基于安全帶固定點強度的車身結構優化設計

秦海　朱燈宏

摘 要：本文結合CAE理論分析，以及實車試驗的結果，尋求一種能夠提高安全帶上固定點強度的低成本的車身結構設計方案。應用這些方案，有效地解決某車型安全帶上固定點拉力試驗失效問題，并通過國家安全帶試驗法規要求。

關鍵詞：固定點強度;車身結構;優化設計

1 問題背景

根據國家汽車公告強制性法規，要求新生產的車輛，其座椅必須符合新標準要求。新標準規定了汽車座椅、座椅固定裝置以及頭枕的要求與試驗方法;同時，也規定了汽車安全帶固定點的位置、強度要求以及試驗方法。在安全帶拉力試驗中，經常發生安全帶固定點被拉裂失效的情況，導致試驗失敗，不通過法規要求，無法通過公告。

某車型A白車身在做安全帶固定點強檢試驗，左前排座椅在加到11221N（標準要求是：13500±200N）的拉力時，左前座椅B柱安全帶上固定點被嚴重拉裂，安全帶上固定點強度未通過國家法規要求，如圖1所示;同時對車型B的4個白車身進行安全帶拉力試驗，共有4例B柱安全帶固定點被嚴重拉裂，5例C柱安全帶固定點被拉裂，未通過國家法規要求，如圖2所示。

因此，迫切需要分析這些固定點失效的原因，并尋找一個低成本的的結構優化方案來提高強度，確保通過國家法規要求。

2 原因機理分析

2.1 B柱區域的原因分析

為了分析失效的機理，研究對比試驗后4臺車型B的白車身，統計出 B柱&C柱安全帶固定點經過拉力實驗后的情況，如表1所示。

由表1可知，四臺白車身的左側圍B柱安全帶上固定點，在拉力試驗中沒有出現開裂，焊點都沒有失效，通過率100%;而右側圍B柱安全帶上固定點的通過率只有25%。為何出現這種截然相反的情況？首先，結構方面，左/右B柱區域的零件結構是對稱的，對應的零件是同一家供應商，可以排除結構方面的差異;然后，分析對比工藝情況，結果發現在后門框上圓角處的焊點不一樣，左側圍比右側圍在圓角處少一個焊點，如圖3所示。

根據以上分析，中門框前上角處的焊點，右側比左側多一個焊點，反而降低安全帶上固定點的強度。對左側、右側不同的工藝，分別進行CAE分析。CAE結論：焊點失效順序如下，如圖4所示。

第一步、焊點1、焊點2首先失效;

第二步、緊接著焊點3失效，導致鈑金產生缺口進而很容易被撕裂;

第三步、鈑金撕裂到一定程度，焊點4和焊點5失效。

通過CAE分析結果，充分的驗證了試驗結果左/右的差別性， 造成右側B柱安全帶固定點失效的主要是以下兩個原因：

第一、焊點1、3區域是一個變形較大的區域，結構受力狀態較惡劣，應力值比較大，焊點較容易失效。

第二、焊點改變了母材原有的性能，增加了材料的脆性，大大降低了母材的延伸率，即抵抗變形的能力。

2.2 C柱區域的原因分析

由上述統計可知，車型B（故障車）的C柱安全帶上固定點的情況比較惡劣，8例C柱，通過的只有3例，通過率僅37.5%。對標車1以及對標車2的C柱安全帶上固定點的強度在安全帶拉力試驗中都通過國家法規要求，通過分析他們之間的區別，找出原因，相關信息見表2所示。

可知，車型B（故障車）的C柱在腔體大小、安全帶加強板的寬度以及關鍵受力區域焊點數量三方面都比對標車1、車型2惡劣，結合CAE分析結果得出結論，造成故障車C柱安全帶上固定點失效的主要原因有：

1、C柱的腔體太小。

2、關鍵受力區域的焊點數太少。

3、安全帶加強板的結構不合理（孔偏）。

3 提高安全帶固定點強度的優化設計

綜合考慮更改的成本和周期，在確保固定點滿足法規試驗的前提下，根據以上分析的失效原因，主要在焊點和加強板上做優化設計。這樣才能夠快速贏得時間，盡快完成優化方案的更改，確保車輛按時完成公告。

3.1 增加受力區域的焊點數量

根據分析結果，安全帶固定點附近的焊點失效是引起安全帶固定點失效的起因，若焊點沒有被撕裂，能夠確保固定點不失效，是可以通過拉力試驗。焊點失效，引起板金被撕裂，安全帶固定點失效。結合實際情況，具體加焊點方法如下，如圖5所示，在關鍵受力區域增加焊點，焊點間距由60mm～80mm，減少到40mm～50mm。

1）在B柱區域安全帶上固定點增加兩個關鍵焊點;

2）C柱區域安全帶上固定點增加三個關鍵焊點，如圖5所示。

另外，通過CAE分析說明焊點間距對應力值大小的影響，如表3所示。由于此處是手工焊接，經常會出現偏焊，導致焊點間距不均勻。要求車間控制關鍵焊點質量，杜絕出現偏焊、虛焊、少焊現象，要求焊點之間的距離比較均勻，否則會驗證影響安全帶固定點的強度。

3.2 改進安全帶加強板的結構

故障車C柱安全帶上加強板‘孔偏，根據CAE分析，‘孔心擺正后能降低安全帶固定點附近的應力值，降低安全帶螺母被拉脫的風險，如圖6所示。

因此，C柱安全帶上加強板的優化設計方案如下，如圖7所示：

1）更改安裝孔位置，安全帶螺母孔位于加強板中間位置;

2）增加螺母板，取消C柱內板與安全帶加強板在安全帶固定點附近的焊點（安全帶加強板與螺母板焊接），這樣不但提高C柱內板的美觀性，也提高安全帶固定點的強度，如圖7所示。

3.3 優化結構的連接焊點

安裝點附近焊點總數6個不變，把原來4個兩層焊接和2個三層焊接分別變為4個三層焊接和2個兩層焊接，即安全帶加強板與側圍內板的2層焊接點數量2個，安全帶加強板、側圍內板以及側圍外板的3層焊接點數量4個。這樣更改后，焊點數量不變、成本不變的前提下，提高安全帶固定點的強度，如圖8所示。

-表示兩層焊接（側圍內板及安全帶加強板）;-表示三層焊接（側圍外板、安全帶加強板以及側圍內板）。

3.4 優化設計的效果

改進后，對白車身進行一次安全帶拉力試驗。B柱安全帶拉力試驗的工況：腰帶拉力-16300N，胸帶拉力-14700N（法規要求13500N）;C柱安全帶拉力試驗的工況：腰帶拉力-13500N，胸帶拉力-13500N（法規要求13500N）;B柱、C柱的安全帶固定點都沒有失效，通過國家法規要求，試驗結果如圖9所示。原故障試驗的拉力是11200N，更改后把拉力最大增加了45%，C柱整個腔體變形比較大，但是焊點保持完好，焊接螺母保持固定狀態，未被拉脫，固定點保持受力狀態，判定拉力試驗通過。

4 結論

本文結合實際拉力試驗和CAE理論分析，通過詳細對比故障原因，得出一套能有效提高安全帶上固定點強度的低成本方案。采用本文的優化結構方案，成本很低容易實現，強度比優化前提高了50%以上，B柱、C柱安全帶上固定點通過了國家強檢要求。本文對故障的原因分析、優化設計方案可以為廣大車身結構設計工程師借鑒應用。

參考文獻：

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