肖國(guó)鈺，韋慧紅，楊鳳明（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西柳州，545007）

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某車(chē)型汽車(chē)安全帶固定點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

肖國(guó)鈺，韋慧紅，楊鳳明
（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西柳州，545007）

在碰撞事故中，安全帶起著重要作用，正確使用安全帶能夠有效降低交通事故傷亡率。本文以某車(chē)型第二排3連體安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析。針對(duì)試驗(yàn)失敗提出了4種優(yōu)化方案，并對(duì)仿真分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。為提高試驗(yàn)的通過(guò)性，采用所提推薦優(yōu)化方案進(jìn)行了下一輪試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)順利通過(guò)，說(shuō)明仿真模擬方法準(zhǔn)確性較高，所提方案有效性較強(qiáng)。

汽車(chē)安全；安全帶固定點(diǎn)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

汽車(chē)安全性一直是汽車(chē)最重要的性能指標(biāo)，其關(guān)乎駕乘人員的生命安危。據(jù)交通部統(tǒng)計(jì)：我國(guó)每年發(fā)生的交通事故造成大量的人員傷亡，居各類(lèi)交通事故之首，給無(wú)數(shù)家庭帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失和悲傷［1］。汽車(chē)安全技術(shù)研究主要分為主動(dòng)安全技術(shù)和被動(dòng)安全技術(shù)兩類(lèi)：主動(dòng)安全技術(shù)是指采用傳感器技術(shù)和控制技術(shù)來(lái)避免汽車(chē)交通事故的發(fā)生，即達(dá)到預(yù)防汽車(chē)事故發(fā)生的目的；被動(dòng)安全技術(shù)是指當(dāng)交通事故不可避免的發(fā)生時(shí)，如何更好的保護(hù)車(chē)內(nèi)乘員以及行人等，以使傷害降到最低程度，盡最大努力保護(hù)人的生命安全。目前關(guān)鍵技術(shù)研究主要包括：先進(jìn)的乘員約束系統(tǒng)、兒童安全保護(hù)技術(shù)、行人保護(hù)技術(shù)、碰撞兼容性等［2］。

被動(dòng)安全技術(shù)又分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是關(guān)于汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的研究，主要通過(guò)優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)，加大碰撞過(guò)程中車(chē)身結(jié)構(gòu)的吸能效果；另二類(lèi)是關(guān)于車(chē)內(nèi)乘員約束系統(tǒng)的研究，主要包括安全帶、安全氣囊和安全轉(zhuǎn)向系等。其中汽車(chē)安全帶是非常重要的乘員約束保護(hù)裝置之一，在碰撞事故中起著重要作用，大量事實(shí)證明：安全帶能夠有效降低交通事故傷亡率，如果正確使用安全帶，正面碰撞時(shí)死亡率可減少57%，側(cè)面碰撞車(chē)死亡率可減少44%，平均可以挽救45～73%的生命［3］。安全帶技術(shù)研究包括：安全帶本身結(jié)構(gòu)、安全帶安裝固定點(diǎn)、安全帶預(yù)警器可行性分析等。本文以某汽車(chē)安全帶設(shè)計(jì)和安裝為例，對(duì)其固定點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1　安全帶固定點(diǎn)分析方法

一般情況下，汽車(chē)安全帶有2點(diǎn)式和3點(diǎn)式兩種，目前大部分汽車(chē)都采用3點(diǎn)式安全帶。3點(diǎn)式安全帶的布置形式為：分別在座椅上、車(chē)身地板上和車(chē)身側(cè)圍上各安裝一個(gè)固定點(diǎn)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，所有安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度必須滿足《汽車(chē)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)》（GB14167-2013）的要求［4］。

1.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)時(shí)應(yīng)同時(shí)對(duì)同一組座椅的全部安全帶固定點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，假若因座椅或固定點(diǎn)的非對(duì)稱(chēng)性加載而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，可進(jìn)行一次追加試驗(yàn)。將用于試驗(yàn)的人體模塊裝置模擬乘員坐在座椅坐墊上面，將其推至靠背系上座椅安全帶。每個(gè)乘員位置選用的254mm或406mm的人體模塊，其寬度應(yīng)盡量接近下固定點(diǎn)之間的距離。

1.2試驗(yàn)方法

利用模擬肩帶對(duì)上人體模塊施加13500N±200N的試驗(yàn)載荷。對(duì)M2和N2類(lèi)車(chē)輛，試驗(yàn)載荷應(yīng)為6750N±200N；對(duì)于M3和N3類(lèi)車(chē)輛，試驗(yàn)載荷為4500N±200N。與此同時(shí)，對(duì)應(yīng)下人體模塊施加13500N±200N的試驗(yàn)載荷。對(duì)M2和N2類(lèi)車(chē)輛，試驗(yàn)載荷應(yīng)為6750N±200N；對(duì)于M3和N3類(lèi)車(chē)輛，試驗(yàn)載荷為4500N±200N。試驗(yàn)如圖1所示。

圖1　安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)

1.3評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

（1）允許安全帶安裝固定點(diǎn)及其周?chē)鷧^(qū)域塑性有輕微變形及裂紋，但不能發(fā)生斷裂或者損壞；（2）安全帶安裝固定點(diǎn)在座椅上，則試驗(yàn)期間，有效固定點(diǎn)前移量不能超過(guò)R點(diǎn)。

1.4仿真分析方法

由于試驗(yàn)驗(yàn)證的周期較長(zhǎng)，成本較高，一般在試驗(yàn)之前，會(huì)根據(jù)試驗(yàn)條件與方法，進(jìn)行大量仿真分析，在仿真結(jié)果滿足法規(guī)要求的情況下，才會(huì)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以便縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。

本次研究選用模型為某車(chē)型的第二排3連體座椅模型。首先采用hypermesh軟件對(duì)座椅模型建模，有限元模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為395 403，單元數(shù)為371 610，計(jì)算時(shí)間為150 ms，時(shí)間步長(zhǎng)為0.72 μs。然后利用ls-dyna軟件進(jìn)行計(jì)算，hyperview軟件進(jìn)行結(jié)果后處理分析，為保證模型的精度在仿真分析中整車(chē)質(zhì)量增加必須控制在5%之內(nèi)。如下圖2所示。

圖2　座椅有限元模型

以真實(shí)試驗(yàn)方法為基準(zhǔn)，仿真分析中加載方法如下：a）對(duì)三點(diǎn)式安全帶加載裝置分別施加F=13.7*1.2（kN）的力，考慮到仿真分析中要給予一定的安全裕度，對(duì)安全帶固定點(diǎn)加載裝置施加的力均是在法規(guī)要求的基礎(chǔ)上乘以1.2；b）加載到規(guī)定載荷時(shí)間為100ms，之后保持至模型收斂；c）約束條件為約束車(chē)身橫截面處六個(gè)方向上的自由度。

2　安全帶固定點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖3是某車(chē)型第二排3連體座椅試驗(yàn)的結(jié)果圖，該次試驗(yàn)未通過(guò)國(guó)家法規(guī)。主要是因?yàn)闄M梁翻邊和加強(qiáng)板連接的兩個(gè)焊點(diǎn)先失效，然后安全帶安裝點(diǎn)處的地板和加強(qiáng)板一起受拉向上運(yùn)動(dòng)，地板沿加強(qiáng)板后翻邊被割裂，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

圖3　試驗(yàn)結(jié)果圖

為滿足法規(guī)試驗(yàn)要求，針對(duì)試驗(yàn)失敗進(jìn)行了方案分析。如圖4所示，基準(zhǔn)模型在圖示位置只有兩個(gè)焊點(diǎn)，為提升安全帶安裝點(diǎn)強(qiáng)度，提出以下優(yōu)化方案：1）在圖示位置打4個(gè)焊點(diǎn)，將座椅右后腳處加強(qiáng)板缺口補(bǔ)上，并與橫梁座椅腳及地板用螺栓連接；2）在圖示位置打5個(gè)焊點(diǎn)；3）在圖示位置打2個(gè)焊點(diǎn)，并在座椅右后腳下方新增一塊加強(qiáng)板；4）在圖示位置打4個(gè)焊點(diǎn)，且在座椅右后腳下方新增一塊加強(qiáng)板。

圖4　安全帶安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

仿真分析中，采用螺栓孔處地板應(yīng)變大小以及周?chē)更c(diǎn)力為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)計(jì)算與結(jié)果處理，所提優(yōu)化方案分析結(jié)果如下。方案1中螺栓孔處地板應(yīng)變大小為0.128，加強(qiáng)板與地板搭接邊緣處應(yīng)變?yōu)?.092；方案2中螺栓孔處地板應(yīng)變大小為0.128，加強(qiáng)板與地板搭接邊緣處應(yīng)變?yōu)?.097；方案3中螺栓孔處地板應(yīng)變大小為0.105，加強(qiáng)板與地板搭接邊緣處應(yīng)變?yōu)?.060；方案4中螺栓孔處地板應(yīng)變大小為0.106，加強(qiáng)板與地板搭接邊緣處應(yīng)變?yōu)?.060。見(jiàn)圖5所示。

圖5　安全帶安裝點(diǎn)處地板應(yīng)變

安全帶安裝點(diǎn)處焊點(diǎn)力分析，方案1中：四個(gè)焊點(diǎn)的焊點(diǎn)力分別為7.9kN、5.8kN、1.3kN、1.8kN，靠里的兩個(gè)焊點(diǎn)失效風(fēng)險(xiǎn)較大。方案2中：五個(gè)焊點(diǎn)的焊點(diǎn)力分別為2.1kN、4.6kN、0.5kN、1.7kN、1.8kN，僅個(gè)別焊點(diǎn)的焊點(diǎn)力較大，該處焊點(diǎn)實(shí)際失效風(fēng)險(xiǎn)不大。方案3中：兩個(gè)焊點(diǎn)的焊點(diǎn)力分別為8.2kN、3.4kN，兩個(gè)焊點(diǎn)失效風(fēng)險(xiǎn)較大。方案4中：四個(gè)焊點(diǎn)的焊點(diǎn)力分別為6.6kN、2.8kN、2.4kN、1.6kN，靠里的兩個(gè)焊點(diǎn)失效風(fēng)險(xiǎn)較大。見(jiàn)圖6所示。

圖6　安全帶安裝點(diǎn)處焊點(diǎn)力

仿真結(jié)果顯示：四個(gè)焊點(diǎn)的焊點(diǎn)力分別為6.4kN，3.1kN，2.4kN，1.6kN，靠里的兩個(gè)焊點(diǎn)失效風(fēng)險(xiǎn)較大；地板沿加強(qiáng)板處的應(yīng)變?yōu)?.076，和原狀態(tài)相比有明顯減小。

由4個(gè)方案的分析結(jié)果對(duì)比，可以看出：增加翻邊處的焊點(diǎn)，靠橫梁根部焊點(diǎn)的焊點(diǎn)力仍然較大，靠外側(cè)焊點(diǎn)的焊點(diǎn)力較小，地板沿加強(qiáng)板處應(yīng)變略有降低，應(yīng)變?nèi)员容^大；增加一塊的加強(qiáng)板后，地板沿加強(qiáng)板處應(yīng)變有明顯改善。為了保證試驗(yàn)?zāi)茼樌ㄟ^(guò)法規(guī)要求，最終推薦采用優(yōu)化方案4。根據(jù)所提方案再一次進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖7所示，順利通過(guò)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了仿真分析的精確度較高，所提優(yōu)化方案具有一定有效性。

圖7　優(yōu)化方案試驗(yàn)結(jié)果圖

3　結(jié)論

本文以某車(chē)型第二排3連體安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析。針對(duì)試驗(yàn)失敗提出了4種優(yōu)化方案，進(jìn)一步進(jìn)行了仿真對(duì)比分析，采用所提推薦優(yōu)化方案進(jìn)行了下一輪試驗(yàn)驗(yàn)證，順利通過(guò)了國(guó)家法規(guī)要求。通過(guò)驗(yàn)證得出以下結(jié)論：

（1）安全帶固定點(diǎn)仿真分析具有足夠的精度，可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)；

（2）車(chē)身關(guān)鍵區(qū)域的焊點(diǎn)對(duì)于安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)有重要的影響；

（3）本文提出的優(yōu)化方案，可顯著降低焊點(diǎn)力水平，保證順利通過(guò)國(guó)家法規(guī)。

［1］中華人民共和國(guó)道路交通事故統(tǒng)計(jì)資料匯編（ 2007） ［Z］.北京:公安部交通管理局，2007.

［2］王興祥.汽車(chē)安全技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望［J］.科技論壇，2013，（6）:60-61.

［3］http://paper.dzwww.com/shrb/content/20121023/ ArticelA20008MT.htm.

［4］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB14167-2013 汽車(chē)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)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

［5］GB 14167-2006.汽車(chē)安全帶安裝固定點(diǎn)［S］. 2006.

Optimization Design of Anchorage Structure for Vehicle Safety Belt

Guoyu Xiao， Huihong Wei， Fengming Yang
（SAIC GM Wuling Automobile Co.Ltd.， Liuzhou， Guangxi， 545007， China）

in the collision accident， the safety belt plays an important role， the correct use of the safety belt can effectively reduce the traffic accident casualty rate. In this paper， based on the fixed point test of second row 3 row and row safety belt， the paper makes a simulation analysis on the strength of the fixed point. 4 optimization schemes are proposed for the test failure， and the results are compared with the simulation results. In order to improve the test performance， the proposed optimization scheme was adopted for the next round of test. The test was carried out smoothly. The results showed that the accuracy of the method was higher and the proposed method was more effective.

Vehicle Safety； Safety Belt Anchorage； Optimization Design

E-mail: Guoyu.Xiao@sgmw.com.cn

U463.6

A

2095-8412 （2016） 03-477-04

肖國(guó)鈺（1986-），男；江西贛州人，大學(xué)本科，助理工程師，上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，主要從事供應(yīng)商質(zhì)量開(kāi)發(fā)方面的工作。