汽車座椅安全帶錨固定點強度分析

周旺，李晶

(西安工程大學機電工程學院，陜西西安 710600)

0 引言

汽車座椅不僅是用來支撐乘員身體使其具有一定的舒適性，在汽車被動安全中也起到保護成員避免或減少傷害的作用[1]。汽車座椅安全帶固定點強度作為衡量汽車被動安全的一個重要指標，汽車座椅安全帶固定點試驗是車輛《公告》強制性要求的試驗項目[2]。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》[3]中明確了安全帶固定點試驗的方法和評判標準。

在產(chǎn)品開發(fā)前期，可以通過計算機建立座椅有限元分析模型，按照真實試驗條件擺放和加載進行求解計算，得到仿真試驗?zāi)M動畫、位移、塑性變形等參數(shù)。肖永富等[4]比較了顯式分析與隱式分析的特點，得出顯式分析更加適用于座椅安全帶固定點強度試驗仿真的結(jié)論。趙波等人[5]對汽車座椅上的調(diào)角器進行了設(shè)計，同時使用軟件HyperWorks進行仿真分析，提升了座椅的安全性。 Y M TANG等[6-7]將CAE分析軟件仿真模擬與真實試驗進行對標，其結(jié)論表明：CAE分析軟件仿真模擬與真實試驗結(jié)果高度吻合，說明計算機仿真對試驗具有一定的參考意義。R KUMAR等[8-10]利用有限元仿真軟件分析某座椅，提出通過新增零件、增加厚度、變更材料等措施來優(yōu)化座椅強度，雖然滿足要求，但是這樣不僅使座椅質(zhì)量增加，新增件更是增加沖壓模具費用，增加零件厚度或更改材料也使座椅生產(chǎn)成本提升。本文作者以某汽車主駕電動八項可調(diào)節(jié)座椅為例，基于強大的前處理軟件ANSA建立座椅的有限元模型，節(jié)省大量網(wǎng)格劃分等繁雜的前處理時間；以及通過在工程界得到廣泛應(yīng)用、被公認為是最佳的顯式分析軟件LS-DYNA進行求解計算，提出一種改變支架機構(gòu)、提升座椅強度的方案，達到滿足強度的要求。

1 GB 14167-2013法規(guī)解讀

1.1 試驗方法

依據(jù)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》，利用有限元建模軟件，將假胸、整椅、安全帶、假臀按圖1所示位置擺放。對假胸用鋼絲繩施加向上角度為10°的力，加載13 500 N的力；對假臀用鋼絲繩向上角度為10°加載20倍的整椅重力。在t=1.5 s時加載力達到13 500 N并保持0.5 s。

圖1 試驗擺放方法

1.2 評判標準

安全帶通過的兩個下方固定點J1、J2在座椅橫向的距離D1需要大于350 mm。座椅的橫向中心應(yīng)該位于點J1、J2之間，同時滿足距離D2不能小于120 mm，如圖2所示。允許上方的安全帶固定點的周圍區(qū)域有發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象，包括部分斷裂或者局部區(qū)域產(chǎn)生裂紋，但所有安全帶的固定點不能使其失效。通過各個部件的材料塑性變形百分比來判斷部件是否失效。各材料參數(shù)經(jīng)驗值見表1。

圖2 位移評判標準表1 材料參數(shù)

元件材料屈服強度/MPa塑性變形百分比/%鋼絲20鋼24513圓管Q34542716鈑金件QSTE50065318滑軌CR98078120

2 建立座椅有限元模型求解

座椅主要由如圖3所示的滑軌、鈑金件、圓管、鋼絲、標準件螺栓、發(fā)泡體等組成。

圖3 座椅主要組成

通過ANSA軟件將鈑金件和圓管劃分成三角形和四邊形組成的薄殼單元(*ELEMENT_SHELL)，積分類型選用Type16全積分殼單元，其中三角形的數(shù)量不超過總數(shù)的5%；鋼絲與螺栓劃分成梁單元(*ELEMENT_BEAM)，積分類型選用Type2 Belytschko-Schwer合力梁；焊縫使用剛性單元(*ELEMENT_RIGID)；發(fā)泡體劃分成四面體單元(*ELEMENT_SOLID)，積分類型選用Type2全積分S/R體單元。初始穿透可能造成計算過程中能量異常現(xiàn)象，非正常的自由邊界可能造成部件局部應(yīng)力過大，重復單元可能導致異常終止計算，網(wǎng)格單元尺寸過小會使求解時間過長。調(diào)整單元，消除初始穿透和非正常的自由邊界以及保證無重復單元。三角形和四邊形單元長度控制在2～8 mm之間，其中四邊形的歪斜度(Skew)小于42，長寬比(Aspect)小于4.5，翹曲度(Warpage)小于16，雅克比(Jacobian)大于0.65。四面體單元尺寸控制在10～20 mm之間，坍塌比(Tet Collapse)大于0.28。由達朗貝爾動力學原理[11]可得：

將式(2)代入式(1)后整理得到：

式(3)中：

求解式(3)，可得節(jié)點位移向量U(t+Δt)，將其代入物理、幾何方程，可得對應(yīng)的單元應(yīng)力和應(yīng)變，提交LS-DYNA軟件計算。

3 分析結(jié)果

3.1 能量檢查

能量正常是評判分析模型的一個重要條件。由圖4可知動能(Kinetic Energy)在t=0.9 s時達到最大值保持到t=1.2 s，然后逐步降低最終在t=1.6 s時為零。接觸能(Interface Energy)未出現(xiàn)負值等異常。內(nèi)能(Internal Energy)和全局能量(Total Energy)平滑上升在t=1.6 s時達到最大值且保持0.4 s，說明能量守恒。

圖4 能量曲線

3.2 位移、塑變云圖

求解得出距離D1為498.2 mm，距離D2為276.3 mm，符合要求。右后側(cè)滑軌材料塑性變形由圖5知最大為21.09%，超過材料極限塑性變形，存在局部撕裂的可能。

圖5 右側(cè)滑軌塑變云圖

4 改進方案及優(yōu)化結(jié)果

由于右后側(cè)滑軌上方裝有安全帶固定件，受力較大，所以可將右后側(cè)滑軌上方支架與右前側(cè)滑軌上方以半弧形連為一體，避開滑軌調(diào)節(jié)齒，如圖6所示，使得座椅上的安全帶固定點受拉時的受力分散到滑軌前端。

圖6 滑軌上支架結(jié)構(gòu)變更

模型優(yōu)化后再次提交計算可得到圖7所示的新后右側(cè)滑軌塑性變形云圖，可知滑軌塑性變形為17.9%，低于材料極限塑性變形，失效風險控制在合理范圍內(nèi)。

圖7 新后右側(cè)滑軌塑變云圖

5 結(jié)論

通過有限元分析軟件對座椅進行安全帶固定點仿真模擬，發(fā)現(xiàn)座椅右側(cè)滑軌上方支架結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，可能存在零件失效的風險。對支架零件進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。常見的優(yōu)化措施有增減零部件厚度、變更所用的材料來達到強度或減重的效果。作者通過前后支架合并為一體且巧妙避開滑軌控制爪的結(jié)構(gòu)改進，并再次進行仿真模擬，座椅所有零件低于其材料極限塑性變形，滿足法規(guī)要求。