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汽车座椅安全带固定点强度分析
浏览次数:105发布日期:2022-05-31
汽车座椅是汽车安全件的重要组成部分之一,它不仅可以给乘员提供支撑,还具有保护乘员避免或减少伤害的作用。汽车座椅安全带固定点试验是车辆《公告》强制性试验项目。在车辆发生碰撞事故时,如果安全带固定点强度不满足法规要求,则安全带固定点周围区域的撕裂或断裂是会造成人员伤亡。为使座椅在整车碰撞过程中起到更好的保护作用,许多座椅企业会设计高于法规标准要求的性能产品。已有不少学者利用仿真分析方法对安全带固定点强度进行了研究。邓国红等[1]采用LS-DYNA的显式求解模块分析汽车安全带固定点强度,验证了分析方法的有效性。王力等[2]应用ABAQUS软件的Explicit求解模块,完成了某轿车后排座椅安全带固定点强度仿真分析,并验证了相关试验,证明了仿真分析的有效性。曹奇等[3]通过对传统模型中单元类型,加载曲线等关键参数进行优化,提高计算仿真精度。周旺和李晶[4]针对座椅右侧滑轨强度存在不足的问题,利用LS-DYNA软件进行了安全带固定点强度仿真,并提出优化结构方案,优化后的汽车座椅满足法规要求。文中以某M1类汽车副驾座椅为例,基于前处理软件Hypermesh建立座椅的有限元模型,采用RADIOSS的显式求解模块对座椅进行安全带固定点强度仿真分析,探讨了模型的建立及失效原因的分析,并提出解决问题的改进方案,使座椅的安全带固定点强度满足法规1.2倍(载荷16200N)的要求。
安全带固定点试验方法
图1为座椅安全带固定点强度试验时力的加载示意图。根据法规GB14167—2013的要求,分别在上、下人体模块加载大小为(13500±200)N,载荷在15s内缓慢加载,保持0.5s后,在2s内继续加载至(16200±200)N,加载方向与水平线成10°±5°且沿车辆纵向中心平面向前。同时在座椅质心位置施加等同于座椅质量24倍的力,其加载方向沿车辆纵向中心平行向前并与水平线成0°±5°方向,载荷在17.5s内缓慢加载。
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仿真模型
利用有限元前处理软件Hypermesh建立如图2所示的座椅安全带固定点强度试验仿真模型。采用有限元前处理软件Hypermesh搭建有限元模型,零部件的主要网格尺寸大小为5mm。此外,在符合精度要求的条件下,针对安全带固定点的受力情况,在局部优化安全带固定点受力区域的网格。钣金件和圆管采用以四边形为主三角形为过渡的网格划分,滑轨内外槽采用六面体单元网格单元[5]。座椅各零部件之间螺栓连接采用SPRING单元进行模拟,焊接采用Rigid单元进行模拟。文中分析的座椅主要是薄板冲压件,符合LAW2材料模型。
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计算结果及分析
系统的内能和动能变化曲线如图3所示。由分析结果可得,系统动能与内能之比为0.9%,小于5%,表明了仿真结果的合理性[6]
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图4为座椅零部件最大变形图,在加载过程中座椅主要变形区域为下固定侧区域。由图4可以看出,加载至162000N时,滑轨外槽明显张开,存在拔脱的风险,导致下固定点失效。
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有研究表明:利用显式有限元分析方法求解,把应力作为参考标准会忽略一些断裂因素,通过周围的塑性应变来判断断裂情况会更加合理[7]。因此文中主要以材料的塑性应变来评判断裂情况。
座椅滑轨外槽和内槽的最大有效塑性应变云图如图5和图6所示。由图中可以看出,滑轨外槽的最大有效塑性应变为49.62%,超出材料的拉伸极限,位于外槽末端,有撕裂风险;滑轨内槽的最大有效塑性应变为46.48%,超出材料的拉伸极限,有断裂风险。不满足GB 14167—2013标准要求在试验载荷下汽车安全带不得从安装固定点处脱落[8]
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改进方案及验证
滑轨外槽的结构如图7所示,由图可以看出,因解锁机构的设计需要,位于滑轨外槽靠近固定点端存在较大的缺口,使得此处截面积减小,弱化了外槽局部的承载强度,在高载荷条件下,容易产生断裂。
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由于下固定侧的滑轨受力较大,考虑对滑轨结构进行补强优化。从设计成本、开发时间以及难易程度等方面考虑,并基于上述原因的分析结果,提出该座椅的优化方案如下:
(1)增加U型补强板,厚度为3.0mm,材质为SPFH590。
(2)增加滑轨外槽补强板,厚度为2.6mm,材质为SPFH590。
优化后的座椅结构如图8所示。
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对改进方案进行分析计算,得到滑轨外槽和内槽的最大有效塑性应变云图如图9和图10所示。由图9可以看出,滑轨外槽的最大有效塑性应变为18.61%;由图10可以看出,滑轨内槽的最大有效塑性应变为11.75%。结果均未超出材料的拉伸极限,失效风险较小,在合理范围之内。
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结合改进后的方案进行试验验证,载荷随时间变化结果如图11所示,试验过程如图12所示。试验结果表明,加载至16200N时,固定点未发生完全断裂脱落,该座椅安全带固定点能满足标准要求。同时,试验结果验证了仿真分析方法的有效性。
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结束语
文中利用Hyperworks有限元分析软件,建立安全带固定点仿真分析模型,并进行强度分析,得到原座椅的滑轨强度不足,导致下固定点失效,不能满足法规要求,并针对结构强度不足的问题进一步分析,提出改进方案。结果表明,改进方案的结构满足标准要求,同时验证了仿真分析方法的有效性。文中也说明了利用有限元分析方法可大大提高设计效率,减少试验验证次数,降低了开发成本和缩短开发时间,提高试验通过率具有重要意义。




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