某車型安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度對標(biāo)分析及優(yōu)化

谷昆侖 谷朝陽 張蓉

（1.江蘇吉麥新能源車業(yè)有限公司；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心；3.上海蔚來汽車有限公司）

安全帶作為新能源乘用車被動安全中的一個重要組成部分，其安裝固定裝置的強(qiáng)度是汽車被動安全的一個重要指標(biāo)，同時又是車輛上市公告試驗(yàn)中的強(qiáng)制檢測項(xiàng)。國家法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)GB 14167—2013 針對安全帶固定點(diǎn)有相應(yīng)的設(shè)計要求、試驗(yàn)辦法及評價標(biāo)準(zhǔn)。法規(guī)規(guī)定：在試驗(yàn)過程中，持續(xù)按規(guī)定的力加載，允許固定點(diǎn)或周圍區(qū)域發(fā)生永久變形，其中包括部分?jǐn)嗔鸦虍a(chǎn)生裂紋，但同時要求安全帶不得從安裝固定點(diǎn)脫落，且安全帶上有效固定點(diǎn)向前的位移量須在允許的范圍內(nèi)[1]。傳統(tǒng)意義上的研發(fā)流程需通過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計方案的可行性，不但開發(fā)周期長，而且還增加了各項(xiàng)成本開支；如果借助有限元分析方法來優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)，可以提高產(chǎn)品設(shè)計效率，縮減試驗(yàn)驗(yàn)證周期，降低研發(fā)成本等。文章基于有限元建模方法建立安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析模型，通過調(diào)試模型對標(biāo)試驗(yàn)，最后通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化滿足法規(guī)要求，并經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證達(dá)到了預(yù)期效果。

1 試驗(yàn)結(jié)果分析

在進(jìn)行安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)某車型前排安全帶上固定點(diǎn)有脫落、開裂現(xiàn)象。經(jīng)討論分析，總結(jié)出固定點(diǎn)失效的主要原因有：1）由于安全帶上固定點(diǎn)加強(qiáng)板與B 柱內(nèi)板貼合度不足，導(dǎo)致加載過程中螺栓先從加強(qiáng)板處脫出，如圖1 所示；2）持續(xù)加載過程中螺栓持續(xù)受力，B 柱內(nèi)板不足以承受持續(xù)載荷而導(dǎo)致螺栓從B 柱內(nèi)板處脫出而失效。

圖1 某車型前排安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)失效示意圖

2 有限元模型

有限元分析模型的合理簡化對分析過程和分析結(jié)果的影響至關(guān)重要。針對不同的求解類型，有限元模型建立的側(cè)重點(diǎn)也略有差異。一般應(yīng)在保證計算精度的前提下，盡可能地縮短建模和求解計算的時間。

考慮到整車模型較大，截取白車身部分模型，通過前處理軟件搭建有限元模型[2-3]；有限元模型的零部件主要網(wǎng)格尺寸為5 mm，同時為了提高CAE 分析的精度[4]，對安全帶固定點(diǎn)關(guān)鍵受力區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，并使用全積分單元[5]；對白車身相關(guān)的鈑金件采用殼單元建立有限元模型，焊點(diǎn)采用100 號材料的實(shí)體單元進(jìn)行模擬，安全帶固定點(diǎn)處的螺栓采用實(shí)體單元模擬，其余處的螺栓采用剛性單元進(jìn)行模擬。根據(jù)各組件之間的實(shí)際接觸情況，在仿真模型里定義相應(yīng)的接觸關(guān)系，包括板件之間的自接觸、焊點(diǎn)與板件間的綁定、人體模塊與安全帶、螺栓與板件之間的面面接觸等。有限元模型，如圖2 所示。

圖2 某車型前排安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度有限元模型圖

傳統(tǒng)安全帶建模為一維和二維安全帶單元連接而成，為防止加載過程中安全帶單元結(jié)合處滑脫而終止計算，因此，安全帶全長采用二維安全帶單元，如圖3 所示。

圖3 某車型前排安全帶二維有限元模型圖

白車身和座椅骨架材料使用彈塑性本構(gòu)關(guān)系模型24 號材料模擬，其要求輸入的材料曲線應(yīng)為由工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)換過來的等效應(yīng)力-應(yīng)變曲線。為了更好地重現(xiàn)試驗(yàn)過程中發(fā)生的現(xiàn)象，對安全帶固定點(diǎn)連接的零部件的材料設(shè)置失效。安全帶單元使用ELEMENT_SEATBELT，材料使用MAT_SEATBELT，同時定義了安全帶的厚度、安全帶織帶加載力與應(yīng)變關(guān)系曲線、安全帶織帶卸載力與應(yīng)變關(guān)系曲線[6-7]。

3 邊界條件

分析模型要盡可能地按照試驗(yàn)工況進(jìn)行模擬，文章對截取的白車身截面周邊節(jié)點(diǎn)6 個自由度方向進(jìn)行約束，以確保車身被完全固定。

依據(jù)GB 14167—2013 要求的試驗(yàn)工況，沿著規(guī)定的方向，在模型中對上、下人體模塊加載13.5 kN 的載荷，載荷的方向?yàn)檠仄叫杏谄囆旭偡较颍?X）且與水平面（YZ 平面）成10°角的方向；同時對座椅施加相當(dāng)于座椅總成質(zhì)量20 倍的載荷，方向施加在通過座椅質(zhì)心，沿汽車縱向水平向前方向（-X），如圖4 所示。

圖4 某車型前排安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度邊界條件和載荷示意圖

考慮到顯式分析計算時間較長，通常為了縮短計算時間，可以通過增加模型質(zhì)量和提高載荷加載速度的方法實(shí)現(xiàn)。由于顯式動力學(xué)求解準(zhǔn)靜態(tài)過程考慮模型的動態(tài)效應(yīng)，因此，要求加載過程不能過快，一般要求模型質(zhì)量增加不超過5%，提高載荷加載速度后的模型動能與內(nèi)能的比值應(yīng)盡可能小，一般要求小于2%，從而使分析更加趨近于準(zhǔn)靜態(tài)過程特性，進(jìn)一步提高有限元分析的精度和模型穩(wěn)定性[8-9]。

4 對標(biāo)分析結(jié)果

模型經(jīng)計算完畢后，首先通過有限元后處理軟件檢查零部件是否有異常運(yùn)動及運(yùn)動穿透情況，然后檢查動能、內(nèi)能、沙漏能、質(zhì)量增加等曲線是否滿足要求，確認(rèn)模型計算無問題。

通過查看前排安全帶車身固定點(diǎn)的運(yùn)動狀態(tài)及鈑金件的有效塑性應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)B 柱上固定點(diǎn)螺栓孔周邊的有效塑性應(yīng)變超出材料的允許斷裂伸長率為25%，且區(qū)域較大，固定螺栓有從螺栓孔處脫開的風(fēng)險。固定支架被拉伸的變形量達(dá)到18 mm，如圖5 所示。前排其余安全帶固定點(diǎn)均未超出材料允許的斷裂伸長率。

圖5 某車型前排安全帶B 柱安裝點(diǎn)強(qiáng)度初始方案有限元分析云圖

從分析結(jié)果可以看出，仿真分析結(jié)果較好地反映出試驗(yàn)支架的變形形式和失效的位置及狀態(tài)。

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

考慮在盡可能少地改變原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，根據(jù)以上對標(biāo)模型及結(jié)果，對前排安全帶固定點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖6 所示。

圖6 某車型前排安全帶B 柱安裝點(diǎn)加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對比圖

1）增加安全帶上固定點(diǎn)加強(qiáng)板與B 柱內(nèi)板接觸面積，同時更換螺母，增大接觸面積，如圖6 中①所示；

2）增加安全帶上固定點(diǎn)加強(qiáng)板與B 柱內(nèi)板支架的焊點(diǎn)，增強(qiáng)其連接關(guān)系，如圖6 中②所示；

3）改進(jìn)安全帶上固定點(diǎn)加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，增加加強(qiáng)筋，同時將材料由原來的B201P1 改為B340LA，以提高材料強(qiáng)度等級，將料厚增加至1.5 mm，如圖6 中③所示。

根據(jù)以上優(yōu)化，重新建立模型并計算，通過計算后處理得到的應(yīng)變云圖，如圖7 所示。結(jié)果表明，優(yōu)化后的模型B 柱內(nèi)板螺栓孔周邊應(yīng)變較低，最大值約為12%，B 柱內(nèi)板及安全帶固定點(diǎn)加強(qiáng)板均未超過材料的斷裂伸長率，未發(fā)生材料失效，且安全系數(shù)大于1.2。安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度滿足法規(guī)要求。基于優(yōu)化方案試制樣件，重新進(jìn)行以上試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，安全帶固定點(diǎn)有不同程度的變形，但未出現(xiàn)脫落或開裂現(xiàn)象，優(yōu)化方案滿足法規(guī)要求。

圖7 某車型前排安全帶B 柱安裝點(diǎn)強(qiáng)度優(yōu)化方案有限元分析云圖

6 結(jié)論

文章以某車型安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果為研究對象，通過仿真分析對標(biāo)再現(xiàn)試驗(yàn)現(xiàn)象，然后基于對標(biāo)后的模型進(jìn)行優(yōu)化，最終通過試驗(yàn)驗(yàn)證滿足了法規(guī)要求并得出：

1）基于試驗(yàn)對標(biāo)后的有限元模型進(jìn)行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析結(jié)果與試驗(yàn)的吻合度較高；

2）安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析全部采用二維安全帶建模，能夠有效地減少分析過程的中斷，提高計算效率；

3）驗(yàn)證了有限元分析在車身開發(fā)中的作用，對后續(xù)座椅和安全帶固定點(diǎn)開發(fā)具有一定的參考意義。