基于某新能源車后排安全帶固定點強度的車身局部結構優化

農天武 黃惠星 吳磊 黃志杰

摘? 要：基于某新能源車安全帶固定點法規GB14167—2013試驗所出現的失效問題，采用LS-DYNA搭建仿真模型，并通過試驗仿真對標證明了仿真模型的可靠性;然后進行結構優化，獲得了一個滿足各方要求的優化方案;最后將優化方案帶入實車驗證，獲得了與仿真結果一致的結論.

關鍵詞：安全帶固定點;LS-DYNA;仿真對標;結構優化

中圖分類號：U491.61? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.04.015

0? ? 引言

汽車已成為人們出行中的主要代步工具，汽車安全問題也越來越受到人們的關注.為此，國家相關部門也在逐步完善相關汽車的安全法規.其中法規GB14167—2013針對汽車安全帶固定點的設計、試驗方法和評價標準提出了具體的要求.法規要求：在規定時間內按規定的力持續加載，允許固定點或周圍區域有永久變形甚至產生裂紋或斷裂，但是安全帶不得從安裝固定點脫落，并且上部有效固定點向前移位不得超過允許的范圍[1].

任何車輛必須通過該法規所規定的公告試驗方可上市.本文針對某款正開發的新能源乘用車后排座椅安全帶固定點公告試驗失效情況，使用顯式有限元分析方法，參照GB14167—2013的試驗要求搭建有限元模型進行安全帶固定點有限元仿真對標分析，并結合分析結果提出結構優化方案.

1? ? 問題描述

某新能源汽車在進行安全帶固定點公告試驗時，后排55分座椅的安全帶固定點所在的左、右側D柱折彎，如圖1、圖2所示.加載力未達到法規規定值，如圖3、圖4所示，加載力未達到法規規定值導致試驗未能滿足GB14167—2013要求.

經對試驗結果進行分析，得出結論：

1）存在焊點撕裂的情況，但未出現大面積撕裂，焊點布置合理.

2）左右側D柱折彎，導致試驗力未加載到最大值是試驗未能通過法規要求的主要原因，需要對D柱區域進行結構優化.

2? ? 試驗仿真對標

針對上述公告試驗中所出現的問題，搭建試驗仿真對標模型，通過有限元仿真分析手段對其結構進行優化，使其通過公告試驗.

在有限元計算中，科學合理的模型化是仿真計算成功與否的關鍵.針對不同的求解類型，有限元模型建立的側重點也略有差異[2].一般應在保證計算精度的前提下，為了提高工作效率盡可能縮短建模和求解計算的時間[3].參考法規規范和試驗具體實施情況搭建有限元仿真模型，包含：車身模型（如圖5所示）、座椅模型如（圖6所示）、人體模塊及安全帶模型如（圖7所示）.

2.1? ?搭建有限元計算模型

1）在hypermesh軟件中導入車身部門提供的UG數據模型，按照建模規范要求對于所涉及的車身和座椅骨架進行幾何網格劃分，確保模型網格正交性好，無網格交叉和滲透[4].

2）根據車身及座椅工程師提供的部件鈑金厚度及材料牌號信息對車身和座椅骨架進行材料屬性的定義.為保證計算精度及計算效率，座椅安裝孔區域、安全帶安裝孔區域和座椅骨架等關鍵區域采用16#全積分定義，其他部件采用2#積分定義 ，材料曲線為真實應力應變曲線.

3）車身焊點采用beam單元模擬，材料為MAT100材料[5];車身螺栓采用rigidbody模擬.

4）安全帶采用一維和二維安全帶單元連接而成，一維安全帶定義為seatbelt，材料為MAT_SEATBELT，材料卡片中定義了安全帶的厚度以及安全帶織帶加載和卸載的力與應變關系的曲線[6].二維單元安全帶由shell單元模擬，材料為MAT24.

5）上、下假人模塊為通用模型，采用MAT20材料模擬.

6）根據車身、座椅、假人及安全帶各模塊之間的實際接觸情況，在仿真模型里定義相應的接觸關系：包括車身鈑金、座椅骨架之間的自接觸、焊點與鈑金間的點面接觸、假人模塊與安全帶的面面接觸、假人模塊與座椅的面面接觸以及20倍座椅重力加載模塊和座椅間的面面接觸.

2.2? ?載荷邊界條件

仿真模型盡可能的按照試驗狀態進行約束.本文車身狀態為截取了后半部分，對截取一側的節點及車尾后防撞梁中間位置的節點約束其6個方向自由度.如圖8所示.

按照 GB 14167—2013 法規規定：在上下假人模塊施加 13 500 N的載荷，載荷方向為平行于車輛行駛且繩索與假人模塊連接點水平面呈10°的方向，見圖8中箭頭線2標識;對于座椅上布置有安全帶固定的需要額外對座椅施加沿水平向前方向相當于座椅總質量20倍的力.在仿真模型中為了考慮一定的安全裕度，按照以往分析經驗對加載力放大1.2倍.即假人上下模塊各施加13.5*1.2=16.2 kN;按照法規要求還需要沿水平向前施加20倍的座椅重力的載荷，本文后排座椅質量為? ? ? 8.8 kg，施加載荷為8.8*9.8*20/100=1.725 kN，加載模型如圖8所示.

2.3? ?計算結果分析

模型計算完成后，通過對計算結果進行必要檢查以確保計算的準確性，其中包括：查看動畫是否出現異常，模型總能量、動能、內能、接觸能及沙漏能曲線是否平穩;同時，為了提高仿真的精度和穩定性，質量增加要求小于5%;為了有效地模擬準靜態過程，動能與內能的比值小于2%[7].根據上述檢查原則，對本次計算結果進行檢查得到能量曲線如圖9所示.各能量曲線平穩變化，質量增加為3.4%、小于5%，動能與內能之比為1.43%、小于2%，仿真結果符合準靜態過程特性;說明仿真計算模型滿足檢查要求，可進行下一步的研究.

查看后排D柱區域，發現左右側D柱中間位置出現明顯折彎，安全帶上安裝孔位置Z方向左右側分別往下移動了53.1 mm、51.1 mm，如圖10—圖11所示，與試驗變形趨勢基本一致，驗證了仿真模型的可靠性.因此，可以采用該仿真模型進行結構優化研究.

3? ? 結構優化

根據試驗和仿真結果分析，D柱區域的折彎是導致試驗未通過的主要原因.因此，本研究的優化改進方向是：通過提高D柱區域的剛度，阻止其發生折彎，使加載達到法規要求，進而通過法規試驗.通過分析確定了在左右D柱腔體內各增加一個加強板的設計思路，D柱優化前、后的示意圖如圖12—圖13所示.綜合考慮質量和成本，選用DC01材料，依次設計了厚度為0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm 三個優化方案.

根據3個優化方案，重新建立仿真模型進行計算：

方案1部件采用0.6 mm厚度. 下D柱中間區域仍發生折彎，安全帶上安裝孔位置Z方向左右側分別往下移動了50.8 mm、49.1 mm，如圖14、圖15所示，不滿足要求.

方案2部件采用0.8 m厚度.D柱中間區域折彎現象得到改善，安全帶上安裝孔位置Z方向左右側分別往下移動了24.8 mm、23.5 mm，如圖16、圖17所示，但左側位置仍有較大變形，存在一定的風險.

方案3部件采用1.0 m厚度.D柱中間區域折彎現象得到明顯改善，安全帶上安裝孔位置Z方向左右側分別往下移動了19.6 mm、16.4 mm，左右側D柱變形較小，如圖18、圖19所示，載荷能夠加載到法規要求值，各項指標也都滿足法規要求，可按照該狀態造車進行實車試驗.

按照方案3重新造車進行試驗，最終試驗滿足要求.試驗加載力達到法規要求值，如圖20所示.對比優化后的試驗與仿真結果：試驗后左D柱區域變形（見圖21）與仿真變形（見圖22）基本一致.試驗后右D柱區域變形（如圖23所示）與仿真變形（如圖24所示）基本一致，仿真結果與試驗吻合度高.

4? ? 結論

本文通過試驗仿真對標所建立的有限元仿真模型，解決了某新能源車開發過程中安全帶固定點法規試驗所出現的D柱折彎所導致的試驗失效的問題，并得出以下結論：

1）基于法規試驗所搭建的有限元對標模型與試驗結果具有較高的吻合度，可基于該仿真模型進行結構優化以解決該項試驗所出現的問題.

2）本研究在考慮安全裕度和厚度合適的前提下，獲得了一個滿足要求的優化方案，最后通過試驗驗證滿足法規要求.

3）本研究的建模方法和優化思路同樣可應用于其他車身開發當中，以提高研發效率，降低開發成本.

參考文獻

[1]? ? ?全國汽車標準化技術委員會.汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX 固定點系統及上拉帶固定點：GB 14167—2013[S].北京：中國標準出版社，2013.

[2]? ? ?梁卓，吳磊.客車側翻仿真全程計算方法的研究[J].廣西科技大學學報，2017，28（2）：74-78.

[3]? ? ?谷昆侖，程嘯，郝朝利.前排座椅安全帶固定點強度仿真分析及優化[J].上海汽車，2020（2）：15-17.

[4]? ? ?林圣存，沈光烈.駕駛室模型質量優劣對CAE分析結果的影響[J].廣西科技大學學報，2016，27（3）：60-64.

[5]? ? ?陳軍，成艾國，陳濤，等.Beam與Solid兩種點焊模擬方法對比研究[J].中國機械工程，2012，23（19）：2388-2392.

[6]? ? ?胡遠志，曾必強，謝書港.基于LS-DYNA和Hyperworks的汽車安全仿真與分析[M].北京：清華大學出版社，2011.

[7]? ? ?黃志輝，陳盛釗，柏友運.顯式準靜態幾種加載方法的討論[J].武漢理工大學學報，2011，33（6）：122-125，129.

（責任編輯：黎? 婭）