【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。

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