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        汽車后排安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度有限元分析應(yīng)用

        2015-04-29 00:00:00吳杰君潘磊龔衡

        【摘 要】在汽車安全帶固定點(diǎn)的設(shè)計(jì)中,采用hyperwork作為前后處理器及l(fā)s-dyna顯式有限元方法對(duì)安全帶固定點(diǎn)按照GB14167標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行有限元仿真模擬計(jì)算,分析安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù),從而在設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu),以滿足國(guó)標(biāo)法規(guī)試驗(yàn)的要求。

        【關(guān)鍵詞】安全帶固定點(diǎn);有限元仿真;強(qiáng)度;hyperwork;ls-dyna

        0.概述

        汽車安全帶固定點(diǎn)是汽車被動(dòng)安全的重要指標(biāo)之一,是車輛公告試驗(yàn)的強(qiáng)制檢查項(xiàng)目,GB14167針對(duì)安全帶固定點(diǎn)有專門的技術(shù)要求。 隨著我國(guó)汽車技術(shù)的發(fā)展,國(guó)標(biāo)的要求也逐步提高,GB14167-2006對(duì)M1類車的后排安全帶固定點(diǎn)數(shù)量規(guī)定是3或2,GB14167-2013則更改為3;法規(guī)要求:在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),持續(xù)按規(guī)定的力加載,則允許固定點(diǎn)或周圍區(qū)域有永久變形,包括部分?jǐn)嗔鸦虍a(chǎn)生裂紋,安全帶不得從安裝固定點(diǎn)脫落,并且上部有效固定點(diǎn)向前位移不得超過允許的范圍。

        本文以一款SUV車型為例,在后排中間安全帶新增的第三固定點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,利用有限元前處理軟件Hypermesh和ls-dyna顯示有限元分析方法,按照GB14167-2013的試驗(yàn)要求加載,對(duì)安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度進(jìn)行CAE分析,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

        1.有限元模型的建立

        1.1車身及座椅的有限元模型

        根據(jù)設(shè)計(jì)部門提供的SUV車型CATIA格式的CAD數(shù)據(jù),在hypermesh的ls-dyna模板中讀入模型,進(jìn)行有限元模型的建立。考慮到模型的共用,如碰撞及模態(tài)分析等,按照大小10mm劃分網(wǎng)格,對(duì)各安裝點(diǎn)附近的相關(guān)零件按4mm進(jìn)行細(xì)化,采用shell單元建立車身的有限元模型??紤]到計(jì)算資源,對(duì)后排安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度分析,根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定“所有固定車輛的裝置應(yīng)距被測(cè)固定點(diǎn)前方不小于500mm或后方不小于300mm處,且不得影響構(gòu)架結(jié)構(gòu)”,截取車身B柱前沿截面之后的區(qū)域。截取后的模型單元數(shù)276609,節(jié)點(diǎn)數(shù)283891。參見圖1。

        X5車型的后排中間安全帶下固定點(diǎn)都在座椅的支腳上,根據(jù)試驗(yàn)情況及CAE計(jì)算的精度,對(duì)座椅也進(jìn)行了有限元模型的建立,網(wǎng)格大小按照5mm,骨架采用shell單元,坐墊采用solid單元。參見圖2。

        圖1 車身模型 圖2 座椅模型

        1.2模型的連接和材料參數(shù)

        車身零件是通過點(diǎn)焊連接在一起的,在CAE模型中根據(jù)提供的焊點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體建模,通過在hypermesh中將焊點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入,在1D菜單中connectors->spot選項(xiàng)中進(jìn)行焊點(diǎn)的連接建模。本例中的焊點(diǎn)采用MAT100,SECTION_BEAM來(lái)模擬,本例未考慮焊點(diǎn)失效。車身 中頂蓋部位的膠連接通過菜單1d->connectors->area進(jìn)行建模。

        車身鈑金件材料采用ls-dyna中的matl24即分段線性彈塑性本構(gòu)模型來(lái)模擬,材料曲線是由工程應(yīng)力應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)換成的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。與固定點(diǎn)連接的零件材料設(shè)定失效應(yīng)變值,即材料模型卡片的變量EPPF。坐墊材料采用ls-dyna中的matl83來(lái)模擬。

        1.3人體模塊和安全帶的有限元模型

        用于試驗(yàn)的上人體模塊和下人體模塊在GB14167-2013的附錄F中有示意圖,在CAE模型建立對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)化模型,參見圖3。安全帶由一維的seatbelt單元和二維shell單元組成,在ls-dyna中通過analysis頁(yè)面菜單safety-〉belt-routing設(shè)置卷收器固定點(diǎn)和吊環(huán)的導(dǎo)向點(diǎn)。安全帶模型參見圖4,車身上各固定點(diǎn)見圖5。

        圖3 人體模塊模型 圖4 安全帶模型

        人體模塊在CAE模型中材料設(shè)置為matl20,為剛體模型。安全帶材料采用實(shí)際織帶在加載和卸載條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線模擬。

        圖5 安全帶安裝點(diǎn)

        2.邊界條件

        CAE模型要盡可能地按照試驗(yàn)工況進(jìn)行模擬,本例對(duì)白車身進(jìn)行約束采用約束截面邊緣單元所有節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度,保證車身被完全固定。本例中先在hypermesh中建立一個(gè)set,將這些節(jié)點(diǎn)包含在內(nèi),然后通過建立卡片*boundary_spc_set,約束節(jié)點(diǎn)的各自由度。

        按照GB14167-2013中的試驗(yàn)工況,在CAE模型中,利用模擬織帶對(duì)上人體模塊施加13500N±200N的載荷,對(duì)下人體模塊施加13500N±200N的載荷,載荷方向沿平行于車輛行駛方向(即整車坐標(biāo)系X方向)且與水平面成向上10°±5°的方向;對(duì)座椅施加相當(dāng)于座椅總成質(zhì)量20倍的力,載荷施加于座椅總成的重心位置,方向水平向前,參看圖6。本例中先通過建立卡片*define_curve定義加載的曲線,按照平滑快速的原則加至目標(biāo)值并保持0.12ms,加載曲線參看圖7;在加載點(diǎn)建立局部坐標(biāo)系,將實(shí)際加載方向定義為X方向,通過建立卡片*load_node_set指定加載點(diǎn)的加載力值曲線和方向。

        圖6 約束及加載示意圖

        圖7 加載力值曲線

        3.分析結(jié)果和試驗(yàn)驗(yàn)證

        ls-dyna的顯式積分方法非常適合求解各種復(fù)雜問題,本例在hypermesh中將分析模型輸出成.K文件,提交ls-dyna求解計(jì)算,得到CAE仿真結(jié)果。通過hyperview后處理,首先查看仿真動(dòng)畫,確認(rèn)車身及座椅的變形是否穩(wěn)定;確定之后查看安全帶各固定點(diǎn)處零件的塑性應(yīng)變?cè)茍D。

        圖8 地板及中間座椅支腳的塑性應(yīng)變?cè)茍D

        圖9 中間上固定點(diǎn)支架的塑性應(yīng)變?cè)茍D

        以安全帶中間下固定點(diǎn)處和中間上固定點(diǎn)為例,如圖8和圖9,最大塑性應(yīng)變分別為14.5%和10.5%,本例以各處最大塑性應(yīng)變小于材料斷后伸長(zhǎng)率的85%,判斷不發(fā)生零件斷裂失效,結(jié)構(gòu)滿足要求。

        輸出中間上固定點(diǎn)的位移曲線,校核是否超出法規(guī)允許的范圍,本例校核滿足要求。

        圖10 后排安全帶上固定點(diǎn)位移曲線

        經(jīng)過仿真計(jì)算,可以判斷安全帶固定點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可以達(dá)到國(guó)標(biāo)要求,否則應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì),直到仿真滿足要求為止,本例通過有限元仿真認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求,就可以準(zhǔn)備按gb14167-2013進(jìn)行安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度的法規(guī)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,該車后排座椅安全帶固定點(diǎn)能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求,固定點(diǎn)未發(fā)生斷裂脫落。

        圖11 后排安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)圖

        4.結(jié)束語(yǔ)

        本文利用hypermesh作為前處理器,ls-dyna作為求解器的有限元分析應(yīng)用模式,按照國(guó)標(biāo)試驗(yàn)的要求,對(duì)公告試驗(yàn)前的車型進(jìn)行仿真計(jì)算,有效地避免了盲目試驗(yàn),降低了開發(fā)成本。通過實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果符合國(guó)標(biāo)要求,也驗(yàn)證了仿真分析的有效性。也為有限元分析更多地應(yīng)用到整車開發(fā)中提供借鑒。

        【參考文獻(xiàn)】

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