基于ABAQUS的安全帶安裝固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)仿真與分析

楊曉萌，文大偉

（1.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北武漢430070；2.中原工學(xué)院機(jī)電學(xué)院，河南鄭州450007）

0 引言

汽車工業(yè)作為經(jīng)濟(jì)全球化的重要產(chǎn)業(yè)之一，它極大地提升了機(jī)械、電子、材料等多產(chǎn)業(yè)的共同發(fā)展，是評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。汽車座椅是連接乘客和汽車的關(guān)鍵部件，對(duì)保護(hù)乘客起到關(guān)鍵作用。滑軌作為調(diào)節(jié)座椅前后距離的功能件，在汽車受到碰撞等突發(fā)性事件中，其品質(zhì)的優(yōu)劣對(duì)乘客的安全尤為重要。本文作者針對(duì)某型號(hào)汽車座椅滑軌，按照QC／T 806—2008《乘用車座椅用滑軌技術(shù)條件》要求，通過ABAQUS顯示動(dòng)力學(xué)仿真算法對(duì)滑軌座椅安全帶安裝固定點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行有限元仿真，通過與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了有限元仿真的準(zhǔn)確性，最后通過更換滑軌材料滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 滑軌座椅安全帶安裝固定點(diǎn)強(qiáng)度技術(shù)條件

根據(jù)QC／T 806—2008要求，單支滑軌按圖1所示方法進(jìn)行試驗(yàn)，滑軌處于最后位置 （有特殊要求除外）并鎖止，測(cè)量固定點(diǎn)原始坐標(biāo)。施加力沿滑軌水平向上50°方向，并檢測(cè)固定點(diǎn)的位移量，試驗(yàn)后其結(jié)果應(yīng)滿足：?jiǎn)沃Щ壥┘永χ?5 000 N時(shí)，固定點(diǎn)的位移量不大于60 mm，零件連接無脫落或拉裂現(xiàn)象［1］。

圖1 單只滑軌安全帶固定點(diǎn)測(cè)試

2 單只滑軌有限元建模方法研究

2.1 顯式分析理論

ABAQUS／Explicit應(yīng)用中心差分方法對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行顯式時(shí)間積分，應(yīng)用一個(gè)增量步的動(dòng)力學(xué)條件計(jì)算下一個(gè)增量步的動(dòng)力學(xué)條件。在增量步開始時(shí)，程序求解動(dòng)力學(xué)平衡方程，表示為

式中：M為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量矩陣；¨u為節(jié)點(diǎn)加速度；P為施加的載荷向量；I為單元內(nèi)部力向量。

在當(dāng)前增量步開始時(shí) （t時(shí)刻），計(jì)算加速度為

由于顯式算法總是采用一個(gè)對(duì)角的 （集中）質(zhì)量矩陣，因?yàn)槠淠婢仃囉?jì)算簡(jiǎn)單，所以求解加速度并不復(fù)雜，不必同時(shí)求解聯(lián)立方程。任何節(jié)點(diǎn)的加速度完全取決于節(jié)點(diǎn)質(zhì)量和作用在節(jié)點(diǎn)上的合力，使得節(jié)點(diǎn)計(jì)算的成本非常低。

對(duì)加速度在時(shí)間上進(jìn)行積分，采用中心差分方法，在計(jì)算速度的變化時(shí)假定加速度為常數(shù)。應(yīng)用這個(gè)速度的變化值加上前一個(gè)增量步中點(diǎn)的速度來確定當(dāng)前增量步中點(diǎn)的速度

速度對(duì)時(shí)間的積分并加上在增量步開始時(shí)的位移以確定增量步結(jié)束時(shí)的位移：

這樣，在增量步開始時(shí)提供了滿足動(dòng)力學(xué)平衡條件的加速度。得到了加速度，在時(shí)間上“顯式地”前推速度和位移。所謂 “顯式”是指在增量步結(jié)束時(shí)的狀態(tài)僅依賴于該增量步開始時(shí)的位移、速度和加速度。這種方法對(duì)加速度為常值的積分類型計(jì)算較為準(zhǔn)確。為了使該方法產(chǎn)生精確的結(jié)果，時(shí)間增量必須相當(dāng)小，這樣在增量步中加速度可視為常數(shù)。由于時(shí)間增量步必須很小，一個(gè)典型的分析需要成千上萬個(gè)增量步。但因?yàn)椴槐赝瑫r(shí)求解聯(lián)立方程組，所以每一個(gè)增量步的計(jì)算成本很低。大部分的計(jì)算成本消耗在單元的計(jì)算上，以此確定作用在節(jié)點(diǎn)上的單元內(nèi)力。單元的計(jì)算包括確定單元應(yīng)變和應(yīng)用材料本構(gòu)關(guān)系 （單元?jiǎng)偠龋┐_定單元內(nèi)力［2］。

2.2 構(gòu)建模型

座椅滑軌由上滑軌、下滑軌、安全帶固定點(diǎn)安裝板、保持架和滾珠、起滑軌鎖止作用的牙刷板、固定滑軌的支撐腳和起連接作用的鉚釘?shù)冉M成。該型號(hào)座椅上、下滑軌采用1.8 mm厚的SAPH440鋼板，安裝板采用3 mm厚的SAPH440鋼板，起鎖止作用的牙刷板為1.8 mm厚的HC420LA鋼板，兩種材料的力學(xué)性能如表1所示。

表1 滑軌材料參數(shù)

網(wǎng)格劃分是有限元分析的重要步驟，網(wǎng)格大小對(duì)分析結(jié)果有很大影響。此試驗(yàn)碰撞時(shí)接觸面積大，變形區(qū)域廣，為保證計(jì)算效率和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)上、下滑軌和牙刷板網(wǎng)格大小取1 mm，并忽略影響網(wǎng)格質(zhì)量的一些細(xì)小特征，安裝板在保證安全帶安裝固定點(diǎn)位置準(zhǔn)確的前提下將多個(gè)零部件合并，安裝板網(wǎng)格大小取2 mm。其他零件由于強(qiáng)度高、形變量小，對(duì)分析結(jié)果的影響可忽略不計(jì)，所以可以將它們視為剛體。在ABAQUS分析中由于不計(jì)算剛體單元的內(nèi)力，所以網(wǎng)格大小只對(duì)零件形狀有影響，不影響模型分析速度。

此仿真過程中座椅滑軌僅發(fā)生塑性變形，接觸應(yīng)力未達(dá)到抗拉強(qiáng)度，網(wǎng)格不會(huì)發(fā)生破壞，所以在定義相互作用時(shí)采用General contact就可以獲得比較準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，對(duì)于上滑軌與下滑軌碰撞的接觸部分采用更為準(zhǔn)確的面-面接觸的罰接觸法，各零部件之間摩擦因數(shù)取0.1，采用實(shí)體鉚釘連接。在安全帶安裝孔處分別用2個(gè)RP點(diǎn)耦合左右兩個(gè)孔表面，對(duì)2個(gè)RP點(diǎn)施加水平向上50°方向15 000 N大小的力，力幅值曲線采用先增大后減小的趨勢(shì)［3］，在兩個(gè)腳支架安裝孔上施加完全固定約束。分析運(yùn)用顯式動(dòng)力學(xué)算法，分析步時(shí)長(zhǎng)取0.005 s。有限元模型如圖2所示。

圖2 滑軌有限元模型

2.3 結(jié)果分析

座椅滑軌變形過程如圖3所示。

圖3 滑軌安全帶安裝固定點(diǎn)強(qiáng)度仿真變形過程應(yīng)力示意

在碰撞過程中，在滑軌導(dǎo)槽拐角處的接觸應(yīng)力最大。上滑軌導(dǎo)槽外壁在與下滑軌接觸過程中先發(fā)生折彎變形，變形造成導(dǎo)槽外壁向下彎折接近90°，然后下滑軌導(dǎo)槽內(nèi)壁向上彎折，翻折角度接近90°，下滑軌導(dǎo)槽內(nèi)壁被翻出，同時(shí)上滑軌導(dǎo)槽內(nèi)壁亦逐漸發(fā)生彎折變形，最終上滑軌從下滑軌中脫離。

安全帶安裝固定點(diǎn)處的位移-時(shí)間曲線和載荷加載曲線如圖4所示，在t＝0.004 s時(shí)，安全帶安裝固定點(diǎn)位移量已超過60 mm，已經(jīng)不滿足技術(shù)條件要求。其后隨著時(shí)間的增加，由于上滑軌從下滑軌中脫離，安裝固定點(diǎn)位移量有繼續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

圖4 材質(zhì)為SAPH440鋼時(shí)安全帶安裝固定點(diǎn)位移時(shí)間曲線

滑軌材料是厚度為1.8 mm的SAPH440鋼，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如圖5所示。試驗(yàn)所用滑軌與仿真用滑軌結(jié)構(gòu)略有差異——上滑軌牙刷板鎖止處采用全挖設(shè)計(jì)，導(dǎo)致該處力學(xué)強(qiáng)度較低，碰撞后上滑軌后端整段被折起，而上滑軌前半部分影響較小，造成與仿真結(jié)果有所不同。但上、下滑軌導(dǎo)槽部分碰撞后的變形情況與仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。

由以上結(jié)果可知，由于滑軌的材料強(qiáng)度不足，導(dǎo)致滑軌變形嚴(yán)重，使得仿真和試驗(yàn)結(jié)果不能滿足技術(shù)條件要求。針對(duì)此問題，常用的解決方案有：方案一，改進(jìn)滑軌結(jié)構(gòu)；方案二，使用更高強(qiáng)度的鋼板材料。針對(duì)方案一，滑軌屬于沖壓件，且變形多發(fā)生在折彎處，不適宜通過增加加強(qiáng)筋來提高彎折處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。增加滑軌的鋼板厚度可增強(qiáng)折彎處的吸能能力，目前滑軌用鋼板厚度通常為1.5～2.0 mm，文中所研究滑軌鋼板厚度為1.8 mm，若改為2.0 mm，由仿真結(jié)果得知滑軌的力學(xué)性能提升并不明顯，并且導(dǎo)致滑軌質(zhì)量增加了14.2%，不符合當(dāng)今汽車輕量化的趨勢(shì)。針對(duì)方案二，SAPH440鋼抗拉強(qiáng)度在450 MPa左右，在滑軌用鋼中屬于強(qiáng)度較低的一種，目前滑軌用鋼抗拉強(qiáng)度有的甚至達(dá)到了900 MPa以上。因此，針對(duì)該型號(hào)滑軌，更換強(qiáng)度更高的鋼材是最有效的選擇。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)滑軌用鋼多為DP雙相鋼系列和HC低合金高強(qiáng)度鋼系列。下文通過更換HC500LA、HC660LA和DP780三種鋼對(duì)滑軌強(qiáng)度再進(jìn)行仿真分析。高強(qiáng)鋼的材料參數(shù)如表2所示。

圖5 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

表2 高強(qiáng)鋼材料性能參數(shù)

2.4 優(yōu)化結(jié)果分析

ABAQUS的顯式動(dòng)力算法仿真結(jié)果如圖6所示，安全帶安裝固定點(diǎn)位移曲線如圖7所示。由應(yīng)力云圖可知，雖然3種材料在分析步時(shí)間內(nèi)均未出現(xiàn)上滑軌從下滑軌中脫離的現(xiàn)象，但3種材料的滑軌形變量有所不同。HC500LA屈服強(qiáng)度為481 MPa，在分析結(jié)束后上滑軌導(dǎo)槽外壁在下滑軌的阻礙下彎折了近180°，下滑軌導(dǎo)槽內(nèi)壁也被翻出，上滑軌近乎從下滑軌中脫離，在上滑軌導(dǎo)槽處應(yīng)力仍然集中，從安全帶安裝固定點(diǎn)位移時(shí)間曲線看，在加載力趨于零的分析時(shí)間終了階段，位移曲線雖趨于平緩，但仍有上升趨勢(shì)，說明滑軌仍有繼續(xù)變形的趨勢(shì)，不建議使用。更換為DP780鋼的上滑軌導(dǎo)槽外壁和下滑軌的導(dǎo)槽內(nèi)壁彎折角度在45°左右，位移曲線在t＝0.004 s后趨于平穩(wěn)，在分析步時(shí)間結(jié)束階段有上升趨勢(shì)是由于滑軌發(fā)生塑性變形的影響，在時(shí)間結(jié)束時(shí)位移量為35 mm，滿足技術(shù)條件要求。HC660LA滑軌僅發(fā)生輕微形變，滑軌在t＝0.002 5 s載荷卸去后形變逐漸趨于穩(wěn)定，應(yīng)力分布均勻，安全帶安裝固定點(diǎn)位移量為22 mm。綜上分析，雖然以上3種材料的滑軌均能滿足技術(shù)條件要求，但DP780和HC660LA的形變量較小，更為安全。

圖6 不同材料計(jì)算結(jié)果比較

圖7 不同材料安全帶安裝固定點(diǎn)位移時(shí)間曲線

3 結(jié)論

以某型號(hào)汽車座椅滑軌為例，通過ABAQUA顯式動(dòng)力學(xué)算法，按照QC／T 208—2008技術(shù)條件對(duì)單個(gè)座椅滑軌安全帶安裝固定點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行有限元仿真。通過將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)滑軌導(dǎo)槽變形情況與試驗(yàn)結(jié)果高度相似，驗(yàn)證了有限元仿真的可靠性。針對(duì)仿真結(jié)果，提出更換滑軌材料的改進(jìn)方案，通過更換HC500LA、DP780與HC660LA等材料觀察應(yīng)力云圖和安全帶固定點(diǎn)位移時(shí)間曲線發(fā)現(xiàn)DP780和HC660LA材料滿足技術(shù)條件要求。ABAQUS顯式動(dòng)力學(xué)算法的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果高度相似，可以作為零件設(shè)計(jì)性能評(píng)判的指導(dǎo)依據(jù)，與周期長(zhǎng)、成本高的試驗(yàn)過程相結(jié)合，可大大縮短研發(fā)周期，成為工程師結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有力工具。