基于安全帶固定點新法規(guī)的座椅結構布置與改進?

郭鵬程，徐從昌，劉志文，方向東，李落星

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082； 2.長安汽車股份有限公司商用車研究院，重慶 400020)

基于安全帶固定點新法規(guī)的座椅結構布置與改進?

郭鵬程1，徐從昌1，劉志文1，方向東2，李落星1

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082； 2.長安汽車股份有限公司商用車研究院，重慶 400020)

鑒于新法規(guī)GB 14167—2013《汽車安全帶固定點》要求全車座椅都配備三點式安全帶，導致座椅質(zhì)量和荷載增加，本文中對某M1類車輛的座椅結構改進和輕量化。首先，對原車單體座椅安全帶固定點試驗進行建模仿真的結果表明，中間座椅安全帶上固定點的最大前向位移為433.1mm，超過RC平面，不滿足法規(guī)要求。據(jù)此，基于傳力路徑提出結構改進方案，該方案僅使座椅質(zhì)量增加0.18kg，卻使中間座椅安全帶上固定點最大前向位移減小至104.3mm，最大應變由0.56減小至0.163，滿足法規(guī)要求。接著，將滿足法規(guī)要求的單體座椅放入白車身中進行分析，結果中間座椅安全帶上固定點最大前向位移和最大應變分別增至220.9mm和0.198，但仍滿足法規(guī)要求。進一步通過靈敏度和應變分析對中排座椅提出輕量化方案，仿真結果是座椅質(zhì)量減輕了1.95kg，而中間座椅安全帶上固定點的最大前向位移僅增加了10.4mm。最后進行驗證試驗。結果表明：仿真與試驗結果很好吻合，安全帶上固定點的前向位移僅相差8.7mm，前后支撐腳、安全帶兩個下錨點和車身地板的變形模式與幅值均與試驗接近。

安全帶固定點；三點式安全帶；結構改進；輕量化；靈敏度分析

前言

座椅與安全帶總成是乘員約束系統(tǒng)的關鍵部件，它將乘員與車身緊密聯(lián)系在一起，其性能直接影響整車舒適性和被動安全性。當汽車發(fā)生碰撞事故或翻滾時，安全帶總成把車內(nèi)乘員牢牢地約束在座椅上，防止其飛出車外或與車內(nèi)其它部件發(fā)生二次碰撞，盡可能降低車內(nèi)乘員的傷害[1]。碰撞事故統(tǒng)計表明，乘員傷害很大部分是由乘員與座椅、儀表板等其它車內(nèi)部件的二次碰撞或座椅與安全帶固定裝置失效引起的[2]。因此，汽車座椅的被動安全性能越來越受到人們的重視。

為減少這類事故的發(fā)生，2014年正式實施的法規(guī)GB 14167—2013將M1類車輛原中間兩點式安全帶去除，要求全車座椅都配備三點式安全帶。新法規(guī)的實施在提升整車被動安全性的同時，也帶來了座椅總成質(zhì)量嚴重增加的問題。據(jù)初步統(tǒng)計，中間座椅配備三點式安全帶會使整排座椅平均增加質(zhì)量約8kg。眾所周知，絕大部分車型兩側座椅的卷收器都是布置在A，B和C柱下端，法規(guī)載荷下座椅特別是靠背所承受的載荷相對較小，容易滿足法規(guī)；而中間座椅的卷收器一般只能將其布置在靠背上，這使靠背乃至整個座椅所承受的載荷急劇增加，要求座椅具有較高的結構強度，且法規(guī)一次性通過率較低。

盡管人們對概念階段和詳細設計階段的整車輕量化進行了大量研究[3-6]，并取得了豐碩的成果，但關于座椅系統(tǒng)輕量化的研究還相對較少[7-13]。特別是新法規(guī)的實施，使中間座椅的結構和布置均發(fā)生了顯著變化，急需利用CAE的分析手段對其結構和壁厚分布進行優(yōu)化，以降低座椅總成質(zhì)量。然而，至新法規(guī)實施以來還少見有中間座椅三點式安全帶的強度分析與輕量化相關的報道。本文中以某M1型商用車為研究對象，探討中間座椅在滿足新法規(guī)強度要求下的結構布置，并基于靈敏度分析實現(xiàn)座椅的輕量化設計。

1 安全帶固定點法規(guī)與試驗簡介

GB 14167—2013對M1類汽車座椅安全帶的配置、形式和試驗方法均作了詳細規(guī)定[14]。

(1)車內(nèi)座椅均需采用三點式安全帶，且同一座椅的全部安全帶固定點需同時進行試驗。

(2)通過如圖1所示的上、下人體模塊，沿平行車輛縱向中心平面并與水平線成向上10°±5°的方向?qū)ψ伟踩珟Ч潭c施加(13500±200)N的載荷。

(3)若安全帶固定點有一個或多個位于座椅上，則必須同時在座椅質(zhì)心高度附加相當于座椅總成質(zhì)量20倍的水平前向載荷(圖1)。

圖1 安全帶試驗加載示意圖

選擇一輛合格的白車身并切除前艙部分以便于試驗加載，然后通過前后懸架和前后門檻將白車身固定在地面上。前后門檻的固定位置滿足距被測安全帶固定點前方不小于500mm和后方不小于300mm，且不對固定點和周圍部件起加強作用的法規(guī)要求。座椅按設計狀態(tài)固定到車身上，安全帶按照國標要求和螺栓的標定扭矩用標準螺栓牢固地固定到車身安全帶安裝位置。施加載荷時先進行10%的預加載，然后在4s內(nèi)加載至國標規(guī)定值，并保持0.2s。試驗允許安全帶固定點或周圍區(qū)域有塑性變形，包括部分斷裂或產(chǎn)生裂紋，但所有安全帶固定點均不得失效。此外，對于安全帶上固定點位于靠背的座椅還要求其上有效固定點前向位移不得超過RC平面。

2 安全帶固定點試驗的仿真建模

采用薄板殼單元QUAD4和TRIA3對幾何模型進行網(wǎng)格劃分，白車身與座椅殼單元尺寸分別為8和5mm。此外，根據(jù)安全帶固定點的受力情況，對安全帶固定點受力區(qū)域的網(wǎng)格進行局部細化。模型包含473 545個單元，其中QUAD4單元462 099個，CTRIA3單元11 443個(后者僅占單元總數(shù)的2.42%)。車身各板件間的點焊和座椅各部件間的縫焊均用材料為MAT100的Beam單元模擬，頂蓋與撐條等之間的膠接則用Solid實體單元模擬。模型各部件之間的連接嚴格按照實物之間的連接關系，分別采用螺栓、鉸鏈、膠接、點焊和縫焊模擬。白車身和中排座椅的有限元模型如圖2所示。

圖2 白車身和中排座椅有限元模型

依據(jù)法規(guī)要求，前、后約束位置與前后固定點的距離分別約為700和500mm。按照國標要求，沿平行于車輛縱向中心平面并與水平線呈向上10°的方向?qū)ι?、下人體模塊施加13 500N的載荷。由于中間座椅安全帶上固定點位于座椅靠背，故還需對座椅施加大小等同于其質(zhì)量20倍且通過座椅質(zhì)心的水平前向載荷。座椅總質(zhì)量為36.5kg，故通過座椅質(zhì)心的水平載荷為7 300N。有限元模型和載荷加載方式分別如圖3和圖4所示。

圖3 安全帶固定點法規(guī)分析有限元模型

圖4 仿真載荷與時間的關系曲線

3 仿真結果分析

為提高計算效率，首先對單體座椅進行仿真，當單體座椅滿足要求后再將其放入白車身中進行驗算和改進。針對安全帶固定點強度檢測中常出現(xiàn)固定點撕裂、脫落或附近焊點失效等問題，采用等效塑性應變來判斷各部件是否開裂或失效，采用焊點軸向力和剪切力來判斷安全帶固定點附近焊點是否失效。依據(jù)法規(guī)，測量座椅靠背前向位移是否超過RC平面。

將單體座椅安全帶固定點試驗仿真模型提交LS-DYNA進行計算，結果如圖5所示。由圖可知，座椅骨架在規(guī)定載荷下的變形很大，中間座椅安全帶上固定點的最大前向位移為433.1mm，超過RC平面達93.1mm，不滿足GB 14167—2013法規(guī)要求。圖6為原始座椅方案的應變分布云圖。由圖可見，卷收器安裝板(圖6(a)和圖6(b))、調(diào)角器下邊板(圖6(c))和中間前支撐腿(圖6(d))的變形較嚴重，特別是卷收器安裝板和調(diào)角器下邊板已出現(xiàn)明顯失穩(wěn)，其最大有效塑性應變分別為0.560和0.375，超過對應材料的失效應變，即該處結構已發(fā)生斷裂失效，不滿足座椅各部件不得失效的強度要求。骨架變形嚴重主要是由于它是基于傳統(tǒng)中間兩點式安全帶的座椅進行簡單改進得到，中間座椅卷收器安裝板和前支撐腿的連接結構設計不合理，導致處于傳力路徑上的兩部件間的連接強度不匹配，進而使其連接處的變形較大，靠背失穩(wěn)以致于上固定點前向位移超過RC平面。

圖5 原始座椅方案的仿真分析結果

圖6 原始座椅方案的應變分布云圖

由上可知，無法基于傳統(tǒng)座椅結構進行簡單改進來滿足三點式安全帶法規(guī)的強度要求。本文中針對中間座椅安全帶由兩點式改為三點式后座椅所承受的載荷急劇增加的問題，基于傳力路徑對座椅卷收器安裝板及其連接件進行改進，改進方案如圖7所示，具體為：(1)將圖7中A所示結構延伸至靠背管框；(2)將卷收器安裝板進行結構改進后移至靠背右側；(3)將圖7中B所示前支撐腳移至與C結構相連。改進方案的質(zhì)量比原方案增加約0.18kg。

圖7 座椅改進方案與對應部件示意圖

圖8 改進方案的單體座椅仿真分析結果

改進方案的單體座椅仿真結果如圖8所示。由圖可知，基于傳力路徑對關鍵部件進行改進后，座椅的變形顯著減小，中間座椅安全帶上固定點的最大前向位移減小至104.3mm，未超過RC平面，距離RC平面還有235.7mm，滿足法規(guī)要求。與原始方案相比，中間座椅安全帶上固定點的最大前向位移減小了328.8mm，表明基于傳力路徑和關鍵部件的結構改進是提升座椅強度的最有效途徑。圖9為各改進部件的有效塑性應變云圖。由圖可知，改進后各部件的變形與原方案相比均顯著減小。卷收器安裝板、調(diào)角器側邊板和中間前支撐腿的有效塑性應變值分別為0.163，0.043和0.066，均低于對應材料的失效應變，故不存在失效風險，滿足安全帶固定點的強度要求。與原始方案相比，座椅最大有效塑性應變由0.560減小至0.163。

新時代,我國把“美麗”作為建設現(xiàn)代化強國必須達到的目標。黨的十八大把生態(tài)文明建設納入“五位一體”總布局,“美麗中國”成為中華民族追求的新目標;中國共產(chǎn)黨更是第一個將生態(tài)文明建設寫入行動綱領的執(zhí)政黨;十八屆五中全會,將綠色發(fā)展納入新發(fā)展理念;十九大報告提到“美麗”8次,“生態(tài)文明”多達12次,“綠色”15次,首次提出要把我國建成富強民主文明和諧美麗的社會主義現(xiàn)代化強國,強調(diào)我們要建設的現(xiàn)代化是美麗的;全國生態(tài)環(huán)境保護大會上首次提出“構建生態(tài)文明體系”,其中就包括“以產(chǎn)業(yè)生態(tài)化和生態(tài)產(chǎn)業(yè)化為主體的生態(tài)經(jīng)濟體系”;強調(diào)“綠色發(fā)展是構建高質(zhì)量現(xiàn)代化經(jīng)濟體系的必然要求,是解決污染問題的根本之策”。

圖9 改進方案的應變分布云圖

將滿足法規(guī)要求的單體座椅放入白車身中進行分析，結果如圖10所示。由圖可知，改進后中間座椅安全帶上固定點的最大前向位移為220.9mm，與RC平面的距離還有119.1mm，滿足法規(guī)要求。最大有效塑性應變位于中間座椅的安全帶下錨點，其值為0.198，低于地板對應材料(DC01)的失效應變，故不存在失效風險，滿足安全帶固定點不得失效的強度要求。

4 輕量化與試驗驗證

結構靈敏度分析是指車身結構各性能參數(shù)Uj對車身結構參數(shù)Xi變化的敏感性，即Uj對Xi的偏導數(shù)：

靈敏度分析需要定義設計變量、約束條件和目標函數(shù)。若目標函數(shù)、約束條件和設計變量分別表示為則可以按下式定義三要素：

圖10 座椅改進方案的整車分析結果

通過靈敏度分析可以確定設計變量在變化過程中對響應較為敏感的部位，從而獲得最佳的設計參數(shù)。

中間座椅安全帶由兩點式改成三點式后，座椅質(zhì)量平均增加8kg以上。為滿足整車輕量化的要求并降低座椅成本，需對座椅進行輕量化，通過靈敏度和應變能分析，找出對座椅性能敏感和不敏感的部件與區(qū)域，分別對其進行減薄或加強。選取座椅板件的厚度作為設計變量，上下限均設為板料原始厚度的20%，主要變量的對應部件如圖7所示。建立質(zhì)量響應和安全帶上固定點前向位移響應。以座椅總質(zhì)量最小作為目標函數(shù)，取座椅安全帶上固定點前向位移作為約束條件，并設置其上限為300mm (距RC平面40mm)。經(jīng)LS-DYNA計算得到該座椅各部件對安全帶上固定點前向位移響應的靈敏度和質(zhì)量靈敏度。鑒于一些零部件不僅對位移響應敏感，對質(zhì)量也敏感，為有效權衡各參數(shù)對目標函數(shù)和約束變量的影響，采用位移靈敏度與質(zhì)量靈敏度的比值即相對靈敏度來進行研究。各部件在安全帶固定點強度工況下的相對靈敏度結果如表1所示。

表1 座椅主要部件的相對靈敏度

通過單體座椅的計算分析，確定了座椅的輕量化方案，如表2所示，六分座椅累積減質(zhì)量為1.95kg。輕量化方案的整車仿真分析結果如圖11所示。仿真加載過程中安全帶上固定點的最大前向位移為231.3mm，未超過RC平面，與RC平面的距離還有108.7mm，滿足法規(guī)要求。與輕量化前相比，安全帶上固定點的最大前向位移僅增加10.4mm。最大有效塑性應變與輕量化前基本相同，為0.194，低于DC01材料的失效應變，其余各固定點均未超過0.1，即各固定點的應變均不存在拉脫風險，滿足強度要求。

表2 改進前后設計變量的厚度變化

圖11 輕量化方案的仿真分析結果

圖12 輕量化方案的試驗變形結果

5 結論

(1)針對GB 14167—2013新法規(guī)的實施導致座椅質(zhì)量增加，安全帶固定點法規(guī)載荷下座椅變形較大，無法通過法規(guī)等問題，提出基于傳力路徑對座椅進行結構改進。改進后座椅質(zhì)量僅增加0.18kg，但變形顯著減小，靠背最大前向位移由433.1mm減小至104.3mm，未超過RC平面；最大有效塑性應變也由0.560減小至0.163，各部件不存在失效風險，滿足法規(guī)要求。

圖13 輕量化方案的試驗與仿真結果對比

(2)基于靈敏度和應變能分析，對中排六分座椅提出1.95kg的輕量化方案。與輕量化前相比，中間座椅安全帶上固定點的最大前向位移僅增加10.4mm；且最大有效塑性應變基本保持不變，滿足法規(guī)要求。

(3)輕量化方案通過法規(guī)試驗，安全帶固定點前向位移的試驗與仿真結果僅相差8.7mm，前后支撐腳和安全帶兩個下錨點的變形模式與大小均與試驗基本一致，且地板上抬量也與試驗基本吻合，驗證了仿真的準確性和輕量化方案的可行性。

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Structure Layout and Modification of a Middle Seat Based on the New Regulation on Safety-belt Anchorage Point

Guo Pengcheng1，Xu Congchang1，Liu Zhiwen1，F(xiàn)ang Xiangdong2＆Li Luoxing1
1.Hunan University，State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Changsha410082；2.Commercial Vehicle Institute of Changan Automobile Co.，Ltd.，Chongqing400020

In view of that state regulation GB 14167—2013“Safety-belt anchorages，…”requests all seats in vehicle being equipped with three-point safety belt，leading to the increases in mass and loads born by seat，the seat structure modification and lightweighting are conducted on a M1 vehicle in this paper.Firstly the modeling and simulation are performed on the regulation test on the safety belt anchorage points of single seat and the results show that the maximum forward displacement at the upper anchorage point of middle seat safety-belt reaches 433mm，going through RC plane，failing to meet regulation requirements.Thus a structure modification scheme based on force transmission is implemented resulting in an increase of seat mass of only 0.18kg，but the maximum forward displacement at anchorage point reducing to 104.3mm and the maximum strain decreasing to 0.163 from 0.56，meeting regulation requirements.Then the single seat meeting regulation requirements is incorporated into body-in-white and a corresponding simulation results in the maximum forward displacement at anchorage point and strain increasing to 220.9mm and 0.198 respectively，still meeting regulation requirements.Furthermore，a lightweighting scheme is proposed by using sensitivity and strain analyses and proceeded with a result showing that the seat mass reduces by 1.95kg while the maximum forward displacement at anchorage point rises by only 10.4mm.Finally a validation test is carried out and the results indicate that the simulation results are well agree with test ones，specifically theirdifference in the maximum forward displacement at anchorage point is only 8.7mm and the deformation mode and magnitude of the front and rear supporting legs，two lower anchorage points of safety belt and rear floor are close to that of test.

safety belt anchorage point；three point safety belt；structural modification；lightweighting；sensitivity anlysis

?國家科技重大專項(2014ZX0400207)和國家自然科學基金面上項目(51475156)資助。

原稿收到日期為2016年5月26日。

李落星，教授，E-mail：llxly2000＠163.com。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.02.004