ISOFIX 結構改進過程仿真及驗證試驗

李向津，李博宇

北京現(xiàn)代汽車有限公司, 北京 101300

本文基于新車型ISOFIX 裝置設計開發(fā)驗證過程，對原始設計結構失效分析、改善及驗證過程進行了研究。雖然ISOFIX 裝置開發(fā)相對而言非常簡單[1]，但仍不可忽視。面對失效問題，一般通過計算機輔助分析（computer aided engineering,CAE）模擬分析的方法再現(xiàn)產(chǎn)生問題的原因，為問題的解決提供參考方向[2]。在這個過程中，我們建立了仿真分析模型，通過模擬計算提出相應的結構改善方案。經(jīng)過論證和試驗驗證，保證結構達到試驗要求，滿足了國家法規(guī)標準，為日后設計提供了進一步的借鑒和參考。

1 ISOFIX 試驗法規(guī)

1.1 ISOFIX 裝置

ISOFIX[3]是兒童約束系統(tǒng)與車身連接的剛性裝置[4]，在國家標準試驗中，主要依靠靜載施加裝置(SFAD) (見圖1)，來完成其強度和車身結構抗反轉的能力。

圖1 SFAD 靜載荷施加裝置示意

1.2 試驗方法

法規(guī)中針對直接固定在車身上的裝置，主要規(guī)定如下3 項試驗內(nèi)容：

1.2.2 斜向力試驗

SFAD 裝置與ISOFIX 下方2 個固定點連接，在SFAD 加載點施加前向兩側（75±5）°、水平角度（0±5）°、大?。?±0.25）kN 的載荷(見圖3)，30 s內(nèi)盡快達到最大載荷且持續(xù)時間t≥0.2 s。加載期間斜向位移應不大于125 mm，允許永久變形和部分開裂。如果在規(guī)定的時間保持了所要求的力，ISOFIX 下固定點和周圍區(qū)域不應失效。

圖3 斜向力試驗示意

1.2.3 帶有ISOFIX 上拉帶固定點的前向力試驗

SFAD 裝置與ISOFIX 下方2 個固定點及上拉帶固定點連接，在SFAD 加載點施加前向水平角度（10±5）°、大?。?±0.25）kN 的載荷(見圖4)，30 s內(nèi)盡快達到最大載荷且持續(xù)時間大于等于0.2 s。加載期間斜向位移應小于等于125 mm，允許永久變形和部分開裂。如果在規(guī)定的時間保持了所要求的力，ISOFIX 下固定點、上拉帶固定點和周圍區(qū)域不應失效。

圖4 上拉帶前向力試驗示意

根據(jù)法規(guī)，對于只有ISOFIX 下固定點的裝置，只進行前向力試驗和斜向力試驗即可。加載期間，SFAD 裝置前向水平位移和斜向位移均不應超過125 mm，允許出現(xiàn)永久變形和部分開裂，但其固定點及周圍區(qū)域不能失效[5]。

2 斜向力試驗失效問題

在某車型開發(fā)ISOFIX 固定裝置過程中，對該ISOFIX 裝置設計原型進行了首輪驗證試驗。在驗證時發(fā)現(xiàn)進行斜向力試驗項目出現(xiàn)超標問題，ISOFIX 固定點下支架變形大，且SFAD 加載點位移量過大，超出了法規(guī)規(guī)定范圍。車身安裝區(qū)域結構未出現(xiàn)明顯變形，結構和焊點無需進行改善，因此需要進行仿真檢討，對該ISOFIX 裝置鎖鉤結構進行設計改善。

2.1 建立仿真分析模型

結合現(xiàn)有模型及試驗內(nèi)容，首先需要建立試驗工況的有限元分析模型。仿真工作重點關注了出現(xiàn)問題的斜向力工況。為了簡化分析模型和減少分析時間，又不影響分析結果，分析模型截取了車身后部[6]，選取了車身后半段+ISOFIX 裝置+后排坐墊（主要考慮坐墊在受力過程中，其壓縮量對結果有直接的影響，所以無法忽略）等結構建立了仿真所需的有限元計算模型(見圖5)。

社會的發(fā)展促進審計目標的不斷革新，而審計目標的革新也帶動著審計技術的進步。而在眾多的組織和集團之中，銀行無疑是對內(nèi)部審計標準要求最高的，業(yè)務和項目中一旦存在缺陷與風險，就會給銀行帶來難以想象的損失。因此在審計技術上，各大商業(yè)銀行均需要保持著高度的重視，比如常見的以內(nèi)部控制評價為基礎的現(xiàn)代審計方法，還有新興的“風險導向”審計方法等，都是走在時代前沿的科學靈活的現(xiàn)代審計技術。

圖5 斜向力試驗示意

為保證計CAE 分析精度，需要控制網(wǎng)格質量，要求如下：翹曲度小于15°，長寬比小于5，四邊形單元內(nèi)角范圍40°～135°，三角形單元內(nèi)角范圍25°～120°[7]。模型總規(guī)模約64 萬單元，我們使用了hypermesh 進行了網(wǎng)格劃分[8]，借助oasys.primer 建立了邊界條件及加載工況，使用lsdyna進行了求解計算，并利用hperview 和oasys.reporter進行了結果處理，形成了最終的仿真分析結果報告。

分析模型中主要用到的材料牌號見表1。

表1 ISOFIX 裝置主要材料及其基本參數(shù)

2.2 分析結果與試驗對標

為了提升仿真結果的可信度，在模型完成后，與首輪試驗結果進行對標分析，在此基礎上，再進行改善方案的分析驗證，避免出現(xiàn)設計的反復。

2.2.1 仿真對標與試驗測量

由于本車ISOFIX 裝置不含上拉帶固定結構，所以只需要完成法規(guī)中所規(guī)定的前向力/斜向力試驗即可，不必進行帶有ISOFIX 上拉帶的固定點的前向力試驗。前向力結果如表2 所示，斜向力結果如表3 所示。

表2 前向力試驗與仿真分析結果對比

表3 斜向力試驗與仿真分析結果對比

對標結果表明，仿真結果與試驗數(shù)據(jù)的誤差保持在10%以內(nèi)，滿足仿真結果的分析要求。

2.2.2 試驗與仿真變形趨勢對比

本文對ISOFIX 結構裝置的鎖鉤部分在斜向力試驗中的變形形式也進行了比較，充分表明仿真與試驗的一致性，見圖6～9。

圖6 右外側固定裝置對比

圖7 右內(nèi)側固定裝置對比

圖8 左外側固定裝置對比

圖9 左內(nèi)側固定裝置對比

對比結果表明，裝置各部位變形結果與試驗基本一致。仿真模型可以用于后繼設計改善分析。根據(jù)仿真結果，為減少測量點位移量，需要對結構自身變形進行控制。在此基礎上，結構設計對變形部位進行了加強，并做出相應的設計方案，進行仿真驗證。

初次仿真與試驗對標車身局部變形如圖10所示，ISOFIX 固定裝置周邊結構未破壞，滿足固定點周圍不能失效的要求。

圖10 車身局部變形云圖

3 改進方案變更形式說明

3.1 設計方案對比說明

為確保改進方案的一次性通過試驗驗證，經(jīng)過檢討論證，采用了較為保守的改善方案2 進行推進。如圖11～13 所示，改善方案1 中，外側裝置：延長加強板；內(nèi)側裝置：加強板整體延長。改善方案2 中，外側裝置：在延長加強板基礎上增加翻邊；內(nèi)側裝置：加強板整體延長。

圖11 原始方案

圖12 改善方案1

圖13 改善方案2

3.2 第二輪試驗驗證

經(jīng)過數(shù)據(jù)模型設計、仿真驗證、樣件制作、安裝調(diào)整與匹配等前期準備工作，我們進行了第2 輪ISOFIX 試驗(見圖14)，并進行改善方案實際試驗與仿真分析結果的驗證。

圖14 斜向力試驗現(xiàn)場示意

3.3 改善方案2 仿真結果與第2 輪試驗結果對比

在前向力試驗中，由于原方案就在試驗中未出現(xiàn)失效情況，且有較大的的設計余量，改善方案又是對結構進行了加強，所以對于前向力試驗而言，改善方案的影響是正向的，這也在試驗結果中有所體現(xiàn)，測點位移量有一定程度減小(見表4)。由于首輪試驗中，斜向力試驗項目中出現(xiàn)失效，需要進行重點關注，斜向力試驗對比結果見表5。

表4 第2 輪前向力試驗與仿真結果對比

表5 第2 輪斜向力試驗與仿真結果對比

結果表明，按照方案2 改進后的ISOFIX 固定裝置，既能夠滿足法規(guī)試驗的強度和位移要求，又能限制兒童座椅位移，從而起到保護兒童的作用。應用仿真分析手段，能夠和試驗相互佐證，并快速地驗證改善方案，減少設計反復周期，極大地降低研發(fā)成本[9]。

4 改善方案分析過程

4.1 主要影響因素

在對下固定點系統(tǒng)進行試驗時，主要考核其強度和位移量[10]。為降低SFAD 測量點的位移量，通過仿真及試驗結果，我們需要控制ISOFIX裝置自身變形量，為此對該裝置鎖鉤部分進行了結構上的加強，強化了邊緣支撐結構的覆蓋范圍，減少了鉤體自身的變形。因此，測量點的位移得到了極大改善。

4.2 焊接對結構的影響

在對標過程中，應考慮CO2保護焊對鎖鉤的影響。由ISOFIX 鎖鉤為手工焊接，焊條熔留物在鉤體兩側均有較多殘留（見圖15），殘留物對結構有一定的強化作用，所以模型建立時要給予一定的建模補償(見圖16)。同時，局部高溫對材料本身也有較大影響[11]，在材料參數(shù)模型上應該考慮硬化系數(shù)。

圖15 實物焊接殘留物示意

圖16 焊接殘留物影響建模示意

4.3 材料性能參數(shù)的積累

各結構材料數(shù)據(jù)的準確性是模型對標的基礎。由于座椅泡沫材料受壓變形量與其自身發(fā)泡率和密度有關[12]，其特性曲線難以獲取。各牌號材料的特性參數(shù)及曲線需要在日常工作中經(jīng)過長期的積累和校正，才能應用于仿真模型中，保證仿真結果與試驗的誤差在合理的范圍之內(nèi)。但是，也不能矯枉過正，把全部精力投入到材料對標工作上，畢竟仿真結果只是表明了結構設計改善變化的趨勢。能夠快速分析并預測結果的改變趨勢，節(jié)約開發(fā)驗證的時間，降低開發(fā)成本，才是仿真的真正意義所在。

5 結論

1）借助仿真分析方法，我們可以迅速確定結構試驗失效的原因位置，針對該性能進行改善，快速驗證改善方案。

2）仿真分析模型建模不能過度簡化，周邊影響因素要綜合考慮，根據(jù)其在分析問題中的貢獻度，模型參數(shù)中要適當予以補償。

3）分析模型的精度依賴于準確的輸入，包括材料基本性能和邊界條件。工況數(shù)據(jù)輸入完整度越高，分析結果越接近實際。

同時，本文關注了產(chǎn)品設計、改善及試驗驗證的全過程?；贗SOFIX 產(chǎn)品開發(fā)過程中斜向力試驗出現(xiàn)的結構失效未能達標的問題，建立了ISOFIX 兒童約束系統(tǒng)固定點分析模型，并在與試驗結果進行了對標的基礎上，通過分析計算，針對該結構提出了多種改善方案，保證了第二輪斜向力試驗的順利通過。