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        汽車后排安全帶固定點強度有限元分析應(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的設(shè)計中,采用hyperwork作為前后處理器及l(fā)s-dyna顯式有限元方法對安全帶固定點按照GB14167標準要求進行有限元仿真模擬計算,分析安全帶固定點的強度,為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù),從而在設(shè)計階段設(shè)計出合理的結(jié)構(gòu),以滿足國標法規(guī)試驗的要求。

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

        0.概述

        汽車安全帶固定點是汽車被動安全的重要指標之一,是車輛公告試驗的強制檢查項目,GB14167針對安全帶固定點有專門的技術(shù)要求。 隨著我國汽車技術(shù)的發(fā)展,國標的要求也逐步提高,GB14167-2006對M1類車的后排安全帶固定點數(shù)量規(guī)定是3或2,GB14167-2013則更改為3;法規(guī)要求:在規(guī)定的時間內(nèi),持續(xù)按規(guī)定的力加載,則允許固定點或周圍區(qū)域有永久變形,包括部分斷裂或產(chǎn)生裂紋,安全帶不得從安裝固定點脫落,并且上部有效固定點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的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,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的試驗要求加載,對安全帶固定點的強度進行CAE分析,為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(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,進行有限元模型的建立??紤]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,對各安裝點附近的相關(guān)零件按4mm進行細化,采用shell單元建立車身的有限元模型。考慮到計算資源,對后排安全帶固定點的強度分析,根據(jù)國標規(guī)定“所有固定車輛的裝置應(yīng)距被測固定點前方不小于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)點數(shù)283891。參見圖1。

        X5車型的后排中間安全帶下固定點都在座椅的支腳上,根據(jù)試驗情況及CAE計算的精度,對座椅也進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)

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

        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)換成的真實應(yīng)力應(yīng)變曲線。與固定點連接的零件材料設(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來模擬。

        1.3人體模塊和安全帶的有限元模型

        用于試驗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模型建立對應(yīng)的簡化模型,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頁面菜單safety-〉belt-routing設(shè)置卷收器固定點和吊環(huán)的導(dǎo)向點。安全帶模型參見圖4,車身上各固定點見圖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

        2.邊界條件

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

        按照GB14167-2013中的試驗工況,在CAE模型中,利用模擬織帶對上人體模塊施加13500N±200N的載荷,對下人體模塊施加13500N±200N的載荷,載荷方向沿平行于車輛行駛方向(即整車坐標系X方向)且與水平面成向上10°±5°的方向;對座椅施加相當于座椅總成質(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值并保持0.12ms,加載曲線參看圖7;在加載點建立局部坐標系,將實際加載方向定義為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)果和試驗驗證

        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求解計算,得到CAE仿真結(jié)果。通過hyperview后處理,首先查看仿真動畫,確認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處零件的塑性應(yīng)變云圖。

        圖8 地板及中間座椅支腳的塑性應(yīng)變云圖

        圖9 中間上固定點支架的塑性應(yīng)變云圖

        以安全帶中間下固定點處和中間上固定點為例,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位移曲線

        經(jīng)過仿真計算,可以判斷安全帶固定點的結(jié)構(gòu)設(shè)計是可以達到國標要求,否則應(yīng)優(yōu)化設(shè)計,直到仿真滿足要求為止,本例通過有限元仿真認為結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足要求,就可以準備按gb14167-2013進行安全帶固定點強度的法規(guī)試驗,試驗結(jié)果表明,該車后排座椅安全帶固定點能滿足標準的要求,固定點未發(fā)生斷裂脫落。

        圖11 后排安全帶固定點強度試驗圖

        4.結(jié)束語

        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,按照國標試驗的要求,對公告試驗前的車型進行仿真計算,有效地避免了盲目試驗,降低了開發(fā)成本。通過實際試驗的結(jié)果符合國標要求,也驗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】

        [1]汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點《GB14167-2013》.

        [2]許早龍,范朝兵等.基于ls-dyna的汽車安全帶固定點強度研究.力學(xué)研究(第32卷)(3).

        [3]王力,楊蔓等.基于ABAQUS的汽車座椅安全帶固定點強度分析.客車技術(shù)與研究(2).

        [4]韓淑潔.基于有線元的汽車安全帶固定點的優(yōu)化設(shè)計.機械工程與自動化(6).

        [5]鄧國紅,楊浩等.汽車安全帶固定點強度分析.重慶理工大學(xué)學(xué)報(第25卷)(12).

        [6]譚冰花,朱志軍等.汽車安全帶固定點強度分析.the 8th Int.Forum of Automotive Traffic Safety.

        [7]杜子學(xué),文孝霞.汽車安全帶固定點強度分析與優(yōu)化.重慶交通學(xué)院學(xué)他報(第23卷)(5).

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