汽車后排座椅安全帶上固定點(diǎn)支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李莉，戰(zhàn)磊

(長春富晟汽車零部件有限責(zé)任公司，吉林長春 130033)

0 引言

近年來，大多數(shù)SUV汽車由于車身布置等因素需要將乘員使用的安全帶上固定點(diǎn)設(shè)置在座椅靠背骨架上。安全帶上固定點(diǎn)結(jié)構(gòu)主要由塑料罩蓋和金屬?zèng)_壓支架組成，金屬支架位于靠背骨架的上部，與上橫管連接，起著引導(dǎo)和支撐安全帶的作用。GB 14167-2013要求座椅必須通過安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)，具體的要求為：座椅的安全帶固定裝置在經(jīng)過實(shí)驗(yàn)載荷后，安全帶不能從固定點(diǎn)處脫落，座椅的零件不能發(fā)生破壞，且固定點(diǎn)的位移不能超過一定范圍[1]。由于實(shí)驗(yàn)加載條件比較苛刻，增加了座椅骨架和安全帶上固定點(diǎn)金屬支架的設(shè)計(jì)難度。目前，安全帶上固定點(diǎn)支架較普遍的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)對(duì)標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而后通過LS_DYNA等有限元分析軟件驗(yàn)證強(qiáng)度，根據(jù)分析結(jié)果，再次改進(jìn)設(shè)計(jì)的試錯(cuò)法[2]。采用的方法多是增加整個(gè)零件的強(qiáng)度和采用加強(qiáng)板等[3]。由于不同座椅的靠背骨架高度和支架與靠背管連接處局部結(jié)構(gòu)的差異以及不同客戶對(duì)座椅的要求不同等原因，由對(duì)標(biāo)獲得的結(jié)構(gòu)往往不適合用在新設(shè)計(jì)的座椅上，需要反復(fù)修改和驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，造成大量時(shí)間和開發(fā)費(fèi)用的浪費(fèi)，而且存在已開模產(chǎn)品模具作廢的風(fēng)險(xiǎn)。整體提高金屬支架的強(qiáng)度或使用加強(qiáng)片等又會(huì)增加整椅的質(zhì)量。本文作者為提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化和驗(yàn)證的效率，并在滿足強(qiáng)度需求的同時(shí)減輕零件的質(zhì)量，綜合使用OptiStruct、LS_DYNA和Abaqus 3種軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和強(qiáng)度驗(yàn)證分析，對(duì)汽車座椅安全帶上固定點(diǎn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

1 有限元分析

為了驗(yàn)證某款汽車后排座椅結(jié)構(gòu)(如圖1所示)能否通過安全帶固定點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，在初輪設(shè)計(jì)方案完成后進(jìn)行有限元分析。該分析使用HyperMesh劃分網(wǎng)格和定義模型，建立座椅與車身及地板的約束，使用LS_DYNA軟件模擬胸塊、臀塊通過安全帶和在重心同一平面上的加載桿對(duì)座椅的加載，通常的方式如圖2所示。按照GB 14167-2013標(biāo)準(zhǔn)要求，在上部和下部人體塊上延車輛縱向中心平面與水平線呈向上10°的方向施加14 900 N載荷，同時(shí)在座椅重心上延水平向前方向加載20倍重力，所有載荷緩慢加載達(dá)到100%，保持該載荷至少1 s，然后繼續(xù)緩慢加載到110%和120%。所有載荷的加載曲線如圖3所示。

圖1 后排座椅安全帶固定點(diǎn)示意

圖2 后排座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度有限元分析模型

圖3 安全帶固定點(diǎn)的加載曲線

為了提高仿真的準(zhǔn)確性，座椅骨架和安全帶固定點(diǎn)支架都采用了GISSMO材料，使用該材料的模型能夠在材料被破壞時(shí)刪除失效的網(wǎng)格單元。支架的材料QSTE500性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料性能參數(shù)

在加載過程中，靠背上的安全帶固定點(diǎn)金屬支架在中間肩部安全帶的作用下受到較大的力，受力最大時(shí)的情況如圖4所示。

圖4 支架受力示意

在安全帶的載荷達(dá)到50%時(shí)，支架的翻邊處最大應(yīng)變達(dá)到了0.192 7，如圖5所示，超過了材料的極限應(yīng)變，零件有被撕裂的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 原支架有限元分析結(jié)果

拓?fù)鋬?yōu)化可以計(jì)算出在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)最優(yōu)的材料分布方案[3]，使結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等性能滿足設(shè)定的要求，同時(shí)使得質(zhì)量最輕，因此嘗試使用該方法得出優(yōu)化方案。

2 拓?fù)鋬?yōu)化分析

整椅分析的有限元模型較大，如果進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析將花費(fèi)較長時(shí)間。因此僅用支架和從整椅分析中提取的約束及加載建立優(yōu)化分析模型。支架的固定點(diǎn)為它與靠背骨架上橫梁和靠背板的焊接區(qū)域，固定點(diǎn)為全約束。加載為安全帶施予在翻邊上的破壞時(shí)的拉力為6 472 N，分析模型如圖6所示。

在加載力為7 250 N時(shí)，分析結(jié)果如圖7所示。

圖6 金屬支架分析模型

此時(shí)加載位置最大應(yīng)變?yōu)?.198，與整椅分析結(jié)果中最大應(yīng)變出現(xiàn)的位置和數(shù)值非常接近，因此可以用該簡化模型進(jìn)行優(yōu)化和初步試算分析。

拓?fù)鋬?yōu)化建模使用HyperMesh軟件，分析使用OptiStruct軟件[4]。網(wǎng)格按照產(chǎn)品工程師輸入的設(shè)計(jì)空間CAD數(shù)據(jù)劃分，固定點(diǎn)為支架與靠背橫梁的焊接區(qū)域，載荷為整椅分析時(shí)提取的作用在支架上的安全帶的最大拉力與同時(shí)刻的加載方向，如圖8所示。拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)是體積分布最小，限制條件為加載完畢后零件上的最大應(yīng)力小于材料的極限應(yīng)力。

圖8 拓?fù)鋬?yōu)化分析模型

3 結(jié)果與討論

3.1 有限元分析結(jié)果

運(yùn)行拓?fù)浞治龊?，得到了設(shè)計(jì)空間內(nèi)的材料分布結(jié)果如圖9所示。文中拓?fù)鋬?yōu)化采用了密度法(SIMP)，即將有限元模型設(shè)計(jì)空間中每個(gè)單元的“單元密度”作為設(shè)計(jì)變量，并在0～1之間連續(xù)取值，優(yōu)化計(jì)算后單元密度越接近1表示該單元位置處的材料越重要，需要保留；反之單元密度越接近0，則表示該單元的材料不重要，可以刪除。通過保留重要位置材料和去除非重要位置材料達(dá)到提高材料利用率和減重的目的[3]。

圖9 拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果與原結(jié)構(gòu)

對(duì)比拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果中保留材料的部分與原支架方案，主要有3個(gè)區(qū)域的材料分布差異較大：

(1)區(qū)域1為支架的翻邊，優(yōu)化結(jié)果顯示該部分需要保留較寬的翻邊，而原方案的翻邊較窄，原方案在這個(gè)區(qū)域的強(qiáng)度明顯不足。

(2)區(qū)域2和3分別為支架的前平面和支腿，拓?fù)鋬?yōu)化后該區(qū)域的材料分布系數(shù)較低，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響較小。原結(jié)構(gòu)的這些區(qū)域?qū)?qiáng)度貢獻(xiàn)不大，而且增加了零件的質(zhì)量。

(3)通過對(duì)比可見，原支架結(jié)構(gòu)的材料分布不合理，受力的關(guān)鍵區(qū)域——翻邊的寬度不足，降低了零件的強(qiáng)度；在非關(guān)鍵區(qū)域布置了較多的材料，增加了不必要的質(zhì)量。

3.2 優(yōu)化后支架結(jié)構(gòu)

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果，重新布置零件的材料，建立了新的支架結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的FEA模型，如圖10所示。

圖10 新舊支架結(jié)構(gòu)對(duì)比

在新結(jié)構(gòu)支架的前部平面和支腿區(qū)域大量減少材料布置，適當(dāng)增加翻邊的寬度，零件質(zhì)量降低了20%。

3.3 新支架零件強(qiáng)度分析

由于分析整椅的安全帶固定點(diǎn)時(shí)間較長，為了快速驗(yàn)證新支架的強(qiáng)度，根據(jù)該零件在整椅分析環(huán)境中的約束和加載，先對(duì)單個(gè)零件進(jìn)行有限元分析。

3.3.1 建模說明

固定點(diǎn)為支架與靠背骨架上橫梁和靠背板的焊接區(qū)域，加載為安全帶施予在翻邊上的載荷的1.2倍，據(jù)此使用HyperMesh建立部件分析模型如圖11所示。與整椅分析相比，模型大小從41 MB縮小到了64 kB。使用Abaqus軟件計(jì)算,用時(shí)從7 h縮短到了5 min。

圖11 零件分析約束與加載說明

3.3.2 零件分析結(jié)果

為了獲得零件的最佳厚度，參考該座椅使用相同材料的板材，分別嘗試定義厚度為2.5 mm和3 mm。分析結(jié)果顯示:加載完成后，厚度為2.5 mm的零件的最大應(yīng)變?yōu)?.136，超過了材料的極限應(yīng)變，零件可能被破壞，如圖12所示。

圖12 厚度為2.5 mm的支架的應(yīng)變分析結(jié)果

厚度為3 mm的零件的最大應(yīng)變?yōu)?.044，低于材料的極限應(yīng)變，零件不會(huì)被破壞，如圖13所示。

圖13 厚度為3.0 mm的支架的零件應(yīng)變分析結(jié)果

3.4 在整椅中驗(yàn)證零件強(qiáng)度

將經(jīng)過分析驗(yàn)證的合格支架放在整椅骨架分析環(huán)境中進(jìn)一步驗(yàn)證其強(qiáng)度。在保持120%載荷(17 880 N)加載階段完畢后，分析結(jié)果顯示支架的最大應(yīng)變?yōu)?.041，沒有超過材料的極限應(yīng)變，無破壞風(fēng)險(xiǎn)，如圖14所示。

圖14 優(yōu)化后支架在整椅上的應(yīng)變分析結(jié)果

GB 14167-2013規(guī)定安全帶支架在加載結(jié)束時(shí)向前和向下的位移不能超過參考平面，分析結(jié)果顯示優(yōu)化后的支架符合實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如圖15所示。

圖15 優(yōu)化后支架在整椅上的位移分析結(jié)果

4 結(jié)論

運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化分析方法可在短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出零件的最佳材料分布方案，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求的同時(shí)降低零件的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。優(yōu)化后該支架的結(jié)構(gòu)通過了安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度分析，零件沒有失效的風(fēng)險(xiǎn)，位移也滿足要求，質(zhì)量降低了20%。運(yùn)用Abaqus零件分析和LS_DYNA整椅分析相結(jié)合的方法可以減少整椅分析的次數(shù)和運(yùn)算時(shí)間，大幅度提高了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的效率。