王友平,毛軍輝

寧波寶貝第一母嬰用品有限公司,浙江 寧波 315000

0 引言

兒童約束系統(tǒng)(child restraint system,CRS)是指能為兒童乘員提供坐姿或睡姿狀態(tài)的裝置[1],其設(shè)計(jì)是通過限制兒童身體的移動(dòng)來減輕車輛在碰撞事故或突然減速情況下對(duì)佩戴者的傷害。CRS在車輛上的安裝有2種方式,一種是通過車用安全帶固定,一種是通過CRS上的ISOFIX固定[2]。因ISOFIX固定的整體式CRS相比其他類型固定的CRS保護(hù)性能更佳[3],逐漸成為了市場(chǎng)的主流。

車禍中車輛的碰撞有一部分是來自于側(cè)面[4]。兒童乘員在側(cè)面碰撞事故中受到嚴(yán)重或致命傷的風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于其他類型的碰撞事故[5]。目前研究?jī)和s束系統(tǒng)側(cè)面碰撞的不多,劉軍 等[6]研究的是車門侵入速度、深度及方式等不同侵入條件對(duì)CRS中兒童損害的影響。ISOFIX是CRS與車輛連接的關(guān)鍵零部件,強(qiáng)度不足可能會(huì)導(dǎo)致CRS直接與車輛分離,給乘坐兒童帶來嚴(yán)重的傷害。本文最大的創(chuàng)新點(diǎn)在于結(jié)合ADAC側(cè)面碰撞工況,通過采用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)的仿真分析結(jié)合實(shí)際樣品測(cè)試的方式,快速分析、改善和驗(yàn)證現(xiàn)有ISOFIX產(chǎn)品側(cè)面強(qiáng)度的不足,最終發(fā)現(xiàn)通過合理布局鉚釘數(shù)量和位置,可使ISOFIX連接裝置側(cè)碰強(qiáng)度大幅提升。

1 ISOFIX測(cè)試方法

1.1 ADAC介紹

全德汽車俱樂部(ADAC)是德國最大的交通協(xié)會(huì),總部位于德國慕尼黑[7]。ADAC站在消費(fèi)者的角度對(duì)市面上的CRS定期進(jìn)行抽檢,采用的碰撞項(xiàng)目比國標(biāo)GB27887—2011更高,比如ADAC采用了80°碰撞來模擬測(cè)試(見圖1)。

圖1 ADAC 80°側(cè)面碰撞示意

1.2 ISOFIX裝置

ISOFIX[8]是指從ISOFIX兒童約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中伸出,與ISOFIX的車輛下部固定點(diǎn)配合使用的固定裝置[9](見圖2)。為了與汽車安裝有更好的兼容性,國標(biāo)GB 27887—2011中對(duì)ISOFIX外形尺寸有詳細(xì)規(guī)定(見圖3)[10]。但尺寸的限制也意味著只能在有限的空間內(nèi)通過巧妙的結(jié)構(gòu)布局來增加強(qiáng)度。

圖2 ISOFIX與CRS安裝圖示

1.3 測(cè)試方法

為了便于后續(xù)的研究和方案改善,本文將ADAC中ISOFIX的受力情況簡(jiǎn)化為如下工裝:將上下工裝固定在拉力機(jī)上,ISOFIX產(chǎn)品一端固定在測(cè)試上工裝,另一端固定在測(cè)試下工裝,ISOFIX與水平面成80°夾角(見圖4)。

圖4 80°側(cè)拉工裝示意

2 試驗(yàn)與研究

2.1 ISOFIX原型樣件測(cè)試

為了獲知現(xiàn)有ISOFIX的側(cè)拉強(qiáng)度情況,先制作3套樣件,按照如上測(cè)試方式將樣件固定在拉力機(jī)上。ISOFIX的側(cè)拉強(qiáng)度力值為11 210～12 730 N(見圖5)。

圖5 原型樣件80°側(cè)拉數(shù)據(jù)

2.2 建立CAE仿真分析模型

經(jīng)過前期的調(diào)研獲知,之前有通過CAE(compater aided engineering)來快速輔助改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)的先例[11],因此,本文也在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中引入CAE軟件,建立仿真模型來同步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案。本文使用HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分、建立邊界條件和加載,LS-DYNA進(jìn)行求解計(jì)算,HyperGraph進(jìn)行結(jié)果處理,HyperView進(jìn)行動(dòng)畫處理,形成最終的仿真分析報(bào)告。

在不影響分析結(jié)果的同時(shí),為了提高CAE驗(yàn)證效率,本文對(duì)有限元模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。模型固定件只保留主要的2個(gè)ISOFIX鱷魚嘴的固定點(diǎn),運(yùn)動(dòng)件在連接件螺栓孔的中心處施加向上力以及沿y方向隨時(shí)間線性增加的位移(見圖6)。

圖6 CAE中ISOFIX工裝模型搭建

橫管和連接件使用的是一階六面體單元,尺寸是3 mm;鱷魚嘴二階四面體單元,尺寸是1 mm;橫管和鱷魚嘴之間的焊縫是二階四面體單元,尺寸是0.5 mm。模型總規(guī)模約9萬單元。ISOFIX 采用的模型材料見表1,45#鋼熱處理真實(shí)與仿真應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖7。

表1 仿真模型使用到的樣件材料

圖7 45#鋼熱處理真實(shí)與仿真應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.3 CAE分析結(jié)果

通過HyperGraph對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行提取和處理,得到如下ISOFIX拉力仿真的曲線,拉力在位移52 mm處達(dá)到最大值13 100 N(見圖8)。使用HyperView軟件進(jìn)行動(dòng)畫處理,ISOFIX鱷魚嘴在根部斷裂(見圖9)。

圖8 ISOFIX仿真結(jié)果

圖9 ISOFIX 根部斷裂圖示

通過對(duì)比CAE分析結(jié)果和ISOFIX原型樣件測(cè)試結(jié)果(見圖10)得出如下結(jié)論。

圖10 ISOFIX CAE仿真和試驗(yàn)拉力曲線對(duì)比

1)仿真的最大力約為13 100 N,實(shí)際原型樣件測(cè)試力為11 210～12 730 N。

2)仿真最大力點(diǎn)出現(xiàn)在52 mm左右,實(shí)際原型樣件測(cè)試最大力點(diǎn)為50～60 mm。

3)仿真和試驗(yàn)的力位移曲線線性段斜率基本一致。

通過CAE仿真分析與原型樣的對(duì)比測(cè)試,其誤差在理想范圍內(nèi)。

2.4 失效原因

對(duì)原型樣件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,如果鱷魚嘴2個(gè)鋼片在拉力作用下分開,那么只有1個(gè)鋼片在受力,如果鉚釘能把2個(gè)鋼片牢固地結(jié)合在一起,使2個(gè)鋼片共同受力,那么ISOFIX的強(qiáng)度會(huì)增加很多。

3 改善方案驗(yàn)證

3.1 改善方案

通過上面對(duì)模型的分析,在原型樣件上制定了2個(gè)改善方案(見圖11),改善方案匯總見表2。

表2 改善方案

圖11 改善方案圖示

3.1.1 改善方案A:加強(qiáng)現(xiàn)有鉚釘強(qiáng)度

當(dāng)側(cè)拉力增加到15 000 N時(shí),焊縫處的應(yīng)力達(dá)到1 203.0 MPa,接近材料的抗拉強(qiáng)度(見圖12)。

圖12 改善方案A的ISOFIX受力云圖

3.1.2 改善方案B:后端增加2顆鉚釘

當(dāng)側(cè)拉力增加到20 000 N時(shí),焊縫處的應(yīng)力達(dá)到12 03.7 MPa,接近材料的抗拉強(qiáng)度(見圖13)。

從上面2個(gè)模型的對(duì)比可以看出(見表3),改善方案B強(qiáng)度提高明顯,因此根據(jù)方案B進(jìn)行樣件制作和測(cè)試驗(yàn)證。

3.2 實(shí)物驗(yàn)證

依據(jù)CAE對(duì)方案B的仿真分析,本文對(duì)樣件進(jìn)行了制作和測(cè)試(見圖14)。在原型樣件基礎(chǔ)上,通過在鱷魚嘴后端單側(cè)增加2顆螺栓對(duì)鋼片進(jìn)行鎖合,同時(shí)對(duì)3個(gè)樣件進(jìn)行了側(cè)面拉力測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果表明,強(qiáng)度提升到了20 000 N左右(見圖15)。

圖15 改善方案B的實(shí)物試驗(yàn)力-位移曲線

3.3 改善前后效果對(duì)比

通過在ISOFIX后端增加2個(gè)固定點(diǎn),強(qiáng)度從改善前的12 000 N左右提升到了20 000 N左右,提升了約67%。

3.4 ISOFIX強(qiáng)度改善原因

在80°側(cè)拉中,2片鱷魚嘴直接承受拉力,ISOFIX隨著拉力的增加,變形越來越大,當(dāng)形變量達(dá)到一定時(shí),ISOFIX的測(cè)面強(qiáng)度也就到了極限強(qiáng)度。本文通過增加鉚釘?shù)臄?shù)量來增加鱷魚嘴2片殼體的固定,從而提升鱷魚嘴的強(qiáng)度,達(dá)到提高ISOFIX側(cè)面強(qiáng)度的目的。

4 結(jié)論

隨著人們對(duì)兒童出行安全意識(shí)的逐步提升,兒童約束系統(tǒng)的側(cè)面碰撞會(huì)越來越被大家所重視。本文通過對(duì)ISOFIX裝置側(cè)拉強(qiáng)度的改善研究發(fā)現(xiàn),ISOFIX上的鉚釘位置和數(shù)量對(duì)產(chǎn)品整體強(qiáng)度有很大影響。該研究可以給兒童安全座椅工程師們更好、更完善地設(shè)計(jì)ISOFIX裝置提供參考和借鑒。