汽車座椅安全帶固定點強度分析

鄭正，盧磊

廣州廣汽優利得汽車內飾系統研發有限公司，廣東廣州 511434

0 引言

汽車座椅是汽車安全件的重要組成部分之一，它不僅可以給乘員提供支撐，還具有保護乘員避免或減少傷害的作用。汽車座椅安全帶固定點試驗是車輛《公告》強制性試驗項目。在車輛發生碰撞事故時，如果安全帶固定點強度不滿足法規要求，則安全帶固定點周圍區域的撕裂或斷裂是會造成人員傷亡。為使座椅在整車碰撞過程中起到更好的保護作用，許多座椅企業會設計高于法規標準要求的性能產品。已有不少學者利用仿真分析方法對安全帶固定點強度進行了研究。鄧國紅等采用LS-DYNA的顯式求解模塊分析汽車安全帶固定點強度，驗證了分析方法的有效性。王力等應用ABAQUS軟件的Explicit求解模塊，完成了某轎車后排座椅安全帶固定點強度仿真分析，并驗證了相關試驗，證明了仿真分析的有效性。曹奇等通過對傳統模型中單元類型，加載曲線等關鍵參數進行優化，提高計算仿真精度。周旺和李晶針對座椅右側滑軌強度存在不足的問題，利用LS-DYNA軟件進行了安全帶固定點強度仿真，并提出優化結構方案，優化后的汽車座椅滿足法規要求。

文中以某M1類汽車副駕座椅為例，基于前處理軟件Hypermesh建立座椅的有限元模型，采用RADIOSS的顯式求解模塊對座椅進行安全帶固定點強度仿真分析，探討了模型的建立及失效原因的分析，并提出解決問題的改進方案，使座椅的安全帶固定點強度滿足法規1.2倍(載荷16 200 N)的要求。

1 安全帶固定點試驗方法

圖1為座椅安全帶固定點強度試驗時力的加載示意圖。根據法規GB 14167—2013的要求，分別在上、下人體模塊加載大小為(13 500±200)N，載荷在15 s內緩慢加載，保持0.5 s后，在2 s內繼續加載至(16 200±200)N，加載方向與水平線成10°±5°且沿車輛縱向中心平面向前。同時在座椅質心位置施加等同于座椅質量24倍的力，其加載方向沿車輛縱向中心平行向前并與水平線成0°±5°方向，載荷在17.5 s內緩慢加載。

圖1 座椅安全帶固定點強度試驗時力的加載示意

2 仿真模型

利用有限元前處理軟件Hypermesh建立如圖2所示的座椅安全帶固定點強度試驗仿真模型。采用有限元前處理軟件Hypermesh搭建有限元模型，零部件的主要網格尺寸大小為5 mm。此外，在符合精度要求的條件下，針對安全帶固定點的受力情況，在局部優化安全帶固定點受力區域的網格。鈑金件和圓管采用以四邊形為主三角形為過渡的網格劃分，滑軌內外槽采用六面體單元網格單元。座椅各零部件之間螺栓連接采用SPRING單元進行模擬，焊接采用Rigid單元進行模擬。文中分析的座椅主要是薄板沖壓件，符合LAW2材料模型。

圖2 座椅安全帶固定點強度試驗仿真模型

3 計算結果及分析

系統的內能和動能變化曲線如圖3所示。由分析結果可得，系統動能與內能之比為0.9%，小于5%，表明了仿真結果的合理性。

圖3 系統的內能與動能變化曲線

圖4為座椅零部件最大變形圖，在加載過程中座椅主要變形區域為下固定側區域。由圖4可以看出，加載至162 000 N時，滑軌外槽明顯張開，存在拔脫的風險，導致下固定點失效。

圖4 座椅零部件最大變形圖

有研究表明：利用顯式有限元分析方法求解，把應力作為參考標準會忽略一些斷裂因素，通過周圍的塑性應變來判斷斷裂情況會更加合理。因此文中主要以材料的塑性應變來評判斷裂情況。

座椅滑軌外槽和內槽的最大有效塑性應變云圖如圖5和圖6所示。由圖中可以看出，滑軌外槽的最大有效塑性應變為49.62%，超出材料的拉伸極限，位于外槽末端，有撕裂風險； 滑軌內槽的最大有效塑性應變為46.48%，超出材料的拉伸極限，有斷裂風險。不滿足GB 14167—2013標準要求在試驗載荷下汽車安全帶不得從安裝固定點處脫落。

圖5 座椅滑軌外槽最大有效塑性應變云圖

圖6 座椅滑軌內槽最大有效塑性應變云圖

4 改進方案及驗證

滑軌外槽的結構如圖7所示，由圖可以看出，因解鎖機構的設計需要，位于滑軌外槽靠近固定點端存在較大的缺口，使得此處截面積減小，弱化了外槽局部的承載強度，在高載荷條件下，容易產生斷裂。

圖7 滑軌外槽結構

由于下固定側的滑軌受力較大，考慮對滑軌結構進行補強優化。從設計成本、開發時間以及難易程度等方面考慮，并基于上述原因的分析結果，提出該座椅的優化方案如下：

(1)增加U型補強板，厚度為3.0 mm，材質為SPFH590。

(2)增加滑軌外槽補強板，厚度為2.6 mm，材質為SPFH590。

優化后的座椅結構如圖8所示。

圖8 優化后的座椅結構

對改進方案進行分析計算，得到滑軌外槽和內槽的最大有效塑性應變云圖如圖9和圖10所示。由圖9可以看出，滑軌外槽的最大有效塑性應變為18.61%;由圖10可以看出，滑軌內槽的最大有效塑性應變為11.75%。結果均未超出材料的拉伸極限，失效風險較小，在合理范圍之內。

圖9 滑軌外槽最大有效塑性應變云圖

圖10 滑軌內槽最大有效塑性應變云圖

結合改進后的方案進行試驗驗證，載荷隨時間變化結果如圖11所示，試驗過程如圖12所示。試驗結果表明，加載至16 200 N時，固定點未發生完全斷裂脫落，該座椅安全帶固定點能滿足標準要求。同時，試驗結果驗證了仿真分析方法的有效性。

圖11 載荷隨時間變化結果

圖12 試驗過程

5 結束語

文中利用Hyperworks有限元分析軟件，建立安全帶固定點仿真分析模型，并進行強度分析，得到原座椅的滑軌強度不足，導致下固定點失效，不能滿足法規要求，并針對結構強度不足的問題進一步分析，提出改進方案。結果表明，改進方案的結構滿足標準要求，同時驗證了仿真分析方法的有效性。文中也說明了利用有限元分析方法可大大提高設計效率，減少試驗驗證次數，降低了開發成本和縮短開發時間，提高試驗通過率具有重要意義。