汽車座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析及骨架輕量化設(shè)計(jì)

符大興 李登云 劉華官 莫先培 韋晶晶

1.上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007 2.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院 湖北省武漢市 430070

1 引言

汽車座椅是影響整車安全性的重要部件之一，它直接關(guān)系到乘員的乘坐舒適度和乘車安全性。座椅安全帶系統(tǒng)在汽車被動(dòng)安全上起著重要的作用，汽車安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度是保證安全帶系統(tǒng)有效工作的基礎(chǔ)。本文通過對(duì)汽車座椅安全帶固定點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，建立了安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度的CAE模型并對(duì)其進(jìn)行分析，對(duì)通過法規(guī)要求的座椅骨架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)并進(jìn)行強(qiáng)度分析，最后進(jìn)行安全性能試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)行GB14167-2013《汽車安全帶安裝固定點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求》，車輛在投產(chǎn)前需對(duì)座椅安全帶固定點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，法規(guī)規(guī)定該過程是一種準(zhǔn)靜態(tài)、非線性問題，在60s內(nèi)對(duì)固定點(diǎn)加載的載荷需達(dá)到規(guī)定的值，且保持在0.2秒以上，在此期間安全帶不得從安裝固定點(diǎn)脫落，固定點(diǎn)周圍允許產(chǎn)生永久變形。

3 安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度分析

3.1 有限元模型的建立

本次研究選擇某車型中排左獨(dú)立座椅安全帶固定點(diǎn)模型進(jìn)行強(qiáng)度分析，考慮到中排座椅安全帶固定點(diǎn)在車身，采用殼單元建立白車身有限元模型，其單元網(wǎng)格尺寸大小定為10mm。此外，在符合精度要求的條件下，再針對(duì)安全帶固定點(diǎn)的受力情況，在局部?jī)?yōu)化安全帶固定點(diǎn)受力區(qū)域的網(wǎng)格，本文中白車身鈑金件之間的焊點(diǎn)均是采用Beam單元，座椅骨架模型有81760個(gè)單元，87434個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型如圖1所示。

3．1．1 加載方法

據(jù)法規(guī) GB-T14167—2006要求，三點(diǎn)式安全帶加載裝置分別施加13.5KN的力，由于本文研究的中排座椅下固定點(diǎn)位于座椅上，因此還需要對(duì)該座椅施加大小等同于座椅質(zhì)量20倍且作用于座椅質(zhì)心的力，由于該車型中排左座椅14.1Kg，因此20倍重力施加2764KN；該車型中排右座椅16.9kg，因此20倍重力施加3312KN。加載方向與水平線成10°±5°且沿車輛縱向中心平面向前。載荷在100ms內(nèi)緩慢加載至100%，之后保持至模型收斂。約束條件為約束車身橫截面處六個(gè)方向上的自由度。載荷加載如圖2所示。

3．1．2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）安全帶安裝固定點(diǎn)及周圍區(qū)域允許塑性變形，但不能發(fā)生斷裂或者損壞。

（2）如果上固定點(diǎn)在座椅上，則試驗(yàn)期間，上有效固定點(diǎn)前移量不能超過R點(diǎn)。

圖1 有限元模型

圖2 加載曲線

3.2 CAE分析

有限元分析方法主要有隱式和顯式兩種，而汽車安全帶固定點(diǎn)屬于準(zhǔn)靜態(tài)問題，雖然準(zhǔn)靜態(tài)問題用隱式分析方法精度比較高，但在涉及不穩(wěn)定以及復(fù)雜的接觸問題時(shí)很難得到收斂的解。而采用Ls-Dyna顯示動(dòng)力學(xué)軟件解決此類問題，能解決各種復(fù)雜的接觸問題并能夠容易得到收斂的解。因此本研究采用Ls-Dyna非線性顯示分析方法進(jìn)行求解。

根據(jù)Ls-Dyna求解結(jié)果，利用Hyperview后處理軟件中查看分析結(jié)果。根據(jù)評(píng)判準(zhǔn)則，座椅應(yīng)變小于0.2認(rèn)為材料安全；應(yīng)變0.2-0.25應(yīng)給予關(guān)注，認(rèn)為安全裕度不足；應(yīng)變0.25-0.3應(yīng)提出預(yù)警，認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)很大；應(yīng)變大于0.3認(rèn)為材料將失效。如圖3所示，主駕座椅安全帶上固定點(diǎn)處的最大應(yīng)變?yōu)?.003，失效風(fēng)險(xiǎn)較小，滿足準(zhǔn)則要求。如圖4所示，主駕卷收器安裝點(diǎn)處的最大應(yīng)變?yōu)?.021，失效風(fēng)險(xiǎn)較小，滿足準(zhǔn)則要求。如圖5所示，主駕座椅左后腳安裝點(diǎn)處的最大應(yīng)變?yōu)?.271，有失效風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。如圖6所示，副駕座椅安全帶固定點(diǎn)處的最大應(yīng)變?yōu)?.006，失效風(fēng)險(xiǎn)較小，滿足準(zhǔn)則要求。如圖7所示，副駕座椅卷收器處的最大應(yīng)變?yōu)?.018，失效風(fēng)險(xiǎn)較小，滿足準(zhǔn)則要求。如圖8所示，副駕座椅左后腳最大應(yīng)變?yōu)?.015，失效風(fēng)險(xiǎn)較小。

圖3 主駕安全帶上固定點(diǎn)應(yīng)變

圖4 主駕座椅卷收器應(yīng)變

3.3 改進(jìn)方案

通常改善座椅安裝腳的方法有增加厚度或者改變材料，而增加厚度會(huì)改變整車重量，改變材料會(huì)增加成本。為了控制整車成本與車重，采用局部加厚的方式來增加座椅左后腳處的強(qiáng)度，座椅左后安裝腳處的材料由SCM435改為QSTE420，厚度由2.5mm改為3.0mm，如圖9所示。對(duì)改進(jìn)后的模型重新進(jìn)行安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度分析，如圖10所示，計(jì)算應(yīng)變0.046，而抗拉應(yīng)變?yōu)?.2，故安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度滿足要求。

圖5 主駕座椅左后腳應(yīng)變

圖6 副駕座椅上固定點(diǎn)應(yīng)變

圖7 副駕座椅卷收器應(yīng)變

圖8 副駕座椅左后腳應(yīng)變

圖9 改進(jìn)模型

圖10 改進(jìn)應(yīng)變

4 座椅骨架的輕量化

4.1 輕量化設(shè)計(jì)方法

從以上分析來看，該車型中排獨(dú)立座椅符合國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)中對(duì)于強(qiáng)度的規(guī)定。但是座椅質(zhì)量較大，不利于整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。因此對(duì)強(qiáng)度滿足要求的汽車座椅進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)是非常必要的。

對(duì)座椅骨架的輕量化設(shè)計(jì)主要有兩種方法[2]：替換材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。材料替換是用新材料或者合成材料替換原有的鋼材；結(jié)構(gòu)優(yōu)化是對(duì)整個(gè)座椅進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)。本研究主要采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化和替換材料的方法進(jìn)行座椅的輕量化設(shè)計(jì)。

4.2 輕量化設(shè)計(jì)及分析

本文選取某車型中排獨(dú)立座椅作為優(yōu)化對(duì)象，通過迭代計(jì)算，可獲得優(yōu)化后座椅數(shù)模，如圖11所示。減重明細(xì)表如表1所示，零件V1到V10的材料均由QSTE500改為CR980，其中V1到V3的V3實(shí)物壁厚由2.5mm改為1.8mm，V4和V5的壁厚由1.6mm改為1.4mm，V6到V10的壁厚由2.0mm改為1.4mm。各零件合計(jì)減重1.543kg，減重后的座椅質(zhì)量比原來減輕了4.9%。

圖11 減重部分座椅模型

4.3 強(qiáng)度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化后的座椅強(qiáng)度，對(duì)其進(jìn)行CAE分析，經(jīng)過迭代計(jì)算可獲得應(yīng)變圖，如圖12所示，應(yīng)力分布較為均勻，各部件均無失效風(fēng)險(xiǎn)。說明減重方案是合理的。

圖12 減重后座椅應(yīng)變

圖13 座椅前部固定

5 座椅安全性能試驗(yàn)

依照GB141667-2013《汽車安全帶固定點(diǎn)、ISOFIX固定點(diǎn)系統(tǒng)及上拉帶固定點(diǎn)》和GB15083-2006《汽車座椅、座椅固定點(diǎn)裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》對(duì)座椅安全帶固定點(diǎn)進(jìn)行拉力試驗(yàn)，驗(yàn)證減重后的座椅是否滿足法規(guī)要求，測(cè)試了安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度以及座椅骨架的強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示，當(dāng)載荷加載到188%時(shí)，座椅骨架在安全帶固定點(diǎn)、滑軌處等無斷裂，強(qiáng)度滿足要求，所以此減重方案是可行的。

6 結(jié)論

本文研究了某車型中排獨(dú)立座椅的安全性能，對(duì)安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行分析并對(duì)其強(qiáng)度通過國(guó)家相關(guān)規(guī)定的座椅進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)座椅減重1.543kg。并對(duì)減重后的座椅安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度以及座椅骨架強(qiáng)度進(jìn)行安全性能試驗(yàn)。試驗(yàn)加載過程中滑軌等部件無明顯變形，安全帶固定點(diǎn)無斷裂現(xiàn)象，說明減重可行，可作為實(shí)際生產(chǎn)的理論參照。

表1 各零件減重明細(xì)表