汽車安全帶固定點強度分析與改進

付景順，路家傲

（沈陽工業(yè)大學，遼寧 沈陽 110870）

0 引言

在汽車行業(yè)，汽車安全帶固定點的強度是衡量汽車被動安全性能的一個重要指標。安全帶作為汽車被動安全性的一種措施，已被40 多個國家用法律的形式強制使用。在碰撞事故發(fā)生時，汽車安全帶對于成員的保護起著重要的作用。我國的GB14167—2006《汽車安全帶安裝固定點》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，且規(guī)定安全帶上固定點在受力方向的位移不得超過一定范圍[1]。因此在車型的開發(fā)和設計中，如何使安全帶固定點強度滿足國家法規(guī)要求是一個關鍵性問題[2]。

通過仿真分析來改進結構，可以提高產品設計效率，減少試驗次數(shù)，降低設計成本[3]。本文以國內某車型為例，利用LS_DYNA 顯式有限元分析方法，通過合理的建模，處理約束，準確加載，對安全帶固定點的強度進行CAE 分析，為結構改進提供依據(jù)[4]。

1 有限元模型的建立

CAE 分析中建立適當?shù)挠邢拊Ｐ椭陵P重要。對于不同的分析類型，模型建立的側重點也會不同。應在保證計算結果精度的前提下，盡量縮短建模時間和求解運算時間[5]。

想要對安全帶固定點強度進行分析，首先要創(chuàng)建合理的有限元模型。由于考慮到整車結構太大，計算機的配置有限，在仿真的過程中應適當?shù)臏p小分析模型。白車身的有限元模型采用殼單元建立，與座椅模型、安全帶系統(tǒng)組件、上下人體模塊進行裝配，白車身模型不帶擋風玻璃和側圍玻璃。座椅的有限元模型由座椅骨架、調節(jié)機構、座墊組成，其中調節(jié)機構在建立有限元模型時省略。由于座椅骨架結構均是薄壁件，所以用殼單元模擬骨架; 座墊為實體模型，用六面體單元創(chuàng)建，材料屬性選擇泡沫材料。座椅的模型，網格大小選擇8～10mm。車輛座椅實際靠背角為25°。安全帶單元采用二維殼單元，平均尺寸為12mm。按照法規(guī)要求：座椅模型處于滑軌最后端，為座椅的最不利使用位置；建立標準的上下人體模塊，放置于座椅的相應位置，與安全帶正確裝配。整個模型共有525755 個殼單元，有178951個體單元。建立的模型，主要對安全帶安裝位置強度，包括上固定點安裝位置、卷收器安裝位置、下固定點位置和插鎖安裝位置進行考察。整體模型如圖1 所示。

圖1 汽車座椅模型Fig.1 Model of the vehicle seat

2 邊界條件的確定

2.1 約束條件

為了盡可能的模擬實驗，保證仿真分析的精確度。將模型周邊所有自由度進行約束，以滿足試驗中對固定裝置安裝的要求。將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。

2.2 加載

按照國家標準GB14167—2006 中的規(guī)定：

加載方向：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。

加載力：利用模擬織帶對上人體模塊施加13500±200N 的試驗載荷，與此同時對下人體模塊施加13500±200N 的試驗載荷。除了按照上述要求加載外，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16kg，即該試驗載荷為3136N。

加載速度：仿真分析的加載時間按照法規(guī)規(guī)定應盡可能快地加載到法規(guī)規(guī)定的載荷值，并持續(xù)至少0.2s。本文進行的加載時間80ms，持續(xù)時間40ms。

3 CAE 分析

有限元分析方法主要有顯式和隱式兩種計算方法。安全帶固定點強度試驗屬于準靜態(tài)問題，對于靜態(tài)和準靜態(tài)問題，涉及到接觸不穩(wěn)定和及其復雜的接觸問題，很難保證迭代穩(wěn)定收斂[6]。LS－DYNA 采用的是顯示積分法[7]，這種求解方式適用于各種復雜的接觸問題[8]，比較容易收斂。因此，本分析采用LS－DYNA 的非線性顯式分析方法進行求解。

通過LS－DYNA 求解，在Hyperview 后處理軟件中查看分析結果，安全帶上固定點安裝部位選用的材料為B340/590DP，材料抗拉應變位0.2。如圖2 所示，計算得出的應變?yōu)?.2177，安全帶上固定點安裝位置計算的應變超過材料的抗拉應變，故安全帶上固定點安裝位置強度不滿足要求。

安全帶下固定點安裝位置的材料為B410LA，材料抗拉應變?yōu)?.16。如圖3所示計算應變0.01，安全帶下固定點安裝位置計算的應變小于材料的抗拉應變，故安全帶下固定點安裝位置強度滿足要求。

圖2 安全帶上固定點應變Fig.2 Seat belt fixed point strain

圖3 安全帶下固定點應變Fig.3 Safety protection under strain

圖4 安全帶卷收器應變Fig.4 Seat belt retractor strain

安全帶卷收器安裝位置的材料為DC01，材料抗拉應變目標0.35。如圖4所示計算應變?yōu)?.054，安全帶卷收器安裝位置計算的應變小于材料的抗拉應變，故安全帶卷收器安裝位置強度滿足要求。

安全帶插鎖安裝位置材料為SAPH440，材料抗拉應變?yōu)?.23。如圖5 所示計算應變?yōu)?.205，安全帶插鎖安裝位置計算的應變小于材料的抗拉應變，故安全帶插鎖安裝位置強度滿足要求。

綜上所述，安全帶上固定點（高度調節(jié)器安裝位置）強度不滿足要求，需要對安全帶上固定點安裝位置（B 柱內板）進行結構改進。

圖5 安全帶插鎖應變Fig.5 Belts mortise lock strain

4 改進方案

通常改善安全帶固定點強度的方法有增大B 柱厚度，或在固定點安裝位置處添加加強件，或是改善安全帶固定點周圍部件的材料，而增加厚度會增加車輛整體的重量，改變部件材料會增加整車成本。為了控制整車的成本與車重，采用局部增加加強件來改進安全帶固定點處的強度，加強件大小要能覆蓋住高度調節(jié)器上的安裝孔，以便能全面的焊接。考慮到成本因素，在DC01、DC04、B340/590DP、B410LA 材料中，選擇DC01 材料節(jié)約成本，厚度選為最小的1mm。如圖6所示。

對改進后的模型重新進行安全帶固定點的強度分析。安全帶上固定點安裝位置，如圖7 所示計算應變?yōu)?.167，而抗拉應變?yōu)?.2，安全帶上固定點安裝位置計算的應變小于材料的抗拉應變，故安全帶上固定點安裝位置強度滿足要求。

圖6 安全帶上固定點改進模型Fig.6 Seat belt fixed point improved model

圖7 改進后的安全帶上固定點應變Fig.7 Seat belt fixed point improved model's strain

將改進的模型進行求解計算后，對安全帶上固定點及其他考察位置進行了應變的前后對比，對比結果如表1 所示。

表1 改進前后應變對比表Tab.1Straincontrasttablebeforeandafterimprovement

綜上所述，對于改進的方案，安全帶上固定點強度符合要求，其余部位的強度結果與原始方案相差不大，均滿足安全帶固定點的強度要求。

5 結論

通過CAE 仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，汽車B 柱處的安全帶固定點不滿足國標要求，有開裂風險。對此處進行了改進設計，在高度調節(jié)器孔位置處增加加強件，并對改進后的結構進行CAE 仿真分析。分析結果表明改進后的方案，使B 柱安全帶固定點處的應變大大降低，滿足國標的要求。這種改進方案可以為以后實車試驗提供理論依據(jù)。

[1]GB14167—2006． 汽車安全帶安裝固定點[S]．

[2]杜子學，文孝霞．汽車安全帶固定點強度分析與優(yōu)化[J]．重慶交通學院學報，2004，5．

[3]許早龍，范朝兵.基于LS-DYNA 的汽車安全帶固定點強度研究[J].力學與實踐，2010，3.

[4]譚冰花，朱志軍.汽車安全帶固定點強度分析[J].第八屆INFATS，2010，12.

[5]榮兵，門永新，等.某車型安全帶固定點強度分析及優(yōu)化[A].2013中國汽車工程學會論文集精選[C].北京：理工大學出版社，2013.

[6]白金澤.LS—DYNA 理論基礎與分析實例.

[7]Ls-Dyna theoretical manual, May 1998.[8]Ls-Dyna theory manual, March.2006.