一種廂式車后排座椅三點式安全帶固定結構強度設計

秦軒轅 王秋鋒 李廣府

摘 要：安全帶是汽車被動安全的重要保障措施，其固定點強度是評價汽車安全性的一項重要指標。本文介紹了某款廂式車側圍安全帶的固定點加強結構設計，通過結構設計、模擬仿真分析和優(yōu)化設計等，為同類型的結構設計提供參考。

關鍵詞：安全帶固定點;加強結構;強度分析;優(yōu)化設計

中圖分類號：U491.61文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）02-0061-03

The Strength Design of the Three-point Safety Belt Fixed Structure for the Rear Seats of a Van

QIN Xuanyuan WANG Qiufeng LI Guangfu

（Technology Center of Zhengzhou Nissan Automobile Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450016）

Abstract： Seat belts are an important safeguard for the passive safety of automobiles， and the strength of their anchorages is an important indicator for evaluating automobile safety. This paper introduced the strengthened structural design of the anchorage of a certain van side safety belt， in order to provide references for the same type of structural design through structural design， simulation analysis and optimum design.

Keywords： seat belt anchorage;strengthened structure;strength analysis;optimum design

隨著社會的進步和汽車技術的飛速發(fā)展，客戶對汽車的安全性有著越來越高的要求。安全帶是保障汽車被動安全的重要措施，其固定點強度不僅是評價汽車安全性的一項重要指標，也是相關國家規(guī)范中強制性要求的試驗檢測項目。因此，車身結構設計階段必須進行安全帶固定點強度設計。本文主要針對某皮卡平臺開發(fā)設計的一體車身廂式車側圍上后排安裝固定點結構進行設計，并通過有限元分析等模擬手段對設計提出優(yōu)化建議，最終達到優(yōu)化設計的目的。

1 國家汽車標準的具體要求

《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點》（GB 14167—2013）（下文簡稱國家標準）要求，在固定點承受試驗載荷的情況下，安全帶固定點的強度務必確保安全帶不能從安裝固定點位置脫落，但允許安裝固定點及其周圍區(qū)域產(chǎn)生永久變形或者裂紋，同時所有的安全帶固定點不能失效;在荷載卸載后，要確保全部座位上的乘員通過手動操作位移裝置和鎖止裝置就能夠離開車輛。

設計階段，為了保證設計的可靠性，在一體車身廂式車的車型驗證分析過程中，本研究均以國家標準要求加載力值的1.2倍進行仿真分析。國家標準要求的加載力方向如圖1所示，[P1]是指通過座椅質心水平方向，[P2]和[P3]是指水平方向向上10°。根據(jù)國家標準要求，不同類型車輛的座椅所要求施加的荷載各有不同，具體情況如表1所示。

本研究主要是基于某款皮卡平臺開發(fā)的一體式車身M1類車型開展的，所以這里以M1類車型為例，結合相關國家標準要求，解讀試驗荷載加載要求及評價標準。試驗方法如下：針對三點式安全帶，在圖1所示的P2、P3方向，通過加載裝置對座椅系統(tǒng)施加（16 200±200）N的荷載。

2 結構設計

2.1 結構選型

后排座椅中間三點式安全帶根據(jù)不同車型，其布置結構也不相同。一般來說，兩廂轎車缺少像三廂轎車那樣的后窗臺板，故后排中央位置安全帶卷收器一般布置在頂蓋后橫梁或者后座椅靠背上，也有一些車型將其固定在后座椅靠背下方后地板上。對于這種情況，頂蓋后橫梁總成應該擁有很強的強度，使安全帶上固定點在乘員正常或碰撞過程中不脫落。若卷收器固定在后座椅靠背上，其安全帶另一下固定點一般位于座椅下方或同樣固定在后座椅靠背上。這種安全帶固定方式要求在乘員正常使用和碰撞過程中，后座椅靠背不能產(chǎn)生翻轉，否則會導致安全帶失效，致使乘員受到傷害。

由于SUV車型同兩廂車類似，沒有后窗臺板，因此其后排中央位置安全帶卷收器布置同兩廂車型一致，一般其中一個固定點布置在側圍上。但是，由于SUV較兩廂車型大，其后側圍比兩廂車型長，因此其安全帶卷收器固定在后側圍后部，而安全帶上布置兩個連接件，分別同座椅上兩個帶扣相連接，組成三點固定。

基于廂式車側圍結構現(xiàn)狀，經(jīng)與座椅開發(fā)人員共同確認，筆者決定座椅選用鉸接式固定方案，卷收器固定在后座椅靠背上，座椅靠背骨架兩端通過鎖扣的形式固定到側圍兩側;安全帶另一下固定點位于后地板上，因為座椅靠背骨架及側圍固定點強度要求極高。

2.2 初版結構設計

在方案設計中，本研究考慮設定較多連接結構，將C柱加強結構、前后側圍等連接為一體，減少局部受力形變的風險，保證可靠性。結構設計如圖2所示。

在結構設計中，C柱加強板通過新設安全帶鎖扣加強板將后側圍與前立柱焊接為一體，將所受力傳遞到前后側圍，擴大受力部件范圍;加強板1與C柱加強板、后側圍內板焊接在一起，有序分散受力;在側圍內板后部設定加強板1與加強板2，加強板2下部焊接到安全帶鎖扣加強板上，將座椅安全帶鎖扣螺母貼到側圍內板上，即形成一倒扣盒形加強結構，將所受力傳遞到其他部品，增強剛度。其間，主要構成部品材質及料厚如表2所示。

2.3 焊接工序

將后側圍內板+C柱加強板+安全帶鎖扣加強板焊接起來，使其成為一體;將加強板2+安全帶鎖扣加強板+側圍內板總成焊接到一體，如圖3所示。

2.4 有限元分析驗證

本研究利用有限元分析法對車身安全帶強度進行分析，確認方案是否可行。有限元分析是基于結構分析的數(shù)值分析方法，是CAD系統(tǒng)的重要組成部分，車身設計階段利用有限元分析法[1]，可以大大提高一次性設計的成功率。有限元分析通常由前處理、求解計算、后處理三部分組成。前處理是建立有限元分析的關鍵環(huán)節(jié)，求解計算是計算機對有限元模型進行數(shù)值求解處理，后處理是查看求解結果，方便用戶對分析結果進行分析和評價。

有限元模型是有限元分析的前提和基礎，建立有限元模型是有限元分析的關鍵環(huán)節(jié)，合理的有限元模型不僅能保證有限元分析的精度，而且可以減少計算機的存儲空間，縮短計算時間。在研究車身結構靜強度或應力情況的過程中，若想獲取更精確的結果，可使用車身結構詳細模型;若想在較短時間內得到結果，可采用簡化的有限元分析模型。本文使用白車身及座椅骨架等主要受力部件詳細的結構模型。車身及座椅骨架均采用shell單元，焊點、涂膠、螺栓等使用不同的單元進行模擬。車體有限元模型如圖4所示。

2.5 分析工況輸入

根據(jù)《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點》（GB 14167—2013），分析具體工況。理論拉力為13.5 kN，實際計算給予1.2倍安全系數(shù)，則其實際拉力為16.2 kN;從受力方向看，座椅與水平面成10°角。加載時間曲線如圖5所示。

下面按照最大加載力16.2 kN，加載時間150 ms進行有限元分析工況加載，考察車體各部位及座椅骨架靠背變形量，具體結果如圖6所示。CAE模擬分析結果表明，座椅靠背最大變形量為246 mm，變形量較大;側圍座椅鎖扣安裝點處局部有較大變形。

2.6 優(yōu)化設計

基于初版結構設計的分析結果，對加強板料厚和鎖扣安裝板處焊點進行優(yōu)化設計。優(yōu)化后，主要構成部品材質及料厚如表3所示，焊點變更如圖7所示。

優(yōu)化設計對安全帶鎖扣加強板、加強板1和加強板2的料厚進行加大，安全帶鎖扣加強板與側圍內板之間增加四個焊點。下面再進行一次有限元CAE分析，具體結果如圖8所示。

CAE分析結果顯示，加載過程中，未見結構失效、撕裂等變形模式發(fā)生;結構改進后，安全帶上固定點位移減小82 mm，滿足國家標準要求;同樣，固定點強度也可以滿足國家標準要求。

3 結論

安全帶作為最重要的被動安全手段之一，是現(xiàn)代汽車安全設計及應用中至關重要的一環(huán)。本文結合某款皮卡平臺開發(fā)的一體式車身廂式車，對側圍安全帶固定點進行加強結構設計，最大限度地利用現(xiàn)有結構，結合仿真手段進行結構設計，以更好地提升汽車被動安全性能。

參考文獻：

[1]王彥偉，鄭英.有限元法在車身設計中的應用[J].機械設計與制造，2001（5）：42-43.