測量不確定度在汽車安全帶安裝固定點載荷試驗中的研究與應用

袁自遙 吳 剛

(上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司，上海 201805)

0 前言

近年來，汽車工業的飛速發展給越來越多的汽車用戶帶來了出行和生活上的便利。車輛的安全性能逐漸成為用戶的關注重點，尤其是車輛的被動安全性能。汽車安全帶是汽車被動安全控制領域的重要組成部分。根據我國交管部門的統計，在可能導致死亡的交通事故中，使用安全帶可使乘員生還機率提高60%。因此，針對汽車車身及座椅結構，國家出臺了強制性法規《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統及上拉帶固定點》(GB 14167—2013)進行約束。

GB 14167—2013法規要求在規定的時間內，按時域曲線不間斷地加載規定的載荷，安全帶安裝固定點在施加載荷和保持載荷過程中確保安全帶功能不失效，固定點或周圍區域允許有永久變形、產生裂紋或部分斷裂。在試驗期間，上下有效固定點均應滿足相應要求(詳見GB 14167—2013法規中4.3.2.5和4.3.3.6小節)[1]。

影響安全帶固定點強度的因素很多。行業內對安全帶安裝固定點的研究主要集中在法規層面[3]、仿真或試驗開發[4]及試驗設備研制[5]等，加載載荷方面的研究較少。本文主要對試驗和仿真過程中載荷的不確定性進行分析。在傳統的安全帶開發過程中，試驗人員通常會采用法規中的載荷要求按照標準角度10°、最大角度15°，以及最小角度5°分別開展3次(甚至更多)仿真和試驗。由于該試驗內容是強制性檢測項目，因此各企業為了通過檢測，不可避免地在開發階段針對此項目投入較多的仿真和試驗資源。為了在開發過程中減少仿真和試驗資源的占用，基于載荷的不確定度研究結果，本文提供僅使用一種單一載荷模式即可覆蓋法規中所有載荷模式的方法，從而達到減少試驗次數，節省試驗時間，縮短車輛開發周期，提升被動安全性能開發效率的目標。

1 標準概述

1.1 法規要求

針對常用的三點固定汽車安全帶，GB 14167—2013法規要求的載荷加載情況如圖1所示。法規要求分別對人體上模塊和人體下模塊施加相應的外力，檢測安全帶固定點是否失效，并判斷汽車安全帶固定點是否安全可靠。

圖1 安全帶固定點加載示意圖

法規具體加載要求為：沿試驗載荷與水平方向的夾角α成向上(10±5)°施加載荷。先按總載荷的10%進行預加載，然后在60 s內緩慢加載至100%載荷；經過汽車安全帶制造商的許可，也可在4 s內加載至100%載荷，且載荷至少要保持0.2 s[1]。人體上模塊加載是通過模擬肩帶施加的，其載荷大小與車輛類型相關。人體上模塊施加相應試驗載荷的要求為：M1類和N1類車輛(13 500±200) N；M2類和N2類車輛(6 750±200) N；M3類和N3車輛(4 500±200) N。同時，人體下模塊施加相應試驗載荷的要求為：M1類和N1類車輛(13 500±200) N；M2類和N2類車輛(6 750±200) N；M3類和N3車輛(4 500±200) N。

1.2 影響因素

影響汽車安全帶安裝固定點試驗結果的因素較多，大致可分為輸入、約束、結構3個方面。輸入要素主要與載荷相關，如施加的載荷大小、方向、加載的時域曲線特征等；約束要素主要為車身的固定方式、安全帶加載模塊的阻尼設置等；而結構要素主要為座椅安裝的連接結構、車身結構、安全帶卷收器，以及安全帶織帶類型等。任何環節失效均可能導致座椅靠背失穩、椅腿變形過大、固定點撕裂、車身形變大、鈑金塑變超標或螺栓斷裂等失效現象，造成試驗結果無效。所以，采用準確嚴苛的評估模式，覆蓋全因素的影響，可達到減少頻繁、重復試驗的目的。

通過對上述因素的分析，并經過多個項目的規律總結，研究人員發現，在特定的結構要素下，輸入要素是引起試驗失效的最大原因，載荷的大小和方向是其中最重要的影響因素。因此，尋求一種高效的加載模式，使其可覆蓋強制性檢測時可能發生的最不利狀態，從而提升試驗和仿真的開發效率是非常有必要的。

2 載荷不確定度分析

2.1 載荷的數學模型

通過研究可知，載荷大小和方向是影響安全帶固定點試驗結果的重要因素之一。因此，在建立載荷數學模型時，研究人員需要全面考慮載荷的大小和方向。

如圖1所示，根據GB 14167—2013法規要求，在試驗過程中，人體上模塊和人體下模塊對安全帶施加了相同的載荷，因此可使用載荷F代表人體上模塊及人體下模塊的載荷，可分解為水平方向的載荷Fx和垂直方向的載荷Fz2個分力。水平方向的分力Fx和垂直方向的分力Fz計算公式如下：

Fx=F·cosα

(1)

Fz=F·sinα

(2)

式中：F為試驗載荷，單位N；α為試驗載荷與水平方向的夾角， 單位(°)。

2.2 載荷分量的標準不確定度

不確定度是表征合理地賦予被測量之值的分散性，且與測量結果相聯系的參數[2]。該參數可以是標準測量不確定度(標準偏差或其特定倍數)，或是給定包含概率的區間半寬度。不確定度通常由若干分量組成。由輸入量的不確定度，可以計算得到輸出量的不確定度。按不確定度理論分析，試驗載荷F和試驗載荷角度α相互獨立，且為正態分布。水平方向載荷分力Fx的標準不確定度uc,Fx和垂直方向載荷分力Fz的標準不確定度uc,Fz計算公式如下：

(3)

(4)

式中：uF為試驗載荷F的標準不確定度，單位N；uα為載荷角度α的標準不確定度，單位rad。

如表1所示，按照GB 14167—2013法規對M1類和N1類、M2類和N2類，以及M3類和N3類車輛的具體加載要求，可以分別計算出水平方向加載和垂直方向加載的各個不確定度的相關量。

表1 載荷分量的不確定度計算匯總

通過表1可進一步計算得到最大載荷及對應載荷角度，如表2所示。為了仿真和試驗時操作方便，在實際測試的過程中，本文推薦載荷角度αs為15°，由此需要重新計算對應載荷。最后，在充分考慮可能的加載偏差和其他不利影響下，研究人員確定了便于操作的載荷值，如表3所示。

表2 不同類型車輛的加載載荷初始計算結果

表3 推薦載荷值

3 結果分析

按GB 14167—2013法規規定，在載荷角度分別為5°、10°和15°時，傳統試驗方法中M1類和N1類、M2類和N2類，以及M3類和N3類車輛的標準載荷偏差時的分量計算如表4所示。

對比表3和表4中的數值，可以明顯看出，若使用推薦的載荷，則可以完全覆蓋GB 14167—2013法規中規定的載荷。因此，在開發階段若使用推薦的載荷Fs及角度αs進行單一模式的仿真和試驗，即可滿足GB 14167—2013法規中規定的所有載荷要求。

表4 標準載荷偏差時的分量計算

4 結論

本文采用不確定度理論對GB 14167—2013法規中的載荷模式進行了研究，計算了水平方向和垂直方向載荷的不確定度，通過分析得到如下結論。

(1)相比3種典型載荷模式，僅使用單一載荷模式對確定的車型進行仿真和試驗，可覆蓋GB 14167—2013法規中所有的加載情況，節省了仿真和試驗約67%的成本，提升了開發效率。

(2)推薦載荷增率：M1類和N1類車輛為5.0%，M2類和N2類車輛為6.5%，M3類和N3類車輛為8.0%。研究推薦載荷角度為15°。