賀成貴，李新華，李落星，陽輝林

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 機電工程學(xué)院， 長沙 410004；2.湖南大學(xué) 汽車車身先進設(shè)計與制造國家重點實驗室， 長沙 410082)

?

汽車座椅安全帶固定點強度設(shè)計

賀成貴1，李新華1，李落星2，陽輝林1

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 機電工程學(xué)院， 長沙 410004；2.湖南大學(xué) 汽車車身先進設(shè)計與制造國家重點實驗室， 長沙 410082)

為設(shè)計符合新法規(guī)要求的三點式中排座椅安全帶，以某款汽車為對象，建立了白車身、座椅骨架及上、下人體模塊的有限元模型。對座椅骨架進行了靈敏度分析和輕量化設(shè)計，對安全帶固定點進行了強度分析。實驗結(jié)果表明：安全帶固定點強度滿足法規(guī)要求。

安全帶；固定點；強度分析；輕量化設(shè)計

相關(guān)法規(guī)要求小型客車的駕駛員與前排的乘員必須正確使用安全帶，這樣在發(fā)生碰撞等事故時可達到對人體保護的目的[1]。如果安全帶固定點強度不滿足法規(guī)要求，則發(fā)生安全帶脫落及固定點周邊的撕裂會造成人員傷亡[2]。由此可見，如何設(shè)計出滿足法規(guī)要求的安全帶固定點是非常重要的。已有不少學(xué)者對安全帶的固定點強度進行了研究。文獻[3]應(yīng)用優(yōu)化算法對某車D柱安全帶固定點局部結(jié)構(gòu)進行輕量化。文獻[4]先通過實驗找出座椅安全帶固定點的失效模式,為了提高固定點的強度，對薄弱零件的厚度進行了改進。文獻[5]通過對一款敞篷轎車的安全帶固定點強度進行仿真模擬,為結(jié)構(gòu)改進提供理論依據(jù)。文獻[6]以交叉型乘用車的安全帶固定點強度分析為例，為安全帶座椅系統(tǒng)的建模與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供明確的指導(dǎo)信息。文獻[7]針對某車的后排座椅安全帶固定點不符合國家法規(guī)的問題，對其進行優(yōu)化設(shè)計從而達到國標的要求。文獻[8]針對某款汽車后排座椅安全帶錨點處的地板破裂問題，采用非線性有限元法對后排座椅安全帶錨固點的強度進行了仿真實驗研究，同時提出了一些可以改進安全帶錨固點強度的方法。這些研究為本文的有限元模型的建立、座椅骨架的輕量化分析提供了參考與依據(jù)。然而在之前的研究中，安全帶的固定點大多在汽車車身上，本文以一款商用汽車為例，將中排中間座椅安全帶由兩點式改為三點式，安全帶上固定點設(shè)置于座椅靠背上，這樣對固定點強度和座椅骨架強度要求會更高。之前的實驗結(jié)果表明：改裝后的安全帶上固定點超過RC平面(其中R點是座椅生產(chǎn)商設(shè)定的一個基準點，C點是在R點鉛垂上方450 mm的一個點，此外RC平面還要平行于車身的橫向平面)，不能滿足法規(guī)要求。故而本文建立了白車身、座椅骨架及上、下人體模塊的有限元模型，通過靈敏度分析計算，找出相應(yīng)的可以減小質(zhì)量的部件，對其進行相應(yīng)的減小壁厚的處理，再進行安全帶固定點強度分析。最后通過實驗來檢驗仿真的準確性，判斷優(yōu)化設(shè)計后的安全帶強度是否滿足法規(guī)要求。

1 座椅安全帶模型的建立

1.1 安全帶固定點強度系統(tǒng)的原理模型

圖1為汽車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-T14167—2006，分別對上、下人體模塊加載大小為(13 500±500) N載荷，加載方向與水平線成10°±5°且沿車輛縱向中心平面向前。由于本文研究的中間座椅上固定點位于座椅靠背上，因此還需要對該座椅施加大小等同于座椅質(zhì)量20倍且作用于座椅質(zhì)心的力，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100 ms內(nèi)緩慢加載至100%,并保持250 ms。

圖1 汽車安全帶固定點強度示意圖

在碰撞發(fā)生時，常會出現(xiàn)安全帶固定點脫落或者安全帶固定點附近焊點斷裂等問題，導(dǎo)致乘員受傷，而法規(guī)規(guī)定安全帶不能脫落。本次實驗的座椅骨架材料的失效應(yīng)變極限值為0.20，在仿真實驗過程中當安全帶固定點區(qū)域材料的最大應(yīng)變小于該值時，則說明安全帶沒有脫落。

在交通事故發(fā)生后，當座椅骨架靠背上的安全帶固定點超過了RC平面，乘員就可能撞擊前方的部件造成頭部傷害，即中間座椅的上固定點不能超過RC平面。RC平面平行于白車身的橫向平面，故而Y方向與RC平面垂直，即只需有限元求解結(jié)果的上固定點在Y方向的位移小于350 mm。

1.2 安全帶的有限元模型建立

為了提高計算效率，同時考慮到中排座椅安全帶固定點在車身，本文截取白車身的中間部分進行仿真分析，截取后的白車身約束點與安全帶固定點之間的距離大于等于500 mm[2]。本研究項目組采用殼單元建立白車身有限元模型，其單元網(wǎng)格尺寸大小定為8 mm。此外，在符合精度要求的條件下，再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[3]。本文中白車身鈑金件之間的焊點均是采用Beam單元模擬，并采用*MAT100材料本構(gòu)模型，具體材料參數(shù)參見文獻[4-5]。參照實體座椅，在建模時除了頭枕桿采用實體六面體單元外，其他部分的座椅骨架均采用殼單元建立。此外座椅模型之間的連接則是根據(jù)實體座椅骨架對應(yīng)的位置分布采用螺栓連接、鉸鏈連接、點焊連接。

在實驗室，力通過安全帶傳遞到安全帶固定點上，可見安全帶建模的準確性對于仿真計算結(jié)果的可信性有著緊密聯(lián)系。本研究中安全帶模型采用的是1D單元和2D單元混合建模。在安全帶與人體相接觸的部分采用了2D殼單元，并且在該處建立了面面接觸；而與人體模型非接觸區(qū)域則采用1D單元，采用了*MAT_SEATBELT材料模型來模擬安全帶[6]。

在實際固定點強度實驗中白車身是固定不動的[2]。為了更加準確地模擬實驗從而保證仿真結(jié)果的可信性，依據(jù)真實實驗下白車身的約束方式，將有限元模型中白車身的截面處邊緣單元所有節(jié)點的所有自由度全部約束，繼而確保白車身是完全固定不動的[9]。座椅骨架模型則是采用螺栓固定在白車身上。

本研究的車型的中排中間座椅為一個4/6分座椅，而中間安全帶的上固定點設(shè)置在6分座椅骨架的靠背右上角，左右兩側(cè)座椅的安全帶上固定點設(shè)置在車身的左右側(cè)圍上。左側(cè)座椅的安全帶的一個下固定點和中間座椅的左側(cè)下固定點在同一點，設(shè)置在白車身的地板上。右側(cè)座椅的安全帶的一個下固定點與中間座椅的右側(cè)下固定點也在同一點，且在白車身的地板上。兩側(cè)座椅另2個下固定點在左右車身的側(cè)圍上?？梢姳疚陌踩珟Ч潭c總數(shù)有7個。整體有限元簡化模型如圖2所示。

2 座椅骨架的靈敏度分析

2.1 靈敏度的基本概述

為了縮短設(shè)計周期、減少計算時間、減少設(shè)計成本，在對座椅骨架輕量化之前對座椅骨架上各個零件進行靈敏度分析。

圖2 整體有限元簡化模型

本文以部件的質(zhì)量為目標函數(shù)，設(shè)計變量為部件的壁厚，得到質(zhì)量靈敏度。質(zhì)量靈敏度反映了質(zhì)量函數(shù)隨設(shè)計變量的改變而改變的變化頻率，若質(zhì)量函數(shù)為G，Gi為i零件的質(zhì)量，則質(zhì)量靈敏度為

(1)

這里Xi為對應(yīng)不同的設(shè)計變量，零件的表面積為Ai，不同零件的密度為ρi，而g表示重力加速度。當某零件的表面積固定且其密度一定時，零件的質(zhì)量和厚度呈線性變化，質(zhì)量最輕也就對應(yīng)著厚度值最小。

位移靈敏度可以歸結(jié)于彈性結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，既而通過求解如下的平衡方程可以得到位移靈敏度：

(2)

平衡方程(2)對Xi求微分，得到

(3)

由此可得位移靈敏度：

(4)

式(2)(3)中：[K]為結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣；{δ}為結(jié)構(gòu)位移向量；{?}為結(jié)構(gòu)應(yīng)力向量；{p}為結(jié)構(gòu)載荷向量。在求解位移靈敏度時，是對六分座椅靠背在Y軸方向的最大位移進行約束，以部件上的某節(jié)點為參照，設(shè)計變量為部件的壁厚，得到位移靈敏度。

本文所述輕量化是通過減少各零件的壁厚實現(xiàn)的，依據(jù)相對靈敏度(質(zhì)量靈敏度與位移靈敏度的比值)來反映各個零部件對目標函數(shù)的響應(yīng)情況，從而進一步選擇設(shè)計變量。相對靈敏度為

(5)

2.2 靈敏度計算結(jié)果

本研究采用中排的中間座椅骨架與右側(cè)座椅骨架為一體的六分位座椅骨架模型，需要將在該六分位座椅骨架上所有零件作為變量。如圖3所示，V1～V27分別表示該座椅上的27個零件，其中Vi代表著零件的壁厚。

在Hyperworks中設(shè)置各個參數(shù)完成靈敏度計算，計算結(jié)果如表1所示。在保證固定點強度滿足法規(guī)的條件下，通過將高靈敏板件加厚及對不靈敏板件和負靈敏板件做減厚處理，達到整體座椅骨架輕量化目的。由表1可知V27、V19、V13、V18、V16、V15、V8、V3的相對靈敏度為負，說明減少這些零件的壁厚對該結(jié)構(gòu)強度的影響很小，可以適當減小這些零件的壁厚。同時考慮到中間座椅在實際情況中可能安裝兒童座椅，因此會對座椅骨架要求較高，所以盡管零件V19、V18、V16、V15對應(yīng)的靈敏度為負值，但對其并不需要減壁厚。由表1而知：V4、V5、V6對應(yīng)的部件的相對靈敏度值過大，意味著這些部件的厚度對固定點強度的影響較大，在優(yōu)化設(shè)計時可以考慮適當增加這些零件的壁厚。此外，通過計算得到相對靈敏度的平均值為0.693%，而V11、V12、V13的相對靈敏度遠小于平均值，這些板件即為不靈敏板件，且這些零件是座椅骨架上的一些加強板件，故在優(yōu)化時也需要考慮減少這些零件的質(zhì)量。綜合考慮相對靈敏度值、零件的實際作用、板件的常用厚度，最后選擇V3、V4、V5、V6、V11、V27、V12、V13、V23進行壁厚優(yōu)化。

圖3 座椅骨架上的各個變量表1 靈敏度分析結(jié)果

編號SmSdS/%編號SmSdS/%V14.22E-042.15E-010.196279V154.22E-04-1.67E-02-2.526946V21.15E-032.02E+000.056931V166.32E-05-2.20E-02-0.287273V36.48E-04-2.92E-01-0.234250V176.28E-046.10E-021.029508V41.13E-039.97E-021.133440V184.22E-04-1.67E-02-2.526946V57.50E-041.24E-026.048387V192.08E-04-7.73E-03-2.690815V63.10E-042.12E-0314.622640V205.37E-041.05E-010.511429V72.96E-041.45E-010.204138V212.13E-046.08E-020.350329V89.16E-05-3.26E-02-0.280980V221.12E-033.00E+000.037333V91.56E-043.38E-020.461539V231.15E-033.24E-010.354938V101.09E-041.39E-010.784173V248.16E-046.22E-021.311897V112.65E-041.18E-010.224576V251.94E-054.70E-020.041277V121.43E-045.08E-020.281496V262.65E-049.29E-020.285253V136.03E-05-3.44E-02-0.175290V274.10E-05-1.03E-01-0.039806V141.59E-046.45E-020.243119

3 骨架的輕量化

3.1 優(yōu)化模型

在本次的優(yōu)化中，根據(jù)上述靈敏度分析結(jié)果，選取座椅骨架零件壁厚V23、V13、V12、V11、V27、V6、V5、V4、V3為設(shè)計變量，以上述零件的總質(zhì)量最小為目標函數(shù)，同時安全帶的固定點區(qū)域材料的最大應(yīng)變要小于材料的失效應(yīng)變極限值，且安全帶上固定點不能超出RC平面，此外還要考慮板件的常用厚度，則有：

(6)

(7)

(8)

minf(m)

(9)

式中：f(m)為目標函數(shù)；εp為材料失效應(yīng)變極限；δy為座椅靠背在Y軸方向的最大位移。

3.2 優(yōu)化的基本流程

本文主要應(yīng)用LS-OPT優(yōu)化軟件，采用模擬退火法對座椅骨架零件進行厚度優(yōu)化，以達到滿足法規(guī)要求同時兼顧輕量化的目的。LS-OPT優(yōu)化軟件與LS-DYNA有良好的對接接口，每優(yōu)化迭代一次，都會在LS-DYNA軟件中完整運算一次，并可以并行求解多個計算過程。厚度優(yōu)化的過程如圖4所示。先對有限元模型試算，得到所關(guān)心模型的響應(yīng)值，在LS-OPT中設(shè)置優(yōu)化模型，并進行試算，經(jīng)過多次迭代，使得零件厚度優(yōu)化達到收斂。

3.3 優(yōu)化結(jié)果

在優(yōu)化的過程中，優(yōu)化結(jié)果滿足95%可信區(qū)間，則該優(yōu)化過程得到的結(jié)果為可信的。考慮零件的實際作用、板件的常用厚度，經(jīng)過多次的驗算，最終得到V23、V13、V12、V11、V27、V6、V5、V4、V3的壁厚以及質(zhì)量減少情況，如表2所示。在表2中，T1和T2分別表示座椅骨架優(yōu)化前后的厚度，通過計算發(fā)現(xiàn)該座椅骨架質(zhì)量減少總量達到1.227 kg。

圖4 厚度優(yōu)化過程表2 各零件減壁厚的明細

零件T1/mmT2/mm減少質(zhì)量/kgV321.80.06715V432.50.19190V5330V6330V82.520.18910V1121.80.10480V1232.50.20900V1332.50.24217V2332.50.13000V2721.80.08061合計/kg:1.227564

3.4 輕量化之后模型的仿真結(jié)果

圖5為輕量化之后座椅骨架的位移云圖及各個固定點附件區(qū)域的最大等效塑性應(yīng)變云圖。

通過圖5(a)可看出：中間座椅安全帶的上固定點的位移即為座椅Y方向的最大位移，且位移大小為298.7 mm，遠遠小于要求的最大位移 350 mm，中間座椅的上固定點沒有超過RC平面，符合法規(guī)要求。

由圖5(d)可知：3個位置的最大等效塑性應(yīng)變值分別為19.23%、8.69%(左下固定點)和19.1%(右下固定點)。

由圖5(e)(f)可見:最大等效塑性應(yīng)變值分別為7.33%、8.28%。右側(cè)圍上固定、右側(cè)圍下固定點處的最大等效應(yīng)變圖如圖5(g)(h)所示，可見最大等效塑性應(yīng)變值分別為8.20%、4.03%。

圖5 輕量化之后位移云圖及固定點區(qū)域 附件應(yīng)變云圖

綜上，輕量化設(shè)計之后，中間座椅上固定點最大等效塑性應(yīng)變值為19.23%，可見這些固定點的最大等效塑性應(yīng)變值均小于材料的失效應(yīng)變極限值(20%)，故安全帶不存在拉脫風(fēng)險。

4 實驗結(jié)果及其分析

本次安全帶固定點強度的測量在整車上進行，采用六分位座椅模型進行實驗(沒有安裝圖2中左側(cè)四分位座椅骨架)。實驗時將整車固定在試驗臺上，并將整車的全部自由度固定約束，根據(jù)法規(guī)要求對座椅模型進行加載[10]，如圖6所示。

圖6 實驗載荷加載

在載荷持續(xù)的時間內(nèi)用位移傳感器測得座椅最大前向位移為310 mm，低于法規(guī)要求的最大位移350 mm，未超過RC平面，滿足法規(guī)要求。且在實驗中，實驗變形最大的區(qū)域均未發(fā)生焊點失效和螺栓脫落，可見安全帶強度滿足要求。

圖7和圖8分別為汽車地板在仿真和實驗研究下的變形。對比仿真結(jié)果和實驗結(jié)果不難發(fā)現(xiàn):最大變形區(qū)域位于底板處安全帶固定點處，其次是座椅腳附件區(qū)域。此外，在仿真結(jié)果和實驗結(jié)果中，地板的凸起輪廓和座椅腳的變形模式均保持一致。

圖7 仿真地板變形

圖8 實驗地板變形

綜上很容易發(fā)現(xiàn)：仿真結(jié)果與實驗結(jié)果二者吻合較好，這也恰好說明本次仿真結(jié)果具有一定的可信性。此外，盡管實驗結(jié)果和仿真結(jié)果在變形模式上保持一致且均符合安全帶強度的法規(guī)要求，但是通過對比二者中間座椅安全帶上固定點的最大位移，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果的位移要小11 mm。造成這個結(jié)果的可能原因是：

1) 用于仿真的座椅數(shù)模與實驗座椅模型存在一定的差異。實驗所用的分體式靠背骨架在一定程度上降低了靠背剛度，導(dǎo)致上安裝點的位移增加。

2) 實際座椅之間不可避免會存在一些間隙。

這里還需指出，盡管在實驗和仿真結(jié)果中上固定點的最大位移存在一定的差距，但是根據(jù)規(guī)定誤差小于12%就說明仿真分析是可信的，而本次仿真結(jié)果的位移誤差率為9.3%，在該范圍類，因此該固定點設(shè)計能夠作為實際生產(chǎn)的依據(jù)。

5 結(jié)束語

本文通過建立了白車身、座椅骨架及上、下人體模塊的有限元模型，對座椅骨架進行了靈敏度分析，得出座椅骨架各個零件對安全帶固定點強度的影響，并結(jié)合零件的實際作用和對應(yīng)材料板件的常用厚度，進一步確定需要優(yōu)化的座椅骨架零件并建立了優(yōu)化模型。在保證安全帶符合法規(guī)要求的前提下，座椅骨架的質(zhì)量減少了約1.227 kg。此外，對優(yōu)化后的模型進行了安全帶固定點強度仿真分析和實驗驗證，發(fā)現(xiàn)有限元分析結(jié)果和實驗結(jié)果相吻合，且安全帶固定點強度滿足法規(guī)要求。該方法可為此類座椅骨架設(shè)計以及座椅安全帶固定點強度分析提供參考。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Strength Design of Car Seat Belt Anchorages

HE Chenggui1， LI Xinhua1， LI Luoxing2， YANG Huilin1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China; 2.Stage Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China)

To meet the regulatory requirements of three point seat belts, the research creates the finite element models of body in white, seat frame and the upper and lower body module. The sensitivity analysis and lightweight design of the seat frame are carried out, and simulation analysis and experimental verification of the strength of the seat belt are studied. The results show that the strength of the seat belt meets regulatory requirements.

safety belt; anchorages; strength analysis; lightweight design

2017-02-27

湖南省教育廳科研資助項目(13B145)

賀成貴(1991—)，男，湖南婁底人，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究，E-mail:henji92@126.com；李新華(1955—)，男，湖南長沙人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事機械設(shè)計與理論研究。

賀成貴，李新華，李落星，等.汽車座椅安全帶固定點強度設(shè)計[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017(7):56-62.

format：HE Chenggui，LI Xinhua，LI Luoxing，et al.Strength Design of Car Seat Belt Anchorages[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(7):56-62.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.07.008

U463；TH12

A

1674-8425(2017)07-0056-07