汽車后排安全帶固定點強度有限元分析應用

【摘 要】在汽車安全帶固定點的設計中，采用hyperwork作為前后處理器及ls-dyna顯式有限元方法對安全帶固定點按照GB14167標準要求進行有限元仿真模擬計算，分析安全帶固定點的強度，為結構設計提供依據，從而在設計階段設計出合理的結構，以滿足國標法規試驗的要求。

【關鍵詞】安全帶固定點；有限元仿真；強度；hyperwork；ls-dyna

0.概述

汽車安全帶固定點是汽車被動安全的重要指標之一，是車輛公告試驗的強制檢查項目，GB14167針對安全帶固定點有專門的技術要求。 隨著我國汽車技術的發展，國標的要求也逐步提高，GB14167-2006對M1類車的后排安全帶固定點數量規定是3或2，GB14167-2013則更改為3；法規要求：在規定的時間內，持續按規定的力加載，則允許固定點或周圍區域有永久變形，包括部分斷裂或產生裂紋，安全帶不得從安裝固定點脫落，并且上部有效固定點向前位移不得超過允許的范圍。

本文以一款SUV車型為例，在后排中間安全帶新增的第三固定點的結構設計中，利用有限元前處理軟件Hypermesh和ls-dyna顯示有限元分析方法，按照GB14167-2013的試驗要求加載，對安全帶固定點的強度進行CAE分析，為結構設計提供依據。

1.有限元模型的建立

1.1車身及座椅的有限元模型

根據設計部門提供的SUV車型CATIA格式的CAD數據，在hypermesh的ls-dyna模板中讀入模型，進行有限元模型的建立。考慮到模型的共用，如碰撞及模態分析等，按照大小10mm劃分網格，對各安裝點附近的相關零件按4mm進行細化，采用shell單元建立車身的有限元模型。考慮到計算資源，對后排安全帶固定點的強度分析，根據國標規定“所有固定車輛的裝置應距被測固定點前方不小于500mm或后方不小于300mm處，且不得影響構架結構”，截取車身B柱前沿截面之后的區域。截取后的模型單元數276609，節點數283891。參見圖1。

X5車型的后排中間安全帶下固定點都在座椅的支腳上，根據試驗情況及CAE計算的精度，對座椅也進行了有限元模型的建立，網格大小按照5mm，骨架采用shell單元，坐墊采用solid單元。參見圖2。

圖1 車身模型 圖2 座椅模型

1.2模型的連接和材料參數

車身零件是通過點焊連接在一起的，在CAE模型中根據提供的焊點數據進行整體建模，通過在hypermesh中將焊點數據導入，在1D菜單中connectors->spot選項中進行焊點的連接建模。本例中的焊點采用MAT100，SECTION_BEAM來模擬，本例未考慮焊點失效。車身 中頂蓋部位的膠連接通過菜單1d->connectors->area進行建模。

車身鈑金件材料采用ls-dyna中的matl24即分段線性彈塑性本構模型來模擬，材料曲線是由工程應力應變曲線轉換成的真實應力應變曲線。與固定點連接的零件材料設定失效應變值，即材料模型卡片的變量EPPF。坐墊材料采用ls-dyna中的matl83來模擬。

1.3人體模塊和安全帶的有限元模型

用于試驗的上人體模塊和下人體模塊在GB14167-2013的附錄F中有示意圖，在CAE模型建立對應的簡化模型，參見圖3。安全帶由一維的seatbelt單元和二維shell單元組成，在ls-dyna中通過analysis頁面菜單safety-〉belt-routing設置卷收器固定點和吊環的導向點。安全帶模型參見圖4，車身上各固定點見圖5。

圖3 人體模塊模型 圖4 安全帶模型

人體模塊在CAE模型中材料設置為matl20，為剛體模型。安全帶材料采用實際織帶在加載和卸載條件下的應力應變曲線模擬。

圖5 安全帶安裝點

2.邊界條件

CAE模型要盡可能地按照試驗工況進行模擬，本例對白車身進行約束采用約束截面邊緣單元所有節點的6個自由度，保證車身被完全固定。本例中先在hypermesh中建立一個set，將這些節點包含在內，然后通過建立卡片*boundary_spc_set，約束節點的各自由度。

按照GB14167-2013中的試驗工況，在CAE模型中，利用模擬織帶對上人體模塊施加13500N±200N的載荷，對下人體模塊施加13500N±200N的載荷，載荷方向沿平行于車輛行駛方向（即整車坐標系X方向）且與水平面成向上10°±5°的方向；對座椅施加相當于座椅總成質量20倍的力，載荷施加于座椅總成的重心位置，方向水平向前，參看圖6。本例中先通過建立卡片*define_curve定義加載的曲線，按照平滑快速的原則加至目標值并保持0.12ms，加載曲線參看圖7；在加載點建立局部坐標系，將實際加載方向定義為X方向，通過建立卡片*load_node_set指定加載點的加載力值曲線和方向。

圖6 約束及加載示意圖

圖7 加載力值曲線

3.分析結果和試驗驗證

ls-dyna的顯式積分方法非常適合求解各種復雜問題，本例在hypermesh中將分析模型輸出成.K文件，提交ls-dyna求解計算，得到CAE仿真結果。通過hyperview后處理，首先查看仿真動畫，確認車身及座椅的變形是否穩定；確定之后查看安全帶各固定點處零件的塑性應變云圖。

圖8 地板及中間座椅支腳的塑性應變云圖

圖9 中間上固定點支架的塑性應變云圖

以安全帶中間下固定點處和中間上固定點為例，如圖8和圖9，最大塑性應變分別為14.5%和10.5%，本例以各處最大塑性應變小于材料斷后伸長率的85%，判斷不發生零件斷裂失效，結構滿足要求。

輸出中間上固定點的位移曲線，校核是否超出法規允許的范圍，本例校核滿足要求。

圖10 后排安全帶上固定點位移曲線

經過仿真計算，可以判斷安全帶固定點的結構設計是可以達到國標要求，否則應優化設計，直到仿真滿足要求為止，本例通過有限元仿真認為結構設計滿足要求，就可以準備按gb14167-2013進行安全帶固定點強度的法規試驗，試驗結果表明，該車后排座椅安全帶固定點能滿足標準的要求，固定點未發生斷裂脫落。

圖11 后排安全帶固定點強度試驗圖

4.結束語

本文利用hypermesh作為前處理器，ls-dyna作為求解器的有限元分析應用模式，按照國標試驗的要求，對公告試驗前的車型進行仿真計算，有效地避免了盲目試驗，降低了開發成本。通過實際試驗的結果符合國標要求，也驗證了仿真分析的有效性。也為有限元分析更多地應用到整車開發中提供借鑒。

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