基于LS-DYNA的汽車安全帶固定點強度分析

摘要：建立某款CDV車型后排安全帶固定點強度分析的有限元模型，利用LS-DYNA軟件對安全帶固定點強度試驗過程進(jìn)行仿真。結(jié)果顯示安全帶上固定點前向位移超出法規(guī)要求范圍。進(jìn)一步分析該固定點前向位移超標(biāo)的主要原因，提出了座椅及車身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案，結(jié)果表明改進(jìn)方案能夠滿足法規(guī)要求。

關(guān)鍵詞：安全帶固定點;仿真;強度分析;結(jié)構(gòu)改進(jìn)

0 ?引言

安全帶作為汽車被動安全的一項配置，當(dāng)車輛發(fā)生事故時起著保護(hù)車內(nèi)乘員的重要作用。安全帶附屬的各零部件強度能夠滿足要求是其發(fā)揮保護(hù)作用最基本的前提條件。為此有關(guān)部門專門制定了GB14167國家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)屬于汽車法規(guī)強檢項目，主要用于檢測安全帶固定點的強度。為了滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求，整車廠需要在設(shè)計時考慮到安全帶固定點及座椅的強度。本文以某車型后排長條座椅的安全帶固定點為分析對象，建立包括車身、座椅、安全帶系統(tǒng)及用于加載的上下人體模塊的有限元模型，通過仿真分析，指出了不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過進(jìn)一步改進(jìn)座椅及車身結(jié)構(gòu)，最終滿足了法規(guī)要求。

1 ?汽車安全帶安裝固定點系統(tǒng)

1.1 安全帶固定點系統(tǒng)簡介

我國國標(biāo)GB14167明確規(guī)定安全帶的固定點既可設(shè)在車輛的構(gòu)架上或座椅構(gòu)架上，亦可設(shè)在車輛的其它部件上[1]，或者分設(shè)于以上各部件上。對于M1類車輛，前排兩個單人座椅及后排兩側(cè)座椅通常采用三點式安全帶，安全帶上固定點位于立柱（B柱、C柱）上部，一個下固定點位于門檻上部，另一個下固定點位于座椅內(nèi)側(cè)骨架上或車身上。新修訂的標(biāo)準(zhǔn)GB14167-2013規(guī)定，對于新定型產(chǎn)品，中間座椅位置必須采用3點式安全帶。其兩個下固定點位于座椅骨架上或車身上，上固定點一般設(shè)置在座椅靠背上或車身頂棚上。對于固定點位于座椅上時，尤其是上固定點位于座椅靠背上時，對固定點強度就提出了更高的要求。本文分析的對象正是采用這種固定方式。

1.2 汽車安全帶固定點強度試驗簡介

1.2.1 上下人體模塊

對車輛的安全帶固定點系統(tǒng)進(jìn)行試驗的裝置，如圖1所示。靜態(tài)試驗下，載荷作用于該裝置，用于檢驗安全帶固定點系統(tǒng)的強度。

1.2.2 試驗方法

將車輛固定在試驗臺上，所有固定車輛的裝置應(yīng)距被測固定點前方不小于500mm或后方不小于300mm處， 且不得對其周圍部分起加強作用，同時亦不得減弱構(gòu)架正常的變形。同排座椅的安全帶固定點應(yīng)同時進(jìn)行試驗，沿平行于車輛縱向中心平面并與水平線成向上10°±5°的方向施加載荷。利用模擬織帶同時對上下人體模塊施加13.5kN±0.2kN的試驗載荷。對于固定點設(shè)于座椅骨架上時，還應(yīng)對座椅施加一個相當(dāng)于座椅總成質(zhì)量20倍的力。先施加總載荷10%的預(yù)加載，然后4s內(nèi)完成平滑加載[2]，并至少持續(xù)0.2s。

1.2.3 強度要求

按規(guī)定完成試驗后：

①允許固定點或周圍區(qū)域有永久變形，包括部分?jǐn)嗔鸦虍a(chǎn)生裂紋，但不應(yīng)造成該固定點失效;

②對上、下固定點之間的間隔亦有要求;

③若上固定點在座椅構(gòu)架上，試驗期間，上有效固定點前向位移應(yīng)在通過R點的橫向平面以內(nèi)。

本文分析對象經(jīng)試驗測試，所有固定點均滿足1、2中的強度要求，但對應(yīng)中間座椅位置處靠背上的上固定點前向位移超出規(guī)定的范圍，不滿足法規(guī)要求。鑒于此，本文通過有限元仿真，分析位移超標(biāo)的原因，并提出了改進(jìn)方案，滿足了法規(guī)要求。

2 ?有限元模型建立及仿真

2.1 模型建立

從白車身模型中截取后部車身，然后將座椅及加載裝置有限元模型導(dǎo)入并定位上下人體模塊，座椅靠背傾角調(diào)整至設(shè)計位置。參考GB14167中關(guān)于車身固定的內(nèi)容對模型施加邊界條件?？蓪δＰ瓦M(jìn)行合理的簡化，縮短分析時間，但不能影響計算結(jié)果。調(diào)試完成的有限元模型，如圖2 所示。

2.2 仿真結(jié)果及分析

利用非線性分析軟件LS-DYNA對模型進(jìn)行計算，得到仿真歷程中各結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的變形如圖3所示，中間座椅位置靠背上固定點P距R點所在橫向平面之間X向距離d的時間歷程曲線如圖4所示。

從圖3中可以看出，座椅相對于車身發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，同時座椅自身的靠背相對于坐墊之間的夾角也發(fā)生了改變，經(jīng)測量二者之間夾角改變了13°。進(jìn)一步分析可知，4個下固定點設(shè)于座椅后支撐上，該支撐通過鎖鉤將載荷傳遞給底板橫梁。加載過程中該橫梁向Z向拱起，與其連接的后底板縱梁搭接部位的材料也發(fā)生了撕裂。如圖5所示，橫梁的剛度、強度不足，對座椅后部支撐Z向約束失效，導(dǎo)致座椅發(fā)生了整體翻轉(zhuǎn)。中間座椅位置上固定點作用的載荷對靠背下部支撐板產(chǎn)生較大的力矩，致其局部產(chǎn)生折彎變形，不能對靠背提供很好的支撐導(dǎo)致靠背與坐墊之間的夾角改變。座椅翻轉(zhuǎn)及靠背與坐墊之間的夾角減小必將引起上固定點P的向前移動。

3 ?改進(jìn)措施及結(jié)果

3.1 改進(jìn)方案

針對上面的分析，通過提高橫梁及座椅靠背下支撐板的剛度及材料強度以減小二者的變形。對橫梁與縱梁搭接部位重新設(shè)計，增大搭接面，增加焊點密度以提高接頭部位的連接強度，對于無法采用點焊的部位增加二氧化碳保護(hù)焊，降低該部位失效的風(fēng)險。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)能夠滿足法規(guī)的要求。

3.2 改進(jìn)方案的結(jié)果

改進(jìn)后，座椅未發(fā)生相對于車身的翻轉(zhuǎn)，且靠背傾角相對于改進(jìn)前有明顯改觀，設(shè)于靠背上的固定點處于法規(guī)要求的安全范圍之內(nèi)。實際上，在提高座椅靠背下部支撐強度時，座椅骨架上還設(shè)計了一矩形截面梁，在座椅受到外界載荷沖擊時，通過其彈性變形起到緩沖吸能的作用，允許靠背角在一定范圍內(nèi)減小。

根據(jù)計算結(jié)果，由圖6可以看出，底板橫梁Z向的最大拱起量為18.5mm，未發(fā)現(xiàn)本體局部有明顯折彎，與后底板縱梁搭接部位也未出現(xiàn)有材料撕裂現(xiàn)象，說明改進(jìn)后，橫梁的剛度及強度明顯改善，能夠為座椅提供足夠的約束作用。

從圖7中可以看出，設(shè)于靠背上的上固定點在200ms之后，位移基本不再改變，直到仿真結(jié)束，這說明車身及座椅結(jié)構(gòu)達(dá)到了一種穩(wěn)定狀態(tài)。300ms時，上固定點P位于過R點的橫向平面后部120mm處，完全滿足法規(guī)對于上固定點位移的要求。車輛按改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)參加認(rèn)證試驗，已順利通過。

4 ?總結(jié)

通過仿真計算得知原座椅結(jié)構(gòu)強度及底板橫梁強度不足，導(dǎo)致靠背上固定點位移不能滿足法規(guī)要求，針對存在的結(jié)構(gòu)強度不足問題進(jìn)一步分析原因，提出了有效的改進(jìn)方案。結(jié)果表明：改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)能滿足安全帶固定點強度法規(guī)的要求。本次改進(jìn)分析也說明了借助有限元仿真技術(shù)可有效模擬物理試驗，重現(xiàn)加載過程，預(yù)先研判結(jié)果，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的不足。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后可重復(fù)進(jìn)行仿真驗證，從而減少試驗次數(shù)，降低開發(fā)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB 14167-2013，汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點及上固定點系統(tǒng)[S].

[2]曹奇，成艾國，周澤，等.汽車座椅安全帶固定點強度試驗仿真模型改進(jìn)[J].中國機械工程，2012，23（6）：1707-1711.

[3]方月嬌.某MPV車型安全帶固定點結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[J].內(nèi)燃機與配件，2019（09）：47-49.

作者簡介：廉振紅（1981-），河南太康人，高校講師，碩士研究生，研究方向為機械動力學(xué)。