某車型安全帶固定點強度對標分析及優(yōu)化

谷昆侖 谷朝陽 張蓉

（1.江蘇吉麥新能源車業(yè)有限公司；2.上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心；3.上海蔚來汽車有限公司）

安全帶作為新能源乘用車被動安全中的一個重要組成部分，其安裝固定裝置的強度是汽車被動安全的一個重要指標，同時又是車輛上市公告試驗中的強制檢測項。國家法規(guī)標準GB 14167—2013 針對安全帶固定點有相應(yīng)的設(shè)計要求、試驗辦法及評價標準。法規(guī)規(guī)定：在試驗過程中，持續(xù)按規(guī)定的力加載，允許固定點或周圍區(qū)域發(fā)生永久變形，其中包括部分斷裂或產(chǎn)生裂紋，但同時要求安全帶不得從安裝固定點脫落，且安全帶上有效固定點向前的位移量須在允許的范圍內(nèi)[1]。傳統(tǒng)意義上的研發(fā)流程需通過大量的試驗驗證設(shè)計方案的可行性，不但開發(fā)周期長，而且還增加了各項成本開支；如果借助有限元分析方法來優(yōu)化改進結(jié)構(gòu)，可以提高產(chǎn)品設(shè)計效率，縮減試驗驗證周期，降低研發(fā)成本等。文章基于有限元建模方法建立安全帶固定點強度分析模型，通過調(diào)試模型對標試驗，最后通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化滿足法規(guī)要求，并經(jīng)過試驗驗證達到了預(yù)期效果。

1 試驗結(jié)果分析

在進行安全帶固定點強度試驗過程中，發(fā)現(xiàn)某車型前排安全帶上固定點有脫落、開裂現(xiàn)象。經(jīng)討論分析，總結(jié)出固定點失效的主要原因有：1）由于安全帶上固定點加強板與B 柱內(nèi)板貼合度不足，導致加載過程中螺栓先從加強板處脫出，如圖1 所示；2）持續(xù)加載過程中螺栓持續(xù)受力，B 柱內(nèi)板不足以承受持續(xù)載荷而導致螺栓從B 柱內(nèi)板處脫出而失效。

圖1 某車型前排安全帶固定點試驗失效示意圖

2 有限元模型

有限元分析模型的合理簡化對分析過程和分析結(jié)果的影響至關(guān)重要。針對不同的求解類型，有限元模型建立的側(cè)重點也略有差異。一般應(yīng)在保證計算精度的前提下，盡可能地縮短建模和求解計算的時間。

考慮到整車模型較大，截取白車身部分模型，通過前處理軟件搭建有限元模型[2-3]；有限元模型的零部件主要網(wǎng)格尺寸為5 mm，同時為了提高CAE 分析的精度[4]，對安全帶固定點關(guān)鍵受力區(qū)域的網(wǎng)格進行細化，并使用全積分單元[5]；對白車身相關(guān)的鈑金件采用殼單元建立有限元模型，焊點采用100 號材料的實體單元進行模擬，安全帶固定點處的螺栓采用實體單元模擬，其余處的螺栓采用剛性單元進行模擬。根據(jù)各組件之間的實際接觸情況，在仿真模型里定義相應(yīng)的接觸關(guān)系，包括板件之間的自接觸、焊點與板件間的綁定、人體模塊與安全帶、螺栓與板件之間的面面接觸等。有限元模型，如圖2 所示。

圖2 某車型前排安全帶固定點強度有限元模型圖

傳統(tǒng)安全帶建模為一維和二維安全帶單元連接而成，為防止加載過程中安全帶單元結(jié)合處滑脫而終止計算，因此，安全帶全長采用二維安全帶單元，如圖3 所示。

圖3 某車型前排安全帶二維有限元模型圖

白車身和座椅骨架材料使用彈塑性本構(gòu)關(guān)系模型24 號材料模擬，其要求輸入的材料曲線應(yīng)為由工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)換過來的等效應(yīng)力-應(yīng)變曲線。為了更好地重現(xiàn)試驗過程中發(fā)生的現(xiàn)象，對安全帶固定點連接的零部件的材料設(shè)置失效。安全帶單元使用ELEMENT_SEATBELT，材料使用MAT_SEATBELT，同時定義了安全帶的厚度、安全帶織帶加載力與應(yīng)變關(guān)系曲線、安全帶織帶卸載力與應(yīng)變關(guān)系曲線[6-7]。

3 邊界條件

分析模型要盡可能地按照試驗工況進行模擬，文章對截取的白車身截面周邊節(jié)點6 個自由度方向進行約束，以確保車身被完全固定。

依據(jù)GB 14167—2013 要求的試驗工況，沿著規(guī)定的方向，在模型中對上、下人體模塊加載13.5 kN 的載荷，載荷的方向為沿平行于汽車行駛方向（-X）且與水平面（YZ 平面）成10°角的方向；同時對座椅施加相當于座椅總成質(zhì)量20 倍的載荷，方向施加在通過座椅質(zhì)心，沿汽車縱向水平向前方向（-X），如圖4 所示。

圖4 某車型前排安全帶固定點強度邊界條件和載荷示意圖

考慮到顯式分析計算時間較長，通常為了縮短計算時間，可以通過增加模型質(zhì)量和提高載荷加載速度的方法實現(xiàn)。由于顯式動力學求解準靜態(tài)過程考慮模型的動態(tài)效應(yīng)，因此，要求加載過程不能過快，一般要求模型質(zhì)量增加不超過5%，提高載荷加載速度后的模型動能與內(nèi)能的比值應(yīng)盡可能小，一般要求小于2%，從而使分析更加趨近于準靜態(tài)過程特性，進一步提高有限元分析的精度和模型穩(wěn)定性[8-9]。

4 對標分析結(jié)果

模型經(jīng)計算完畢后，首先通過有限元后處理軟件檢查零部件是否有異常運動及運動穿透情況，然后檢查動能、內(nèi)能、沙漏能、質(zhì)量增加等曲線是否滿足要求，確認模型計算無問題。

通過查看前排安全帶車身固定點的運動狀態(tài)及鈑金件的有效塑性應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)B 柱上固定點螺栓孔周邊的有效塑性應(yīng)變超出材料的允許斷裂伸長率為25%，且區(qū)域較大，固定螺栓有從螺栓孔處脫開的風險。固定支架被拉伸的變形量達到18 mm，如圖5 所示。前排其余安全帶固定點均未超出材料允許的斷裂伸長率。

圖5 某車型前排安全帶B 柱安裝點強度初始方案有限元分析云圖

從分析結(jié)果可以看出，仿真分析結(jié)果較好地反映出試驗支架的變形形式和失效的位置及狀態(tài)。

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

考慮在盡可能少地改變原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，根據(jù)以上對標模型及結(jié)果，對前排安全帶固定點結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，如圖6 所示。

圖6 某車型前排安全帶B 柱安裝點加強板結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對比圖

1）增加安全帶上固定點加強板與B 柱內(nèi)板接觸面積，同時更換螺母，增大接觸面積，如圖6 中①所示；

2）增加安全帶上固定點加強板與B 柱內(nèi)板支架的焊點，增強其連接關(guān)系，如圖6 中②所示；

3）改進安全帶上固定點加強板結(jié)構(gòu)，增加加強筋，同時將材料由原來的B201P1 改為B340LA，以提高材料強度等級，將料厚增加至1.5 mm，如圖6 中③所示。

根據(jù)以上優(yōu)化，重新建立模型并計算，通過計算后處理得到的應(yīng)變云圖，如圖7 所示。結(jié)果表明，優(yōu)化后的模型B 柱內(nèi)板螺栓孔周邊應(yīng)變較低，最大值約為12%，B 柱內(nèi)板及安全帶固定點加強板均未超過材料的斷裂伸長率，未發(fā)生材料失效，且安全系數(shù)大于1.2。安全帶固定點強度滿足法規(guī)要求。基于優(yōu)化方案試制樣件，重新進行以上試驗。試驗結(jié)果顯示，安全帶固定點有不同程度的變形，但未出現(xiàn)脫落或開裂現(xiàn)象，優(yōu)化方案滿足法規(guī)要求。

圖7 某車型前排安全帶B 柱安裝點強度優(yōu)化方案有限元分析云圖

6 結(jié)論

文章以某車型安全帶固定點強度試驗結(jié)果為研究對象，通過仿真分析對標再現(xiàn)試驗現(xiàn)象，然后基于對標后的模型進行優(yōu)化，最終通過試驗驗證滿足了法規(guī)要求并得出：

1）基于試驗對標后的有限元模型進行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析結(jié)果與試驗的吻合度較高；

2）安全帶固定點強度分析全部采用二維安全帶建模，能夠有效地減少分析過程的中斷，提高計算效率；

3）驗證了有限元分析在車身開發(fā)中的作用，對后續(xù)座椅和安全帶固定點開發(fā)具有一定的參考意義。