基于LS-DYNA的汽車安全帶固定點強度分析探究

徐林森

摘 要：文章主要簡單介紹了LS-DYNA的相關(guān)內(nèi)容，通過對汽車安全帶固定點系統(tǒng)進行分析，利用LS-DYNA來構(gòu)建有限元模型，實施仿真設(shè)計，以探討提高汽車安全帶固定強度的有效措施。文章加強對汽車安全帶固定強度的研究，提出有效改進汽車座椅和車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，以保障汽車的安全性，維護人們的生命安全，促進汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，為汽車行業(yè)帶來更多的經(jīng)濟效益和社會效益。

關(guān)鍵詞：LS-DYNA;汽車安全帶;固定點強度;有效措施

中圖分類號：U270 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）10-0-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.10.045

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們的生活水平逐步提升，出行需求越來越大，對出行工具的安全性也愈發(fā)重視。汽車作為人們出行中常見的交通工具之一，取得了不錯的發(fā)展，受到人們的廣泛關(guān)注。但與此同時，其也面臨著一系列挑戰(zhàn)，需從各方面提高汽車的安全性能，以滿足人們對汽車安全性的需求，提升汽車的市場競爭力。在這種情形下，汽車制造業(yè)應(yīng)當注重對汽車安全帶固定點強度的分析，可充分利用現(xiàn)代科學技術(shù)，應(yīng)用LS-DYNA仿真軟件進行科學分析和研究，以不斷優(yōu)化汽車座椅和車身結(jié)構(gòu)，從而提高汽車的安全系數(shù)，保障人們的生命安全。

1 LS-DYNA的相關(guān)內(nèi)容

LS-DYNA是幾何非線性、材料非線性、接觸非線性程序，其以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法;以顯式求解為主，兼有隱式求解功能;以結(jié)構(gòu)分析為主，兼有熱分析、流體-結(jié)構(gòu)耦合功能;以非線性動力分析為主，兼有靜力分析功能，被應(yīng)用到多個領(lǐng)域中。LS-DYNA具有較好的分析能力，可對多個項目進行有效分析，而且包含了140多種材料模式庫，涵蓋了單元庫以及多種接觸方式[1]。由于LS-DYNA帶有汽車行業(yè)的專門功能，能夠?qū)ζ嚢踩珟Ч潭c強度進行科學分析，保障汽車的安全性，因此在汽車專業(yè)中常被使用，取得了不錯的成效。

2 汽車安全帶固定點系統(tǒng)分析

2.1 安全帶固定點系統(tǒng)

我國對汽車安全帶固定點的位置，有著明確的標準規(guī)定，表明其可以設(shè)置在車輛的構(gòu)架上，或是設(shè)立在車輛的座椅構(gòu)架上。除此之外，也能夠?qū)踩珟Ч潭c設(shè)置于汽車車輛的其他部件上，或是直接將其分設(shè)在各個不同的部件上。對于至少有4個車輪，或有3個車輪且廠定最大總質(zhì)量超過1 t，除駕駛員座位外，乘客座位超過8個的載客車輛，其前排兩個單人座椅、后排兩側(cè)座椅采用的是三點式安全帶。其中，兩個固定點分別設(shè)置于立柱的上部和門檻上部，而另一個固定點則主要設(shè)置于車身或是座椅內(nèi)側(cè)骨架上。隨著科學技術(shù)的進步，有關(guān)汽車安全帶的標準要求也在不斷修訂，最新標準中規(guī)定新定型的汽車產(chǎn)品，中間座椅也必須采用三點式安全帶[2]。兩個下固定點在車身，或是車座骨架上，上邊的固定點則設(shè)置于座椅靠背上，或是汽車車身頂棚上。如果固定點設(shè)置于座椅上，則需要其具有較高的強度，文章所研究的CDV車型便是將安全固定點設(shè)置在座椅上。

2.2 汽車安全帶固定點強度試驗

在研究汽車安全帶固定點強度時，可通過試驗方式進行有效分析。

首先，要明確上下人體模塊，于汽車車輛安全帶固定點系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的試驗裝置，做好試驗準備工作。如圖1所示，其中1指的是中間座椅位置上的固定點，2指的是上人體模塊，3指的是下人體模塊。

主要采用靜態(tài)試驗模式，檢查汽車安全帶固定點的強度，看其是否符合規(guī)定標準的要求。其次，在試驗過程中，需要先固定車輛，所有車輛的裝置要和被測固定點保持一定的距離，前方至少要超過500毫米，后方則需要在300毫米以上，而且不可加強周圍部分，或是減弱構(gòu)架正常的變形。

完成上述內(nèi)容后，還需要同時試驗汽車同排座椅的安全帶固定點，需控制好施加載荷的方向，一般情況下，是平行于車輛水平方面中心平面和水平線，向上5°～15°方向。可通過模擬織帶的方式，同時施加試驗載荷于上人體模塊和下人體模塊，試驗荷載的數(shù)值可控制在13 kN左右[3]。如若汽車的安全帶固定點位于座椅骨架上，那么還要向座椅施加荷載，力度為座椅總質(zhì)量的20倍。可以預先加載10%的總載荷，再進行平滑加載作業(yè)。但需要注意的是，要于4秒內(nèi)完成加載工作，而且加載狀態(tài)應(yīng)當持續(xù)0.2秒。最后，要控制好汽車安全帶固定點的強度。

完成試驗后，需注意以下幾點：第一，可以允許固定點或其周圍區(qū)域，有永久變形狀況發(fā)生，比如出現(xiàn)部分斷裂，或有裂紋產(chǎn)生，但必須確保此固定點有效;第二，汽車安全帶上固定點和下固定點之間，應(yīng)當按照相關(guān)標準要求保持一定的間距。

2.3 構(gòu)建有限元模型

以CDV車型為例，在對其進行有限元仿真設(shè)計時，需要先構(gòu)建有限元模型。可截取車身模型中的后半部，于有限元模型中導入車輛座椅和加載裝置，并且正確定位汽車上人體模塊和下人體模塊，將座椅靠背調(diào)成設(shè)計角度。基于相關(guān)標準要求的內(nèi)容，對有限元模型設(shè)置其他的邊界條件，合理簡化有限元模型，以便減少分析時間，但前提是不可影響最終的計算結(jié)果。

在完成有限元模型建立工作后，需要對其進行仿真分析，以獲取最終的結(jié)構(gòu)，可利用LS-DYNA軟件計算模型，得出仿真結(jié)果，主要計算內(nèi)容包括但不限于各個結(jié)構(gòu)的變形數(shù)據(jù)、應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)等[5]。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)變形圖如圖2所示。

座椅發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，座椅自身的靠背和坐墊之間的夾角也有所改變。四個下固定點安裝于座椅后支撐上，可將其受到的荷載直接傳遞到汽車底板橫梁上。

2.4 提高汽車安全帶固定點強度的有效措施

在對汽車安全帶固定點進行仿真分析后，需要明確應(yīng)當改進的地方。比如，要通過強化汽車橫梁、座椅靠背支撐板的剛度、強度，來避免其發(fā)生較為嚴重的變形，使之保持穩(wěn)定。應(yīng)當針對實際情況及標準要求，進行橫梁、縱梁部位的設(shè)計，確保兩者的搭接部分具有緊密性。擴展其接觸面積，提高搭接部位焊點密度，以便使其連接強度得到提升。如若不能通過點焊進行處理的部位，則可使用二氧化碳保護焊工藝，以避免該部位出現(xiàn)失效現(xiàn)象。在進行調(diào)整和改進后，同樣可以利用仿真結(jié)果查看其是否能夠達到標準要求。在實施改進方案后，汽車座椅不會發(fā)生車身翻轉(zhuǎn)狀況，而且靠背傾角也能夠得到有效改善，設(shè)置于座椅靠背上的安全帶固定點，能夠符合安全要求[4-5]。其不僅大大提升了座椅靠背下部的支撐強度，而且也形成了矩形截面梁。當其受到外界沖擊時，座椅的彈性變形能夠起到一定的緩沖作用，減少沖擊力，將座椅靠背角控制在適宜范圍內(nèi)。可直接通過LS-DYNA軟件進行計算，以找到底板橫梁縱向最大的拱起量數(shù)值，改善橫梁的剛度，有效約束座椅。

3 結(jié)語

總而言之，在進行汽車安全帶固定點強度分析時，應(yīng)當科學利用LS-DYNA軟件，通過構(gòu)建科學的有限元模型及仿真設(shè)計，進行相應(yīng)的處理。找到其中需要改進的部分，實施有效措施加以改善，提高汽車安全帶固定點的強度，使之更加安全，能夠保障人們的生命財產(chǎn)安全。要從多方面進行把控，根據(jù)實際情況采取針對性改進方式，從而推動汽車行業(yè)的長遠發(fā)展。

參考文獻

[1] 肖永富，王雁飛，徐中皓，等.基于LS-Dyna的某商用車座椅安全帶固定點強度分析[C].2015中國汽車工程學會年會論文集（Volume2），2015（1）：23-25.

[2] 鄭松林，陳虹吟，曹心平，等.基于LS-DYNA的某商用車座椅安全帶固定點強度分析與優(yōu)化[J].現(xiàn)代制造工程，2016（3）：75-80.

[3] 付景順，路家傲.汽車安全帶固定點強度分析與改進[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2015（5）：69-71.

[4] 廉振紅.基于LS-DYNA的汽車安全帶固定點強度分析[J].內(nèi)燃機與配件，2020（4）：39-41.

[5] 吳杰君，潘磊，龔衡.汽車后排安全帶固定點強度有限元分析應(yīng)用[J].科技致富向?qū)В?015（3）：370.