解躍青，陳瑜

（上汽大眾汽車有限公司產(chǎn)品研發(fā)車身研發(fā)部，上海201805）

0 引言

某車型在側(cè)面碰撞中，由于B 柱內(nèi)板下端空間布置要求，需要留出安全帶卷收器固定空間而導(dǎo)致安裝點(diǎn)剛度不夠，容易引起該區(qū)域共振，B 柱下端測(cè)量點(diǎn)信號(hào)擾動(dòng)嚴(yán)重等問題，并且在整車側(cè)面碰撞的工況中，B柱下端前后側(cè)容易出現(xiàn)撕裂的情況。

本文綜合考慮B 柱下端安全帶安裝點(diǎn)剛度問題以及在側(cè)面碰撞中兩側(cè)出現(xiàn)撕裂的情況，通過有限元模擬仿真的手段，對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并提出相關(guān)的解決方案。

1 問題描述

1.1 碰撞撕裂問題

汽車安全帶是安裝在汽車車身上用于保證乘客及駕駛員人身安全的裝置，在現(xiàn)在的汽車中，大多配備有三點(diǎn)式安全帶。安全帶配合安全氣囊的使用，能在汽車碰撞事故中有效地保護(hù)乘員的安全，降低事故死亡率。

安全帶纏繞在安全帶卷縮器轉(zhuǎn)軸上，安全帶卷縮器固定在車身上。由于需要預(yù)留出用以安裝和固定安全帶卷縮器的安裝空間，因此在B 柱內(nèi)板上需要留出操作空間，這個(gè)操作空間導(dǎo)致B 柱內(nèi)板下端結(jié)構(gòu)薄弱，在側(cè)面碰撞試驗(yàn)中容易出現(xiàn)彎折和撕裂，如圖1 所示，某車在側(cè)碰試驗(yàn)中B 柱下端薄弱位置發(fā)生了撕裂現(xiàn)象。

圖1

1.2 疲勞斷裂問題

車身上布置了數(shù)量眾多的傳感器以供汽車電子控制單元ECU 收集控制信號(hào)，判斷車輛是否發(fā)生了事故。其中在B 柱下端布置的側(cè)面碰撞[2]的加速度傳感器尤為重要，該傳感器用以收集整車的加速度的信號(hào)，用以判斷在碰撞中是否需要展開側(cè)面氣囊和氣簾以及點(diǎn)爆時(shí)間。該加速度傳感器一般布置門檻內(nèi)，靠近B柱下端安全帶卷縮器固定支架。由于安全帶在使用的過程中會(huì)對(duì)卷縮器固定支架頻繁施力，因此在B 柱下端固定區(qū)域安裝區(qū)域易出現(xiàn)共振，影響B(tài) 柱下端信號(hào)測(cè)量點(diǎn)的信號(hào)接收，導(dǎo)致ECU 發(fā)生碰撞信息的誤判，并且容易導(dǎo)致B 柱內(nèi)板卷縮器固定點(diǎn)處局部疲勞斷裂。

因此要求對(duì)于B 柱下端卷縮器安裝點(diǎn)的局部剛度也要滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求[1]。通過建立CAE 計(jì)算模型，該車卷縮器局部剛度進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明，該車型現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不能滿足安裝點(diǎn)局部剛度的要求，必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。圖2 為計(jì)算靜態(tài)與動(dòng)態(tài)剛度的模型。

圖2

2 解決方案提出

針對(duì)該車型的開發(fā)過程中存在的B 柱撕裂和卷縮器安裝支架剛度無法滿足設(shè)計(jì)要求的問題，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、安裝方便、易于工程化批量生產(chǎn)的安全帶卷縮器靴形支架，該支架不僅能夠滿足了汽車安全帶卷縮器的安裝要求、提高了安全帶卷縮器支架剛度，同時(shí)還改善了B 柱內(nèi)板下端由于提供安全帶卷縮器安裝空間而導(dǎo)致的局部強(qiáng)度減弱的問題，解決了B 柱及B 柱內(nèi)板在側(cè)面碰撞中容易出現(xiàn)彎折和撕裂的問題。該結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3

具體實(shí)施方式及安裝關(guān)系如圖4 所示，該組裝結(jié)構(gòu)包括安全帶卷縮器支架1、B 柱內(nèi)板2 和安全帶卷縮器3，其中安全帶卷縮器支架1 安裝在車身B 柱內(nèi)板2內(nèi)側(cè)，安全帶卷縮器3 通過螺栓安裝固定在安全帶卷縮器支架1 上，所述安全帶卷縮器支架1 有延車身B柱內(nèi)板2 向上延伸的支撐臂，成靴子狀，安全帶卷縮器支架1 靴子部分覆蓋B 柱內(nèi)板2 下側(cè)，安全帶卷縮器支架1 有延車身B 柱內(nèi)板2 向上延伸的長支撐臂，直到覆蓋至B 柱內(nèi)板的卷縮器安裝區(qū)上邊緣。

圖4

3 仿真模型驗(yàn)證優(yōu)化方案效果

3.1 碰撞撕裂問題

使用PAM-CRASH 有限元軟件建立動(dòng)態(tài)顯示有限元碰撞模型，材料定義中引入失效模型，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符。從計(jì)算結(jié)果輸出B 柱下端翻邊處最大塑性應(yīng)變值為7.3%，已大于材料的極限應(yīng)變值5%，因此材料出現(xiàn)了撕裂的現(xiàn)象，圖5為結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的仿真對(duì)標(biāo)結(jié)果。通過優(yōu)化安全帶卷縮器支架后翻邊應(yīng)變降低為2.7%，低于材料的極限應(yīng)變值，可判斷材料無撕裂風(fēng)險(xiǎn)，并且通過了物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方案的有效性。圖6 為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的仿真及試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果表明，通過安全帶卷縮器支架優(yōu)化，B 柱在側(cè)碰試驗(yàn)中，變形狀態(tài)穩(wěn)定，未出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象。

圖5

3.2 疲勞斷裂問題

對(duì)于B 柱下端卷縮器安裝點(diǎn)的局部剛度要求，通過Abaqus[3]對(duì)卷縮器局部剛度計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，如圖7 的計(jì)算結(jié)果顯示，在安全帶卷縮器結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，各個(gè)方向的靜態(tài)剛度提升了100%-150%，動(dòng)態(tài)剛度也提高了50%，能有效減少對(duì)于信號(hào)的擾動(dòng)，有效地改善安全帶卷索器固定點(diǎn)的剛度。

圖6

圖7