基于安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度的車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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摘 要：本文結(jié)合CAE理論分析，以及實(shí)車(chē)試驗(yàn)的結(jié)果，尋求一種能夠提高安全帶上固定點(diǎn)強(qiáng)度的低成本的車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。應(yīng)用這些方案，有效地解決某車(chē)型安全帶上固定點(diǎn)拉力試驗(yàn)失效問(wèn)題，并通過(guò)國(guó)家安全帶試驗(yàn)法規(guī)要求。

關(guān)鍵詞：固定點(diǎn)強(qiáng)度;車(chē)身結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 問(wèn)題背景

根據(jù)國(guó)家汽車(chē)公告強(qiáng)制性法規(guī)，要求新生產(chǎn)的車(chē)輛，其座椅必須符合新標(biāo)準(zhǔn)要求。新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了汽車(chē)座椅、座椅固定裝置以及頭枕的要求與試驗(yàn)方法;同時(shí)，也規(guī)定了汽車(chē)安全帶固定點(diǎn)的位置、強(qiáng)度要求以及試驗(yàn)方法。在安全帶拉力試驗(yàn)中，經(jīng)常發(fā)生安全帶固定點(diǎn)被拉裂失效的情況，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，不通過(guò)法規(guī)要求，無(wú)法通過(guò)公告。

某車(chē)型A白車(chē)身在做安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)檢試驗(yàn)，左前排座椅在加到11221N（標(biāo)準(zhǔn)要求是：13500±200N）的拉力時(shí)，左前座椅B柱安全帶上固定點(diǎn)被嚴(yán)重拉裂，安全帶上固定點(diǎn)強(qiáng)度未通過(guò)國(guó)家法規(guī)要求，如圖1所示;同時(shí)對(duì)車(chē)型B的4個(gè)白車(chē)身進(jìn)行安全帶拉力試驗(yàn)，共有4例B柱安全帶固定點(diǎn)被嚴(yán)重拉裂，5例C柱安全帶固定點(diǎn)被拉裂，未通過(guò)國(guó)家法規(guī)要求，如圖2所示。

因此，迫切需要分析這些固定點(diǎn)失效的原因，并尋找一個(gè)低成本的的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案來(lái)提高強(qiáng)度，確保通過(guò)國(guó)家法規(guī)要求。

2 原因機(jī)理分析

2.1 B柱區(qū)域的原因分析

為了分析失效的機(jī)理，研究對(duì)比試驗(yàn)后4臺(tái)車(chē)型B的白車(chē)身，統(tǒng)計(jì)出 B柱&C柱安全帶固定點(diǎn)經(jīng)過(guò)拉力實(shí)驗(yàn)后的情況，如表1所示。

由表1可知，四臺(tái)白車(chē)身的左側(cè)圍B柱安全帶上固定點(diǎn)，在拉力試驗(yàn)中沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂，焊點(diǎn)都沒(méi)有失效，通過(guò)率100%;而右側(cè)圍B柱安全帶上固定點(diǎn)的通過(guò)率只有25%。為何出現(xiàn)這種截然相反的情況？首先，結(jié)構(gòu)方面，左/右B柱區(qū)域的零件結(jié)構(gòu)是對(duì)稱(chēng)的，對(duì)應(yīng)的零件是同一家供應(yīng)商，可以排除結(jié)構(gòu)方面的差異;然后，分析對(duì)比工藝情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在后門(mén)框上圓角處的焊點(diǎn)不一樣，左側(cè)圍比右側(cè)圍在圓角處少一個(gè)焊點(diǎn)，如圖3所示。

根據(jù)以上分析，中門(mén)框前上角處的焊點(diǎn)，右側(cè)比左側(cè)多一個(gè)焊點(diǎn)，反而降低安全帶上固定點(diǎn)的強(qiáng)度。對(duì)左側(cè)、右側(cè)不同的工藝，分別進(jìn)行CAE分析。CAE結(jié)論：焊點(diǎn)失效順序如下，如圖4所示。

第一步、焊點(diǎn)1、焊點(diǎn)2首先失效;

第二步、緊接著焊點(diǎn)3失效，導(dǎo)致鈑金產(chǎn)生缺口進(jìn)而很容易被撕裂;

第三步、鈑金撕裂到一定程度，焊點(diǎn)4和焊點(diǎn)5失效。

通過(guò)CAE分析結(jié)果，充分的驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果左/右的差別性， 造成右側(cè)B柱安全帶固定點(diǎn)失效的主要是以下兩個(gè)原因：

第一、焊點(diǎn)1、3區(qū)域是一個(gè)變形較大的區(qū)域，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較惡劣，應(yīng)力值比較大，焊點(diǎn)較容易失效。

第二、焊點(diǎn)改變了母材原有的性能，增加了材料的脆性，大大降低了母材的延伸率，即抵抗變形的能力。

2.2 C柱區(qū)域的原因分析

由上述統(tǒng)計(jì)可知，車(chē)型B（故障車(chē)）的C柱安全帶上固定點(diǎn)的情況比較惡劣，8例C柱，通過(guò)的只有3例，通過(guò)率僅37.5%。對(duì)標(biāo)車(chē)1以及對(duì)標(biāo)車(chē)2的C柱安全帶上固定點(diǎn)的強(qiáng)度在安全帶拉力試驗(yàn)中都通過(guò)國(guó)家法規(guī)要求，通過(guò)分析他們之間的區(qū)別，找出原因，相關(guān)信息見(jiàn)表2所示。

可知，車(chē)型B（故障車(chē)）的C柱在腔體大小、安全帶加強(qiáng)板的寬度以及關(guān)鍵受力區(qū)域焊點(diǎn)數(shù)量三方面都比對(duì)標(biāo)車(chē)1、車(chē)型2惡劣，結(jié)合CAE分析結(jié)果得出結(jié)論，造成故障車(chē)C柱安全帶上固定點(diǎn)失效的主要原因有：

1、C柱的腔體太小。

2、關(guān)鍵受力區(qū)域的焊點(diǎn)數(shù)太少。

3、安全帶加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)不合理（孔偏）。

3 提高安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合考慮更改的成本和周期，在確保固定點(diǎn)滿足法規(guī)試驗(yàn)的前提下，根據(jù)以上分析的失效原因，主要在焊點(diǎn)和加強(qiáng)板上做優(yōu)化設(shè)計(jì)。這樣才能夠快速贏得時(shí)間，盡快完成優(yōu)化方案的更改，確保車(chē)輛按時(shí)完成公告。

3.1 增加受力區(qū)域的焊點(diǎn)數(shù)量

根據(jù)分析結(jié)果，安全帶固定點(diǎn)附近的焊點(diǎn)失效是引起安全帶固定點(diǎn)失效的起因，若焊點(diǎn)沒(méi)有被撕裂，能夠確保固定點(diǎn)不失效，是可以通過(guò)拉力試驗(yàn)。焊點(diǎn)失效，引起板金被撕裂，安全帶固定點(diǎn)失效。結(jié)合實(shí)際情況，具體加焊點(diǎn)方法如下，如圖5所示，在關(guān)鍵受力區(qū)域增加焊點(diǎn)，焊點(diǎn)間距由60mm～80mm，減少到40mm～50mm。

1）在B柱區(qū)域安全帶上固定點(diǎn)增加兩個(gè)關(guān)鍵焊點(diǎn);

2）C柱區(qū)域安全帶上固定點(diǎn)增加三個(gè)關(guān)鍵焊點(diǎn)，如圖5所示。

另外，通過(guò)CAE分析說(shuō)明焊點(diǎn)間距對(duì)應(yīng)力值大小的影響，如表3所示。由于此處是手工焊接，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)偏焊，導(dǎo)致焊點(diǎn)間距不均勻。要求車(chē)間控制關(guān)鍵焊點(diǎn)質(zhì)量，杜絕出現(xiàn)偏焊、虛焊、少焊現(xiàn)象，要求焊點(diǎn)之間的距離比較均勻，否則會(huì)驗(yàn)證影響安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度。

3.2 改進(jìn)安全帶加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)

故障車(chē)C柱安全帶上加強(qiáng)板‘孔偏，根據(jù)CAE分析，‘孔心擺正后能降低安全帶固定點(diǎn)附近的應(yīng)力值，降低安全帶螺母被拉脫的風(fēng)險(xiǎn)，如圖6所示。

因此，C柱安全帶上加強(qiáng)板的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如下，如圖7所示：

1）更改安裝孔位置，安全帶螺母孔位于加強(qiáng)板中間位置;

2）增加螺母板，取消C柱內(nèi)板與安全帶加強(qiáng)板在安全帶固定點(diǎn)附近的焊點(diǎn)（安全帶加強(qiáng)板與螺母板焊接），這樣不但提高C柱內(nèi)板的美觀性，也提高安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度，如圖7所示。

3.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)的連接焊點(diǎn)

安裝點(diǎn)附近焊點(diǎn)總數(shù)6個(gè)不變，把原來(lái)4個(gè)兩層焊接和2個(gè)三層焊接分別變?yōu)?個(gè)三層焊接和2個(gè)兩層焊接，即安全帶加強(qiáng)板與側(cè)圍內(nèi)板的2層焊接點(diǎn)數(shù)量2個(gè)，安全帶加強(qiáng)板、側(cè)圍內(nèi)板以及側(cè)圍外板的3層焊接點(diǎn)數(shù)量4個(gè)。這樣更改后，焊點(diǎn)數(shù)量不變、成本不變的前提下，提高安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度，如圖8所示。

-表示兩層焊接（側(cè)圍內(nèi)板及安全帶加強(qiáng)板）;-表示三層焊接（側(cè)圍外板、安全帶加強(qiáng)板以及側(cè)圍內(nèi)板）。

3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果

改進(jìn)后，對(duì)白車(chē)身進(jìn)行一次安全帶拉力試驗(yàn)。B柱安全帶拉力試驗(yàn)的工況：腰帶拉力-16300N，胸帶拉力-14700N（法規(guī)要求13500N）;C柱安全帶拉力試驗(yàn)的工況：腰帶拉力-13500N，胸帶拉力-13500N（法規(guī)要求13500N）;B柱、C柱的安全帶固定點(diǎn)都沒(méi)有失效，通過(guò)國(guó)家法規(guī)要求，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。原故障試驗(yàn)的拉力是11200N，更改后把拉力最大增加了45%，C柱整個(gè)腔體變形比較大，但是焊點(diǎn)保持完好，焊接螺母保持固定狀態(tài)，未被拉脫，固定點(diǎn)保持受力狀態(tài)，判定拉力試驗(yàn)通過(guò)。

4 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際拉力試驗(yàn)和CAE理論分析，通過(guò)詳細(xì)對(duì)比故障原因，得出一套能有效提高安全帶上固定點(diǎn)強(qiáng)度的低成本方案。采用本文的優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案，成本很低容易實(shí)現(xiàn)，強(qiáng)度比優(yōu)化前提高了50%以上，B柱、C柱安全帶上固定點(diǎn)通過(guò)了國(guó)家強(qiáng)檢要求。本文對(duì)故障的原因分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可以為廣大車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師借鑒應(yīng)用。

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