ISOFIX側碰強度改善研究

王友平,毛軍輝

寧波寶貝第一母嬰用品有限公司,浙江 寧波 315000

0 引言

兒童約束系統(child restraint system,CRS)是指能為兒童乘員提供坐姿或睡姿狀態的裝置[1],其設計是通過限制兒童身體的移動來減輕車輛在碰撞事故或突然減速情況下對佩戴者的傷害。CRS在車輛上的安裝有2種方式,一種是通過車用安全帶固定,一種是通過CRS上的ISOFIX固定[2]。因ISOFIX固定的整體式CRS相比其他類型固定的CRS保護性能更佳[3],逐漸成為了市場的主流。

車禍中車輛的碰撞有一部分是來自于側面[4]。兒童乘員在側面碰撞事故中受到嚴重或致命傷的風險遠高于其他類型的碰撞事故[5]。目前研究兒童約束系統側面碰撞的不多,劉軍 等[6]研究的是車門侵入速度、深度及方式等不同侵入條件對CRS中兒童損害的影響。ISOFIX是CRS與車輛連接的關鍵零部件,強度不足可能會導致CRS直接與車輛分離,給乘坐兒童帶來嚴重的傷害。本文最大的創新點在于結合ADAC側面碰撞工況,通過采用計算機輔助工程(CAE)的仿真分析結合實際樣品測試的方式,快速分析、改善和驗證現有ISOFIX產品側面強度的不足,最終發現通過合理布局鉚釘數量和位置,可使ISOFIX連接裝置側碰強度大幅提升。

1 ISOFIX測試方法

1.1 ADAC介紹

全德汽車俱樂部(ADAC)是德國最大的交通協會,總部位于德國慕尼黑[7]。ADAC站在消費者的角度對市面上的CRS定期進行抽檢,采用的碰撞項目比國標GB27887—2011更高,比如ADAC采用了80°碰撞來模擬測試(見圖1)。

圖1 ADAC 80°側面碰撞示意

1.2 ISOFIX裝置

ISOFIX[8]是指從ISOFIX兒童約束系統結構中伸出,與ISOFIX的車輛下部固定點配合使用的固定裝置[9](見圖2)。為了與汽車安裝有更好的兼容性,國標GB 27887—2011中對ISOFIX外形尺寸有詳細規定(見圖3)[10]。但尺寸的限制也意味著只能在有限的空間內通過巧妙的結構布局來增加強度。

圖2 ISOFIX與CRS安裝圖示

1.3 測試方法

為了便于后續的研究和方案改善,本文將ADAC中ISOFIX的受力情況簡化為如下工裝:將上下工裝固定在拉力機上,ISOFIX產品一端固定在測試上工裝,另一端固定在測試下工裝,ISOFIX與水平面成80°夾角(見圖4)。

圖4 80°側拉工裝示意

2 試驗與研究

2.1 ISOFIX原型樣件測試

為了獲知現有ISOFIX的側拉強度情況,先制作3套樣件,按照如上測試方式將樣件固定在拉力機上。ISOFIX的側拉強度力值為11 210～12 730 N(見圖5)。

圖5 原型樣件80°側拉數據

2.2 建立CAE仿真分析模型

經過前期的調研獲知,之前有通過CAE(compater aided engineering)來快速輔助改善產品設計的先例[11],因此,本文也在產品設計過程中引入CAE軟件,建立仿真模型來同步驗證設計方案。本文使用HyperMesh進行網格劃分、建立邊界條件和加載,LS-DYNA進行求解計算,HyperGraph進行結果處理,HyperView進行動畫處理,形成最終的仿真分析報告。

在不影響分析結果的同時,為了提高CAE驗證效率,本文對有限元模型進行了簡化。模型固定件只保留主要的2個ISOFIX鱷魚嘴的固定點,運動件在連接件螺栓孔的中心處施加向上力以及沿y方向隨時間線性增加的位移(見圖6)。

圖6 CAE中ISOFIX工裝模型搭建

橫管和連接件使用的是一階六面體單元,尺寸是3 mm;鱷魚嘴二階四面體單元,尺寸是1 mm;橫管和鱷魚嘴之間的焊縫是二階四面體單元,尺寸是0.5 mm。模型總規模約9萬單元。ISOFIX 采用的模型材料見表1,45#鋼熱處理真實與仿真應力應變曲線見圖7。

表1 仿真模型使用到的樣件材料

圖7 45#鋼熱處理真實與仿真應力應變曲線

2.3 CAE分析結果

通過HyperGraph對仿真結果進行提取和處理,得到如下ISOFIX拉力仿真的曲線,拉力在位移52 mm處達到最大值13 100 N(見圖8)。使用HyperView軟件進行動畫處理,ISOFIX鱷魚嘴在根部斷裂(見圖9)。

圖8 ISOFIX仿真結果

圖9 ISOFIX 根部斷裂圖示

通過對比CAE分析結果和ISOFIX原型樣件測試結果(見圖10)得出如下結論。

圖10 ISOFIX CAE仿真和試驗拉力曲線對比

1)仿真的最大力約為13 100 N,實際原型樣件測試力為11 210～12 730 N。

2)仿真最大力點出現在52 mm左右,實際原型樣件測試最大力點為50～60 mm。

3)仿真和試驗的力位移曲線線性段斜率基本一致。

通過CAE仿真分析與原型樣的對比測試,其誤差在理想范圍內。

2.4 失效原因

對原型樣件結構進行分析,如果鱷魚嘴2個鋼片在拉力作用下分開,那么只有1個鋼片在受力,如果鉚釘能把2個鋼片牢固地結合在一起,使2個鋼片共同受力,那么ISOFIX的強度會增加很多。

3 改善方案驗證

3.1 改善方案

通過上面對模型的分析,在原型樣件上制定了2個改善方案(見圖11),改善方案匯總見表2。

表2 改善方案

圖11 改善方案圖示

3.1.1 改善方案A:加強現有鉚釘強度

當側拉力增加到15 000 N時,焊縫處的應力達到1 203.0 MPa,接近材料的抗拉強度(見圖12)。

圖12 改善方案A的ISOFIX受力云圖

3.1.2 改善方案B:后端增加2顆鉚釘

當側拉力增加到20 000 N時,焊縫處的應力達到12 03.7 MPa,接近材料的抗拉強度(見圖13)。

從上面2個模型的對比可以看出(見表3),改善方案B強度提高明顯,因此根據方案B進行樣件制作和測試驗證。

3.2 實物驗證

依據CAE對方案B的仿真分析,本文對樣件進行了制作和測試(見圖14)。在原型樣件基礎上,通過在鱷魚嘴后端單側增加2顆螺栓對鋼片進行鎖合,同時對3個樣件進行了側面拉力測試。

測試結果表明,強度提升到了20 000 N左右(見圖15)。

圖15 改善方案B的實物試驗力-位移曲線

3.3 改善前后效果對比

通過在ISOFIX后端增加2個固定點,強度從改善前的12 000 N左右提升到了20 000 N左右,提升了約67%。

3.4 ISOFIX強度改善原因

在80°側拉中,2片鱷魚嘴直接承受拉力,ISOFIX隨著拉力的增加,變形越來越大,當形變量達到一定時,ISOFIX的測面強度也就到了極限強度。本文通過增加鉚釘的數量來增加鱷魚嘴2片殼體的固定,從而提升鱷魚嘴的強度,達到提高ISOFIX側面強度的目的。

4 結論

隨著人們對兒童出行安全意識的逐步提升,兒童約束系統的側面碰撞會越來越被大家所重視。本文通過對ISOFIX裝置側拉強度的改善研究發現,ISOFIX上的鉚釘位置和數量對產品整體強度有很大影響。該研究可以給兒童安全座椅工程師們更好、更完善地設計ISOFIX裝置提供參考和借鑒。