汽車(chē)安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析

鄧國(guó)紅，楊 浩，楊鄂川，張 勇

(重慶理工大學(xué)重慶汽車(chē)學(xué)院，重慶 400054)

汽車(chē)安全帶安裝固定點(diǎn)的強(qiáng)度是汽車(chē)被動(dòng)安全的一個(gè)重要指標(biāo)，是車(chē)輛《公告》試驗(yàn)的強(qiáng)制檢查項(xiàng)目。在碰撞事故發(fā)生時(shí)，安全帶固定點(diǎn)周?chē)鷧^(qū)域撕裂、斷裂是造成人員傷亡的主要原因。GB 14167—2006《汽車(chē)安全帶安裝固定點(diǎn)》［1］標(biāo)準(zhǔn)要求，在承受固定點(diǎn)試驗(yàn)載荷的情況下，安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度必須保證安全帶不得從安裝固定點(diǎn)處脫落，但允許安裝固定點(diǎn)及周?chē)鷧^(qū)域產(chǎn)生永久變形或裂紋。目前國(guó)內(nèi)在這方面的相關(guān)研究較少。文獻(xiàn)［2］僅僅采用線性靜力學(xué)分析方法，截取固定點(diǎn)周?chē)鷧^(qū)域進(jìn)行計(jì)算，直接將載荷分解成直角坐標(biāo)系X、Y、Z三個(gè)方向的分力，加載在安全帶安裝點(diǎn)上，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的加載方法相比，模擬不夠精確，也無(wú)法分析標(biāo)準(zhǔn)中所允許的塑性變形。文獻(xiàn)［3］將分析置于整個(gè)白車(chē)身模型中，采用顯式求解方法，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定載荷加載，直接將載荷施加在安全帶上。但是法規(guī)要求有試驗(yàn)的人體模塊，載荷施加在人體模塊上，然后再將力傳遞到安全帶，最后將力傳遞到固定點(diǎn)，所以分析也不夠精確。

本文以某款國(guó)產(chǎn)乘用車(chē)為例，以安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析為目的，搭建整車(chē)有限元模型，并加入座椅、人體模塊(肩塊和臀塊)、安全帶模型，將安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析放在完善的整車(chē)有限元模型中。采用LS-DYNA的顯示求解器對(duì)該準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題進(jìn)行非線性分析，研究汽車(chē)符合GB 14167的可能性，探討模型的建立、失效判斷、安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析方法［4－19］。

1 有限元模型建立

白車(chē)身有限元模型:國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試驗(yàn)既可以在車(chē)身框架上進(jìn)行，亦可在整車(chē)上進(jìn)行，所以本文采用殼單元建立白車(chē)身有限元模型，包括前排座椅和后排座椅模型。根據(jù)法規(guī)要求，白車(chē)身模型不帶擋風(fēng)玻璃和側(cè)圍玻璃。整個(gè)仿真模型有610 385個(gè)單元，626 687個(gè)節(jié)點(diǎn)。

座椅有限元模型:汽車(chē)座椅由骨架、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、坐墊、靠背及頭枕組成，碰撞中的主要承力部件是骨架、坐墊、靠背及頭枕，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在建立有限元模型時(shí)省略。座椅骨架結(jié)構(gòu)均是薄壁件，故以殼單元模擬骨架;坐墊、靠背及頭枕均為實(shí)體模型，以六面體單元模擬，并以泡沫材料定義屬性。

安全帶有限元模型:在Hypermesh的safety模塊下建立1D/2D混合型安全帶，2D安全帶單元采用二維殼單元，平均單元尺寸為12 mm。

加載器有限元模型:安全帶固定點(diǎn)測(cè)試工具包括人體模塊(臀塊和肩塊)、加載器模塊，其有限元模型由VPG軟件提供，導(dǎo)入Hypermesh軟件。圖1為加載裝置局部放大圖。

圖1 加載裝置局部放大圖

2 邊界條件確定

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“所有固定車(chē)輛的裝置應(yīng)距被測(cè)固定點(diǎn)前方不小于500 mm或后方不小于300 mm處，且不得影響構(gòu)架結(jié)構(gòu)”。按照法規(guī)要求進(jìn)行約束，車(chē)輛固定點(diǎn)設(shè)置在前后懸架安裝位置和白車(chē)身連接副車(chē)架處，如圖2所示。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB14167—2006中的規(guī)定［1］，沿平行于車(chē)輛縱向中心平面并與水平線成向上10°±5°的方向施加載荷。先施加總載荷10%的預(yù)加載，然后增加載荷至總載荷，在60 s內(nèi)加載至規(guī)定值。利用模擬織帶對(duì)上人體模塊施加13 500±200 N的試驗(yàn)載荷，與此同時(shí)，對(duì)下人體模塊施加13 500±200 N的試驗(yàn)載荷，在座椅質(zhì)心處施加一個(gè)相當(dāng)于座椅總成質(zhì)量20倍的力。前座椅總成質(zhì)量為17 kg，因此載荷為3 332 N;后座椅總成質(zhì)量為18.5 kg，因此載荷為3 626 N。圖3、4分別為前后排安全帶固定點(diǎn)模型邊界條件。

3 參數(shù)設(shè)置

車(chē)身的主要零部件是由薄板沖壓而成，薄板材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能對(duì)車(chē)身的耐撞性有重要影響。與靜載作用相比，彈塑性材料在動(dòng)載作用下的本構(gòu)關(guān)系具有一系列不同的力學(xué)特性，其中最重要的特性之一是在快速加載條件下，許多金屬材料的屈服極限明顯提高，而屈服的出現(xiàn)卻有滯后現(xiàn)象［4］。材料的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)本構(gòu)關(guān)系的主要差別之一在于前者要考慮應(yīng)變率效應(yīng)［5］。車(chē)身鈑金件材料采用DYNA中的24號(hào)材料模型，該模型是分段線性各向同性硬化材料模型。由于安全帶固定點(diǎn)加載試驗(yàn)可以被看作是準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題，所以將用來(lái)定義塑性硬化所需要的Cowper-Symonds模型系數(shù) C、P 設(shè)置為零［3］。

大部分車(chē)身鈑金件之間通過(guò)焊點(diǎn)相連，為了準(zhǔn)確計(jì)算出該結(jié)構(gòu)的受力、變形情況，需要處理好焊點(diǎn)接觸的模擬問(wèn)題。本文焊點(diǎn)連接采用Beam單元模擬，材料為*Mat100材料。

在本模型中，將安全帶單元定義為:*Element_Seat_Belt，材料*Mmat_Seatbelt，用曲線定義織帶在加載和卸載條件下的受力與工程應(yīng)變關(guān)系，真實(shí)模擬安全帶特性。

4 算法確定

為了改進(jìn)求解結(jié)果，隱式方法在每步進(jìn)行1次或多次矩陣求解。盡管在隱式方法中選擇較長(zhǎng)的時(shí)間步會(huì)造成結(jié)構(gòu)動(dòng)力的高頻成分缺失，但其數(shù)值穩(wěn)定性良好，因此對(duì)于允許采用較長(zhǎng)時(shí)間步的線性瞬態(tài)問(wèn)題，隱式方法有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

在隱式非線性分析中，每個(gè)時(shí)間步內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)非線性，這與其中大規(guī)模方程的頻繁求解一起增加了隱式方法的復(fù)雜性和計(jì)算費(fèi)用。

與隱式方法不同，顯式方法不必形成剛度矩陣或至少不必經(jīng)常這么做，使得有限元程序和求解過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。

對(duì)于給定的時(shí)間步長(zhǎng)，顯式方法在每一步內(nèi)的計(jì)算要比隱式方法簡(jiǎn)單。由于非線性?xún)H在取時(shí)間步時(shí)考慮，復(fù)雜的邊界條件和其他形式的非線性都比較容易解決。但是，除非顯式方法的時(shí)間步長(zhǎng)相對(duì)較小，并且小于一個(gè)臨界的最大值，否則在顯式動(dòng)力求解過(guò)程中容易導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算的不穩(wěn)定和分叉，這意味著顯式分析的時(shí)間步較多，而步長(zhǎng)較小。

LS-DYNA采用顯式積分方法，優(yōu)點(diǎn)是非常適合求解各種復(fù)雜接觸問(wèn)題，比較容易收斂，當(dāng)積分時(shí)間步長(zhǎng)小于所要求的臨界時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)，就可以用于準(zhǔn)靜態(tài)分析。

安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析是一個(gè)非線性過(guò)程，實(shí)驗(yàn)要求在60 s內(nèi)加載完畢，整個(gè)加載過(guò)程可以被看作一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題。本文研究模型比較大，為了控制計(jì)算時(shí)間，選擇顯式算法，并且通過(guò)提高加載速度的方法來(lái)加載。與質(zhì)量縮放方法相比，提高加載速度可以更快地得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。為保證準(zhǔn)確性，提高加載速度后的動(dòng)能與內(nèi)能之比應(yīng)盡可能小，一般控制在2%以下。

5 計(jì)算結(jié)果及分析

仿真過(guò)程中，能量曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，動(dòng)能與內(nèi)能之比小于2%，證明仿真結(jié)果的正確性。

用動(dòng)態(tài)顯式有限元分析方法分析安全帶安裝點(diǎn)強(qiáng)度，把應(yīng)力作為參考標(biāo)準(zhǔn)會(huì)低估斷裂標(biāo)準(zhǔn)一些因素，因此通過(guò)周?chē)乃苄宰冃蝸?lái)判斷是否斷裂會(huì)更合理［6］。

前排安全帶上、下安裝點(diǎn)有效塑性應(yīng)變分布云圖如圖6、7所示。從圖中可以看出:上安裝點(diǎn)最大有效塑性應(yīng)變值為15.6%，下安裝點(diǎn)最大有效塑性應(yīng)變值為2.17%。

B柱內(nèi)板有效塑性應(yīng)變分布云圖如圖8所示。從圖中可以看出，B柱內(nèi)板最大有效塑性應(yīng)變值為6.57%。

后排安全帶上、下安裝點(diǎn)有效塑性應(yīng)變分布云圖如圖9、10所示。從圖中可以看出:上安裝點(diǎn)最大有效塑性應(yīng)變值為12.5%，下安裝點(diǎn)最大有效塑性應(yīng)變值為1.34%。

以上計(jì)算結(jié)果分別與各處所用材料進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出:各安裝點(diǎn)最大有效塑性應(yīng)變小于材料斷后延長(zhǎng)率，前、后排上安裝點(diǎn)安全系數(shù)大于1.5，下安裝點(diǎn)安全系數(shù)更高，能夠滿足材料不斷裂的要求。各固定點(diǎn)位移隨時(shí)間變化曲線如圖11～14所示。

表1 計(jì)算結(jié)果分析

圖11 B柱上固定點(diǎn)位移

B柱上安全帶固定點(diǎn)綜合位移如圖11所示。從圖中可以看出:當(dāng)達(dá)到100 ms以后，保持所施加力，B柱內(nèi)板固定點(diǎn)位移不再向上發(fā)展，說(shuō)明B柱內(nèi)板能承受規(guī)定的載荷。

位移隨時(shí)間變化曲線如圖11～14所示，跟前面塑性應(yīng)變結(jié)果相吻合，上固定點(diǎn)變形比下固定點(diǎn)大，說(shuō)明在加載過(guò)程中上固定點(diǎn)承受更大的力，并且位移在100 ms以后，不再向上發(fā)展，說(shuō)明可以承受相應(yīng)載荷。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:在試驗(yàn)期間，下有效固定點(diǎn)的最小間隔滿足分別通過(guò)同一安全帶的2個(gè)下固定點(diǎn)L1、L2且平行于車(chē)輛縱向中心平面的2個(gè)垂直平面間的距離不得小于350 mm的要求，上有效固定點(diǎn)應(yīng)滿足在R點(diǎn)鉛垂上方450 mm水平面上方的要求。在仿真過(guò)程中，分別通過(guò)同一安全帶的2個(gè)下固定點(diǎn)L1、L2且平行于車(chē)輛縱向中心平面的2個(gè)垂直平面間的距離為632 mm，上有效固定點(diǎn)距離R點(diǎn)鉛垂距離為585 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在仿真過(guò)程中分別通過(guò)同一安全帶的2個(gè)下固定點(diǎn)“L1、L2”且平行于車(chē)輛縱向中心平面的2個(gè)垂直平面間的距離如圖15所示，該距離大于350 mm，上有效固定點(diǎn)距離“R”點(diǎn)鉛垂距離如圖16所示，該距離大于450 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

1)對(duì)汽車(chē)安全帶固定點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度分析，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB14167—2006規(guī)定，安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為:如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，持續(xù)按規(guī)定的力加載，則允許固定點(diǎn)或周?chē)鷧^(qū)域有永久變形，包括部分?jǐn)嗔鸦虍a(chǎn)生裂紋。由計(jì)算結(jié)果分析表可知安全帶安裝點(diǎn)各處的最大有效塑性應(yīng)變均小于材料的斷后延長(zhǎng)率，并且留有一定安全系數(shù)，說(shuō)明各安裝點(diǎn)處可以承受相應(yīng)載荷，不會(huì)斷裂。

2)討論了采用顯示積分求解非線性準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題的思路，可以通過(guò)提高加載速度的方法，既容易收斂又節(jié)約計(jì)算時(shí)間。只有保證動(dòng)能與內(nèi)能之比小于2%，才能保證分析結(jié)果可靠性。該方法可以有效地進(jìn)行模型較大、接觸較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

［1］GB14167—2006.汽車(chē)安全帶安裝固定點(diǎn)［S］.

［2］杜子學(xué)，文孝霞.汽車(chē)安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析與優(yōu)化［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，23(5):99 －101.

［3］許早龍，范朝兵，廖善權(quán)，等.基于LS-DYNA的汽車(chē)安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度研究［J］.力學(xué)與實(shí)踐，2010，32(3):105－110.

［4］付銳，魏朗.汽車(chē)碰撞數(shù)值模擬中應(yīng)變率效應(yīng)問(wèn)題的討論［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，1999，12(3):21 －24.

［5］楊桂通.彈塑性動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:科學(xué)出版社，2008:60－84.

［6］Seiji Hayashi，Koushi Kumagai.Development of a set belt anchorage strength analysis method using dynamic explicit FEM code［C］//SAE Paper.［S.l.］:［s.n.］，2000:137.

［7］李磊，石曉輝，程乃士，等.國(guó)產(chǎn)CVT金屬帶摩擦片強(qiáng)度分析［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009(7):22－26.

［8］文孝霞，杜子學(xué).擬開(kāi)發(fā)指揮車(chē)鋁合金廂體骨架強(qiáng)度分析［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2010(2):78－81.

［9］郭同生，楊俊杰.SS7抱軸箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009(2):16－20.

［10］華偉.汽車(chē)安全帶舒適性研究［J］.汽車(chē)科技，2011(4):33－36.

［11］江鋒.汽車(chē)安全帶:生命的保護(hù)神［J］.中國(guó)道路運(yùn)輸，2011(4):79－80.

［12］唐波.汽車(chē)安全帶的性能研究以及相關(guān)探討［J］.汽車(chē)與配件，2011(4):32－35.

［13］吳杰余，王洪濤，呂曉武.汽車(chē)安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)研制［J］.汽車(chē)科技，2008(6):57－59.

［14］鐘柳華，陳春柳.汽車(chē)安全帶總成強(qiáng)度設(shè)計(jì)探討［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2008(10):85 －88，91.

［15］闞春林.汽車(chē)安全帶［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2008(4):83－84.

［16］王秉，張鈞.汽車(chē)安全帶的力學(xué)原理［J］.技術(shù)物理教學(xué)，2006(3):44－45.

［17］呂紅波.汽車(chē)安全帶性能試驗(yàn)方法［J］.客車(chē)技術(shù)，2006(2):45－46.

［18］商恩義，烏秀春.汽車(chē)安全帶和座椅設(shè)計(jì)新理念［J］.機(jī)械工程師，2005(1):49－50.

［19］杜子學(xué)，文孝霞.汽車(chē)安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析與優(yōu)化［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(5):99 －101，127.