ISOFIX 結構改進過程仿真及驗證試驗

李向津，李博宇

北京現代汽車有限公司, 北京 101300

本文基于新車型ISOFIX 裝置設計開發驗證過程，對原始設計結構失效分析、改善及驗證過程進行了研究。雖然ISOFIX 裝置開發相對而言非常簡單[1]，但仍不可忽視。面對失效問題，一般通過計算機輔助分析（computer aided engineering,CAE）模擬分析的方法再現產生問題的原因，為問題的解決提供參考方向[2]。在這個過程中，我們建立了仿真分析模型，通過模擬計算提出相應的結構改善方案。經過論證和試驗驗證，保證結構達到試驗要求，滿足了國家法規標準，為日后設計提供了進一步的借鑒和參考。

1 ISOFIX 試驗法規

1.1 ISOFIX 裝置

ISOFIX[3]是兒童約束系統與車身連接的剛性裝置[4]，在國家標準試驗中，主要依靠靜載施加裝置(SFAD) (見圖1)，來完成其強度和車身結構抗反轉的能力。

圖1 SFAD 靜載荷施加裝置示意

1.2 試驗方法

法規中針對直接固定在車身上的裝置，主要規定如下3 項試驗內容：

1.2.2 斜向力試驗

SFAD 裝置與ISOFIX 下方2 個固定點連接，在SFAD 加載點施加前向兩側（75±5）°、水平角度（0±5）°、大小（5±0.25）kN 的載荷(見圖3)，30 s內盡快達到最大載荷且持續時間t≥0.2 s。加載期間斜向位移應不大于125 mm，允許永久變形和部分開裂。如果在規定的時間保持了所要求的力，ISOFIX 下固定點和周圍區域不應失效。

圖3 斜向力試驗示意

1.2.3 帶有ISOFIX 上拉帶固定點的前向力試驗

SFAD 裝置與ISOFIX 下方2 個固定點及上拉帶固定點連接，在SFAD 加載點施加前向水平角度（10±5）°、大小（8±0.25）kN 的載荷(見圖4)，30 s內盡快達到最大載荷且持續時間大于等于0.2 s。加載期間斜向位移應小于等于125 mm，允許永久變形和部分開裂。如果在規定的時間保持了所要求的力，ISOFIX 下固定點、上拉帶固定點和周圍區域不應失效。

圖4 上拉帶前向力試驗示意

根據法規，對于只有ISOFIX 下固定點的裝置，只進行前向力試驗和斜向力試驗即可。加載期間，SFAD 裝置前向水平位移和斜向位移均不應超過125 mm，允許出現永久變形和部分開裂，但其固定點及周圍區域不能失效[5]。

2 斜向力試驗失效問題

在某車型開發ISOFIX 固定裝置過程中，對該ISOFIX 裝置設計原型進行了首輪驗證試驗。在驗證時發現進行斜向力試驗項目出現超標問題，ISOFIX 固定點下支架變形大，且SFAD 加載點位移量過大，超出了法規規定范圍。車身安裝區域結構未出現明顯變形，結構和焊點無需進行改善，因此需要進行仿真檢討，對該ISOFIX 裝置鎖鉤結構進行設計改善。

2.1 建立仿真分析模型

結合現有模型及試驗內容，首先需要建立試驗工況的有限元分析模型。仿真工作重點關注了出現問題的斜向力工況。為了簡化分析模型和減少分析時間，又不影響分析結果，分析模型截取了車身后部[6]，選取了車身后半段+ISOFIX 裝置+后排坐墊（主要考慮坐墊在受力過程中，其壓縮量對結果有直接的影響，所以無法忽略）等結構建立了仿真所需的有限元計算模型(見圖5)。

社會的發展促進審計目標的不斷革新，而審計目標的革新也帶動著審計技術的進步。而在眾多的組織和集團之中，銀行無疑是對內部審計標準要求最高的，業務和項目中一旦存在缺陷與風險，就會給銀行帶來難以想象的損失。因此在審計技術上，各大商業銀行均需要保持著高度的重視，比如常見的以內部控制評價為基礎的現代審計方法，還有新興的“風險導向”審計方法等，都是走在時代前沿的科學靈活的現代審計技術。

圖5 斜向力試驗示意

為保證計CAE 分析精度，需要控制網格質量，要求如下：翹曲度小于15°，長寬比小于5，四邊形單元內角范圍40°～135°，三角形單元內角范圍25°～120°[7]。模型總規模約64 萬單元，我們使用了hypermesh 進行了網格劃分[8]，借助oasys.primer 建立了邊界條件及加載工況，使用lsdyna進行了求解計算，并利用hperview 和oasys.reporter進行了結果處理，形成了最終的仿真分析結果報告。

分析模型中主要用到的材料牌號見表1。

表1 ISOFIX 裝置主要材料及其基本參數

2.2 分析結果與試驗對標

為了提升仿真結果的可信度，在模型完成后，與首輪試驗結果進行對標分析，在此基礎上，再進行改善方案的分析驗證，避免出現設計的反復。

2.2.1 仿真對標與試驗測量

由于本車ISOFIX 裝置不含上拉帶固定結構，所以只需要完成法規中所規定的前向力/斜向力試驗即可，不必進行帶有ISOFIX 上拉帶的固定點的前向力試驗。前向力結果如表2 所示，斜向力結果如表3 所示。

表2 前向力試驗與仿真分析結果對比

表3 斜向力試驗與仿真分析結果對比

對標結果表明，仿真結果與試驗數據的誤差保持在10%以內，滿足仿真結果的分析要求。

2.2.2 試驗與仿真變形趨勢對比

本文對ISOFIX 結構裝置的鎖鉤部分在斜向力試驗中的變形形式也進行了比較，充分表明仿真與試驗的一致性，見圖6～9。

圖6 右外側固定裝置對比

圖7 右內側固定裝置對比

圖8 左外側固定裝置對比

圖9 左內側固定裝置對比

對比結果表明，裝置各部位變形結果與試驗基本一致。仿真模型可以用于后繼設計改善分析。根據仿真結果，為減少測量點位移量，需要對結構自身變形進行控制。在此基礎上，結構設計對變形部位進行了加強，并做出相應的設計方案，進行仿真驗證。

初次仿真與試驗對標車身局部變形如圖10所示，ISOFIX 固定裝置周邊結構未破壞，滿足固定點周圍不能失效的要求。

圖10 車身局部變形云圖

3 改進方案變更形式說明

3.1 設計方案對比說明

為確保改進方案的一次性通過試驗驗證，經過檢討論證，采用了較為保守的改善方案2 進行推進。如圖11～13 所示，改善方案1 中，外側裝置：延長加強板；內側裝置：加強板整體延長。改善方案2 中，外側裝置：在延長加強板基礎上增加翻邊；內側裝置：加強板整體延長。

圖11 原始方案

圖12 改善方案1

圖13 改善方案2

3.2 第二輪試驗驗證

經過數據模型設計、仿真驗證、樣件制作、安裝調整與匹配等前期準備工作，我們進行了第2 輪ISOFIX 試驗(見圖14)，并進行改善方案實際試驗與仿真分析結果的驗證。

圖14 斜向力試驗現場示意

3.3 改善方案2 仿真結果與第2 輪試驗結果對比

在前向力試驗中，由于原方案就在試驗中未出現失效情況，且有較大的的設計余量，改善方案又是對結構進行了加強，所以對于前向力試驗而言，改善方案的影響是正向的，這也在試驗結果中有所體現，測點位移量有一定程度減小(見表4)。由于首輪試驗中，斜向力試驗項目中出現失效，需要進行重點關注，斜向力試驗對比結果見表5。

表4 第2 輪前向力試驗與仿真結果對比

表5 第2 輪斜向力試驗與仿真結果對比

結果表明，按照方案2 改進后的ISOFIX 固定裝置，既能夠滿足法規試驗的強度和位移要求，又能限制兒童座椅位移，從而起到保護兒童的作用。應用仿真分析手段，能夠和試驗相互佐證，并快速地驗證改善方案，減少設計反復周期，極大地降低研發成本[9]。

4 改善方案分析過程

4.1 主要影響因素

在對下固定點系統進行試驗時，主要考核其強度和位移量[10]。為降低SFAD 測量點的位移量，通過仿真及試驗結果，我們需要控制ISOFIX裝置自身變形量，為此對該裝置鎖鉤部分進行了結構上的加強，強化了邊緣支撐結構的覆蓋范圍，減少了鉤體自身的變形。因此，測量點的位移得到了極大改善。

4.2 焊接對結構的影響

在對標過程中，應考慮CO2保護焊對鎖鉤的影響。由ISOFIX 鎖鉤為手工焊接，焊條熔留物在鉤體兩側均有較多殘留（見圖15），殘留物對結構有一定的強化作用，所以模型建立時要給予一定的建模補償(見圖16)。同時，局部高溫對材料本身也有較大影響[11]，在材料參數模型上應該考慮硬化系數。

圖15 實物焊接殘留物示意

圖16 焊接殘留物影響建模示意

4.3 材料性能參數的積累

各結構材料數據的準確性是模型對標的基礎。由于座椅泡沫材料受壓變形量與其自身發泡率和密度有關[12]，其特性曲線難以獲取。各牌號材料的特性參數及曲線需要在日常工作中經過長期的積累和校正，才能應用于仿真模型中，保證仿真結果與試驗的誤差在合理的范圍之內。但是，也不能矯枉過正，把全部精力投入到材料對標工作上，畢竟仿真結果只是表明了結構設計改善變化的趨勢。能夠快速分析并預測結果的改變趨勢，節約開發驗證的時間，降低開發成本，才是仿真的真正意義所在。

5 結論

1）借助仿真分析方法，我們可以迅速確定結構試驗失效的原因位置，針對該性能進行改善，快速驗證改善方案。

2）仿真分析模型建模不能過度簡化，周邊影響因素要綜合考慮，根據其在分析問題中的貢獻度，模型參數中要適當予以補償。

3）分析模型的精度依賴于準確的輸入，包括材料基本性能和邊界條件。工況數據輸入完整度越高，分析結果越接近實際。

同時，本文關注了產品設計、改善及試驗驗證的全過程。基于ISOFIX 產品開發過程中斜向力試驗出現的結構失效未能達標的問題，建立了ISOFIX 兒童約束系統固定點分析模型，并在與試驗結果進行了對標的基礎上，通過分析計算，針對該結構提出了多種改善方案，保證了第二輪斜向力試驗的順利通過。