汽車安全帶固定點(diǎn)失效分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

谷昆侖 ， 谷朝陽 ， 張 蓉 ， 丁 晨

（1.江蘇吉麥新能源車業(yè)有限公司，江蘇 徐州 221011；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201805；3.上海蔚來汽車有限公司，上海 201805）

0 引言

安全帶作為新能源乘用車被動(dòng)安全中的一個(gè)重要組成部分，其安裝固定裝置的強(qiáng)度作為汽車被動(dòng)安全的一個(gè)重要指標(biāo)，同時(shí)又是車輛上市公告試驗(yàn)中的強(qiáng)制檢測項(xiàng)。GB/T 14167—2013針對安全帶固定點(diǎn)有相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求、試驗(yàn)辦法及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)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(jì)方案的可行性，不但開發(fā)周期長，同時(shí)還增加了各種成本開支；如通過有限元分析來優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)，不僅可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率，縮短開發(fā)周期，同時(shí)還可以縮減試驗(yàn)驗(yàn)證周期，降低研發(fā)成本。

本研究基于純電動(dòng)車型的后排座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，首先通過顯式有限元分析方法建立模型，按照GB/T 14167—2013的試驗(yàn)要求進(jìn)行加載，對安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，調(diào)試模型對標(biāo)試驗(yàn)，然后根據(jù)對標(biāo)結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供依據(jù)。

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)后排安全帶固定點(diǎn)脫落、開裂現(xiàn)象。經(jīng)過總結(jié)和分析[2-4]可知，實(shí)車試驗(yàn)過程中安全帶固定點(diǎn)發(fā)生失效的主要原因?yàn)椋?/p>

1）由于中固定點(diǎn)螺栓孔過大，導(dǎo)致加載過程中中間固定支架從螺栓頭處脫出，如圖1a、圖1b所示；

2）持續(xù)加載過程中，兩側(cè)固定點(diǎn)持續(xù)受力，由于強(qiáng)度不足無法承受更大載荷而被拉裂，如圖1a、圖1c所示。

圖1 后排安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)失效圖Fig.1 Failure of rear seatbelt anchorage

2 有限元模型

有限元分析對模型進(jìn)行合理的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(jì)算精度的前提下，盡可能縮短建模和求解計(jì)算的時(shí)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[5-6]；有限元模型的零部件主要網(wǎng)格尺寸為5 mm，同時(shí)為了提高有限元分析的精度[7]，對安全帶固定點(diǎn)的關(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[8]；對白車身相關(guān)的鈑金件采用SHELL單元建立白車身有限元模型，焊點(diǎn)采用MAT100材料的HEXA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Rigid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[9-10]。有限元模型如圖2所示。

傳統(tǒng)安全帶建模為1D和2D的SEATBELT單元連接而成，本研究為防止加載過程中1D和2D連接處安全帶因1D和2D結(jié)合處滑脫而終止計(jì)算，因此安全帶全長采用2D的SEATBELT單元，如圖3所示。

圖2 后排安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度有限元模型Fig.2 Finite element model of strength of rear seatbelt anchorage

白車身和座椅骨架材料使用彈塑性本構(gòu)關(guān)系模型MAT24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)連接的零部件材料設(shè)置失效，對相應(yīng)材料的零部件單元設(shè)置失效準(zhǔn)則。安全帶單元使用*ELEMENT_SEATBELT，材料使用*MAT_SEATBELT，同時(shí)將安全帶的材料定義了安全帶的厚度、安全帶織帶的加載和卸載力與應(yīng)變關(guān)系曲線[11]。

3 邊界條件

分析模型要盡可能按照試驗(yàn)工況進(jìn)行模擬，本研究對截取白車身截面邊緣單元節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度方向約束，以確保車身被完全固定。

圖3 安全帶有限元模型Fig.3 Finite element model of seatbelt

依據(jù)GB/T 14167—2013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)檠仄叫杏谲囕v行駛方向(X軸負(fù)方向)且與水平面(YZ平面)呈10°的方向；同時(shí)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，沿車輛縱向水平向前方向(X軸負(fù)方向)，如圖4所示。

圖4 邊界條件和載荷Fig.4 Boundary condition and loads

考慮到顯式分析計(jì)算時(shí)間較長，通常為了縮短計(jì)算時(shí)間可以增加模型質(zhì)量和提高載荷加載的速率。由于顯式動(dòng)力學(xué)求解準(zhǔn)靜態(tài)過程考慮模型的動(dòng)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(dòng)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[12]。

4 對標(biāo)分析結(jié)果

模型計(jì)算完畢后，首先通過后處理檢查零部件是否有異常運(yùn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)穿透情況，然后檢查動(dòng)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(jì)算無問題。

通過查看后排安全帶車身固定點(diǎn)側(cè)動(dòng)畫及鈑金件有效塑性應(yīng)變發(fā)現(xiàn)，安全帶下固定點(diǎn)車身連接處支架從中間螺栓固定處脫開，兩側(cè)鈑金支架的有效塑性應(yīng)變超出材料允許的斷后伸長率，發(fā)生失效，并從螺栓處撕裂斷開，如圖5所示。后排其余安全帶固定點(diǎn)均未超出材料允許的斷后伸長率。

圖5 初始方案有限元分析結(jié)果Fig.5 Finite element analysis result of initial structure

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)果對后排安全帶固定點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下優(yōu)化：

1）減小中間固定螺栓孔，由原來的φ14 mm改為φ12 mm，如圖6中①所示。

圖6 初始方案和優(yōu)化方案Fig.6 Initial structure and improved structure

2）增大中間支架強(qiáng)度，將原來的方孔減小為小圓孔，如圖6中②所示。

3）增加兩側(cè)支架強(qiáng)度，去除原來的開孔，增加支架厚度，如圖6中③所示。

根據(jù)以上優(yōu)化重新建立模型并遞交計(jì)算，通過計(jì)算后處理得到的應(yīng)變云圖如圖7所示。結(jié)果表明，優(yōu)化后的模型中間螺栓未從螺栓孔處脫出，安全帶安裝支架均未超過材料的斷后伸長率，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。

圖7 優(yōu)化方案有限元分析結(jié)果Fig.7 Finite element analysis result of improved structure

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上優(yōu)化方案，進(jìn)行試制樣件，重新進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，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，試驗(yàn)結(jié)果和優(yōu)化方案仿真結(jié)果基本一致，滿足法規(guī)要求。

7 結(jié)論

圖8 優(yōu)化方案試驗(yàn)驗(yàn)證Fig.8 Validation test of improved structure

1）通過仿真模型的合理簡化、螺栓實(shí)體建模、提高局部網(wǎng)格細(xì)化、使用全積分單元、設(shè)置單元失效等一系列措施，對標(biāo)安全帶固定點(diǎn)失效情況，結(jié)果顯示固定支架的變形情況和開裂位置與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，安全感固定點(diǎn)失效情況與試驗(yàn)一致。

2）基于對標(biāo)模型，針對安全帶固定點(diǎn)等關(guān)鍵零部件的變形及失效情況，通過減小螺栓孔、增加支架厚度等方法，對存在開裂風(fēng)險(xiǎn)的部位進(jìn)行加強(qiáng)。分析結(jié)果表明優(yōu)化方案固定支架變形較小，未發(fā)生撕裂失效等現(xiàn)象。

3）根據(jù)優(yōu)化方案制作樣件，重新試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果看出安全帶固定點(diǎn)有不同程度的變形，未出現(xiàn)脫落或開裂現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果和優(yōu)化方案仿真結(jié)果基本一致，優(yōu)化方案滿足法規(guī)要求。

4）通過利用CAE分析技術(shù)在車輛開發(fā)過程中的應(yīng)用，可以有效找到問題原因并有針對性地加以優(yōu)化，從而縮短開發(fā)周期和節(jié)約成本。