某車型安全帶固定點(diǎn)分析及優(yōu)化

魏瑞，袁海龍

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230001）

引言

汽車的安全性是汽車一項(xiàng)重要的使用性能[1]，汽車的安全問(wèn)題也是當(dāng)今重要的研究領(lǐng)域之一。為此，國(guó)家也出臺(tái)了相關(guān)的法律法規(guī)對(duì)汽車的安全作出明確規(guī)定，并將汽車部分安全性能列為強(qiáng)制檢測(cè)的法規(guī)項(xiàng)。其中，安全帶作為汽車被動(dòng)安全的一個(gè)重要組成部分，其安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)必須滿足法規(guī)要求。本文以某車型作為研究對(duì)象，借助于有限元的方法對(duì)某車型的安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行分析，合理的建立模型、邊界的處理、切合實(shí)際的對(duì)比分析，優(yōu)化和改進(jìn)結(jié)構(gòu)，得到較好的效果。同時(shí)將仿真與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，得出仿真計(jì)算可以得到較好的精度，并且滿足工程實(shí)際應(yīng)用的要求。

1 分析模型的建立

合理的建立有限元模型對(duì)于分析來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，不但可以減少模型求解對(duì)計(jì)算資源的需求，減少計(jì)算時(shí)間，而且可以提高工作效率。故采用顯式計(jì)算方法[2]和部分車身模型簡(jiǎn)化建模的方法來(lái)建立安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度計(jì)算模型，從而大大的降低了建模和計(jì)算所需要的時(shí)間。同時(shí)借助于有限元分析前處理軟件 Hypermesh和 Primer建立某車型雙人座椅的安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度仿真模型。

1.1 模型的建立

某車型的白車身有限元模型采用殼單元建立，模型約有39萬(wàn)個(gè)單元，40萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[3]的規(guī)定，對(duì)加載的假人模塊施加13500N水平向上10度角的拉力，通過(guò)座椅的質(zhì)心對(duì)座椅施加20倍于座椅的重力的水平拉力，單個(gè)座椅的重量為12kg，該載荷為2400N。模型搭建如圖1所示。

圖1 安全帶固定點(diǎn)網(wǎng)格模型

1.2 邊界約束

由于模型建立截取某車型的中間部分，則需要對(duì)所截取部分兩端進(jìn)行約束，采用 MAT20材料，定義材料屬性中約束其六個(gè)自由度，同時(shí)選取被截取車身兩端部分殼單元設(shè)置為此材料，則被截取車身的兩端被約束，從而實(shí)現(xiàn)全約束。

1.3 加載函數(shù)的選取

圖2 正弦函數(shù)加載曲線

顯式分析采用時(shí)間步長(zhǎng)的計(jì)算方法，其計(jì)算時(shí)間與加載時(shí)間成正比，考慮到計(jì)算穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，在顯式計(jì)算中縮短加載時(shí)間，提高計(jì)算效率，使模型計(jì)算過(guò)程在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)完成。由于快速的加載會(huì)使模型出現(xiàn)非真實(shí)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)[4]，突變的加載會(huì)在模型中產(chǎn)生非真實(shí)的應(yīng)力波，引起模型高頻振動(dòng)。故應(yīng)慎重選擇有限元分析中加載方式，使之盡量符合準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程要求，保證快速加載下的計(jì)算結(jié)果不偏離準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)果太多。一個(gè)加載過(guò)程的特性取決于加載歷程函數(shù)和加載時(shí)間兩方面[5]。文中選用正弦函數(shù)的加載方式，保證模型加載過(guò)程中的準(zhǔn)確性。同時(shí)，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)模型建立的精度和準(zhǔn)確性，第一個(gè)指標(biāo)是安全帶上有效固定點(diǎn)的最大位移量，用來(lái)評(píng)價(jià)仿真結(jié)果相對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的精確性。第二個(gè)指標(biāo)是計(jì)算過(guò)程中的內(nèi)能和動(dòng)能等能量曲線，用來(lái)評(píng)價(jià)仿真計(jì)算過(guò)程的動(dòng)態(tài)效應(yīng)和模型建立的準(zhǔn)確性。正弦函數(shù)

加載曲線如圖2所示。

1.4 仿真計(jì)算結(jié)果

借助于Ls-dyna求解器計(jì)算出仿真模型的結(jié)果，模型計(jì)算后得到的結(jié)果顯示出座椅車身安裝點(diǎn)鈑金最大塑性變形量達(dá)到16.36%，根據(jù)材料的斷裂百分比可知，材料鈑金出現(xiàn)撕裂的現(xiàn)象。

圖3 模型計(jì)算結(jié)果

1.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)車輛的實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)實(shí)際，為了得到可以滿足法規(guī)要求的座椅支腳車身安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，提出以下優(yōu)化方案。

方案一：提升材料的材質(zhì)，而增加安裝點(diǎn)的強(qiáng)度。

方案二：在安裝點(diǎn)處增加局部?jī)?nèi)襯板。

根據(jù)方案建模計(jì)算后，計(jì)算結(jié)果顯示出方案一座椅車身安裝點(diǎn)鈑金件最大塑性變形量為14.61%，而方案二座椅車身安裝點(diǎn)鈑金件最大塑性變形量為11.49%，根據(jù)材料的斷裂百分比可知，材料并沒(méi)有出現(xiàn)鈑金撕裂的現(xiàn)象，從優(yōu)化結(jié)果說(shuō)明優(yōu)化方案的有效性。方案一和方案二均可滿足法規(guī)的要求，但是方案一實(shí)施難度較低，且成本增加比方案二成本低，故選擇方案一進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

因此，優(yōu)化方案計(jì)算結(jié)果滿足安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度法規(guī)的要求。同時(shí)在模型中對(duì)座椅支腳車身安裝點(diǎn)鈑金變形進(jìn)行測(cè)量，變形量如下表1所示。

表1 仿真計(jì)算結(jié)果

2 安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 安全帶固定點(diǎn)實(shí)車試驗(yàn)

圖中所示為某車型實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，在車輛的座椅上面按法規(guī)要求進(jìn)行試驗(yàn)。用安全帶將上部分和下部分假人模塊安置在座椅上，并在上下假人模塊施加法規(guī)要求的力，在座椅質(zhì)心水平方向施加對(duì)應(yīng)車型相應(yīng)的力，由于安全帶上固定點(diǎn)在座椅靠背上，則需要過(guò)座椅R點(diǎn)標(biāo)記出過(guò)R點(diǎn)垂直平面的位置。

圖4 安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)

試驗(yàn)施加在座椅上的力保持0.2s以上，并查看座椅靠背、安全帶上固定點(diǎn)和座椅車身安裝點(diǎn)鈑金的變形情況，試驗(yàn)結(jié)果表明，某車型的安全帶固定點(diǎn)滿足法規(guī)的要求。試驗(yàn)前和試驗(yàn)后座椅車身安裝點(diǎn)變形情況，如下表所示，通過(guò)安裝點(diǎn)的坐標(biāo)的變化得出車身鈑金的變形量。

表2 座椅支腳車身安裝點(diǎn)板件變形

2.2 仿真模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

表3 單位：mm

由試驗(yàn)座椅支腳車身鈑金件的變形結(jié)果和仿真座椅支腳車身鈑金件的變形結(jié)果對(duì)比得出如表3所示。

圖5 仿真與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

由上述對(duì)比知，由試驗(yàn)的結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比說(shuō)明了優(yōu)化方案的有效性，而圖5可以看出仿真與試驗(yàn)趨勢(shì)具有較高的吻合性，座椅安裝點(diǎn)位移量的對(duì)比說(shuō)明仿真計(jì)算方法具有較高的精度。

3 結(jié)論

對(duì)某車型的安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析優(yōu)化以及試驗(yàn)驗(yàn)證，由于標(biāo)準(zhǔn)允許塑性變形的存在，通過(guò)對(duì)比分析固定點(diǎn)的變形位移，可知有限元方法進(jìn)行安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析具有較好的精度，可以很好的滿足工程實(shí)際的要求，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)使用CAE方法分析計(jì)算可以縮短設(shè)計(jì)周期，提升優(yōu)化工作的效率，是處理設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)或性能做出快速評(píng)估的有效方法。