摘要：以(yǐ)乘用車(chē)後(hòu)排安(ān)全帶(dài)固定點(diǎn)為(wéi)對(duì)象，基於安全帶固定點(diǎn)強度試驗結(jié)果，通過(guò)有限元方法(fǎ)建(jiàn)立(lì)模(mó)型(xíng)，簡化並調試有限元模型，進(jìn)行(háng)試驗(yàn)對標分析(xī)。經過(guò)對(duì)標後，有限元(yuán)分析結果(guǒ)與(yǔ)試驗結果(guǒ)基(jī)本吻(wěn)合(hé)。然(rán)後基(jī)於對標後的有限元(yuán)模型對(duì)結構(gòu)進行優(yōu)化，提高(gāo)安(ān)全(quán)帶固(gù)定點(diǎn)強(qiáng)度，提出優(yōu)化方(fāng)案，並(bìng)通過試(shì)驗(yàn)驗(yàn)證(zhèng)，滿足(zú)法規要求(qiú)。通過利用 CAE 分析技(jì)術在(zài)產(chǎn)品(pǐn)開(kāi)發過(guò)程中的(dí)應用，有(yǒu)效找(zhǎo)到問(wèn)題原(yuán)因並有(yǒu)針對性(xìng)地(dì)加以(yǐ)優化(huà)，從(cóng)而縮(suō)短開(kāi)發周期和(hé)節(jié)約成(chéng)本(běn)。
關(guān)鍵詞(cí)：安全帶(dài)固(gù)定(dìng)點；失(shī)效；強度分析；結(jié)構優化；有限(xiàn)元法
安(ān)全(quán)帶作為(wéi)新能源(yuán)乘(chéng)用車(chē)被動安全中的一(yī)個重(zhòng)要組成(chéng)部分(fēn)，其(qí)安裝(zhuāng)固定裝(zhuāng)置的(dí)強度(dù)作為(wéi)汽車(chē)被(bèi)動(dòng)安全的一個(gè)重要指標，同(tóng)時(shí)又是(shì)車(chē)輛上(shàng)市(shì)公告試驗中的強製檢測(cè)項(xiàng)。GB/T 14167—2013 針(zhēn)對安(ān)全帶固定(dìng)點有(yǒu)相(xiāng)應的(dí)設計要(yào)求(qiú)，試(shì)驗(yàn)辦法(fǎ)及(jí)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，規定(dìng)：在(zài)試驗(yàn)過程(chéng)中(zhōng)，持續(xù)按(àn)規定(dìng)的力(lì)加載，允(yǔn)許固定點或周圍區(qū)域發生(shēng)塑性變(biàn)形，其中(zhōng)包括部(bù)分(fēn)斷(duàn)裂或(huò)產生裂紋(wén)，但(dàn)同(tóng)時要(yào)求安全帶(dài)不(bù)得從安裝固定點脫落，且安全帶上有效(xiào)固定點向前的位移(yí)量須在允許的範(fàn)圍(wéi)內(nèi)[1]。
傳統意義上(shàng)的(dí)研發(fā)流(liú)程需通(tōng)過(guò)大量的試驗(yàn)驗證(zhèng)設(shè)計方(fāng)案的(dí)可(kě)行(háng)性，不(bù)但(dàn)開發(fā)周期(qī)長，同時還(huán)增加了各種成(chéng)本(běn)開支；如通(tōng)過有(yǒu)限(xiàn)元分析(xī)來優(yōu)化(huà)改(gǎi)進(jìn)結(jié)構(gòu)，不(bù)僅可以(yǐ)提高產品設計的效(xiào)率，縮短(duǎn)開發周期，同時還可(kě)以縮(suō)減試驗(yàn)驗(yàn)證周期(qī)，降低研(yán)發成本(běn)。
本研究基(jī)於純電動車(chē)型的後排座(zuò)椅安全帶固定(dìng)點強(qiáng)度(dù)試驗結果(guǒ)，首(shǒu)先通過(guò)顯式有(yǒu)限(xiàn)元分析(xī)方(fāng)法(fǎ)建(jiàn)立模型(xíng)，按(àn)照 GB/T 14167—2013 的(dí)試(shì)驗(yàn)要(yào)求(qiú)進行(háng)加載，對安全(quán)帶(dài)固定點強度進(jìn)行有限(xiàn)元分(fēn)析，調(tiáo)試(shì)模型對標(biāo)試驗(yàn)，然後(hòu)根據(jù)對(duì)標結(jié)果進(jìn)行結構優(yōu)化，為(wéi)結(jié)構設(shè)計及優化提供依(yī)據。
1 試驗(yàn)結果(guǒ)分析
在(zài)進行(háng)安全帶(dài)固定(dìng)點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)過程中發現(xiàn)後排(pái)安全帶(dài)固定(dìng)點脫落，開裂現象(xiàng)。經過(guò)總結和(hé)分析[2-4] 可知(zhī)，實車試(shì)驗過程中(zhōng)安全(quán)帶固定(dìng)點發(fā)生(shēng)失(shī)效的(dí)主要原(yuán)因(yīn)為：
1）由(yóu)於中固定點螺栓孔(kǒng)過大，導致加載(zǎi)過程(chéng)中中間固(gù)定支架(jià)從(cóng)螺栓頭處脫出，如圖 1a，圖(tú) 1b所(suǒ)示；
2）持(chí)續(xù)加載(zǎi)過程(chéng)中，兩側固定點持(chí)續受(shòu)力，由於強(qiáng)度(dù)不(bù)足(zú)無法(fǎ)承受更大載(zǎi)荷而(ér)被(bèi)拉(lā)裂(liè)，如圖 1a，圖 1c 所示。
2 有限元模型
有限元(yuán)分析對模型進行合理的簡(jiǎn)化對分析(xī)過程(chéng)和分(fēn)析(xī)結果的影(yǐng)響至(zhì)關(guān)重要。針對不同的(dí)求(qiú)解類(lèi)型，有(yǒu)限(xiàn)元(yuán)模(mó)型建(jiàn)立的(dí)側重點(diǎn)也(yě)略(lüè)有(yǒu)差異(yì)。一(yī)般(bān)應(yīng)在保(bǎo)證計算(suàn)精(jīng)度的前提下(xià)，盡可能(néng)縮(suō)短(duǎn)建模(mó)和求解(jiě)計(jì)算的時間。
考慮到整(zhěng)車模型較大，截取白車(chē)身(shēn)部(bù)分模(mó)型(xíng)，通(tōng)過前(qián)處(chǔ)理(lǐ)軟(ruǎn)件(jiàn)搭建有限(xiàn)元模(mó)型(xíng)[5-6]；有(yǒu)限元(yuán)模型的(dí)零部件主(zhǔ)要(yào)網格尺寸為(wéi) 5 mm，同時為了提高(gāo)有(yǒu)限元分析(xī)的(dí)精(jīng)度(dù)[7]，對安全帶(dài)固(gù)定(dìng)點(diǎn)的關(guān)鍵(jiàn)受力(lì)區域的網格進行(háng)細化，並(bìng)使用(yòng)全(quán)積分(fēn)單(dān)元(yuán)[8]；對(duì)白車(chē)身相關的鈑金(jīn)件采用 SHELL 單元建立(lì)白(bái)車身有限元(yuán)模(mó)型，焊(hàn)點(diǎn)采(cǎi)用(yòng) MAT100 材(cái)料的 HEXA 單(dān)元(yuán)進(jìn)行模(mó)擬(nǐ)，安(ān)全帶(dài)固定點處的螺栓(shuān)采(cǎi)用實(shí)體單(dān)元(yuán)模(mó)擬，其(qí)餘處的螺栓采用(yòng) Rigid 單元進行模(mó)擬。根(gēn)據(jù)各(gè)組件(jiàn)之間的實(shí)際接觸(chù)情況，在仿(fǎng)真(zhēn)模型(xíng)裏定義相(xiāng)應(yīng)的(dí)接(jiē)觸關係(xì)，包(bāo)括(kuò)板件之間(jiān)的自接(jiē)觸(chù)，焊點與板件間(jiān)的綁(bǎng)定(dìng)，人體模塊(kuài)與(yǔ)安全帶，螺(luó)栓與板(bǎn)件之間(jiān)的麵麵(miàn)接觸(chù)等(děng)[9-10]。有限元模型(xíng)如圖 2所(suǒ)示。
傳(chuán)統安全帶(dài)建模(mó)為(wéi) 1D 和 2D 的 SEATBELT單元連接而(ér)成，本(běn)研究為防止加(jiā)載過(guò)程(chéng)中 1D 和(hé)2D 連(lián)接處安全帶(dài)因(yīn) 1D 和 2D 結合處滑脫而終止計算，因(yīn)此安(ān)全(quán)帶全長(cháng)采用(yòng) 2D 的(dí) SEATBELT 單元(yuán)，如圖 3 所示(shì)。
白(bái)車(chē)身和座椅骨架材料使用(yòng)彈塑性本構(gòu)關(guān)係(xì)模(mó)型 MAT24 模擬，其(qí)要求(qiú)輸入(rù)的(dí)材(cái)料曲綫應為由工(gōng)程應(yīng)力−應變曲綫轉(zhuǎn)換(huàn)過(guò)來的等(děng)效應力−應變(biàn)曲綫(xiàn)。為(wéi)了更(gēng)好(hǎo)地重現試(shì)驗過(guò)程中發生(shēng)的(dí)現象，對安全帶固定點(diǎn)連(lián)接的零(líng)部(bù)件(jiàn)材料設(shè)置(zhì)失(shī)效，對(duì)相(xiāng)應材料的零(líng)部件單(dān)元(yuán)設置失(shī)效(xiào)準(zhǔn)則。安全帶單(dān)元(yuán)使用 *ELEMENT_SEATBELT， 材 料 使(shǐ) 用(yòng) *MAT_SEATBELT，同時將安全(quán)帶的(dí)材料定(dìng)義(yì)了安全(quán)帶(dài)的厚(hòu)度，安全帶(dài)織帶(dài)的(dí)加(jiā)載(zǎi)和(hé)卸(xiè)載力與應變(biàn)關係(xì)曲綫[11]。
3 邊界條(tiáo)件
分析(xī)模型(xíng)要盡(jìn)可能按照試(shì)驗工況進(jìn)行模(mó)擬，本(běn)研究對截(jié)取(qǔ)白車(chē)身截麵邊緣(yuán)單元節點 6 個自(zì)由度方(fāng)向約束(shù)，以確保車身(shēn)被*固(gù)定(dìng)。
依據 GB/T 14167—2013 的試驗工況(kuàng)，沿著(zhuó)規(guī)定(dìng)的方向，在(zài)模型(xíng)中(zhōng)對上(shàng)，下人體模(mó)塊(kuài)加載 13.5 kN的(dí)載(zǎi)荷，載荷(hé)的方(fāng)向為沿平行於車(chē)輛行駛方(fāng)向(X 軸負(fù)方向(xiàng)) 且與(yǔ)水平(píng)麵(miàn) (YZ 平麵(miàn)) 呈(chéng) 10°的方向；同時對(duì)座(zuò)椅施加(jiā)相(xiāng)當於座椅(yǐ)總成質量(liáng) 20 倍的(dí)載(zǎi)荷(hé)，方向施加在通過座椅(yǐ)質心(xīn)，沿車輛縱向(xiàng)水(shuǐ)平(píng)向前方(fāng)向(xiàng) (X 軸負方(fāng)向(xiàng))，如圖 4 所(suǒ)示(shì)。
考慮到(dào)顯式(shì)分析計(jì)算時間(jiān)較長，通常(cháng)為(wéi)了縮短計算(suàn)時(shí)間可(kě)以增(zēng)加模型(xíng)質量和提(tí)高載荷加載(zǎi)的速(sù)率。由(yóu)於顯(xiǎn)式(shì)動力(lì)學求解準靜態過(guò)程考慮(lǜ)模(mó)型(xíng)的動(dòng)態效應，因(yīn)此，要求加(jiā)載(zǎi)過(guò)程(chéng)不能過快，一(yī)般要求(qiú)模型(xíng)質量(liáng)增加(jiā)不(bù)超過 5%，提(tí)高(gāo)載(zǎi)荷加載(zǎi)速(sù)度後的模(mó)型動(dòng)能與(yǔ)內(nèi)能(néng)的比(bǐ)值應盡可能小(xiǎo)，一般(bān)要求小於 2%，從而使分析更加趨近於準(zhǔn)靜(jìng)態(tài)過(guò)程(chéng)特性，進一步(bù)提(tí)高(gāo)有(yǒu)限元分析(xī)的精(jīng)度(dù)和(hé)模型(xíng)穩定(dìng)性[12]。
4 對(duì)標分(fēn)析(xī)結果
模(mó)型計算完畢後，首(shǒu)先通過後處理(lǐ)檢查零部(bù)件是(shì)否有(yǒu)異(yì)常運動及運動(dòng)穿透情(qíng)況(kuàng)，然後(hòu)檢(jiǎn)查動能(néng)，內能(néng)，沙(shā)漏能，質量增加等曲(qū)綫(xiàn)是否(fǒu)滿足要(yào)求，確(què)認模型計算(suàn)無(wú)問題(tí)。
通過查(chá)看後排(pái)安(ān)全(quán)帶(dài)車(chē)身(shēn)固(gù)定(dìng)點(diǎn)側(cè)動畫及鈑金件有效(xiào)塑性(xìng)應(yīng)變(biàn)發現(xiàn)，安全(quán)帶(dài)下(xià)固定點車身(shēn)連(lián)接處支架(jià)從(cóng)中(zhōng)間螺栓固(gù)定處脫開，兩側鈑(bǎn)金(jīn)支(zhī)架的有效(xiào)塑性應變(biàn)超(chāo)出(chū)材料(liào)允許的(dí)斷(duàn)後(hòu)伸長率(shuài)，發生失(shī)效(xiào)，並從螺(luó)栓處(chǔ)撕裂斷開，如(rú)圖 5 所示(shì)。後(hòu)排其(qí)餘(yú)安全(quán)帶固(gù)定點(diǎn)均(jūn)未超(chāo)出(chū)材料(liào)允許(xǔ)的斷後伸長率。
從分析(xī)結果(guǒ)可以看出，仿真分析(xī)結果較好(hǎo)地(dì)反(fǎn)映(yìng)出試(shì)驗支架的變形(xíng)形式和失(shī)效的(dí)位(wèi)置及狀(zhuàng)態。
5 結構優化(huà)
考慮(lǜ)盡(jìn)可能少(shǎo)地改變(biàn)原(yuán)結(jié)構基(jī)礎上(shàng)進行結構優(yōu)化(huà)，根(gēn)據(jù)以(yǐ)上對標模型及(jí)結果對後(hòu)排安全帶(dài)固(gù)定點(diǎn)結(jié)構進(jìn)行(háng)以(yǐ)下(xià)優(yōu)化(huà)：
1）減小中間固定螺(luó)栓(shuān)孔，由(yóu)原來的 ϕ14 mm 改為 ϕ12 mm，如(rú)圖 6 中(zhōng)①所(suǒ)示(shì)。
2）增(zēng)大中間支架強(qiáng)度，將原(yuán)來(lái)的方孔(kǒng)減小為小圓孔(kǒng)，如(rú)圖(tú) 6 中②所示(shì)。
3）增(zēng)加(jiā)兩側支(zhī)架強度(dù)，去除(chú)原來的開(kāi)孔，增加支架厚度，如(rú)圖 6 中③所示(shì)。
根據(jù)以上優化(huà)重(zhòng)新建(jiàn)立(lì)模型並遞(dì)交計(jì)算，通過計(jì)算後處理(lǐ)得到(dào)的應變(biàn)雲圖如圖 7 所示(shì)。結(jié)果表明(míng)，優化(huà)後(hòu)的模型中間螺栓(shuān)未從螺栓(shuān)孔(kǒng)處脫出，安(ān)全帶(dài)安(ān)裝(zhuāng)支(zhī)架均(jūn)未(wèi)超過(guò)材料的斷(duàn)後伸(shēn)長率，未發生材料失(shī)效(xiào)，且安(ān)全係數大(dà)於(yú) 1.2。安(ān)全帶(dài)固(gù)定點強度(dù)滿足法(fǎ)規(guī)要求。
6 試(shì)驗(yàn)驗(yàn)證(zhèng)
基於以上(shàng)優(yōu)化(huà)方(fāng)案(àn)，進(jìn)行(háng)試(shì)製樣件(jiàn)，重(zhòng)新(xīn)進行(háng)試(shì)驗，驗證(zhèng)優(yōu)化(huà)方(fāng)案的可行性。試(shì)驗結果如圖 8所示(shì)。
從試(shì)驗結果(guǒ)可(kě)以看出(chū)，安(ān)全帶固定點有不同程度的變形(xíng)，但未(wèi)出(chū)現脫落或(huò)開(kāi)裂(liè)現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果和優(yōu)化方(fāng)案(àn)仿真(zhēn)結果(guǒ)基(jī)本(běn)一(yī)致(zhì)，滿足法(fǎ)規要(yào)求(qiú)。
7 結論
1）通過仿真模(mó)型(xíng)的合(hé)理(lǐ)簡化，螺栓實體建(jiàn)模，提高(gāo)局(jú)部(bù)網格細化(huà)，使(shǐ)用(yòng)全積分(fēn)單(dān)元，設(shè)置(zhì)單(dān)元失(shī)效等一係列措施，對標(biāo)安全帶(dài)固定點(diǎn)失(shī)效(xiào)情況，結(jié)果(guǒ)顯(xiǎn)示固定支(zhī)架的變形(xíng)情況和(hé)開裂位(wèi)置(zhì)與試(shì)驗結(jié)果吻(wěn)合(hé)度較高，安全感(gǎn)固(gù)定點(diǎn)失效(xiào)情況與(yǔ)試驗一(yī)致。
2）基於(yú)對(duì)標模型(xíng)，針(zhēn)對(duì)安(ān)全(quán)帶固(gù)定點(diǎn)等(děng)關鍵(jiàn)零部件(jiàn)的變形(xíng)及(jí)失效情(qíng)況，通(tōng)過減(jiǎn)小(xiǎo)螺栓孔(kǒng)，增(zēng)加支架厚度等方法，對(duì)存在(zài)開裂(liè)風險(xiǎn)的部位進(jìn)行(háng)加(jiā)強。分(fēn)析結果(guǒ)表明(míng)優(yōu)化方案(àn)固(gù)定支架變形(xíng)較(jiào)小，未發生(shēng)撕(sī)裂(liè)失效等現象。
3）根據(jù)優化方案製(zhì)作(zuò)樣件，重新試驗，從試驗結(jié)果(guǒ)看出(chū)安全帶(dài)固定點有不(bù)同程(chéng)度的變形，未出現脫落或開(kāi)裂(liè)現(xiàn)象(xiàng)，試(shì)驗結(jié)果和優化方(fāng)案仿(fǎng)真結果(guǒ)基(jī)本一致(zhì)，優化(huà)方(fāng)案滿足法規(guī)要求。
4）通過利用(yòng) CAE 分析技術在車(chē)輛(liàng)開(kāi)發(fā)過程中(zhōng)的(dí)應(yīng)用，可(kě)以有效找到問題(tí)原(yuán)因(yīn)並有(yǒu)針對性地加(jiā)以(yǐ)優化(huà)，從而縮(suō)短(duǎn)開(kāi)發周(zhōu)期(qī)和節(jié)約(yuē)成本。
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