摘要：建立某款CDV車型后排安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析的有限元模型，利用LS-DYNA軟件對(duì)安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行仿真。結(jié)果顯示安全帶上固定點(diǎn)前向位移超出法規(guī)要求范圍。進(jìn)一步分析該固定點(diǎn)前向位移超標(biāo)的主要原因，提出了座椅及車身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案，結(jié)果表明改進(jìn)方案能夠滿足法規(guī)要求。

關(guān)鍵詞：安全帶固定點(diǎn);仿真;強(qiáng)度分析;結(jié)構(gòu)改進(jìn)

0 ?引言

安全帶作為汽車被動(dòng)安全的一項(xiàng)配置，當(dāng)車輛發(fā)生事故時(shí)起著保護(hù)車內(nèi)乘員的重要作用。安全帶附屬的各零部件強(qiáng)度能夠滿足要求是其發(fā)揮保護(hù)作用最基本的前提條件。為此有關(guān)部門專門制定了GB14167國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)屬于汽車法規(guī)強(qiáng)檢項(xiàng)目，主要用于檢測(cè)安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度。為了滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求，整車廠需要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到安全帶固定點(diǎn)及座椅的強(qiáng)度。本文以某車型后排長(zhǎng)條座椅的安全帶固定點(diǎn)為分析對(duì)象，建立包括車身、座椅、安全帶系統(tǒng)及用于加載的上下人體模塊的有限元模型，通過(guò)仿真分析，指出了不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)座椅及車身結(jié)構(gòu)，最終滿足了法規(guī)要求。

1 ?汽車安全帶安裝固定點(diǎn)系統(tǒng)

1.1 安全帶固定點(diǎn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

我國(guó)國(guó)標(biāo)GB14167明確規(guī)定安全帶的固定點(diǎn)既可設(shè)在車輛的構(gòu)架上或座椅構(gòu)架上，亦可設(shè)在車輛的其它部件上[1]，或者分設(shè)于以上各部件上。對(duì)于M1類車輛，前排兩個(gè)單人座椅及后排兩側(cè)座椅通常采用三點(diǎn)式安全帶，安全帶上固定點(diǎn)位于立柱（B柱、C柱）上部，一個(gè)下固定點(diǎn)位于門檻上部，另一個(gè)下固定點(diǎn)位于座椅內(nèi)側(cè)骨架上或車身上。新修訂的標(biāo)準(zhǔn)GB14167-2013規(guī)定，對(duì)于新定型產(chǎn)品，中間座椅位置必須采用3點(diǎn)式安全帶。其兩個(gè)下固定點(diǎn)位于座椅骨架上或車身上，上固定點(diǎn)一般設(shè)置在座椅靠背上或車身頂棚上。對(duì)于固定點(diǎn)位于座椅上時(shí)，尤其是上固定點(diǎn)位于座椅靠背上時(shí)，對(duì)固定點(diǎn)強(qiáng)度就提出了更高的要求。本文分析的對(duì)象正是采用這種固定方式。

1.2 汽車安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.2.1 上下人體模塊

對(duì)車輛的安全帶固定點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)的裝置，如圖1所示。靜態(tài)試驗(yàn)下，載荷作用于該裝置，用于檢驗(yàn)安全帶固定點(diǎn)系統(tǒng)的強(qiáng)度。

1.2.2 試驗(yàn)方法

將車輛固定在試驗(yàn)臺(tái)上，所有固定車輛的裝置應(yīng)距被測(cè)固定點(diǎn)前方不小于500mm或后方不小于300mm處， 且不得對(duì)其周圍部分起加強(qiáng)作用，同時(shí)亦不得減弱構(gòu)架正常的變形。同排座椅的安全帶固定點(diǎn)應(yīng)同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，沿平行于車輛縱向中心平面并與水平線成向上10°±5°的方向施加載荷。利用模擬織帶同時(shí)對(duì)上下人體模塊施加13.5kN±0.2kN的試驗(yàn)載荷。對(duì)于固定點(diǎn)設(shè)于座椅骨架上時(shí)，還應(yīng)對(duì)座椅施加一個(gè)相當(dāng)于座椅總成質(zhì)量20倍的力。先施加總載荷10%的預(yù)加載，然后4s內(nèi)完成平滑加載[2]，并至少持續(xù)0.2s。

1.2.3 強(qiáng)度要求

按規(guī)定完成試驗(yàn)后：

①允許固定點(diǎn)或周圍區(qū)域有永久變形，包括部分?jǐn)嗔鸦虍a(chǎn)生裂紋，但不應(yīng)造成該固定點(diǎn)失效;

②對(duì)上、下固定點(diǎn)之間的間隔亦有要求;

③若上固定點(diǎn)在座椅構(gòu)架上，試驗(yàn)期間，上有效固定點(diǎn)前向位移應(yīng)在通過(guò)R點(diǎn)的橫向平面以內(nèi)。

本文分析對(duì)象經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，所有固定點(diǎn)均滿足1、2中的強(qiáng)度要求，但對(duì)應(yīng)中間座椅位置處靠背上的上固定點(diǎn)前向位移超出規(guī)定的范圍，不滿足法規(guī)要求。鑒于此，本文通過(guò)有限元仿真，分析位移超標(biāo)的原因，并提出了改進(jìn)方案，滿足了法規(guī)要求。

2 ?有限元模型建立及仿真

2.1 模型建立

從白車身模型中截取后部車身，然后將座椅及加載裝置有限元模型導(dǎo)入并定位上下人體模塊，座椅靠背傾角調(diào)整至設(shè)計(jì)位置。參考GB14167中關(guān)于車身固定的內(nèi)容對(duì)模型施加邊界條件?？蓪?duì)模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，縮短分析時(shí)間，但不能影響計(jì)算結(jié)果。調(diào)試完成的有限元模型，如圖2 所示。

2.2 仿真結(jié)果及分析

利用非線性分析軟件LS-DYNA對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，得到仿真歷程中各結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的變形如圖3所示，中間座椅位置靠背上固定點(diǎn)P距R點(diǎn)所在橫向平面之間X向距離d的時(shí)間歷程曲線如圖4所示。

從圖3中可以看出，座椅相對(duì)于車身發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，同時(shí)座椅自身的靠背相對(duì)于坐墊之間的夾角也發(fā)生了改變，經(jīng)測(cè)量二者之間夾角改變了13°。進(jìn)一步分析可知，4個(gè)下固定點(diǎn)設(shè)于座椅后支撐上，該支撐通過(guò)鎖鉤將載荷傳遞給底板橫梁。加載過(guò)程中該橫梁向Z向拱起，與其連接的后底板縱梁搭接部位的材料也發(fā)生了撕裂。如圖5所示，橫梁的剛度、強(qiáng)度不足，對(duì)座椅后部支撐Z向約束失效，導(dǎo)致座椅發(fā)生了整體翻轉(zhuǎn)。中間座椅位置上固定點(diǎn)作用的載荷對(duì)靠背下部支撐板產(chǎn)生較大的力矩，致其局部產(chǎn)生折彎變形，不能對(duì)靠背提供很好的支撐導(dǎo)致靠背與坐墊之間的夾角改變。座椅翻轉(zhuǎn)及靠背與坐墊之間的夾角減小必將引起上固定點(diǎn)P的向前移動(dòng)。

3 ?改進(jìn)措施及結(jié)果

3.1 改進(jìn)方案

針對(duì)上面的分析，通過(guò)提高橫梁及座椅靠背下支撐板的剛度及材料強(qiáng)度以減小二者的變形。對(duì)橫梁與縱梁搭接部位重新設(shè)計(jì)，增大搭接面，增加焊點(diǎn)密度以提高接頭部位的連接強(qiáng)度，對(duì)于無(wú)法采用點(diǎn)焊的部位增加二氧化碳保護(hù)焊，降低該部位失效的風(fēng)險(xiǎn)。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)能夠滿足法規(guī)的要求。

3.2 改進(jìn)方案的結(jié)果

改進(jìn)后，座椅未發(fā)生相對(duì)于車身的翻轉(zhuǎn)，且靠背傾角相對(duì)于改進(jìn)前有明顯改觀，設(shè)于靠背上的固定點(diǎn)處于法規(guī)要求的安全范圍之內(nèi)。實(shí)際上，在提高座椅靠背下部支撐強(qiáng)度時(shí)，座椅骨架上還設(shè)計(jì)了一矩形截面梁，在座椅受到外界載荷沖擊時(shí)，通過(guò)其彈性變形起到緩沖吸能的作用，允許靠背角在一定范圍內(nèi)減小。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，由圖6可以看出，底板橫梁Z向的最大拱起量為18.5mm，未發(fā)現(xiàn)本體局部有明顯折彎，與后底板縱梁搭接部位也未出現(xiàn)有材料撕裂現(xiàn)象，說(shuō)明改進(jìn)后，橫梁的剛度及強(qiáng)度明顯改善，能夠?yàn)樽翁峁┳銐虻募s束作用。

從圖7中可以看出，設(shè)于靠背上的上固定點(diǎn)在200ms之后，位移基本不再改變，直到仿真結(jié)束，這說(shuō)明車身及座椅結(jié)構(gòu)達(dá)到了一種穩(wěn)定狀態(tài)。300ms時(shí)，上固定點(diǎn)P位于過(guò)R點(diǎn)的橫向平面后部120mm處，完全滿足法規(guī)對(duì)于上固定點(diǎn)位移的要求。車輛按改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)參加認(rèn)證試驗(yàn)，已順利通過(guò)。

4 ?總結(jié)

通過(guò)仿真計(jì)算得知原座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及底板橫梁強(qiáng)度不足，導(dǎo)致靠背上固定點(diǎn)位移不能滿足法規(guī)要求，針對(duì)存在的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足問(wèn)題進(jìn)一步分析原因，提出了有效的改進(jìn)方案。結(jié)果表明：改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)能滿足安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度法規(guī)的要求。本次改進(jìn)分析也說(shuō)明了借助有限元仿真技術(shù)可有效模擬物理試驗(yàn)，重現(xiàn)加載過(guò)程，預(yù)先研判結(jié)果，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不足。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后可重復(fù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，從而減少試驗(yàn)次數(shù)，降低開(kāi)發(fā)成本。

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作者簡(jiǎn)介：廉振紅（1981-），河南太康人，高校講師，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械動(dòng)力學(xué)。