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；在特性提取模型中，管材长度为100毫米，使用有限元单元类型中的壳单元建模，截面尺寸和厚度与座椅仿真模型中管材相同，约束管材一端的全部自由度，在另一端施加弯矩使管材发生弯曲。利用后处理软件Ls-dyna以及办公软件Excel对弯曲过程中管材承受的弯矩与弯曲角度的函数关系绘制相应的曲线，即弯曲特性曲线。

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。

步骤二、座椅力学参数的优化设计；

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。

步骤三、管材零件的优化设计；

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；

采用步骤一中所述的步骤12)所用的弯曲特性提取方法获取每种标准件的力学参数信息，将所有的结果统计成表格；

33)选择管材的替换方案；

根据步骤二中所述的步骤25)中最后优化计算获得的在乘员伤害指标最小条件下的座椅管材的弯曲特性参数理论计算值，按照定义的五个简化参数构成的简化曲线形态相似度高的原则，从标准件的参数统计表格挑选出参数接近的标准管材；根据选出的每种管材的标准件替换结果，在座椅的简化力学模型中对梁单元的材料中的材料曲线参数进行替换，完成座椅骨架中管材的优化。

步骤四、座椅抗前倾性能的优化设计

41)仿真计算是否满足要求；

将管材参数替换完成的座椅简化力学模型进行动态试验的仿真计算，获得假人的伤害情况，判断座椅的抗前倾性能是否满足要求；

42)满足要求；

若座椅的抗前倾性能满足法规要求，管材的优化结果就作为座椅最终的优化设计方案；43)不满足要求；

若有乘员伤害指标不满足要求，加厚座椅骨架中的固定连接件厚度，减薄背板厚度，软化靠背泡沫，直到仿真结果中乘员伤害满足要求；最终的管材优化结果和固定连接件、背板、泡沫的优化结果一同作为座椅的优化设计方案。

实施例

本实施案例中以一款长条式三人座中小学校车座椅为优化设计对象，该款座椅在两种假人的无安全带约束工况中均出现了伤害指标超过限值的情况，已有的座椅仿真模型采用Ls-dyna软件建立。在已有的座椅动态试验仿真分析模型基础上，利用本发明中的优化设计方法，对该款座椅的抗前倾性能进行优化设计。在本次的实施例中，先控制背板厚度参数在1.0mm-2.0mm范围之间和靠背泡沫的厚度在10mm-30mm范围之间，然后改变过以骨架中固定连接件的厚度在1.5mm-4.0mm之间，使得仿真结果中乘员的伤害评价指标值满足法规要求。

1、建立座椅简化力学模型

参阅图2和图3，提取出座椅骨架中的金属管材零件部分，对比座椅的管材部分在5百分位女性假人无约束和6岁儿童假人无约束两种模拟工况中的变形情况即分别为5百分位女性假人无约束工况座椅变形前位置36、5百分位女性假人无约束工况座椅变形后位置37、儿童假人无约束工况座椅变形前位置34和儿童假人无约束工况座椅变形后位置35。

参阅图4，图中1至33是通过对骨架中管材部分在5百分位女性假人无约束和6岁儿童假人无约束两种模拟工况中的变形情况标记的管材主要的1号—33号变形位置，分别为1号变形位置1—33号变形位置33。

参阅图5，以管材两端和标记的变形位置作为梁单元的端点，使用Ls-dyna中的2号梁单元对现有管材中的壳单元进行分段替换，标记的变形位置是梁单元的连接点，是共用节点。

参阅图6，建立管材的弯曲特性提取模型，提取该座椅中不同截面管材的玩弯曲特性曲线，其中，θ为转角，M管材弯矩。

参阅图7，将获得管材的弯曲特性曲线进行简化。

使用Ls-dyna中29号材料定义梁单元的材料特性，将最终获得的管材弯曲特性简化参数信息对应输入到替换后的梁单元模型的材料信息中，座椅管材部分的简化力学模型建立完毕。

2、座椅力学参数的优化设计

以各种管材的弯曲特性曲线简化参数中各自M、Mp、Mm初始值的±50％区间作为试验设计种各个参数的取值范围；以大于零小于θm作为各种管材的弯曲特性曲线简化参数中的θp的试验设计参数取值范围，利用ISIGHT软件的试验设计建立了最优拉丁方试验，试验样本容量为96组，利用建立完成的座椅简化力学模型对每组试验的参数组合进行两种假人工况的仿真计算，统计两种假人的头部和胸部伤害指标。以座椅的每种管材的四个参数M、Mp、Mm、θp作为输入，两种工况的假人头、胸伤害指标作为输出，计算利用ISIGHT软件建立输入与输出的响应方程。在ISIGHT软件的遗传算法模块中，直接调用获得的响应方程，以两种假人的头、胸伤害指标最小化为优化约束，座椅简化模型中各个管材的四个参数M、Mp、Mm、θp作为输出，对该方程进行寻优计算，最终得到，满足乘员伤害指标最小条件下的座椅各个管材的弯曲特性理论参数。

3、座椅管材的参数替换

该款座椅中管材使用类型为方形管和矩形管，对应的标准件选择范围依据GB/T6726-2008《汽车用冷弯型钢尺、外形、重量及允许偏差》确定。建立方形管和矩形管的弯曲特性提取仿真模型，按照相同的简化方法对获得的弯曲特性曲线进行简化，统计获得的数据结果。

参阅图8，根据在遗传算法中获得的满足乘员伤害指标最小条件下的座椅管材的弯曲特性理论参数，在统计的数据中选择性能参数接近理论值的标准管材，靠背直管A的替换管材为20mm×20mm方形管，厚度1.75mm；坐垫后直管B和坐垫前直管C的替换管材为20mm×20mm方形管，厚度2.0mm；侧围直管D替换管材为20mm×20mm方形管，厚度2.0mm；左V形管E和右V形管H的替换管材为30×30mm方形管，厚度1.75mm；前椅腿直管F替换管材为30mm×30mm方形管，厚度1.5mm；后椅腿直管G替换管材为20mm×20mm方形管，厚度2.0mm。将替换的标准件弯曲特性参数替换到座椅简化模型中，座椅的管材零件的优化设计完成。

4、座椅抗前倾性能的优化设计

本实施例中该座椅的管材零件优化完成后，通过仿真发现该款座椅还有个别伤害指标不满足要求。继续对座椅的固定连接件、靠背背板和靠背泡沫进行优化。在座椅仿真模型中将固定件厚度加厚为4.0mm，背板厚度减薄为1.0mm，靠背泡沫软化为28kg/m3。利用模型进行动态试验仿真计算。

参阅表1，优化设计前后的座椅抗前倾性能得到了改善，假人的各项伤害均满足法规要求。

表1优化前后乘员伤害指标对比

Claims (5)

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)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。

4.根据权利要求3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；

采用步骤一中所述的步骤12)所用的弯曲特性提取方法获取每种标准件的力学参数信息，将所有的结果统计成表格；

33)选择管材的替换方案；

根据步骤二中所述的步骤25)中最后优化计算获得的在乘员伤害指标最小条件下的座椅管材的弯曲特性参数理论计算值，按照定义的五个简化参数构成的简化曲线形态相似度高的原则，从标准件的参数统计表格挑选出参数接近的标准管材；根据选出的每种管材的标准件替换结果，在座椅的简化力学模型中对梁单元的材料中的材料曲线参数进行替换，完成座椅骨架中管材的优化。

5.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，所述的步骤四包括以下步骤：

41)仿真计算是否满足要求；

将管材参数替换完成的座椅简化力学模型进行动态试验的仿真计算，获得假人的伤害情况，判断座椅的抗前倾性能是否满足要求；

42)满足要求；

若座椅的抗前倾性能满足法规要求，管材的优化结果就作为座椅最终的优化设计方案；43)不满足要求；

若有乘员伤害指标不满足要求，加厚座椅骨架中的固定连接件厚度，减薄背板厚度，软化靠背泡沫，直到仿真结果中乘员伤害满足要求；最终的管材优化结果和固定连接件、背板、泡沫的优化结果一同作为座椅的优化设计方案。