龐 慶，陸毅初，黎 海，謝貴山

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 前言

汽車安全座椅是汽車普遍采用的安全裝備，是一種有效的成員保護(hù)裝置。為使座椅在汽車上能充分發(fā)揮作用，除本身的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度外，座椅在車身上的安裝強(qiáng)度也至關(guān)重要。車身座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要保證可靠不失效，同時(shí)座椅與車身的連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也必須得到保障。在碰撞事故極限情況下，如果座椅安裝點(diǎn)區(qū)域發(fā)生失效，成員失去了固定支撐，可能會(huì)造成人員傷亡的情況。

應(yīng)國家對汽車駕駛員、乘客安全要求，安全帶作為車輛使用過程中，對乘客起關(guān)鍵保護(hù)作用的關(guān)鍵部件，要求安全帶或約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造應(yīng)滿足，當(dāng)正確安裝和由乘員正常使用時(shí)，其功能正常，并在交通事故中降低對身體的傷害程度。為保證設(shè)計(jì)要求，當(dāng)新產(chǎn)品，新車型投入市場之前，必須要經(jīng)過安全帶相關(guān)拉力試驗(yàn)，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否符合國家相關(guān)安全要求。如產(chǎn)品不滿足要求，則必須更改，否則不予批準(zhǔn)上市。

1 某車型安全帶拉力法規(guī)試驗(yàn)故障介紹

某車型在試驗(yàn)室做安全帶拉力法規(guī)臺架試驗(yàn)，由試驗(yàn)設(shè)備利用伸縮氣缸，通過加載到人體模擬塊上，對試驗(yàn)白車身座椅施加拉力，白車身通過螺栓固定于試驗(yàn)地板上。另利用激光劃線儀儀器，對座椅安全位移進(jìn)行劃線測量。具體試驗(yàn)中對人體模塊施加13 500 N±200 N的試驗(yàn)載荷，再施加一個(gè)相當(dāng)于座椅總成質(zhì)量20倍的力，并保持0.2 s。試驗(yàn)完成后，發(fā)現(xiàn)后排4/6分座椅中間座椅安裝點(diǎn)被拉脫出，導(dǎo)致座椅前移量超出期限范圍，造成試驗(yàn)失敗。經(jīng)詳細(xì)查看座椅安裝點(diǎn)拉脫出位置，車身結(jié)構(gòu)鈑金被焊接螺母拉脫穿出，造成鈑金破壞形成一個(gè)撕裂口，并且裂口大小和螺母大小一致。座椅安裝點(diǎn)螺母脫出車身鈑金故障情況見下圖1所示。

圖1 試驗(yàn)車輛車身座椅安裝結(jié)構(gòu)螺母拉脫出故障

2 座椅安裝點(diǎn)拉脫故障分析

2.1 座椅安裝點(diǎn)拉脫故障的產(chǎn)生

座椅通過螺栓連接固定在下車體車身結(jié)構(gòu)上，車身結(jié)構(gòu)提供焊接螺母擰緊螺栓，在安全帶拉力法規(guī)試驗(yàn)中，通過對人體模型加載拉力，拉力通過安全帶傳遞到座椅骨架上，座椅骨架又通過螺栓連接傳遞到下車體車身結(jié)構(gòu)上。車身結(jié)構(gòu)安裝螺母位置沿座椅腳方向受拉力作用，當(dāng)拉力超過下車體車身結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變極限時(shí)，車身結(jié)構(gòu)將會(huì)被拉脫破壞。座椅拉脫出后失去固定點(diǎn)支撐，座椅將前移且移動(dòng)量超出國家安全法規(guī)規(guī)定范圍，最終造成試驗(yàn)失敗。

2.2 座椅安裝點(diǎn)拉脫故障原因分析

按照以上故障原理分析，展開座椅安裝點(diǎn)位置車身鈑金拉脫故障具體原因調(diào)查。發(fā)現(xiàn)安裝螺母和鈑金有效重疊接觸面積過小，寬度方向上只有2.9 mm，單位面積上受力集中，易超出車身結(jié)構(gòu)應(yīng)變承載最大極限；另外車身座椅安裝螺母結(jié)構(gòu)單一，缺少螺母加強(qiáng)板，安裝結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度不足。以上兩方面導(dǎo)致在安全帶拉力試驗(yàn)過程中，受拉力作用，拉脫出位置車身最大應(yīng)變超過了結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)變極限，導(dǎo)致產(chǎn)生螺母被拉脫穿出鈑金的故障。故障車輛車身座椅安裝結(jié)構(gòu)見下圖2所示。

圖2 試驗(yàn)故障車輛車身座椅安裝處結(jié)構(gòu)

3 座椅安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和實(shí)施方案

根據(jù)以上故障原因分析結(jié)果，實(shí)施以下兩點(diǎn)改進(jìn)：一方面增加安裝點(diǎn)受力面積，使受力均勻，應(yīng)力分散，消除拉力時(shí)單位面積應(yīng)力過于集中的風(fēng)險(xiǎn)；另外提高車身座椅安裝結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度，降低試驗(yàn)時(shí)被拉脫的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合現(xiàn)有車身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，車身座椅安裝結(jié)構(gòu)實(shí)施以下具體改進(jìn)方案：一方面變更焊接螺母形式，采用帶法蘭盤結(jié)構(gòu)焊接螺母，取代原來的普通焊接螺母，可以有效地增加受力面積；另一方面增加螺母板，選用高強(qiáng)度材料SAPH440進(jìn)行酸洗，t=1.8 mm，通過增加拉脫位置的車身結(jié)構(gòu)鈑材厚度方式，提高車身座椅安裝結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度[1-2]。以上兩方面的車身改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 車身座椅安裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案說明

4 有限元分析

有限元技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展和完善，其理論不斷成熟，并隨著在工程技術(shù)領(lǐng)域中的成功應(yīng)用，受到工程技術(shù)界的好評，因?yàn)橛邢拊椒ê唵胃咝В蔀楣こ谭治鲱I(lǐng)域中最為廣泛的分析方法。有限元即可完成簡單的結(jié)構(gòu)分析任務(wù)，縮短了汽車產(chǎn)品的開發(fā)周期，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，仿真分析也為實(shí)車試驗(yàn)提供指導(dǎo)，減少實(shí)車實(shí)驗(yàn)次數(shù)。

針對改進(jìn)后的座椅安裝點(diǎn)車身結(jié)構(gòu)，運(yùn)用UG三維軟件建立座椅安裝點(diǎn)車身改進(jìn)結(jié)構(gòu)的幾何模型，然后把模型導(dǎo)入到ANSYS軟件里面，建立座椅安裝車身結(jié)構(gòu)的有限元模型。利用Hypermesh軟件對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理，整車模型建立完成以后，在整車前懸，后懸增加約束，輸入安全帶法規(guī)拉力試驗(yàn)?zāi)M載荷，在有限元模型下，對改進(jìn)后的座椅安裝車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行最大強(qiáng)度應(yīng)變分析[3]。

根據(jù)模擬分析結(jié)果顯示，座椅安裝螺母位置最大強(qiáng)度應(yīng)變由0.106降低到0.048，降低幅度達(dá)到55%，改善效果非常良好，對比分析結(jié)果如下圖4所示。

圖4 車身座椅安裝結(jié)構(gòu)原方案和改進(jìn)方案最大應(yīng)變對比結(jié)果

5 重新安排座椅安全帶拉力法規(guī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證改進(jìn)方案以及理論分析方向的有效性，在改進(jìn)方案確認(rèn)以后，制作新樣件重新安排造車，上臺架進(jìn)行第二排4/6分座椅安全帶拉力法規(guī)試驗(yàn)，進(jìn)行改進(jìn)方案驗(yàn)證。試驗(yàn)過程中，臺架設(shè)備及約束加載方式保持和拉脫故障試驗(yàn)中的一樣，排出外界因素影響。試驗(yàn)中同樣對人體模塊施加13 500 N±200 N的試驗(yàn)載荷，再施加一個(gè)相當(dāng)于座椅總成質(zhì)量20倍的力，并保持0.2 s[4]。根據(jù)最新驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果顯示：座椅頭枕位移量沒有超出國家法規(guī)規(guī)定的期限范圍，鈑金最大應(yīng)變在車身合理范圍之內(nèi)，座椅安裝固定點(diǎn)沒有失效，證明了改進(jìn)方案取得良好效果，滿足了國家安全帶拉力法規(guī)要求，試驗(yàn)驗(yàn)證效果見圖5所示。

圖5 車身座椅安裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案試驗(yàn)驗(yàn)證效果

6 結(jié)論

在汽車座椅安裝位置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，車身結(jié)構(gòu)鈑金處最大應(yīng)力應(yīng)變分析，是影響ISOFIX系統(tǒng)強(qiáng)度分析的重要組成部分，方案設(shè)計(jì)時(shí)要同時(shí)考慮鈑金抗拉強(qiáng)度、最大應(yīng)力應(yīng)變、凸焊螺母接觸面大小等關(guān)鍵因素影響，同時(shí)需分析關(guān)聯(lián)座椅安裝點(diǎn)，安全帶布置方式的變化，最終確定合理的車身結(jié)構(gòu)方案。

本文通過安全帶拉力法規(guī)實(shí)驗(yàn)中螺母拉脫故障實(shí)際案例，分析出座椅安裝螺母拉脫出來的主要原因是安裝點(diǎn)位置接觸面積過小，抗拉強(qiáng)度不足，最大應(yīng)變超出車身鈑材極限。輔助利用有限元軟件分析工具，進(jìn)一步確認(rèn)了故障發(fā)生的要因。最后結(jié)合原因?qū)?/6分座椅安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)方案，且利用有限元軟件進(jìn)行理論校核，最后進(jìn)行實(shí)際車輛試驗(yàn)驗(yàn)證。形成一個(gè)完整閉環(huán)的問題解決過程，整個(gè)問題的解決思路和過程方法，可以為后續(xù)車型車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，提供寶貴歷史經(jīng)驗(yàn)。