汽車安全帶固定點強度分析與改進

付景順，路家傲

（沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870）

0 引言

在汽車行業，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域產生永久變形或裂紋，且規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]。因此在車型的開發和設計中，如何使安全帶固定點強度滿足國家法規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，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[4]。

1 有限元模型的建立

CAE 分析中建立適當的有限元模型至關重要。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的減小分析模型。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、調節機構、座墊組成，其中調節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規定應盡可能快地加載到法規規定的載荷值，并持續至少0.2s。本文進行的加載時間80ms，持續時間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問題，對于靜態和準靜態問題，涉及到接觸不穩定和及其復雜的接觸問題，很難保證迭代穩定收斂[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，計算得出的應變為0.2177，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，材料抗拉應變為0.16。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所示計算應變為0.054，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，材料抗拉應變為0.23。如圖5 所示計算應變為0.205，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 所示計算應變為0.167，而抗拉應變為0.2，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 仿真分析可以發現，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。

[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.