汽車安全帶固定點強度分析

鄧國紅，楊 浩，楊鄂川，張 勇

(重慶理工大學重慶汽車學院，重慶 400054)

汽車安全帶安裝固定點的強度是汽車被動安全的一個重要指標，是車輛《公告》試驗的強制檢查項目。在碰撞事故發(fā)生時，安全帶固定點周圍區(qū)域撕裂、斷裂是造成人員傷亡的主要原因。GB 14167—2006《汽車安全帶安裝固定點》［1］標準要求，在承受固定點試驗載荷的情況下，安全帶固定點的強度必須保證安全帶不得從安裝固定點處脫落，但允許安裝固定點及周圍區(qū)域產生永久變形或裂紋。目前國內在這方面的相關研究較少。文獻［2］僅僅采用線性靜力學分析方法，截取固定點周圍區(qū)域進行計算，直接將載荷分解成直角坐標系X、Y、Z三個方向的分力，加載在安全帶安裝點上，與國家標準的加載方法相比，模擬不夠精確，也無法分析標準中所允許的塑性變形。文獻［3］將分析置于整個白車身模型中，采用顯式求解方法，按照國家標準規(guī)定載荷加載，直接將載荷施加在安全帶上。但是法規(guī)要求有試驗的人體模塊，載荷施加在人體模塊上，然后再將力傳遞到安全帶，最后將力傳遞到固定點，所以分析也不夠精確。

本文以某款國產乘用車為例，以安全帶固定點強度分析為目的，搭建整車有限元模型，并加入座椅、人體模塊(肩塊和臀塊)、安全帶模型，將安全帶固定點強度分析放在完善的整車有限元模型中。采用LS-DYNA的顯示求解器對該準靜態(tài)問題進行非線性分析，研究汽車符合GB 14167的可能性，探討模型的建立、失效判斷、安全帶固定點強度分析方法［4－19］。

1 有限元模型建立

白車身有限元模型:國家標準規(guī)定，試驗既可以在車身框架上進行，亦可在整車上進行，所以本文采用殼單元建立白車身有限元模型，包括前排座椅和后排座椅模型。根據(jù)法規(guī)要求，白車身模型不帶擋風玻璃和側圍玻璃。整個仿真模型有610 385個單元，626 687個節(jié)點。

座椅有限元模型:汽車座椅由骨架、調節(jié)機構、坐墊、靠背及頭枕組成，碰撞中的主要承力部件是骨架、坐墊、靠背及頭枕，調節(jié)機構在建立有限元模型時省略。座椅骨架結構均是薄壁件，故以殼單元模擬骨架;坐墊、靠背及頭枕均為實體模型，以六面體單元模擬，并以泡沫材料定義屬性。

安全帶有限元模型:在Hypermesh的safety模塊下建立1D/2D混合型安全帶，2D安全帶單元采用二維殼單元，平均單元尺寸為12 mm。

加載器有限元模型:安全帶固定點測試工具包括人體模塊(臀塊和肩塊)、加載器模塊，其有限元模型由VPG軟件提供，導入Hypermesh軟件。圖1為加載裝置局部放大圖。

圖1 加載裝置局部放大圖

2 邊界條件確定

國家標準規(guī)定“所有固定車輛的裝置應距被測固定點前方不小于500 mm或后方不小于300 mm處，且不得影響構架結構”。按照法規(guī)要求進行約束，車輛固定點設置在前后懸架安裝位置和白車身連接副車架處，如圖2所示。

按照國家標準GB14167—2006中的規(guī)定［1］，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。先施加總載荷10%的預加載，然后增加載荷至總載荷，在60 s內加載至規(guī)定值。利用模擬織帶對上人體模塊施加13 500±200 N的試驗載荷，與此同時，對下人體模塊施加13 500±200 N的試驗載荷，在座椅質心處施加一個相當于座椅總成質量20倍的力。前座椅總成質量為17 kg，因此載荷為3 332 N;后座椅總成質量為18.5 kg，因此載荷為3 626 N。圖3、4分別為前后排安全帶固定點模型邊界條件。

3 參數(shù)設置

車身的主要零部件是由薄板沖壓而成，薄板材料的動態(tài)力學性能對車身的耐撞性有重要影響。與靜載作用相比，彈塑性材料在動載作用下的本構關系具有一系列不同的力學特性，其中最重要的特性之一是在快速加載條件下，許多金屬材料的屈服極限明顯提高，而屈服的出現(xiàn)卻有滯后現(xiàn)象［4］。材料的動態(tài)和靜態(tài)本構關系的主要差別之一在于前者要考慮應變率效應［5］。車身鈑金件材料采用DYNA中的24號材料模型，該模型是分段線性各向同性硬化材料模型。由于安全帶固定點加載試驗可以被看作是準靜態(tài)問題，所以將用來定義塑性硬化所需要的Cowper-Symonds模型系數(shù) C、P 設置為零［3］。

大部分車身鈑金件之間通過焊點相連，為了準確計算出該結構的受力、變形情況，需要處理好焊點接觸的模擬問題。本文焊點連接采用Beam單元模擬，材料為*Mat100材料。

在本模型中，將安全帶單元定義為:*Element_Seat_Belt，材料*Mmat_Seatbelt，用曲線定義織帶在加載和卸載條件下的受力與工程應變關系，真實模擬安全帶特性。

4 算法確定

為了改進求解結果，隱式方法在每步進行1次或多次矩陣求解。盡管在隱式方法中選擇較長的時間步會造成結構動力的高頻成分缺失，但其數(shù)值穩(wěn)定性良好，因此對于允許采用較長時間步的線性瞬態(tài)問題，隱式方法有其獨特優(yōu)勢。

在隱式非線性分析中，每個時間步內都會出現(xiàn)非線性，這與其中大規(guī)模方程的頻繁求解一起增加了隱式方法的復雜性和計算費用。

與隱式方法不同，顯式方法不必形成剛度矩陣或至少不必經常這么做，使得有限元程序和求解過程相對簡單。

對于給定的時間步長，顯式方法在每一步內的計算要比隱式方法簡單。由于非線性僅在取時間步時考慮，復雜的邊界條件和其他形式的非線性都比較容易解決。但是，除非顯式方法的時間步長相對較小，并且小于一個臨界的最大值，否則在顯式動力求解過程中容易導致數(shù)值計算的不穩(wěn)定和分叉，這意味著顯式分析的時間步較多，而步長較小。

LS-DYNA采用顯式積分方法，優(yōu)點是非常適合求解各種復雜接觸問題，比較容易收斂，當積分時間步長小于所要求的臨界時間步長時，就可以用于準靜態(tài)分析。

安全帶固定點強度分析是一個非線性過程，實驗要求在60 s內加載完畢，整個加載過程可以被看作一個準靜態(tài)問題。本文研究模型比較大，為了控制計算時間，選擇顯式算法，并且通過提高加載速度的方法來加載。與質量縮放方法相比，提高加載速度可以更快地得到比較準確的結果。為保證準確性，提高加載速度后的動能與內能之比應盡可能小，一般控制在2%以下。

5 計算結果及分析

仿真過程中，能量曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，動能與內能之比小于2%，證明仿真結果的正確性。

用動態(tài)顯式有限元分析方法分析安全帶安裝點強度，把應力作為參考標準會低估斷裂標準一些因素，因此通過周圍的塑性變形來判斷是否斷裂會更合理［6］。

前排安全帶上、下安裝點有效塑性應變分布云圖如圖6、7所示。從圖中可以看出:上安裝點最大有效塑性應變值為15.6%，下安裝點最大有效塑性應變值為2.17%。

B柱內板有效塑性應變分布云圖如圖8所示。從圖中可以看出，B柱內板最大有效塑性應變值為6.57%。

后排安全帶上、下安裝點有效塑性應變分布云圖如圖9、10所示。從圖中可以看出:上安裝點最大有效塑性應變值為12.5%，下安裝點最大有效塑性應變值為1.34%。

以上計算結果分別與各處所用材料進行對比，結果如表1所示。

從表1可以看出:各安裝點最大有效塑性應變小于材料斷后延長率，前、后排上安裝點安全系數(shù)大于1.5，下安裝點安全系數(shù)更高，能夠滿足材料不斷裂的要求。各固定點位移隨時間變化曲線如圖11～14所示。

表1 計算結果分析

圖11 B柱上固定點位移

B柱上安全帶固定點綜合位移如圖11所示。從圖中可以看出:當達到100 ms以后，保持所施加力，B柱內板固定點位移不再向上發(fā)展，說明B柱內板能承受規(guī)定的載荷。

位移隨時間變化曲線如圖11～14所示，跟前面塑性應變結果相吻合，上固定點變形比下固定點大，說明在加載過程中上固定點承受更大的力，并且位移在100 ms以后，不再向上發(fā)展，說明可以承受相應載荷。

國家標準規(guī)定:在試驗期間，下有效固定點的最小間隔滿足分別通過同一安全帶的2個下固定點L1、L2且平行于車輛縱向中心平面的2個垂直平面間的距離不得小于350 mm的要求，上有效固定點應滿足在R點鉛垂上方450 mm水平面上方的要求。在仿真過程中，分別通過同一安全帶的2個下固定點L1、L2且平行于車輛縱向中心平面的2個垂直平面間的距離為632 mm，上有效固定點距離R點鉛垂距離為585 mm，滿足標準要求。在仿真過程中分別通過同一安全帶的2個下固定點“L1、L2”且平行于車輛縱向中心平面的2個垂直平面間的距離如圖15所示，該距離大于350 mm，上有效固定點距離“R”點鉛垂距離如圖16所示，該距離大于450 mm，滿足標準要求。

6 結束語

1)對汽車安全帶固定點進行強度分析，按照國家標準GB14167—2006規(guī)定，安全帶固定點強度的評價標準為:如果在規(guī)定的時間內，持續(xù)按規(guī)定的力加載，則允許固定點或周圍區(qū)域有永久變形，包括部分斷裂或產生裂紋。由計算結果分析表可知安全帶安裝點各處的最大有效塑性應變均小于材料的斷后延長率，并且留有一定安全系數(shù)，說明各安裝點處可以承受相應載荷，不會斷裂。

2)討論了采用顯示積分求解非線性準靜態(tài)問題的思路，可以通過提高加載速度的方法，既容易收斂又節(jié)約計算時間。只有保證動能與內能之比小于2%，才能保證分析結果可靠性。該方法可以有效地進行模型較大、接觸較復雜的結構強度分析。

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