汽車座椅安全帶固定點強度分析及骨架輕量化設計

符大興 李登云 劉華官 莫先培 韋晶晶

1.上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007 2.武漢理工大學 汽車工程學院 湖北省武漢市 430070

1 引言

汽車座椅是影響整車安全性的重要部件之一，它直接關系到乘員的乘坐舒適度和乘車安全性。座椅安全帶系統在汽車被動安全上起著重要的作用，汽車安全帶固定點強度是保證安全帶系統有效工作的基礎。本文通過對汽車座椅安全帶固定點進行試驗，建立了安全帶固定點強度的CAE模型并對其進行分析，對通過法規要求的座椅骨架進行輕量化設計并進行強度分析，最后進行安全性能試驗驗證。

2 安全帶固定點試驗

根據現行GB14167-2013《汽車安全帶安裝固定點標準要求》，車輛在投產前需對座椅安全帶固定點進行強度試驗，法規規定該過程是一種準靜態、非線性問題，在60s內對固定點加載的載荷需達到規定的值，且保持在0.2秒以上，在此期間安全帶不得從安裝固定點脫落，固定點周圍允許產生永久變形。

3 安全帶固定點的強度分析

3.1 有限元模型的建立

本次研究選擇某車型中排左獨立座椅安全帶固定點模型進行強度分析，考慮到中排座椅安全帶固定點在車身，采用殼單元建立白車身有限元模型，其單元網格尺寸大小定為10mm。此外，在符合精度要求的條件下，再針對安全帶固定點的受力情況，在局部優化安全帶固定點受力區域的網格，本文中白車身鈑金件之間的焊點均是采用Beam單元，座椅骨架模型有81760個單元，87434個節點。有限元模型如圖1所示。

3．1．1 加載方法

據法規 GB-T14167—2006要求，三點式安全帶加載裝置分別施加13.5KN的力，由于本文研究的中排座椅下固定點位于座椅上，因此還需要對該座椅施加大小等同于座椅質量20倍且作用于座椅質心的力，由于該車型中排左座椅14.1Kg，因此20倍重力施加2764KN；該車型中排右座椅16.9kg，因此20倍重力施加3312KN。加載方向與水平線成10°±5°且沿車輛縱向中心平面向前。載荷在100ms內緩慢加載至100%，之后保持至模型收斂。約束條件為約束車身橫截面處六個方向上的自由度。載荷加載如圖2所示。

3．1．2 評價指標

（1）安全帶安裝固定點及周圍區域允許塑性變形，但不能發生斷裂或者損壞。

（2）如果上固定點在座椅上，則試驗期間，上有效固定點前移量不能超過R點。

圖1 有限元模型

圖2 加載曲線

3.2 CAE分析

有限元分析方法主要有隱式和顯式兩種，而汽車安全帶固定點屬于準靜態問題，雖然準靜態問題用隱式分析方法精度比較高，但在涉及不穩定以及復雜的接觸問題時很難得到收斂的解。而采用Ls-Dyna顯示動力學軟件解決此類問題，能解決各種復雜的接觸問題并能夠容易得到收斂的解。因此本研究采用Ls-Dyna非線性顯示分析方法進行求解。

根據Ls-Dyna求解結果，利用Hyperview后處理軟件中查看分析結果。根據評判準則，座椅應變小于0.2認為材料安全；應變0.2-0.25應給予關注，認為安全裕度不足；應變0.25-0.3應提出預警，認為風險很大；應變大于0.3認為材料將失效。如圖3所示，主駕座椅安全帶上固定點處的最大應變為0.003，失效風險較小，滿足準則要求。如圖4所示，主駕卷收器安裝點處的最大應變為0.021，失效風險較小，滿足準則要求。如圖5所示，主駕座椅左后腳安裝點處的最大應變為0.271，有失效風險，應對其進行改進。如圖6所示，副駕座椅安全帶固定點處的最大應變為0.006，失效風險較小，滿足準則要求。如圖7所示，副駕座椅卷收器處的最大應變為0.018，失效風險較小，滿足準則要求。如圖8所示，副駕座椅左后腳最大應變為0.015，失效風險較小。

圖3 主駕安全帶上固定點應變

圖4 主駕座椅卷收器應變

3.3 改進方案

通常改善座椅安裝腳的方法有增加厚度或者改變材料，而增加厚度會改變整車重量，改變材料會增加成本。為了控制整車成本與車重，采用局部加厚的方式來增加座椅左后腳處的強度，座椅左后安裝腳處的材料由SCM435改為QSTE420，厚度由2.5mm改為3.0mm，如圖9所示。對改進后的模型重新進行安全帶固定點的強度分析，如圖10所示，計算應變0.046，而抗拉應變為0.2，故安全帶固定點的強度滿足要求。

圖5 主駕座椅左后腳應變

圖6 副駕座椅上固定點應變

圖7 副駕座椅卷收器應變

圖8 副駕座椅左后腳應變

圖9 改進模型

圖10 改進應變

4 座椅骨架的輕量化

4.1 輕量化設計方法

從以上分析來看，該車型中排獨立座椅符合國家相關法律法規中對于強度的規定。但是座椅質量較大，不利于整車的燃油經濟性。因此對強度滿足要求的汽車座椅進行輕量化設計是非常必要的。

對座椅骨架的輕量化設計主要有兩種方法[2]：替換材料和結構優化。材料替換是用新材料或者合成材料替換原有的鋼材；結構優化是對整個座椅進行全新的設計。本研究主要采用結構優化和替換材料的方法進行座椅的輕量化設計。

4.2 輕量化設計及分析

本文選取某車型中排獨立座椅作為優化對象，通過迭代計算，可獲得優化后座椅數模，如圖11所示。減重明細表如表1所示，零件V1到V10的材料均由QSTE500改為CR980，其中V1到V3的V3實物壁厚由2.5mm改為1.8mm，V4和V5的壁厚由1.6mm改為1.4mm，V6到V10的壁厚由2.0mm改為1.4mm。各零件合計減重1.543kg，減重后的座椅質量比原來減輕了4.9%。

圖11 減重部分座椅模型

4.3 強度驗證

為了驗證優化后的座椅強度，對其進行CAE分析，經過迭代計算可獲得應變圖，如圖12所示，應力分布較為均勻，各部件均無失效風險。說明減重方案是合理的。

圖12 減重后座椅應變

圖13 座椅前部固定

5 座椅安全性能試驗

依照GB141667-2013《汽車安全帶固定點、ISOFIX固定點系統及上拉帶固定點》和GB15083-2006《汽車座椅、座椅固定點裝置及頭枕強度要求和試驗方法》對座椅安全帶固定點進行拉力試驗，驗證減重后的座椅是否滿足法規要求，測試了安全帶固定點強度以及座椅骨架的強度。

實驗結果如圖13所示，當載荷加載到188%時，座椅骨架在安全帶固定點、滑軌處等無斷裂，強度滿足要求，所以此減重方案是可行的。

6 結論

本文研究了某車型中排獨立座椅的安全性能，對安全帶固定點強度進行分析并對其強度通過國家相關規定的座椅進行輕量化設計，實現座椅減重1.543kg。并對減重后的座椅安全帶固定點的強度以及座椅骨架強度進行安全性能試驗。試驗加載過程中滑軌等部件無明顯變形，安全帶固定點無斷裂現象，說明減重可行，可作為實際生產的理論參照。

表1 各零件減重明細表