汪 隋,宋正超
(泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司,上海 201206)
美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局(NHTSA)的交通事故統(tǒng)計(jì)表明,兒童座椅能有效保護(hù)兒童乘員在交通事故中免受傷害或減輕傷害的程度[1],因此在乘用車(chē)安全開(kāi)發(fā)過(guò)程中,對(duì)兒童乘員保護(hù)安全性能的評(píng)估是重要一環(huán)。乘用車(chē)后排座椅通常都配有ISOFIX 接口,用來(lái)固定兒童座椅。目前基于兒童座椅拉拽的臺(tái)架試驗(yàn)下考核ISOFIX 固定點(diǎn)強(qiáng)度和其座椅的最大水平位移量,已經(jīng)成為國(guó)家汽車(chē)安全檢測(cè)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB14167—2013《汽車(chē)安全帶安裝固定點(diǎn)、ISOFIX 固定點(diǎn)系統(tǒng)及上拉帶固定點(diǎn)》[2](以下簡(jiǎn)稱(chēng)“國(guó)標(biāo)”)。
隨著CAE 仿真技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外汽車(chē)工程師對(duì)相關(guān)座椅拉拽類(lèi)的安全性能進(jìn)行了一系列研究并頗具成果。胡佳等[3]研究了ISOFIX 型兒童座椅碰撞安全性能的評(píng)價(jià)方法,進(jìn)行了ISOFIX 型兒童座椅正面碰撞臺(tái)車(chē)試驗(yàn)仿真,實(shí)現(xiàn)了分析和試驗(yàn)結(jié)果的一致性。朱劍峰等[4]研究了基于座椅拉拽安全性能的車(chē)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法,通過(guò)CAE 仿真解決了安全帶卷軸器支架和地板梁失效的問(wèn)題,并與試驗(yàn)對(duì)比取得了較高的對(duì)標(biāo)精度。美國(guó)福特汽車(chē)公司Bahri 等[5]基于座椅拉拽安全性能,研究了車(chē)身鈑金沖壓成型效應(yīng)對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響,并展示了車(chē)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析數(shù)據(jù)的對(duì)比。日本汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)Nagatani 等[6]對(duì)汽車(chē)在碰撞事故中減少兒童傷害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究,通過(guò)CAE 仿真優(yōu)化了兒童約束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),提高了兒童約束系統(tǒng)的安全性,從而減少兒童傷害的風(fēng)險(xiǎn)。印度汽車(chē)制造商Mahindra&Mahindra 公司 Kumar 等[7]研究了基于座椅拉拽安全性能的車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)方法,通過(guò)CAE 仿真優(yōu)化了車(chē)身上用于固定座椅的支架結(jié)構(gòu)、厚度和材料,解決了支架失效的問(wèn)題,并與試驗(yàn)對(duì)比取得了較高的對(duì)標(biāo)精度。
本文中根據(jù)國(guó)標(biāo)和泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司制定的兒童乘員保護(hù)安全標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“企標(biāo)”),針對(duì)上汽通用汽車(chē)的某車(chē)型在兒童座椅正前向力拉拽工況下的臺(tái)架試驗(yàn)中,ISOFIX 固定裝置焊點(diǎn)從車(chē)身上出現(xiàn)拉脫失效的問(wèn)題,采用有限元分析方法進(jìn)行模擬,并以此對(duì)車(chē)身進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。改進(jìn)后的車(chē)身通過(guò)了兒童座椅拉拽的臺(tái)架試驗(yàn),滿足比國(guó)標(biāo)更嚴(yán)格的企標(biāo)要求,且有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果具有較高的對(duì)標(biāo)精度。
ISOFIX 定義為國(guó)際通用的兒童約束系統(tǒng)固定裝置,是由一個(gè)直徑6 mm 的水平放置的剛性圓桿,與帶有ISOFIX 接口的兒童座椅連接配合使用。所述的ISOFIX 固定裝置焊接在車(chē)身上,對(duì)應(yīng)車(chē)身上的兩個(gè)剛性下固定點(diǎn)以及限制兒童座椅翻轉(zhuǎn)的上拉帶固定點(diǎn),如圖1和圖2所示。
圖1 ISOFIX焊接在車(chē)身上的位置
兒童座椅拉拽臺(tái)架試驗(yàn)將靜態(tài)施加裝置(static force application device,SFAD)替 代 兒 童 座 椅 。SFAD 為剛性的工裝,尾部通過(guò)鎖扣扣在ISOFIX 下固定點(diǎn)上,頭部可以通過(guò)上拉帶固定在上拉帶固定點(diǎn)上,如圖2所示。
圖2 SFAD通過(guò)ISOFIX固定在車(chē)身上
根據(jù)國(guó)標(biāo),兒童座椅拉拽臺(tái)架試驗(yàn)有3種工況:①“正前向力拉拽試驗(yàn)”是將SFAD安裝在ISOFIX 2個(gè)下固定點(diǎn)上,同時(shí)施加1 個(gè)大小為(8±0.25)kN、方向與水平呈(10±5)°的力,如圖3 所示;②“斜向力拉拽試驗(yàn)”是將SFAD安裝在ISOFIX 2個(gè)下固定點(diǎn)上,同時(shí)施加1 個(gè)大小為(5±0.25)kN、方向與水平呈(0±5)°、與正前方成75°的力,如圖4所示;③“上拉帶固定點(diǎn)拉拽試驗(yàn)”是通過(guò)1 個(gè)上拉帶固定點(diǎn)和2 個(gè)下固定點(diǎn)將SFAD 安裝在 ISOFIX 上,同時(shí)施加 1 個(gè)大小為(8±0.25)kN、方向與水平呈(10±5)°的力,如圖5所示。
國(guó)標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo):①I(mǎi)SOFIX 下固定點(diǎn)及周?chē)鷧^(qū)域允許出現(xiàn)永久變形,但不能出現(xiàn)焊點(diǎn)拉脫或鈑金開(kāi)裂失效;②SFAD 水平方向的最大位移應(yīng)限制在125 mm以內(nèi)。
圖3 正前向力拉拽
圖4 斜向力拉拽
圖5 上拉帶固定點(diǎn)拉拽
由于車(chē)身制造工藝存在一些不確定性因素影響車(chē)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,為克服制造工藝因素導(dǎo)致的影響,在進(jìn)行兒童座椅拉拽臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中,施加的載荷企標(biāo)比國(guó)標(biāo)要高出一定比例,其他方面跟國(guó)標(biāo)一致,因企標(biāo)比國(guó)標(biāo)更加嚴(yán)格,所以只要滿足企標(biāo)就一定能滿足國(guó)標(biāo)。
根據(jù)更加嚴(yán)格的企標(biāo),對(duì)某車(chē)型的兒童座椅進(jìn)行正前向力拉拽工況的臺(tái)架試驗(yàn),如圖6 所示。試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)車(chē)身第3#區(qū)域,如圖7所示,ISOFIX下固定板部分焊核從車(chē)身地板皮上出現(xiàn)拉脫失效,失效形式如圖8所示。從圖8中可以看出,焊點(diǎn)失效形式為焊點(diǎn)熱影響區(qū)(heat affected zone,HAZ)損傷的焊點(diǎn)失效,失效位置出現(xiàn)在車(chē)身地板皮上,可以判定為車(chē)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足。
圖6 正前向力拉拽工況下的臺(tái)架試驗(yàn)
圖7 ISOFIX在車(chē)身上的關(guān)注區(qū)
圖8 ISOFIX焊點(diǎn)HAZ損傷的焊點(diǎn)失效
根據(jù)以上臺(tái)架試驗(yàn)出現(xiàn)的失效問(wèn)題,為保證汽車(chē)開(kāi)發(fā)時(shí)間節(jié)點(diǎn),減少臺(tái)架試驗(yàn)次數(shù),應(yīng)用LSTC 公司的LS-DYNA 軟件[8]進(jìn)行兒童座椅拉拽仿真分析來(lái)對(duì)標(biāo)臺(tái)架試驗(yàn),通過(guò)仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)的結(jié)果改進(jìn)車(chē)身結(jié)構(gòu)。
焊點(diǎn)熱影響區(qū)(HAZ)損傷的焊點(diǎn)失效的有限元分析,需要在有限元模型中將HAZ 體現(xiàn)出來(lái),采用HAZ來(lái)進(jìn)行有限元建模較復(fù)雜,包含焊核、熱影響區(qū)和基材區(qū),如圖9 所示?;诿绹?guó)通用汽車(chē)公司Lee等[9]研究的焊點(diǎn)建模方法,焊核采用8個(gè)六面體單元所組成的直徑為5 mm的焊核網(wǎng)格,因焊核本體不會(huì)發(fā)生失效,采用剛體材料,HAZ和基材均采用殼單元網(wǎng)格,HAZ 直徑為8 mm,與焊核及基材區(qū)網(wǎng)格采用共節(jié)點(diǎn)方式連接,如圖10 所示。該焊點(diǎn)建模方法既能在幾何上與真實(shí)的焊點(diǎn)形狀接近,又能反映HAZ,還能體現(xiàn)拉伸、剪切、剝離和扭轉(zhuǎn)特性[10-11],具有較高的模擬精度,如圖11所示。
焊點(diǎn)HAZ 損傷的焊點(diǎn)失效判斷指標(biāo)為HAZ 在失效時(shí)刻的等效塑性應(yīng)變,基于美國(guó)通用汽車(chē)公司Lee 等[12]研究的焊點(diǎn)熱影響區(qū)(HAZ)損傷的焊點(diǎn)失效分析方法,可知在有限元分析中,HAZ的等效塑性應(yīng)變與材料厚度、材料屬性和網(wǎng)格尺寸強(qiáng)相關(guān),因HAZ 網(wǎng)格尺寸已經(jīng)確定,這些通過(guò)不同材料和厚度組合的焊接樣件強(qiáng)度的試驗(yàn)與有限元強(qiáng)度分析對(duì)標(biāo)來(lái)得到。根據(jù)試驗(yàn)對(duì)標(biāo)的HAZ 失效時(shí)刻的等效塑性應(yīng)變就可以制定焊點(diǎn)HAZ 損傷的焊點(diǎn)失效準(zhǔn)則,從而對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行失效判斷。
圖9 HAZ建模示意圖
圖10 HAZ有限元模型與實(shí)物電阻焊點(diǎn)斷面對(duì)比
圖11 焊點(diǎn)受力示意圖
鈑金斷裂失效判斷指標(biāo)為鈑金在斷裂時(shí)刻的等效塑性應(yīng)變。基于相關(guān)文獻(xiàn)[13-14]可知,有限元分析中鈑金的等效塑性應(yīng)變與材料及網(wǎng)格尺寸強(qiáng)相關(guān),根據(jù)美國(guó)通用汽車(chē)公司Lee等[9]研究的車(chē)身鈑金建模方法,車(chē)身鈑金建模采用5 mm殼單元?;诿绹?guó)通用汽車(chē)公司高強(qiáng)鋼材料標(biāo)準(zhǔn)GMW3032—2013和低碳鋼材料標(biāo)準(zhǔn)GMW2—2012 與有限元強(qiáng)度分析對(duì)標(biāo)可以得到采用5 mm 殼單元的鈑金在斷裂時(shí)刻的等效失效塑性應(yīng)變,從而制定鈑金斷裂失效準(zhǔn)則,就可以對(duì)車(chē)身焊接件的鈑金基材區(qū)進(jìn)行失效判斷。
根據(jù)企標(biāo)制定兒童座椅拉拽有限元分析的加載曲線,橫坐標(biāo)為加載時(shí)間,縱坐標(biāo)為載荷值,加載時(shí)間為200 ms,0-110 ms加載到國(guó)標(biāo)載荷要求值,110-170 ms 為持續(xù)國(guó)標(biāo)載荷的時(shí)間,170 ms 之后加載到企標(biāo)的載荷要求值。正前向力拉拽工況和上拉帶固定點(diǎn)拉拽工況的載荷曲線如圖12 所示,斜向力拉拽工況的載荷曲線如圖13所示。
圖12 正前向力/上拉帶固定點(diǎn)拉拽載荷曲線
圖13 斜向力拉拽載荷曲線
基于以上焊點(diǎn)HAZ 損傷的焊點(diǎn)失效準(zhǔn)則和鈑金斷裂失效準(zhǔn)則,有限元分析評(píng)價(jià)指標(biāo)為:(1)ISOFIX 固定點(diǎn)及其周?chē)k金焊點(diǎn)熱影響區(qū)等效塑性應(yīng)變小于目標(biāo)值;(2)鈑金基材區(qū)等效塑形應(yīng)變小于目標(biāo)值;(3)SFAD 水平方向最大位移量小于125 mm。
建立兒童座椅正前向力拉拽工況下的有限元分析模型,其內(nèi)容包含車(chē)身、座椅、SFAD、拉索和載荷/邊界約束。
兒童座椅正前向力拉拽有限元模擬分析步驟及內(nèi)容如下:
(1)車(chē)身、座椅、ISOFIX 固定裝置和 SFAD 的有限元模型建立;
(2)關(guān)鍵區(qū)域焊點(diǎn)HAZ建模,如圖14所示;
圖14 ISOFIX的焊點(diǎn)HAZ建模與實(shí)物對(duì)比
(3)模型的裝配(座椅、SFAD 及拉索與車(chē)身連接);
(4)模型的準(zhǔn)靜態(tài)材料應(yīng)力應(yīng)變曲線輸入;
(5)固定約束及載荷曲線的施加;
(6)定義計(jì)算和輸出的LS-Dyna控制卡片;
(7)模型的檢查和計(jì)算;
(8)分析結(jié)果的后處理。
搭建完整的兒童座椅正前向力拉拽分析模型,如圖15所示。
圖15 正前向力拉拽有限元模型
兒童座椅正前向力拉拽工況須考核ISOFIX 與車(chē)身焊接的1#、2#、3#、4#區(qū)域,如圖7所示。根據(jù)分析結(jié)果,這些區(qū)域的最大等效塑形應(yīng)變均出現(xiàn)在車(chē)身地板皮上。根據(jù)地板皮的材料和厚度,通過(guò)查詢焊點(diǎn)HAZ 損傷的焊點(diǎn)失效準(zhǔn)則和鈑金失效準(zhǔn)則得到:(1)地板皮焊點(diǎn)HAZ 發(fā)生損傷失效的等效塑性應(yīng)變?yōu)?8.6%;(2)地板皮基材出現(xiàn)斷裂失效的等效塑性應(yīng)變?yōu)?7%,以此為失效判據(jù)。
表1 為正前向力拉拽車(chē)身結(jié)構(gòu)評(píng)估。3#區(qū)域焊點(diǎn)HAZ 最大等效塑形應(yīng)變超過(guò)了目標(biāo)值,有焊點(diǎn)失效的風(fēng)險(xiǎn)。圖16 為3#區(qū)域焊點(diǎn)失效模式對(duì)標(biāo)。可以看出試驗(yàn)與有限元分析對(duì)標(biāo)一致。
除以上焊點(diǎn)失效模式對(duì)標(biāo),還應(yīng)計(jì)算并對(duì)標(biāo)SFAD 水平方向的位移結(jié)果。圖17 為SFAD 水平位移對(duì)標(biāo)曲線??梢钥闯鰧?duì)標(biāo)的兩條曲線對(duì)標(biāo)精度滿足小于10%目標(biāo)值,且SFAD 水平方向最大位移量滿足小于125 mm企標(biāo)的要求。
表1 正前向力拉拽車(chē)身結(jié)構(gòu)評(píng)估
圖16 3#區(qū)域焊點(diǎn)HAZ失效模式對(duì)標(biāo)
圖17 正前向力拉拽對(duì)標(biāo)曲線
根據(jù)以上焊點(diǎn)失效模式和SFAD 水平位移曲線的對(duì)標(biāo)結(jié)果,判定通過(guò)有限元分析可以預(yù)測(cè)試驗(yàn),根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行下一步車(chē)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)。
通過(guò)兒童座椅正前向力拉拽試驗(yàn)失效的形式如圖8所示??梢钥闯鍪У暮更c(diǎn)為ISOFIX與車(chē)身地板皮兩層焊接。經(jīng)測(cè)量地板皮厚度只有0.65 mm,遠(yuǎn)小于ISOFIX 的厚度1.2 mm,所以車(chē)身地板皮太薄,無(wú)法給ISOFIX 提供強(qiáng)壯的支撐是造成焊點(diǎn)失效的主要原因。
通過(guò)增加地板皮的厚度,提升地板皮的材料等級(jí)來(lái)改進(jìn)顯然不利于車(chē)身成本和質(zhì)量的控制。該失效區(qū)域從上到下總共有4個(gè)零件,分別為ISOFIX、地板皮、地板梁和加強(qiáng)板,如圖18 所示。根據(jù)美國(guó)通用汽車(chē)公司鋼材電阻點(diǎn)焊標(biāo)準(zhǔn)及修復(fù)流程GMW14057—2012 工藝要求,不能超過(guò)3 層以上的鈑金焊接,所以當(dāng)前設(shè)計(jì)只能為ISOFIX 和地板皮兩層焊接。
圖18 3#區(qū)域改進(jìn)焊接層數(shù)
通過(guò)工藝改進(jìn),在加強(qiáng)板開(kāi)工藝孔將3#區(qū)域出現(xiàn)失效的焊點(diǎn)2層焊改成3層焊,利用了強(qiáng)壯的地板梁來(lái)對(duì)ISOFIX 進(jìn)行加強(qiáng),兼顧了工藝可行性同時(shí)不影響成本和質(zhì)量,如圖19所示。車(chē)身3#區(qū)域ISOFIX焊接工藝改進(jìn)后的實(shí)物樣件如圖20所示。
圖19 3#區(qū)域改進(jìn)示意圖
圖20 3#區(qū)域改進(jìn)后的實(shí)物
經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的車(chē)身結(jié)構(gòu),在臺(tái)架試驗(yàn)前,須通過(guò)有限元分析評(píng)估是否解決了兒童座椅正前向力拉拽失效的問(wèn)題,且滿足兒童座椅拉拽的剩下兩種工況“斜向力拉拽”和“上拉帶固定點(diǎn)拉拽”的企標(biāo)要求。
因“上拉帶固定點(diǎn)拉拽”工況須考核5#到6#衣帽板區(qū)域,根據(jù)衣帽板的材料和厚度,通過(guò)查詢焊點(diǎn)HAZ損傷的焊點(diǎn)失效準(zhǔn)則和鈑金失效準(zhǔn)則得到:(1)衣帽板焊點(diǎn)HAZ 發(fā)生損傷失效的等效塑性應(yīng)變?yōu)?1.7%;(2)衣帽板基材出現(xiàn)斷裂失效的等效塑性應(yīng)變?yōu)?8%,以此為失效判據(jù)。
表2 為兒童座椅拉拽3 種工況下1#到4#區(qū)域地板皮和5#到6#區(qū)域衣帽板的等效塑性應(yīng)變。從表中可以看出,各區(qū)域均滿足失效判據(jù)的要求。通過(guò)分析結(jié)果提取的SFAD 最大水平位移量也均滿足小于125 mm的企標(biāo)要求。
綜上所述,經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的車(chē)身結(jié)構(gòu)滿足兒童座椅拉拽有限元分析評(píng)價(jià)指標(biāo),預(yù)測(cè)在后續(xù)進(jìn)行的兒童座椅拉拽臺(tái)架試驗(yàn)滿足企標(biāo)要求,因此可以進(jìn)行下一步臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。
表2 兒童座椅拉拽車(chē)身結(jié)構(gòu)評(píng)估
根據(jù)企標(biāo)對(duì)改進(jìn)后的車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行兒童座椅拉拽的臺(tái)架試驗(yàn),臺(tái)架試驗(yàn)分3 種工況,如圖21~圖23所示。試驗(yàn)結(jié)束后,車(chē)身1#到6#區(qū)域均未發(fā)生焊點(diǎn)拉脫和鈑金開(kāi)裂的失效,與有限元分析預(yù)測(cè)一致。通過(guò)試驗(yàn)提取的SFAD 水平方向位移曲線和有限元分析結(jié)果對(duì)標(biāo),如圖24~圖26 所示??梢钥闯鲈囼?yàn)與有限元分析對(duì)標(biāo)精度均滿足小于10%目標(biāo)值,且SFAD 水平方向最大位移量均滿足小于125 mm企標(biāo)的要求。
圖21 正前向力拉拽試驗(yàn)與仿真對(duì)比
圖22 斜向力拉拽試驗(yàn)與仿真對(duì)比
圖23 上拉帶固定點(diǎn)拉拽試驗(yàn)與仿真對(duì)比
圖24 正前向力拉拽對(duì)標(biāo)曲線
圖25 斜向力拉拽對(duì)標(biāo)曲線
圖26 上拉帶固定點(diǎn)拉拽對(duì)標(biāo)曲線
綜上所述,經(jīng)改進(jìn)后的車(chē)身結(jié)構(gòu)通過(guò)了兒童座椅拉拽的臺(tái)架試驗(yàn),滿足企標(biāo)要求,且有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)具有良好的一致性,證明了基于兒童座椅ISOFIX 的車(chē)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)有限元分析方法具有很好的適用性和可靠性。
(1)建立了焊點(diǎn)熱影響區(qū)(HAZ)損傷的焊點(diǎn)失效準(zhǔn)則和鈑金斷裂失效準(zhǔn)則,為車(chē)身結(jié)構(gòu)性能提供了定量評(píng)價(jià)指標(biāo),確保了后續(xù)車(chē)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案的可靠性。
(2)建立了基于兒童座椅拉拽的車(chē)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)有限元分析方法,使兒童座椅拉拽臺(tái)架試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果對(duì)標(biāo)具有良好的一致性,驗(yàn)證了該方法的適用性和可靠性。
(3)基于兒童座椅拉拽的車(chē)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)有限元分析,可以有效地在車(chē)輛開(kāi)發(fā)前期對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行快速虛擬評(píng)估,降低了后期物理臺(tái)架試驗(yàn)失效的風(fēng)險(xiǎn),減少了試驗(yàn)次數(shù),為車(chē)身設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)全新設(shè)計(jì)思路。