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                                  汽車安全帶固定點失效分析及結構優化
                                  瀏覽次數:765發布日期:2022-08-01

                                  摘要:以乘用車后排安全帶固定點為對象,基于安全帶固定點強度試驗結果,通過有限元方法建立模型,簡化并調試有限元模型,進行試驗對標分析。經過對標后,有限元分析結果與試驗結果基本吻合。然后基于對標后的有限元模型對結構進行優化,提高安全帶固定點強度,提出優化方案,并通過試驗驗證,滿足法規要求。通過利用 CAE 分析技術在產品開發過程中的應用,有效找到問題原因并有針對性地加以優化,從而縮短開發周期和節約成本。


                                  關鍵詞:安全帶固定點;失效;強度分析;結構優化;有限元法


                                  安全帶作為新能源乘用車被動安全中的一個重要組成部分,其安裝固定裝置的強度作為汽車被動安全的一個重要指標,同時又是車輛上市公告試驗中的強制檢測項。GB/T 14167—2013 針對安全帶固定點有相應的設計要求、試驗辦法及評價標準,規定:在試驗過程中,持續按規定的力加載,允許固定點或周圍區域發生塑性變形,其中包括部分斷裂或產生裂紋,但同時要求安全帶不得從安裝固定點脫落,且安全帶上有效固定點向前的位移量須在允許的范圍內[1]。


                                  傳統意義上的研發流程需通過大量的試驗驗證設計方案的可行性,不但開發周期長,同時還增加了各種成本開支;如通過有限元分析來優化改進結構,不僅可以提高產品設計的效率,縮短開發周期,同時還可以縮減試驗驗證周期,降低研發成本。


                                  本研究基于純電動車型的后排座椅安全帶固定點強度試驗結果,首先通過顯式有限元分析方法建立模型,按照 GB/T 14167—2013 的試驗要求進行加載,對安全帶固定點強度進行有限元分析,調試模型對標試驗,然后根據對標結果進行結構優化,為結構設計及優化提供依據。


                                  1 試驗結果分析


                                  在進行安全帶固定點強度試驗過程中發現后排安全帶固定點脫落、開裂現象。經過總結和分析[2-4] 可知,實車試驗過程中安全帶固定點發生失效的主要原因為:


                                  1)由于中固定點螺栓孔過大,導致加載過程中中間固定支架從螺栓頭處脫出,如圖 1a、圖 1b所示;


                                  2)持續加載過程中,兩側固定點持續受力,由于強度不足無法承受更大載荷而被拉裂,如圖 1a、圖 1c 所示。


                                  圖片


                                  2 有限元模型


                                  有限元分析對模型進行合理的簡化對分析過程和分析結果的影響至關重要。針對不同的求解類型,有限元模型建立的側重點也略有差異。一般應在保證計算精度的前提下,盡可能縮短建模和求解計算的時間。


                                  考慮到整車模型較大,截取白車身部分模型,通過前處理軟件搭建有限元模型[5-6];有限元模型的零部件主要網格尺寸為 5 mm,同時為了提高有限元分析的精度[7],對安全帶固定點的關鍵受力區域的網格進行細化,并使用全積分單元[8];對白車身相關的鈑金件采用 SHELL 單元建立白車身有限元模型,焊點采用 MAT100 材料的 HEXA 單元進行模擬,安全帶固定點處的螺栓采用實體單元模擬,其余處的螺栓采用 Rigid 單元進行模擬。根據各組件之間的實際接觸情況,在仿真模型里定義相應的接觸關系,包括板件之間的自接觸、焊點與板件間的綁定、人體模塊與安全帶、螺栓與板件之間的面面接觸等[9-10]。有限元模型如圖 2所示。


                                  圖片


                                  傳統安全帶建模為 1D 和 2D 的 SEATBELT單元連接而成,本研究為防止加載過程中 1D 和2D 連接處安全帶因 1D 和 2D 結合處滑脫而終止計算,因此安全帶全長采用 2D 的 SEATBELT 單元,如圖 3 所示。


                                  圖片


                                  白車身和座椅骨架材料使用彈塑性本構關系模型 MAT24 模擬,其要求輸入的材料曲線應為由工程應力?應變曲線轉換過來的等效應力?應變曲線。為了更好地重現試驗過程中發生的現象,對安全帶固定點連接的零部件材料設置失效,對相應材料的零部件單元設置失效準則。安全帶單元使用 *ELEMENT_SEATBELT, 材 料 使 用 *MAT_SEATBELT,同時將安全帶的材料定義了安全帶的厚度、安全帶織帶的加載和卸載力與應變關系曲線[11]。


                                  3 邊界條件


                                  分析模型要盡可能按照試驗工況進行模擬,本研究對截取白車身截面邊緣單元節點 6 個自由度方向約束,以確保車身被*固定。


                                  依據 GB/T 14167—2013 的試驗工況,沿著規定的方向,在模型中對上、下人體模塊加載 13.5 kN的載荷,載荷的方向為沿平行于車輛行駛方向(X 軸負方向) 且與水平面 (YZ 平面) 呈 10°的方向;同時對座椅施加相當于座椅總成質量 20 倍的載荷,方向施加在通過座椅質心,沿車輛縱向水平向前方向 (X 軸負方向),如圖 4 所示。


                                  圖片


                                  考慮到顯式分析計算時間較長,通常為了縮短計算時間可以增加模型質量和提高載荷加載的速率。由于顯式動力學求解準靜態過程考慮模型的動態效應,因此,要求加載過程不能過快,一般要求模型質量增加不超過 5%,提高載荷加載速度后的模型動能與內能的比值應盡可能小,一般要求小于 2%,從而使分析更加趨近于準靜態過程特性,進一步提高有限元分析的精度和模型穩定性[12]。


                                  4 對標分析結果


                                  模型計算完畢后,首先通過后處理檢查零部件是否有異常運動及運動穿透情況,然后檢查動能、內能、沙漏能、質量增加等曲線是否滿足要求,確認模型計算無問題。


                                  通過查看后排安全帶車身固定點側動畫及鈑金件有效塑性應變發現,安全帶下固定點車身連接處支架從中間螺栓固定處脫開,兩側鈑金支架的有效塑性應變超出材料允許的斷后伸長率,發生失效,并從螺栓處撕裂斷開,如圖 5 所示。后排其余安全帶固定點均未超出材料允許的斷后伸長率。


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                                  從分析結果可以看出,仿真分析結果較好地反映出試驗支架的變形形式和失效的位置及狀態。


                                  5 結構優化


                                  考慮盡可能少地改變原結構基礎上進行結構優化,根據以上對標模型及結果對后排安全帶固定點結構進行以下優化:


                                  1)減小中間固定螺栓孔,由原來的 ?14 mm 改為 ?12 mm,如圖 6 中①所示。


                                  2)增大中間支架強度,將原來的方孔減小為小圓孔,如圖 6 中②所示。


                                  3)增加兩側支架強度,去除原來的開孔,增加支架厚度,如圖 6 中③所示。


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                                  根據以上優化重新建立模型并遞交計算,通過計算后處理得到的應變云圖如圖 7 所示。結果表明,優化后的模型中間螺栓未從螺栓孔處脫出,安全帶安裝支架均未超過材料的斷后伸長率,未發生材料失效,且安全系數大于 1.2。安全帶固定點強度滿足法規要求。


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                                  6 試驗驗證


                                  基于以上優化方案,進行試制樣件,重新進行試驗,驗證優化方案的可行性。試驗結果如圖 8所示。


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                                  從試驗結果可以看出,安全帶固定點有不同程度的變形,但未出現脫落或開裂現象,試驗結果和優化方案仿真結果基本一致,滿足法規要求。


                                  7 結論


                                  1)通過仿真模型的合理簡化、螺栓實體建模、提高局部網格細化、使用全積分單元、設置單元失效等一系列措施,對標安全帶固定點失效情況,結果顯示固定支架的變形情況和開裂位置與試驗結果吻合度較高,安全感固定點失效情況與試驗一致。


                                  2)基于對標模型,針對安全帶固定點等關鍵零部件的變形及失效情況,通過減小螺栓孔、增加支架厚度等方法,對存在開裂風險的部位進行加強。分析結果表明優化方案固定支架變形較小,未發生撕裂失效等現象。


                                  3)根據優化方案制作樣件,重新試驗,從試驗結果看出安全帶固定點有不同程度的變形,未出現脫落或開裂現象,試驗結果和優化方案仿真結果基本一致,優化方案滿足法規要求。


                                  4)通過利用 CAE 分析技術在車輛開發過程中的應用,可以有效找到問題原因并有針對性地加以優化,從而縮短開發周期和節約成本。



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