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        汽車座椅安全帶錨固定點(diǎn)強(qiáng)度分析

        2019-08-14 10:56:12周旺李晶
        汽車零部件 2019年7期
        關(guān)鍵詞:固定點(diǎn)汽車座椅滑軌

        周旺,李晶

        (西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,陜西西安 710600)

        0 引言

        汽車座椅不僅是用來支撐乘員身體使其具有一定的舒適性,在汽車被動安全中也起到保護(hù)成員避免或減少傷害的作用[1]。汽車座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度作為衡量汽車被動安全的一個(gè)重要指標(biāo),汽車座椅安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)是車輛《公告》強(qiáng)制性要求的試驗(yàn)項(xiàng)目[2]。GB 14167-2013《汽車安全帶安裝固定點(diǎn)、ISOFIX固定點(diǎn)系統(tǒng)及上拉帶固定點(diǎn)》[3]中明確了安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)的方法和評判標(biāo)準(zhǔn)。

        在產(chǎn)品開發(fā)前期,可以通過計(jì)算機(jī)建立座椅有限元分析模型,按照真實(shí)試驗(yàn)條件擺放和加載進(jìn)行求解計(jì)算,得到仿真試驗(yàn)?zāi)M動畫、位移、塑性變形等參數(shù)。肖永富等[4]比較了顯式分析與隱式分析的特點(diǎn),得出顯式分析更加適用于座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)仿真的結(jié)論。趙波等人[5]對汽車座椅上的調(diào)角器進(jìn)行了設(shè)計(jì),同時(shí)使用軟件HyperWorks進(jìn)行仿真分析,提升了座椅的安全性。 Y M TANG等[6-7]將CAE分析軟件仿真模擬與真實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行對標(biāo),其結(jié)論表明:CAE分析軟件仿真模擬與真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果高度吻合,說明計(jì)算機(jī)仿真對試驗(yàn)具有一定的參考意義。R KUMAR等[8-10]利用有限元仿真軟件分析某座椅,提出通過新增零件、增加厚度、變更材料等措施來優(yōu)化座椅強(qiáng)度,雖然滿足要求,但是這樣不僅使座椅質(zhì)量增加,新增件更是增加沖壓模具費(fèi)用,增加零件厚度或更改材料也使座椅生產(chǎn)成本提升。本文作者以某汽車主駕電動八項(xiàng)可調(diào)節(jié)座椅為例,基于強(qiáng)大的前處理軟件ANSA建立座椅的有限元模型,節(jié)省大量網(wǎng)格劃分等繁雜的前處理時(shí)間;以及通過在工程界得到廣泛應(yīng)用、被公認(rèn)為是最佳的顯式分析軟件LS-DYNA進(jìn)行求解計(jì)算,提出一種改變支架機(jī)構(gòu)、提升座椅強(qiáng)度的方案,達(dá)到滿足強(qiáng)度的要求。

        1 GB 14167-2013法規(guī)解讀

        1.1 試驗(yàn)方法

        依據(jù)GB 14167-2013《汽車安全帶安裝固定點(diǎn)、ISOFIX固定點(diǎn)系統(tǒng)及上拉帶固定點(diǎn)》,利用有限元建模軟件,將假胸、整椅、安全帶、假臀按圖1所示位置擺放。對假胸用鋼絲繩施加向上角度為10°的力,加載13 500 N的力;對假臀用鋼絲繩向上角度為10°加載20倍的整椅重力。在t=1.5 s時(shí)加載力達(dá)到13 500 N并保持0.5 s。

        圖1 試驗(yàn)擺放方法

        1.2 評判標(biāo)準(zhǔn)

        安全帶通過的兩個(gè)下方固定點(diǎn)J1、J2在座椅橫向的距離D1需要大于350 mm。座椅的橫向中心應(yīng)該位于點(diǎn)J1、J2之間,同時(shí)滿足距離D2不能小于120 mm,如圖2所示。允許上方的安全帶固定點(diǎn)的周圍區(qū)域有發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象,包括部分?jǐn)嗔鸦蛘呔植繀^(qū)域產(chǎn)生裂紋,但所有安全帶的固定點(diǎn)不能使其失效。通過各個(gè)部件的材料塑性變形百分比來判斷部件是否失效。各材料參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值見表1。

        圖2 位移評判標(biāo)準(zhǔn)表1 材料參數(shù)

        元件材料屈服強(qiáng)度/MPa塑性變形百分比/%鋼絲20鋼24513圓管Q34542716鈑金件QSTE50065318滑軌CR98078120

        2 建立座椅有限元模型求解

        座椅主要由如圖3所示的滑軌、鈑金件、圓管、鋼絲、標(biāo)準(zhǔn)件螺栓、發(fā)泡體等組成。

        圖3 座椅主要組成

        通過ANSA軟件將鈑金件和圓管劃分成三角形和四邊形組成的薄殼單元(*ELEMENT_SHELL),積分類型選用Type16全積分殼單元,其中三角形的數(shù)量不超過總數(shù)的5%;鋼絲與螺栓劃分成梁單元(*ELEMENT_BEAM),積分類型選用Type2 Belytschko-Schwer合力梁;焊縫使用剛性單元(*ELEMENT_RIGID);發(fā)泡體劃分成四面體單元(*ELEMENT_SOLID),積分類型選用Type2全積分S/R體單元。初始穿透可能造成計(jì)算過程中能量異?,F(xiàn)象,非正常的自由邊界可能造成部件局部應(yīng)力過大,重復(fù)單元可能導(dǎo)致異常終止計(jì)算,網(wǎng)格單元尺寸過小會使求解時(shí)間過長。調(diào)整單元,消除初始穿透和非正常的自由邊界以及保證無重復(fù)單元。三角形和四邊形單元長度控制在2~8 mm之間,其中四邊形的歪斜度(Skew)小于42,長寬比(Aspect)小于4.5,翹曲度(Warpage)小于16,雅克比(Jacobian)大于0.65。四面體單元尺寸控制在10~20 mm之間,坍塌比(Tet Collapse)大于0.28。由達(dá)朗貝爾動力學(xué)原理[11]可得:

        將式(2)代入式(1)后整理得到:

        式(3)中:

        求解式(3),可得節(jié)點(diǎn)位移向量U(t+Δt),將其代入物理、幾何方程,可得對應(yīng)的單元應(yīng)力和應(yīng)變,提交LS-DYNA軟件計(jì)算。

        3 分析結(jié)果

        3.1 能量檢查

        能量正常是評判分析模型的一個(gè)重要條件。由圖4可知動能(Kinetic Energy)在t=0.9 s時(shí)達(dá)到最大值保持到t=1.2 s,然后逐步降低最終在t=1.6 s時(shí)為零。接觸能(Interface Energy)未出現(xiàn)負(fù)值等異常。內(nèi)能(Internal Energy)和全局能量(Total Energy)平滑上升在t=1.6 s時(shí)達(dá)到最大值且保持0.4 s,說明能量守恒。

        圖4 能量曲線

        3.2 位移、塑變云圖

        求解得出距離D1為498.2 mm,距離D2為276.3 mm,符合要求。右后側(cè)滑軌材料塑性變形由圖5知最大為21.09%,超過材料極限塑性變形,存在局部撕裂的可能。

        圖5 右側(cè)滑軌塑變云圖

        4 改進(jìn)方案及優(yōu)化結(jié)果

        由于右后側(cè)滑軌上方裝有安全帶固定件,受力較大,所以可將右后側(cè)滑軌上方支架與右前側(cè)滑軌上方以半弧形連為一體,避開滑軌調(diào)節(jié)齒,如圖6所示,使得座椅上的安全帶固定點(diǎn)受拉時(shí)的受力分散到滑軌前端。

        圖6 滑軌上支架結(jié)構(gòu)變更

        模型優(yōu)化后再次提交計(jì)算可得到圖7所示的新后右側(cè)滑軌塑性變形云圖,可知滑軌塑性變形為17.9%,低于材料極限塑性變形,失效風(fēng)險(xiǎn)控制在合理范圍內(nèi)。

        圖7 新后右側(cè)滑軌塑變云圖

        5 結(jié)論

        通過有限元分析軟件對座椅進(jìn)行安全帶固定點(diǎn)仿真模擬,發(fā)現(xiàn)座椅右側(cè)滑軌上方支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,可能存在零件失效的風(fēng)險(xiǎn)。對支架零件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。常見的優(yōu)化措施有增減零部件厚度、變更所用的材料來達(dá)到強(qiáng)度或減重的效果。作者通過前后支架合并為一體且巧妙避開滑軌控制爪的結(jié)構(gòu)改進(jìn),并再次進(jìn)行仿真模擬,座椅所有零件低于其材料極限塑性變形,滿足法規(guī)要求。

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