測量不確定度在汽車安全帶安裝固定點(diǎn)載荷試驗(yàn)中的研究與應(yīng)用

袁自遙 吳 剛

(上海機(jī)動車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805)

0 前言

近年來，汽車工業(yè)的飛速發(fā)展給越來越多的汽車用戶帶來了出行和生活上的便利。車輛的安全性能逐漸成為用戶的關(guān)注重點(diǎn)，尤其是車輛的被動安全性能。汽車安全帶是汽車被動安全控制領(lǐng)域的重要組成部分。根據(jù)我國交管部門的統(tǒng)計，在可能導(dǎo)致死亡的交通事故中，使用安全帶可使乘員生還機(jī)率提高60%。因此，針對汽車車身及座椅結(jié)構(gòu)，國家出臺了強(qiáng)制性法規(guī)《汽車安全帶安裝固定點(diǎn)、ISOFIX固定點(diǎn)系統(tǒng)及上拉帶固定點(diǎn)》(GB 14167—2013)進(jìn)行約束。

GB 14167—2013法規(guī)要求在規(guī)定的時間內(nèi)，按時域曲線不間斷地加載規(guī)定的載荷，安全帶安裝固定點(diǎn)在施加載荷和保持載荷過程中確保安全帶功能不失效，固定點(diǎn)或周圍區(qū)域允許有永久變形、產(chǎn)生裂紋或部分?jǐn)嗔?。在試?yàn)期間，上下有效固定點(diǎn)均應(yīng)滿足相應(yīng)要求(詳見GB 14167—2013法規(guī)中4.3.2.5和4.3.3.6小節(jié))[1]。

影響安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度的因素很多。行業(yè)內(nèi)對安全帶安裝固定點(diǎn)的研究主要集中在法規(guī)層面[3]、仿真或試驗(yàn)開發(fā)[4]及試驗(yàn)設(shè)備研制[5]等，加載載荷方面的研究較少。本文主要對試驗(yàn)和仿真過程中載荷的不確定性進(jìn)行分析。在傳統(tǒng)的安全帶開發(fā)過程中，試驗(yàn)人員通常會采用法規(guī)中的載荷要求按照標(biāo)準(zhǔn)角度10°、最大角度15°，以及最小角度5°分別開展3次(甚至更多)仿真和試驗(yàn)。由于該試驗(yàn)內(nèi)容是強(qiáng)制性檢測項(xiàng)目，因此各企業(yè)為了通過檢測，不可避免地在開發(fā)階段針對此項(xiàng)目投入較多的仿真和試驗(yàn)資源。為了在開發(fā)過程中減少仿真和試驗(yàn)資源的占用，基于載荷的不確定度研究結(jié)果，本文提供僅使用一種單一載荷模式即可覆蓋法規(guī)中所有載荷模式的方法，從而達(dá)到減少試驗(yàn)次數(shù)，節(jié)省試驗(yàn)時間，縮短車輛開發(fā)周期，提升被動安全性能開發(fā)效率的目標(biāo)。

1 標(biāo)準(zhǔn)概述

1.1 法規(guī)要求

針對常用的三點(diǎn)固定汽車安全帶，GB 14167—2013法規(guī)要求的載荷加載情況如圖1所示。法規(guī)要求分別對人體上模塊和人體下模塊施加相應(yīng)的外力，檢測安全帶固定點(diǎn)是否失效，并判斷汽車安全帶固定點(diǎn)是否安全可靠。

圖1 安全帶固定點(diǎn)加載示意圖

法規(guī)具體加載要求為：沿試驗(yàn)載荷與水平方向的夾角α成向上(10±5)°施加載荷。先按總載荷的10%進(jìn)行預(yù)加載，然后在60 s內(nèi)緩慢加載至100%載荷；經(jīng)過汽車安全帶制造商的許可，也可在4 s內(nèi)加載至100%載荷，且載荷至少要保持0.2 s[1]。人體上模塊加載是通過模擬肩帶施加的，其載荷大小與車輛類型相關(guān)。人體上模塊施加相應(yīng)試驗(yàn)載荷的要求為：M1類和N1類車輛(13 500±200) N；M2類和N2類車輛(6 750±200) N；M3類和N3車輛(4 500±200) N。同時，人體下模塊施加相應(yīng)試驗(yàn)載荷的要求為：M1類和N1類車輛(13 500±200) N；M2類和N2類車輛(6 750±200) N；M3類和N3車輛(4 500±200) N。

1.2 影響因素

影響汽車安全帶安裝固定點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果的因素較多，大致可分為輸入、約束、結(jié)構(gòu)3個方面。輸入要素主要與載荷相關(guān)，如施加的載荷大小、方向、加載的時域曲線特征等；約束要素主要為車身的固定方式、安全帶加載模塊的阻尼設(shè)置等；而結(jié)構(gòu)要素主要為座椅安裝的連接結(jié)構(gòu)、車身結(jié)構(gòu)、安全帶卷收器，以及安全帶織帶類型等。任何環(huán)節(jié)失效均可能導(dǎo)致座椅靠背失穩(wěn)、椅腿變形過大、固定點(diǎn)撕裂、車身形變大、鈑金塑變超標(biāo)或螺栓斷裂等失效現(xiàn)象，造成試驗(yàn)結(jié)果無效。所以，采用準(zhǔn)確嚴(yán)苛的評估模式，覆蓋全因素的影響，可達(dá)到減少頻繁、重復(fù)試驗(yàn)的目的。

通過對上述因素的分析，并經(jīng)過多個項(xiàng)目的規(guī)律總結(jié)，研究人員發(fā)現(xiàn)，在特定的結(jié)構(gòu)要素下，輸入要素是引起試驗(yàn)失效的最大原因，載荷的大小和方向是其中最重要的影響因素。因此，尋求一種高效的加載模式，使其可覆蓋強(qiáng)制性檢測時可能發(fā)生的最不利狀態(tài)，從而提升試驗(yàn)和仿真的開發(fā)效率是非常有必要的。

2 載荷不確定度分析

2.1 載荷的數(shù)學(xué)模型

通過研究可知，載荷大小和方向是影響安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果的重要因素之一。因此，在建立載荷數(shù)學(xué)模型時，研究人員需要全面考慮載荷的大小和方向。

如圖1所示，根據(jù)GB 14167—2013法規(guī)要求，在試驗(yàn)過程中，人體上模塊和人體下模塊對安全帶施加了相同的載荷，因此可使用載荷F代表人體上模塊及人體下模塊的載荷，可分解為水平方向的載荷Fx和垂直方向的載荷Fz2個分力。水平方向的分力Fx和垂直方向的分力Fz計算公式如下：

Fx=F·cosα

(1)

Fz=F·sinα

(2)

式中：F為試驗(yàn)載荷，單位N；α為試驗(yàn)載荷與水平方向的夾角， 單位(°)。

2.2 載荷分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

不確定度是表征合理地賦予被測量之值的分散性，且與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)[2]。該參數(shù)可以是標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度(標(biāo)準(zhǔn)偏差或其特定倍數(shù))，或是給定包含概率的區(qū)間半寬度。不確定度通常由若干分量組成。由輸入量的不確定度，可以計算得到輸出量的不確定度。按不確定度理論分析，試驗(yàn)載荷F和試驗(yàn)載荷角度α相互獨(dú)立，且為正態(tài)分布。水平方向載荷分力Fx的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc,Fx和垂直方向載荷分力Fz的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc,Fz計算公式如下：

(3)

(4)

式中：uF為試驗(yàn)載荷F的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，單位N；uα為載荷角度α的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，單位rad。

如表1所示，按照GB 14167—2013法規(guī)對M1類和N1類、M2類和N2類，以及M3類和N3類車輛的具體加載要求，可以分別計算出水平方向加載和垂直方向加載的各個不確定度的相關(guān)量。

表1 載荷分量的不確定度計算匯總

通過表1可進(jìn)一步計算得到最大載荷及對應(yīng)載荷角度，如表2所示。為了仿真和試驗(yàn)時操作方便，在實(shí)際測試的過程中，本文推薦載荷角度αs為15°，由此需要重新計算對應(yīng)載荷。最后，在充分考慮可能的加載偏差和其他不利影響下，研究人員確定了便于操作的載荷值，如表3所示。

表2 不同類型車輛的加載載荷初始計算結(jié)果

表3 推薦載荷值

3 結(jié)果分析

按GB 14167—2013法規(guī)規(guī)定，在載荷角度分別為5°、10°和15°時，傳統(tǒng)試驗(yàn)方法中M1類和N1類、M2類和N2類，以及M3類和N3類車輛的標(biāo)準(zhǔn)載荷偏差時的分量計算如表4所示。

對比表3和表4中的數(shù)值，可以明顯看出，若使用推薦的載荷，則可以完全覆蓋GB 14167—2013法規(guī)中規(guī)定的載荷。因此，在開發(fā)階段若使用推薦的載荷Fs及角度αs進(jìn)行單一模式的仿真和試驗(yàn)，即可滿足GB 14167—2013法規(guī)中規(guī)定的所有載荷要求。

表4 標(biāo)準(zhǔn)載荷偏差時的分量計算

4 結(jié)論

本文采用不確定度理論對GB 14167—2013法規(guī)中的載荷模式進(jìn)行了研究，計算了水平方向和垂直方向載荷的不確定度，通過分析得到如下結(jié)論。

(1)相比3種典型載荷模式，僅使用單一載荷模式對確定的車型進(jìn)行仿真和試驗(yàn)，可覆蓋GB 14167—2013法規(guī)中所有的加載情況，節(jié)省了仿真和試驗(yàn)約67%的成本，提升了開發(fā)效率。

(2)推薦載荷增率：M1類和N1類車輛為5.0%，M2類和N2類車輛為6.5%，M3類和N3類車輛為8.0%。研究推薦載荷角度為15°。