汽車后排座椅安全帶上固定點支架的優化設計

李莉，戰磊

(長春富晟汽車零部件有限責任公司，吉林長春 130033)

0 引言

近年來，大多數SUV汽車由于車身布置等因素需要將乘員使用的安全帶上固定點設置在座椅靠背骨架上。安全帶上固定點結構主要由塑料罩蓋和金屬沖壓支架組成，金屬支架位于靠背骨架的上部，與上橫管連接，起著引導和支撐安全帶的作用。GB 14167-2013要求座椅必須通過安全帶固定點強度試驗，具體的要求為：座椅的安全帶固定裝置在經過實驗載荷后，安全帶不能從固定點處脫落，座椅的零件不能發生破壞，且固定點的位移不能超過一定范圍[1]。由于實驗加載條件比較苛刻，增加了座椅骨架和安全帶上固定點金屬支架的設計難度。目前，安全帶上固定點支架較普遍的設計方法是根據對標產品結構進行設計，而后通過LS_DYNA等有限元分析軟件驗證強度，根據分析結果，再次改進設計的試錯法[2]。采用的方法多是增加整個零件的強度和采用加強板等[3]。由于不同座椅的靠背骨架高度和支架與靠背管連接處局部結構的差異以及不同客戶對座椅的要求不同等原因，由對標獲得的結構往往不適合用在新設計的座椅上，需要反復修改和驗證設計方案，造成大量時間和開發費用的浪費，而且存在已開模產品模具作廢的風險。整體提高金屬支架的強度或使用加強片等又會增加整椅的質量。本文作者為提高結構優化和驗證的效率，并在滿足強度需求的同時減輕零件的質量，綜合使用OptiStruct、LS_DYNA和Abaqus 3種軟件進行拓撲優化和強度驗證分析，對汽車座椅安全帶上固定點的設計進行了研究。

1 有限元分析

為了驗證某款汽車后排座椅結構(如圖1所示)能否通過安全帶固定點實驗，在初輪設計方案完成后進行有限元分析。該分析使用HyperMesh劃分網格和定義模型，建立座椅與車身及地板的約束，使用LS_DYNA軟件模擬胸塊、臀塊通過安全帶和在重心同一平面上的加載桿對座椅的加載，通常的方式如圖2所示。按照GB 14167-2013標準要求，在上部和下部人體塊上延車輛縱向中心平面與水平線呈向上10°的方向施加14 900 N載荷，同時在座椅重心上延水平向前方向加載20倍重力，所有載荷緩慢加載達到100%，保持該載荷至少1 s，然后繼續緩慢加載到110%和120%。所有載荷的加載曲線如圖3所示。

圖1 后排座椅安全帶固定點示意

圖2 后排座椅安全帶固定點強度有限元分析模型

圖3 安全帶固定點的加載曲線

為了提高仿真的準確性，座椅骨架和安全帶固定點支架都采用了GISSMO材料，使用該材料的模型能夠在材料被破壞時刪除失效的網格單元。支架的材料QSTE500性能參數如表1所示。

表1 材料性能參數

在加載過程中，靠背上的安全帶固定點金屬支架在中間肩部安全帶的作用下受到較大的力，受力最大時的情況如圖4所示。

圖4 支架受力示意

在安全帶的載荷達到50%時，支架的翻邊處最大應變達到了0.192 7，如圖5所示，超過了材料的極限應變，零件有被撕裂的風險。

圖5 原支架有限元分析結果

拓撲優化可以計算出在給定的設計空間內最優的材料分布方案[3]，使結構的強度等性能滿足設定的要求，同時使得質量最輕，因此嘗試使用該方法得出優化方案。

2 拓撲優化分析

整椅分析的有限元模型較大，如果進行拓撲優化分析將花費較長時間。因此僅用支架和從整椅分析中提取的約束及加載建立優化分析模型。支架的固定點為它與靠背骨架上橫梁和靠背板的焊接區域，固定點為全約束。加載為安全帶施予在翻邊上的破壞時的拉力為6 472 N，分析模型如圖6所示。

在加載力為7 250 N時，分析結果如圖7所示。

圖6 金屬支架分析模型

此時加載位置最大應變為0.198，與整椅分析結果中最大應變出現的位置和數值非常接近，因此可以用該簡化模型進行優化和初步試算分析。

拓撲優化建模使用HyperMesh軟件，分析使用OptiStruct軟件[4]。網格按照產品工程師輸入的設計空間CAD數據劃分，固定點為支架與靠背橫梁的焊接區域，載荷為整椅分析時提取的作用在支架上的安全帶的最大拉力與同時刻的加載方向，如圖8所示。拓撲優化目標是體積分布最小，限制條件為加載完畢后零件上的最大應力小于材料的極限應力。

圖8 拓撲優化分析模型

3 結果與討論

3.1 有限元分析結果

運行拓撲分析后，得到了設計空間內的材料分布結果如圖9所示。文中拓撲優化采用了密度法(SIMP)，即將有限元模型設計空間中每個單元的“單元密度”作為設計變量，并在0～1之間連續取值，優化計算后單元密度越接近1表示該單元位置處的材料越重要，需要保留；反之單元密度越接近0，則表示該單元的材料不重要，可以刪除。通過保留重要位置材料和去除非重要位置材料達到提高材料利用率和減重的目的[3]。

圖9 拓撲優化分析結果與原結構

對比拓撲優化結果中保留材料的部分與原支架方案，主要有3個區域的材料分布差異較大：

(1)區域1為支架的翻邊，優化結果顯示該部分需要保留較寬的翻邊，而原方案的翻邊較窄，原方案在這個區域的強度明顯不足。

(2)區域2和3分別為支架的前平面和支腿，拓撲優化后該區域的材料分布系數較低，對結構的強度影響較小。原結構的這些區域對強度貢獻不大，而且增加了零件的質量。

(3)通過對比可見，原支架結構的材料分布不合理，受力的關鍵區域——翻邊的寬度不足，降低了零件的強度；在非關鍵區域布置了較多的材料，增加了不必要的質量。

3.2 優化后支架結構

根據拓撲優化分析結果，重新布置零件的材料，建立了新的支架結構和相應的FEA模型，如圖10所示。

圖10 新舊支架結構對比

在新結構支架的前部平面和支腿區域大量減少材料布置，適當增加翻邊的寬度，零件質量降低了20%。

3.3 新支架零件強度分析

由于分析整椅的安全帶固定點時間較長，為了快速驗證新支架的強度，根據該零件在整椅分析環境中的約束和加載，先對單個零件進行有限元分析。

3.3.1 建模說明

固定點為支架與靠背骨架上橫梁和靠背板的焊接區域，加載為安全帶施予在翻邊上的載荷的1.2倍，據此使用HyperMesh建立部件分析模型如圖11所示。與整椅分析相比，模型大小從41 MB縮小到了64 kB。使用Abaqus軟件計算,用時從7 h縮短到了5 min。

圖11 零件分析約束與加載說明

3.3.2 零件分析結果

為了獲得零件的最佳厚度，參考該座椅使用相同材料的板材，分別嘗試定義厚度為2.5 mm和3 mm。分析結果顯示:加載完成后，厚度為2.5 mm的零件的最大應變為0.136，超過了材料的極限應變，零件可能被破壞，如圖12所示。

圖12 厚度為2.5 mm的支架的應變分析結果

厚度為3 mm的零件的最大應變為0.044，低于材料的極限應變，零件不會被破壞，如圖13所示。

圖13 厚度為3.0 mm的支架的零件應變分析結果

3.4 在整椅中驗證零件強度

將經過分析驗證的合格支架放在整椅骨架分析環境中進一步驗證其強度。在保持120%載荷(17 880 N)加載階段完畢后，分析結果顯示支架的最大應變為0.041，沒有超過材料的極限應變，無破壞風險，如圖14所示。

圖14 優化后支架在整椅上的應變分析結果

GB 14167-2013規定安全帶支架在加載結束時向前和向下的位移不能超過參考平面，分析結果顯示優化后的支架符合實驗標準，如圖15所示。

圖15 優化后支架在整椅上的位移分析結果

4 結論

運用拓撲優化分析方法可在短時間內設計出零件的最佳材料分布方案，在滿足結構強度需求的同時降低零件的質量，實現了設計的最優化。優化后該支架的結構通過了安全帶固定點的強度分析，零件沒有失效的風險，位移也滿足要求，質量降低了20%。運用Abaqus零件分析和LS_DYNA整椅分析相結合的方法可以減少整椅分析的次數和運算時間，大幅度提高了驗證設計方案的效率。