某車型汽車安全帶固定點結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

肖國鈺，韋慧紅，楊鳳明（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州，545007）

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某車型汽車安全帶固定點結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

肖國鈺，韋慧紅，楊鳳明
（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州，545007）

在碰撞事故中，安全帶起著重要作用，正確使用安全帶能夠有效降低交通事故傷亡率。本文以某車型第二排3連體安全帶固定點試驗為基礎(chǔ)，對安全帶固定點強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析。針對試驗失敗提出了4種優(yōu)化方案，并對仿真分析結(jié)果進(jìn)行了對比。為提高試驗的通過性，采用所提推薦優(yōu)化方案進(jìn)行了下一輪試驗驗證，試驗順利通過，說明仿真模擬方法準(zhǔn)確性較高，所提方案有效性較強(qiáng)。

汽車安全；安全帶固定點；優(yōu)化設(shè)計

引言

汽車安全性一直是汽車最重要的性能指標(biāo)，其關(guān)乎駕乘人員的生命安危。據(jù)交通部統(tǒng)計：我國每年發(fā)生的交通事故造成大量的人員傷亡，居各類交通事故之首，給無數(shù)家庭帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失和悲傷［1］。汽車安全技術(shù)研究主要分為主動安全技術(shù)和被動安全技術(shù)兩類：主動安全技術(shù)是指采用傳感器技術(shù)和控制技術(shù)來避免汽車交通事故的發(fā)生，即達(dá)到預(yù)防汽車事故發(fā)生的目的；被動安全技術(shù)是指當(dāng)交通事故不可避免的發(fā)生時，如何更好的保護(hù)車內(nèi)乘員以及行人等，以使傷害降到最低程度，盡最大努力保護(hù)人的生命安全。目前關(guān)鍵技術(shù)研究主要包括：先進(jìn)的乘員約束系統(tǒng)、兒童安全保護(hù)技術(shù)、行人保護(hù)技術(shù)、碰撞兼容性等［2］。

被動安全技術(shù)又分為兩大類：一類是關(guān)于汽車車身結(jié)構(gòu)的研究，主要通過優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，加大碰撞過程中車身結(jié)構(gòu)的吸能效果；另二類是關(guān)于車內(nèi)乘員約束系統(tǒng)的研究，主要包括安全帶、安全氣囊和安全轉(zhuǎn)向系等。其中汽車安全帶是非常重要的乘員約束保護(hù)裝置之一，在碰撞事故中起著重要作用，大量事實證明：安全帶能夠有效降低交通事故傷亡率，如果正確使用安全帶，正面碰撞時死亡率可減少57%，側(cè)面碰撞車死亡率可減少44%，平均可以挽救45～73%的生命［3］。安全帶技術(shù)研究包括：安全帶本身結(jié)構(gòu)、安全帶安裝固定點、安全帶預(yù)警器可行性分析等。本文以某汽車安全帶設(shè)計和安裝為例，對其固定點結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

1　安全帶固定點分析方法

一般情況下，汽車安全帶有2點式和3點式兩種，目前大部分汽車都采用3點式安全帶。3點式安全帶的布置形式為：分別在座椅上、車身地板上和車身側(cè)圍上各安裝一個固定點。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，所有安全帶固定點強(qiáng)度必須滿足《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點》（GB14167-2013）的要求［4］。

1.1試驗條件

試驗時應(yīng)同時對同一組座椅的全部安全帶固定點進(jìn)行試驗，假若因座椅或固定點的非對稱性加載而導(dǎo)致試驗失敗，可進(jìn)行一次追加試驗。將用于試驗的人體模塊裝置模擬乘員坐在座椅坐墊上面，將其推至靠背系上座椅安全帶。每個乘員位置選用的254mm或406mm的人體模塊，其寬度應(yīng)盡量接近下固定點之間的距離。

1.2試驗方法

利用模擬肩帶對上人體模塊施加13500N±200N的試驗載荷。對M2和N2類車輛，試驗載荷應(yīng)為6750N±200N；對于M3和N3類車輛，試驗載荷為4500N±200N。與此同時，對應(yīng)下人體模塊施加13500N±200N的試驗載荷。對M2和N2類車輛，試驗載荷應(yīng)為6750N±200N；對于M3和N3類車輛，試驗載荷為4500N±200N。試驗如圖1所示。

圖1　安全帶固定點試驗

1.3評價標(biāo)準(zhǔn)

（1）允許安全帶安裝固定點及其周圍區(qū)域塑性有輕微變形及裂紋，但不能發(fā)生斷裂或者損壞；（2）安全帶安裝固定點在座椅上，則試驗期間，有效固定點前移量不能超過R點。

1.4仿真分析方法

由于試驗驗證的周期較長，成本較高，一般在試驗之前，會根據(jù)試驗條件與方法，進(jìn)行大量仿真分析，在仿真結(jié)果滿足法規(guī)要求的情況下，才會進(jìn)行試驗驗證，以便縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

本次研究選用模型為某車型的第二排3連體座椅模型。首先采用hypermesh軟件對座椅模型建模，有限元模型的節(jié)點數(shù)為395 403，單元數(shù)為371 610，計算時間為150 ms，時間步長為0.72 μs。然后利用ls-dyna軟件進(jìn)行計算，hyperview軟件進(jìn)行結(jié)果后處理分析，為保證模型的精度在仿真分析中整車質(zhì)量增加必須控制在5%之內(nèi)。如下圖2所示。

圖2　座椅有限元模型

以真實試驗方法為基準(zhǔn)，仿真分析中加載方法如下：a）對三點式安全帶加載裝置分別施加F=13.7*1.2（kN）的力，考慮到仿真分析中要給予一定的安全裕度，對安全帶固定點加載裝置施加的力均是在法規(guī)要求的基礎(chǔ)上乘以1.2；b）加載到規(guī)定載荷時間為100ms，之后保持至模型收斂；c）約束條件為約束車身橫截面處六個方向上的自由度。

2　安全帶固定點結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

圖3是某車型第二排3連體座椅試驗的結(jié)果圖，該次試驗未通過國家法規(guī)。主要是因為橫梁翻邊和加強(qiáng)板連接的兩個焊點先失效，然后安全帶安裝點處的地板和加強(qiáng)板一起受拉向上運動，地板沿加強(qiáng)板后翻邊被割裂，導(dǎo)致試驗失敗。

圖3　試驗結(jié)果圖

為滿足法規(guī)試驗要求，針對試驗失敗進(jìn)行了方案分析。如圖4所示，基準(zhǔn)模型在圖示位置只有兩個焊點，為提升安全帶安裝點強(qiáng)度，提出以下優(yōu)化方案：1）在圖示位置打4個焊點，將座椅右后腳處加強(qiáng)板缺口補上，并與橫梁座椅腳及地板用螺栓連接；2）在圖示位置打5個焊點；3）在圖示位置打2個焊點，并在座椅右后腳下方新增一塊加強(qiáng)板；4）在圖示位置打4個焊點，且在座椅右后腳下方新增一塊加強(qiáng)板。

圖4　安全帶安裝點結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

仿真分析中，采用螺栓孔處地板應(yīng)變大小以及周圍焊點力為評價標(biāo)準(zhǔn)，通過計算與結(jié)果處理，所提優(yōu)化方案分析結(jié)果如下。方案1中螺栓孔處地板應(yīng)變大小為0.128，加強(qiáng)板與地板搭接邊緣處應(yīng)變?yōu)?.092；方案2中螺栓孔處地板應(yīng)變大小為0.128，加強(qiáng)板與地板搭接邊緣處應(yīng)變?yōu)?.097；方案3中螺栓孔處地板應(yīng)變大小為0.105，加強(qiáng)板與地板搭接邊緣處應(yīng)變?yōu)?.060；方案4中螺栓孔處地板應(yīng)變大小為0.106，加強(qiáng)板與地板搭接邊緣處應(yīng)變?yōu)?.060。見圖5所示。

圖5　安全帶安裝點處地板應(yīng)變

安全帶安裝點處焊點力分析，方案1中：四個焊點的焊點力分別為7.9kN、5.8kN、1.3kN、1.8kN，靠里的兩個焊點失效風(fēng)險較大。方案2中：五個焊點的焊點力分別為2.1kN、4.6kN、0.5kN、1.7kN、1.8kN，僅個別焊點的焊點力較大，該處焊點實際失效風(fēng)險不大。方案3中：兩個焊點的焊點力分別為8.2kN、3.4kN，兩個焊點失效風(fēng)險較大。方案4中：四個焊點的焊點力分別為6.6kN、2.8kN、2.4kN、1.6kN，靠里的兩個焊點失效風(fēng)險較大。見圖6所示。

圖6　安全帶安裝點處焊點力

仿真結(jié)果顯示：四個焊點的焊點力分別為6.4kN，3.1kN，2.4kN，1.6kN，靠里的兩個焊點失效風(fēng)險較大；地板沿加強(qiáng)板處的應(yīng)變?yōu)?.076，和原狀態(tài)相比有明顯減小。

由4個方案的分析結(jié)果對比，可以看出：增加翻邊處的焊點，靠橫梁根部焊點的焊點力仍然較大，靠外側(cè)焊點的焊點力較小，地板沿加強(qiáng)板處應(yīng)變略有降低，應(yīng)變?nèi)员容^大；增加一塊的加強(qiáng)板后，地板沿加強(qiáng)板處應(yīng)變有明顯改善。為了保證試驗?zāi)茼樌ㄟ^法規(guī)要求，最終推薦采用優(yōu)化方案4。根據(jù)所提方案再一次進(jìn)行試驗驗證，如圖7所示，順利通過試驗。試驗結(jié)果進(jìn)一步說明了仿真分析的精確度較高，所提優(yōu)化方案具有一定有效性。

圖7　優(yōu)化方案試驗結(jié)果圖

3　結(jié)論

本文以某車型第二排3連體安全帶固定點試驗為基礎(chǔ)，對安全帶固定點強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析。針對試驗失敗提出了4種優(yōu)化方案，進(jìn)一步進(jìn)行了仿真對比分析，采用所提推薦優(yōu)化方案進(jìn)行了下一輪試驗驗證，順利通過了國家法規(guī)要求。通過驗證得出以下結(jié)論：

（1）安全帶固定點仿真分析具有足夠的精度，可以指導(dǎo)設(shè)計；

（2）車身關(guān)鍵區(qū)域的焊點對于安全帶固定點強(qiáng)度試驗有重要的影響；

（3）本文提出的優(yōu)化方案，可顯著降低焊點力水平，保證順利通過國家法規(guī)。

［1］中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計資料匯編（ 2007） ［Z］.北京:公安部交通管理局，2007.

［2］王興祥.汽車安全技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望［J］.科技論壇，2013，（6）:60-61.

［3］http://paper.dzwww.com/shrb/content/20121023/ ArticelA20008MT.htm.

［4］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB14167-2013 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］GB 14167-2006.汽車安全帶安裝固定點［S］. 2006.

Optimization Design of Anchorage Structure for Vehicle Safety Belt

Guoyu Xiao， Huihong Wei， Fengming Yang
（SAIC GM Wuling Automobile Co.Ltd.， Liuzhou， Guangxi， 545007， China）

in the collision accident， the safety belt plays an important role， the correct use of the safety belt can effectively reduce the traffic accident casualty rate. In this paper， based on the fixed point test of second row 3 row and row safety belt， the paper makes a simulation analysis on the strength of the fixed point. 4 optimization schemes are proposed for the test failure， and the results are compared with the simulation results. In order to improve the test performance， the proposed optimization scheme was adopted for the next round of test. The test was carried out smoothly. The results showed that the accuracy of the method was higher and the proposed method was more effective.

Vehicle Safety； Safety Belt Anchorage； Optimization Design

E-mail: Guoyu.Xiao@sgmw.com.cn

U463.6

A

2095-8412 （2016） 03-477-04

肖國鈺（1986-），男；江西贛州人，大學(xué)本科，助理工程師，上汽通用五菱汽車股份有限公司，主要從事供應(yīng)商質(zhì)量開發(fā)方面的工作。