某車型安全帶固定點分析及優化

魏瑞，袁海龍

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230001）

引言

汽車的安全性是汽車一項重要的使用性能[1]，汽車的安全問題也是當今重要的研究領域之一。為此，國家也出臺了相關的法律法規對汽車的安全作出明確規定，并將汽車部分安全性能列為強制檢測的法規項。其中，安全帶作為汽車被動安全的一個重要組成部分，其安全帶固定點強度設計必須滿足法規要求。本文以某車型作為研究對象，借助于有限元的方法對某車型的安全帶固定點強度進行分析，合理的建立模型、邊界的處理、切合實際的對比分析，優化和改進結構，得到較好的效果。同時將仿真與試驗進行對比，得出仿真計算可以得到較好的精度，并且滿足工程實際應用的要求。

1 分析模型的建立

合理的建立有限元模型對于分析來說至關重要，不但可以減少模型求解對計算資源的需求，減少計算時間，而且可以提高工作效率。故采用顯式計算方法[2]和部分車身模型簡化建模的方法來建立安全帶固定點強度計算模型，從而大大的降低了建模和計算所需要的時間。同時借助于有限元分析前處理軟件 Hypermesh和 Primer建立某車型雙人座椅的安全帶固定點強度仿真模型。

1.1 模型的建立

某車型的白車身有限元模型采用殼單元建立，模型約有39萬個單元，40萬個節點。根據標準[3]的規定，對加載的假人模塊施加13500N水平向上10度角的拉力，通過座椅的質心對座椅施加20倍于座椅的重力的水平拉力，單個座椅的重量為12kg，該載荷為2400N。模型搭建如圖1所示。

圖1 安全帶固定點網格模型

1.2 邊界約束

由于模型建立截取某車型的中間部分，則需要對所截取部分兩端進行約束，采用 MAT20材料，定義材料屬性中約束其六個自由度，同時選取被截取車身兩端部分殼單元設置為此材料，則被截取車身的兩端被約束，從而實現全約束。

1.3 加載函數的選取

圖2 正弦函數加載曲線

顯式分析采用時間步長的計算方法，其計算時間與加載時間成正比，考慮到計算穩定性和準確性，在顯式計算中縮短加載時間，提高計算效率，使模型計算過程在毫秒級的時間內完成。由于快速的加載會使模型出現非真實的動態效應[4]，突變的加載會在模型中產生非真實的應力波，引起模型高頻振動。故應慎重選擇有限元分析中加載方式，使之盡量符合準靜態過程要求，保證快速加載下的計算結果不偏離準靜態結果太多。一個加載過程的特性取決于加載歷程函數和加載時間兩方面[5]。文中選用正弦函數的加載方式，保證模型加載過程中的準確性。同時，建立評價指標評價模型建立的精度和準確性，第一個指標是安全帶上有效固定點的最大位移量，用來評價仿真結果相對于試驗結果的精確性。第二個指標是計算過程中的內能和動能等能量曲線，用來評價仿真計算過程的動態效應和模型建立的準確性。正弦函數

加載曲線如圖2所示。

1.4 仿真計算結果

借助于Ls-dyna求解器計算出仿真模型的結果，模型計算后得到的結果顯示出座椅車身安裝點鈑金最大塑性變形量達到16.36%，根據材料的斷裂百分比可知，材料鈑金出現撕裂的現象。

圖3 模型計算結果

1.5 優化設計

根據車輛的實際結構設計和工藝設計實際，為了得到可以滿足法規要求的座椅支腳車身安裝點結構，根據仿真計算結果，提出以下優化方案。

方案一：提升材料的材質，而增加安裝點的強度。

方案二：在安裝點處增加局部內襯板。

根據方案建模計算后，計算結果顯示出方案一座椅車身安裝點鈑金件最大塑性變形量為14.61%，而方案二座椅車身安裝點鈑金件最大塑性變形量為11.49%，根據材料的斷裂百分比可知，材料并沒有出現鈑金撕裂的現象，從優化結果說明優化方案的有效性。方案一和方案二均可滿足法規的要求，但是方案一實施難度較低，且成本增加比方案二成本低，故選擇方案一進行優化。

圖4 優化設計方案

因此，優化方案計算結果滿足安全帶固定點強度法規的要求。同時在模型中對座椅支腳車身安裝點鈑金變形進行測量，變形量如下表1所示。

表1 仿真計算結果

2 安全帶固定點強度試驗

2.1 安全帶固定點實車試驗

圖中所示為某車型實際試驗時，在車輛的座椅上面按法規要求進行試驗。用安全帶將上部分和下部分假人模塊安置在座椅上，并在上下假人模塊施加法規要求的力，在座椅質心水平方向施加對應車型相應的力，由于安全帶上固定點在座椅靠背上，則需要過座椅R點標記出過R點垂直平面的位置。

圖4 安全帶固定點試驗

試驗施加在座椅上的力保持0.2s以上，并查看座椅靠背、安全帶上固定點和座椅車身安裝點鈑金的變形情況，試驗結果表明，某車型的安全帶固定點滿足法規的要求。試驗前和試驗后座椅車身安裝點變形情況，如下表所示，通過安裝點的坐標的變化得出車身鈑金的變形量。

表2 座椅支腳車身安裝點板件變形

2.2 仿真模型與實驗結果對比分析

表3 單位：mm

由試驗座椅支腳車身鈑金件的變形結果和仿真座椅支腳車身鈑金件的變形結果對比得出如表3所示。

圖5 仿真與試驗對比結果

由上述對比知，由試驗的結果和仿真結果對比說明了優化方案的有效性，而圖5可以看出仿真與試驗趨勢具有較高的吻合性，座椅安裝點位移量的對比說明仿真計算方法具有較高的精度。

3 結論

對某車型的安全帶固定點強度分析優化以及試驗驗證，由于標準允許塑性變形的存在，通過對比分析固定點的變形位移，可知有限元方法進行安全帶固定點強度分析具有較好的精度，可以很好的滿足工程實際的要求，在設計過程中，通過使用CAE方法分析計算可以縮短設計周期，提升優化工作的效率，是處理設計過程中對結構或性能做出快速評估的有效方法。