汽車座椅安全帶固定點強度分析

鄭正，盧磊

廣州廣汽優(yōu)利得汽車內(nèi)飾系統(tǒng)研發(fā)有限公司，廣東廣州 511434

0 引言

汽車座椅是汽車安全件的重要組成部分之一，它不僅可以給乘員提供支撐，還具有保護乘員避免或減少傷害的作用。汽車座椅安全帶固定點試驗是車輛《公告》強制性試驗項目。在車輛發(fā)生碰撞事故時，如果安全帶固定點強度不滿足法規(guī)要求，則安全帶固定點周圍區(qū)域的撕裂或斷裂是會造成人員傷亡。為使座椅在整車碰撞過程中起到更好的保護作用，許多座椅企業(yè)會設(shè)計高于法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求的性能產(chǎn)品。已有不少學(xué)者利用仿真分析方法對安全帶固定點強度進行了研究。鄧國紅等采用LS-DYNA的顯式求解模塊分析汽車安全帶固定點強度，驗證了分析方法的有效性。王力等應(yīng)用ABAQUS軟件的Explicit求解模塊，完成了某轎車后排座椅安全帶固定點強度仿真分析，并驗證了相關(guān)試驗，證明了仿真分析的有效性。曹奇等通過對傳統(tǒng)模型中單元類型，加載曲線等關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化，提高計算仿真精度。周旺和李晶針對座椅右側(cè)滑軌強度存在不足的問題，利用LS-DYNA軟件進行了安全帶固定點強度仿真，并提出優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案，優(yōu)化后的汽車座椅滿足法規(guī)要求。

文中以某M1類汽車副駕座椅為例，基于前處理軟件Hypermesh建立座椅的有限元模型，采用RADIOSS的顯式求解模塊對座椅進行安全帶固定點強度仿真分析，探討了模型的建立及失效原因的分析，并提出解決問題的改進方案，使座椅的安全帶固定點強度滿足法規(guī)1.2倍(載荷16 200 N)的要求。

1 安全帶固定點試驗方法

圖1為座椅安全帶固定點強度試驗時力的加載示意圖。根據(jù)法規(guī)GB 14167—2013的要求，分別在上、下人體模塊加載大小為(13 500±200)N，載荷在15 s內(nèi)緩慢加載，保持0.5 s后，在2 s內(nèi)繼續(xù)加載至(16 200±200)N，加載方向與水平線成10°±5°且沿車輛縱向中心平面向前。同時在座椅質(zhì)心位置施加等同于座椅質(zhì)量24倍的力，其加載方向沿車輛縱向中心平行向前并與水平線成0°±5°方向，載荷在17.5 s內(nèi)緩慢加載。

圖1 座椅安全帶固定點強度試驗時力的加載示意

2 仿真模型

利用有限元前處理軟件Hypermesh建立如圖2所示的座椅安全帶固定點強度試驗仿真模型。采用有限元前處理軟件Hypermesh搭建有限元模型，零部件的主要網(wǎng)格尺寸大小為5 mm。此外，在符合精度要求的條件下，針對安全帶固定點的受力情況，在局部優(yōu)化安全帶固定點受力區(qū)域的網(wǎng)格。鈑金件和圓管采用以四邊形為主三角形為過渡的網(wǎng)格劃分，滑軌內(nèi)外槽采用六面體單元網(wǎng)格單元。座椅各零部件之間螺栓連接采用SPRING單元進行模擬，焊接采用Rigid單元進行模擬。文中分析的座椅主要是薄板沖壓件，符合LAW2材料模型。

圖2 座椅安全帶固定點強度試驗仿真模型

3 計算結(jié)果及分析

系統(tǒng)的內(nèi)能和動能變化曲線如圖3所示。由分析結(jié)果可得，系統(tǒng)動能與內(nèi)能之比為0.9%，小于5%，表明了仿真結(jié)果的合理性。

圖3 系統(tǒng)的內(nèi)能與動能變化曲線

圖4為座椅零部件最大變形圖，在加載過程中座椅主要變形區(qū)域為下固定側(cè)區(qū)域。由圖4可以看出，加載至162 000 N時，滑軌外槽明顯張開，存在拔脫的風(fēng)險，導(dǎo)致下固定點失效。

圖4 座椅零部件最大變形圖

有研究表明：利用顯式有限元分析方法求解，把應(yīng)力作為參考標(biāo)準(zhǔn)會忽略一些斷裂因素，通過周圍的塑性應(yīng)變來判斷斷裂情況會更加合理。因此文中主要以材料的塑性應(yīng)變來評判斷裂情況。

座椅滑軌外槽和內(nèi)槽的最大有效塑性應(yīng)變云圖如圖5和圖6所示。由圖中可以看出，滑軌外槽的最大有效塑性應(yīng)變?yōu)?9.62%，超出材料的拉伸極限，位于外槽末端，有撕裂風(fēng)險； 滑軌內(nèi)槽的最大有效塑性應(yīng)變?yōu)?6.48%，超出材料的拉伸極限，有斷裂風(fēng)險。不滿足GB 14167—2013標(biāo)準(zhǔn)要求在試驗載荷下汽車安全帶不得從安裝固定點處脫落。

圖5 座椅滑軌外槽最大有效塑性應(yīng)變云圖

圖6 座椅滑軌內(nèi)槽最大有效塑性應(yīng)變云圖

4 改進方案及驗證

滑軌外槽的結(jié)構(gòu)如圖7所示，由圖可以看出，因解鎖機構(gòu)的設(shè)計需要，位于滑軌外槽靠近固定點端存在較大的缺口，使得此處截面積減小，弱化了外槽局部的承載強度，在高載荷條件下，容易產(chǎn)生斷裂。

圖7 滑軌外槽結(jié)構(gòu)

由于下固定側(cè)的滑軌受力較大，考慮對滑軌結(jié)構(gòu)進行補強優(yōu)化。從設(shè)計成本、開發(fā)時間以及難易程度等方面考慮，并基于上述原因的分析結(jié)果，提出該座椅的優(yōu)化方案如下：

(1)增加U型補強板，厚度為3.0 mm，材質(zhì)為SPFH590。

(2)增加滑軌外槽補強板，厚度為2.6 mm，材質(zhì)為SPFH590。

優(yōu)化后的座椅結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后的座椅結(jié)構(gòu)

對改進方案進行分析計算，得到滑軌外槽和內(nèi)槽的最大有效塑性應(yīng)變云圖如圖9和圖10所示。由圖9可以看出，滑軌外槽的最大有效塑性應(yīng)變?yōu)?8.61%;由圖10可以看出，滑軌內(nèi)槽的最大有效塑性應(yīng)變?yōu)?1.75%。結(jié)果均未超出材料的拉伸極限，失效風(fēng)險較小，在合理范圍之內(nèi)。

圖9 滑軌外槽最大有效塑性應(yīng)變云圖

圖10 滑軌內(nèi)槽最大有效塑性應(yīng)變云圖

結(jié)合改進后的方案進行試驗驗證，載荷隨時間變化結(jié)果如圖11所示，試驗過程如圖12所示。試驗結(jié)果表明，加載至16 200 N時，固定點未發(fā)生完全斷裂脫落，該座椅安全帶固定點能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。同時，試驗結(jié)果驗證了仿真分析方法的有效性。

圖11 載荷隨時間變化結(jié)果

圖12 試驗過程

5 結(jié)束語

文中利用Hyperworks有限元分析軟件，建立安全帶固定點仿真分析模型，并進行強度分析，得到原座椅的滑軌強度不足，導(dǎo)致下固定點失效，不能滿足法規(guī)要求，并針對結(jié)構(gòu)強度不足的問題進一步分析，提出改進方案。結(jié)果表明，改進方案的結(jié)構(gòu)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時驗證了仿真分析方法的有效性。文中也說明了利用有限元分析方法可大大提高設(shè)計效率，減少試驗驗證次數(shù)，降低了開發(fā)成本和縮短開發(fā)時間，提高試驗通過率具有重要意義。