微車中后排安全帶固定點強度分析

張玉珠，賈麗剛，武敬偉

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

微車中后排安全帶固定點強度分析

張玉珠，賈麗剛，武敬偉

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

依據(jù)國標(biāo)GB 14166-2013、GB 14167-2013要求，結(jié)合對標(biāo)車研究，確定某車型中后排安全帶適應(yīng)新國標(biāo)改進(jìn)方向，建立安全帶固定點分析有限元模型。通過仿真發(fā)現(xiàn)中間位置安全帶上有效固定點超標(biāo)，超標(biāo)原因是座椅安裝腳處地板和座椅限位器連接板強度不足。進(jìn)行有針對性的改進(jìn)后，仿真結(jié)果滿足國標(biāo)要求，改進(jìn)方案通過了實驗驗證。

安全帶固定點；強度分析；仿真

0 引言

安全帶是汽車被動安全中一個重要的組成部分，是車輛碰撞時保護(hù)乘員安全的最重要方法之一。當(dāng)汽車發(fā)生碰撞事故或翻滾時，安全帶總成把車上乘員牢牢約束在座椅上，防止其飛出車外或與車內(nèi)零部件發(fā)生二次碰撞，從而最大降低車內(nèi)乘員遭受傷害的程度[1]。安全帶固定點必須要滿足強度要求，安全帶固定點實驗是車輛《公告》試驗的強制檢查項目[2-3]，而安全帶本身也是3C和強檢件。文中以微型車中后排安全帶為研究對象，對微型車中后排安全帶固定點強度適應(yīng)新法規(guī)進(jìn)行法規(guī)分析、對標(biāo)車研究、CAE仿真優(yōu)化、法規(guī)實驗驗證。

1 國標(biāo)要求

GB 14167-2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點》[4]和GB 14166-2013《機動車乘員用安全帶、約束系統(tǒng)、兒童約束系統(tǒng)和 ISOFIX 兒童約束系統(tǒng)》[5]是和安全帶直接相關(guān)的2個國標(biāo)，下面先針對這2個國標(biāo)的要求進(jìn)行分析。

GB 14167-2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點》實驗要求如下：

實驗車輛的固定要求。所有固定車輛的方法均不得對安全帶固定點及其周圍部分起加強作用，同時亦不能減弱結(jié)構(gòu)正常的變形。所有固定車輛的裝置應(yīng)距被測固定點前方不小于500 mm或者后方不小于300 mm處，且不得影響整個寬度范圍內(nèi)的車身結(jié)構(gòu)。建議將構(gòu)架固定于接近車輪軸線或懸架連接點的支承物上。

加載力要求。對于M1類車，對于上固定點裝有導(dǎo)向件或織帶導(dǎo)向環(huán)帶卷收器的三點式安全帶固定點，利用模擬肩帶對上人體模塊施加(13 500±200) N的實驗載荷；與此同時，應(yīng)對下人體模塊施加(13 500±200) N的實驗載荷。人體模塊見圖1—2。

施力方向。沿平行于車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%(誤差±30%)的預(yù)加載，然后增加載荷至總載荷。

實驗時間。在60 s內(nèi)加載至規(guī)定值，應(yīng)制造商要求也可在4 s內(nèi)加載至規(guī)定值，并至少保持2 s。

對于設(shè)于座椅骨架上或分設(shè)于座椅骨架和車身框架的安全帶固定點，除了施加上面要求的載荷外，還應(yīng)施加一個相當(dāng)于座椅總成重力20倍的力，慣性載荷應(yīng)施加在座椅上或與相應(yīng)的座椅實際質(zhì)量相當(dāng)?shù)淖蜗嚓P(guān)部件上。

評價指標(biāo)。安全帶安裝固定點及其周圍區(qū)域允許塑性變形，但不能發(fā)生斷裂或者損壞。如果上固定點在座椅上，則試驗期間上有效固定點前向位移不能超過R點。

將GB 14167-2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點》同其2006版對比分析, 發(fā)現(xiàn)新版國標(biāo)

對于M1類前向座椅要求有3個固定點，見表1。

將GB 14166-2013《機動車乘員用安全帶、約束系統(tǒng)、兒童約束系統(tǒng)和 ISOFIX 兒童約束系統(tǒng)》同其2003版對比分析,發(fā)現(xiàn)新版國標(biāo)明確規(guī)定對于M1類三點式需使用帶卷收器安全帶,見表2。綜合分析兩個國標(biāo)后發(fā)現(xiàn)：對于M1類車，老版國標(biāo)中允許中后排使用簡易三點式安全帶，而且中間位置可以使用兩點式；新國標(biāo)要求全車使用卷收器三點式安全帶。新國標(biāo)對固定點強度和整車成本要求更高。

表1 固定點最低個數(shù)要求

注：a參見文獻(xiàn)[4]4.2.1.3(若座椅在通道內(nèi)側(cè)，允許2個固定點)；b參見文獻(xiàn)[4]4.2.1.4(若風(fēng)窗玻璃在基準(zhǔn)區(qū)外，允許2個固定點)；c參見文獻(xiàn)[4]4.2.1.5(基準(zhǔn)區(qū)若無任何部件，允許2個固定點)；d參見文獻(xiàn)[4]4.2.1.7(對雙層客車中上層座椅的特殊要求)。

表2 安全帶與卷收器最低要求

注：A表示三點式安全帶(腰帶和肩帶)；B表示兩點式安全帶(腰帶)；r表示卷收器；m表示復(fù)合敏感緊急鎖止式卷收器；3表示自動鎖止式卷收器；4表示緊急鎖止卷收器；N表示較高響應(yīng)閾值。

2 對標(biāo)車結(jié)構(gòu)研究

以某微車中后排座椅為研究對象，原車型滿足2006版GB 14167、GB 14166要求，8座椅車中后排配置323安全帶，并通過國家法規(guī)實驗。車匹配新動力項目為全新公告，需滿足2013版GB 14167、GB 14166國標(biāo)要求，需配置333帶卷收器的安全帶。中間位置三點式安全帶的布置方式直接影響到成本、感知、人機等各個方面。通過對標(biāo)車研究發(fā)現(xiàn)，中間安全帶上固定點布置一般有3種形式：布置在頂蓋上，如大眾途安；布置在座椅后方的專用立柱上，如福特全順；布置在座椅靠背，如大眾開堤，見表3。結(jié)合微車實際情況分析，對3種布置方式進(jìn)行詳細(xì)的布置、強度分析、感知評估，分析結(jié)果見表4。綜合評估后采用將中間三點式安全帶上固定點布置在座椅靠背上的方式，座椅結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表3 對標(biāo)車布置

表4 安全帶布置方式分析

3 有限元模型建立、仿真結(jié)果分析及改進(jìn)

3.1 有限元模型建立

使用HyperMesh進(jìn)行前處理，LS-dyna作計算器，HyperView做后處理。有限元模型包括頂蓋、側(cè)圍、地板、后部車架、座椅、安全帶及人體模塊，見圖4。

3.2 仿真結(jié)果分析

模型運算后，檢查動能、內(nèi)能、沙漏能曲線滿足要求，沒有刺穿和異常運動的出現(xiàn)，確認(rèn)模型本身無問題。然后進(jìn)行仿真結(jié)果分析：首先從整體變形來觀察整體設(shè)計是否存在大的風(fēng)險處需要改進(jìn)，然后按照法規(guī)要求進(jìn)行細(xì)節(jié)處的分析。法規(guī)的第一個評價指標(biāo)：安全帶安裝固定點及其周圍區(qū)域允許塑性變形，但不能發(fā)生斷裂或者損壞。從仿真角度解讀為允許塑性是指模型結(jié)果中可以出現(xiàn)應(yīng)變，但塑性變形不能超過一定指標(biāo)，否則鈑金將會撕裂或損壞。另外焊點力也是一個關(guān)鍵項，因為當(dāng)某個焊點失效時，其附件的焊點受力將變大，鈑金的變形也會變大，導(dǎo)致局部工況惡劣化，可能導(dǎo)致鈑金撕裂，故分析除了控制有效應(yīng)變外，還需將焊點力控制在一定范圍內(nèi)。法規(guī)的第二個評價指標(biāo)：如果上固定點在座椅上，則試驗期間，上有效固定點前向位移不能超過R點。分析卷收器作為上固定點放在座椅靠背上的設(shè)計方案，是需要評估此條要求，需通過模型中讀取上有效固定點前向位移后坐標(biāo)與R點的坐標(biāo)進(jìn)行比對來評價。

首先對整體動畫進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)座椅前后腳安裝處地板和座椅自身變形較大，靠背前移量大。分析結(jié)果也說明由323安全帶改為333安全帶，總體受力變大，而上固定點在靠背上的形式對座椅強度要求高，原狀態(tài)車身和座椅結(jié)構(gòu)偏弱，需有針對性地進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強，整體變形如圖5所示。

在模型結(jié)果中讀取左側(cè)安全帶上固定點、左側(cè)安全帶下固定點、左側(cè)安全帶地板固定點、右側(cè)安全帶地板固定點4個點處的最大應(yīng)變和最大焊點力進(jìn)行分析，如圖6紅圈示意的A、B、C、D處。

安全帶處最大應(yīng)變結(jié)果如圖7所示，4個位置中最大應(yīng)變?yōu)?.11，出現(xiàn)在左側(cè)安全帶上固定點處，應(yīng)變值小于設(shè)計要求，鈑金撕裂失效風(fēng)險小。安全帶處最大焊點力結(jié)果如圖8所示，4個位置中最大焊點力為1.48 kN，出現(xiàn)在左側(cè)安全帶上固定點處，焊點力值小于設(shè)計要求，焊點拉脫失效風(fēng)險較小。

從模型中讀取仿真實驗后上有效固定點X向坐標(biāo)1 887 mm，座椅設(shè)計R點X坐標(biāo)1 923 mm，由于車身坐標(biāo)系中X正向指向車尾，座椅上有效固定點前向位移超過R點36 mm(如圖9所示)，不滿足法規(guī)要求，方案判定不合，需改進(jìn)優(yōu)化。

3.3 改進(jìn)方案

設(shè)計方案存在的問題是座椅上固定點前向位移超標(biāo)，導(dǎo)致問題的原因是座椅本身結(jié)構(gòu)和車身地板處偏弱，故從改進(jìn)座椅自身結(jié)構(gòu)和車身地板結(jié)構(gòu)著手進(jìn)行分析。

對座椅進(jìn)行進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)限位器連接板發(fā)生扭轉(zhuǎn)，此變形對上有效點前移量影響較大，采用將內(nèi)板加強板延長并和限位器連接板搭接的改進(jìn)方案，增加質(zhì)量0.17 kg，如圖10所示。 單獨對改進(jìn)后座椅進(jìn)行模型計算，對座椅上有效點前向位移進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)座椅上有效固定點未超過R點，余量為31 mm，說明此方案改善較明顯，且增加成本很小。

車身地板處前后腳安裝位置變形明顯，原因是地板此處加強板結(jié)構(gòu)強度偏弱，需加強。對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，座椅前腳只有一塊地板加強板，沒有搭接到橫梁或縱梁上；座椅后腳處有小縱梁，但是受到后部圓管梁的限制，做成變截面，到尾端梁處已變成片體搭入進(jìn)行焊接。地板改進(jìn)方案如圖11所示，座椅前腳處，在原橫梁200 mm處增加一個橫梁，材料BLD、1.2 mm。座椅后腳處，取消原來的兩個小縱梁，采用新的小縱梁和地板加強板，新小縱梁與圓管梁使用保護(hù)焊搭接。地板加強方案共增加質(zhì)量1.86 kg。在座椅方案基礎(chǔ)上，增加車身地板結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，進(jìn)行仿真計算，座椅上有效固定點余量為52 mm，地板結(jié)構(gòu)更改貢獻(xiàn)21 mm改善量，結(jié)果如圖12所示。

對座椅和地板改進(jìn)后整體動畫進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)座椅前后腳安裝處地板變形明顯減小，無塌陷情況，座椅限位器連接板扭轉(zhuǎn)變形減小，座椅靠背前移量減少。整體動畫表明改進(jìn)方案效果明顯，具有可行性，如圖13所示。

對改進(jìn)方案固定點處應(yīng)變和焊點力進(jìn)行分析。安全帶處最大應(yīng)變結(jié)果如圖14所示，4個位置應(yīng)變變化不大，最大處依然出現(xiàn)在左側(cè)安全帶上固定點處，應(yīng)變值0.11小于設(shè)計要求，鈑金撕裂失效風(fēng)險小。安全帶處最大焊點力結(jié)果如圖15所示，改進(jìn)后側(cè)圍上下固定點最大焊點力變化不大，最大焊點力為1.54 kN，焊點力值小于設(shè)計要求。地板固定點最大焊點力為3.4 kN，超過設(shè)計要求，但屬個別焊點，大部分焊點未超過設(shè)計要求，判斷實際失效風(fēng)險較小。

從整體變形、座椅上有效固定點前向位移、最大應(yīng)變、最大有效焊點力4個方面考核改進(jìn)方案均滿足要求。按照改進(jìn)方案對實車進(jìn)行改進(jìn)后，進(jìn)行實驗驗證，滿足法規(guī)要求。

4 結(jié)論

安全帶作為最重要的被動安全手段之一，必須滿足國標(biāo)GB 14167-2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點》強度要求。

文中針對中后排安全帶固定點存在的問題，通過有限元分析找出問題的原因，有針對性地更改，滿足仿真要求，最后通過實驗驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

利用CAE在車輛開發(fā)過程中可以有效找到問題原因并改進(jìn)，縮短開發(fā)周期和成本。

【1】鐘柳華，陳春柳．汽車安全帶總成強度設(shè)計探討[J]．企業(yè)科技與發(fā)展，2008(10)：85-88.

【2】鄧國紅，楊浩，楊鄂川，等．汽車安全帶固定點強度分析[J]．重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué),2012 (12):1-7.

【3】杜子學(xué)，文孝霞．汽車安全帶固定點強度分析與優(yōu)化[J]．重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2004,23(5):99-101.

【4】全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB 14167-2013汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

【5】全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB 14166-2013機動車乘員用安全帶、約束系統(tǒng)、兒童約束系統(tǒng)和ISOFIX兒童約束系統(tǒng)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

福特與康寧合作開發(fā)新型風(fēng)擋玻璃

據(jù)海外媒體報道，以生產(chǎn)智能手機屏幕保護(hù)玻璃聞名的康寧與福特達(dá)成一項合作協(xié)議。兩家公司將聯(lián)合為2016年的福特GT車型開發(fā)新?lián)躏L(fēng)玻璃，與以往的擋風(fēng)玻璃相比，新?lián)躏L(fēng)玻璃更薄、更輕和更結(jié)實。被稱作Gorilla Glass hybrid的這種材料不僅僅會用來生產(chǎn)前擋風(fēng)玻璃，還將被用來取代發(fā)動機蓋窗的玻璃。

對于汽車來說，質(zhì)量為王。一輛汽車質(zhì)量越輕，燃油效率就越高，也就越容易操縱。福特為GT選用新?lián)躏L(fēng)玻璃的原因是，它可以使汽車質(zhì)量減輕逾5.4 kg(12磅)，而沒有明顯的副作用。兩家公司還承諾，與智能手機屏幕保護(hù)玻璃會破碎不同的是，新?lián)躏L(fēng)玻璃能經(jīng)受得住公路上可能的各種物體的沖擊。

海外媒體表示，新?lián)躏L(fēng)玻璃將只被應(yīng)用在福特價格最高的賽車上。但是，如果獲得成功，新?lián)躏L(fēng)玻璃將逐漸普及。與汽車產(chǎn)業(yè)的其他零部件一樣，高端技術(shù)最終將會被應(yīng)用在普通人都能購買得起的車型中。

(來源：騰訊數(shù)碼)

Mini Car Rear Seatbelt Fixing Point Strength Analysis

ZHANG Yuzhu，JIA Ligang，WU Jingwei

(SAIC-GM-Wuling Automobile Co.,Ltd.,Liuzhou Guangxi 545007,China)

According to GB 14166-2013，GB 14167-2013 requirements，and combining benchmarking, the improvement direction of the rear seatbelt of a vehicle model to adapt to the new national standard was confirmed. The finite element model of the safety belt fixed point was built. Through simulation,it was found that the effective point of the middle seatbelt exceeded the standard value.The reason was floor strength under seat fixed foot and the seat limiter connection plate strength were not enough. After targeted modification, the simulation results meet the national standard requirements, the improvement is verified through experiment.

Seatbelt fixing point；Strength analysis; Simulation

2015-07-09

張玉珠(1980—),碩士,工程師,研究方向為CAE在汽車開發(fā)中的應(yīng)用。E-mail:yuzhu.zhang@sgmw.com.cn。