秦軒轅 王秋鋒 李廣府

摘 要：安全帶是汽車被動(dòng)安全的重要保障措施，其固定點(diǎn)強(qiáng)度是評(píng)價(jià)汽車安全性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本文介紹了某款廂式車側(cè)圍安全帶的固定點(diǎn)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模擬仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等，為同類型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：安全帶固定點(diǎn);加強(qiáng)結(jié)構(gòu);強(qiáng)度分析;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U491.61文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）02-0061-03

The Strength Design of the Three-point Safety Belt Fixed Structure for the Rear Seats of a Van

QIN Xuanyuan WANG Qiufeng LI Guangfu

（Technology Center of Zhengzhou Nissan Automobile Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450016）

Abstract： Seat belts are an important safeguard for the passive safety of automobiles， and the strength of their anchorages is an important indicator for evaluating automobile safety. This paper introduced the strengthened structural design of the anchorage of a certain van side safety belt， in order to provide references for the same type of structural design through structural design， simulation analysis and optimum design.

Keywords： seat belt anchorage;strengthened structure;strength analysis;optimum design

隨著社會(huì)的進(jìn)步和汽車技術(shù)的飛速發(fā)展，客戶對(duì)汽車的安全性有著越來越高的要求。安全帶是保障汽車被動(dòng)安全的重要措施，其固定點(diǎn)強(qiáng)度不僅是評(píng)價(jià)汽車安全性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，也是相關(guān)國家規(guī)范中強(qiáng)制性要求的試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目。因此，車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段必須進(jìn)行安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。本文主要針對(duì)某皮卡平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)的一體車身廂式車側(cè)圍上后排安裝固定點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過有限元分析等模擬手段對(duì)設(shè)計(jì)提出優(yōu)化建議，最終達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

1 國家汽車標(biāo)準(zhǔn)的具體要求

《汽車安全帶安裝固定點(diǎn)、ISOFIX固定點(diǎn)系統(tǒng)及上拉帶固定點(diǎn)》（GB 14167—2013）（下文簡(jiǎn)稱國家標(biāo)準(zhǔn)）要求，在固定點(diǎn)承受試驗(yàn)載荷的情況下，安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度務(wù)必確保安全帶不能從安裝固定點(diǎn)位置脫落，但允許安裝固定點(diǎn)及其周圍區(qū)域產(chǎn)生永久變形或者裂紋，同時(shí)所有的安全帶固定點(diǎn)不能失效;在荷載卸載后，要確保全部座位上的乘員通過手動(dòng)操作位移裝置和鎖止裝置就能夠離開車輛。

設(shè)計(jì)階段，為了保證設(shè)計(jì)的可靠性，在一體車身廂式車的車型驗(yàn)證分析過程中，本研究均以國家標(biāo)準(zhǔn)要求加載力值的1.2倍進(jìn)行仿真分析。國家標(biāo)準(zhǔn)要求的加載力方向如圖1所示，[P1]是指通過座椅質(zhì)心水平方向，[P2]和[P3]是指水平方向向上10°。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，不同類型車輛的座椅所要求施加的荷載各有不同，具體情況如表1所示。

本研究主要是基于某款皮卡平臺(tái)開發(fā)的一體式車身M1類車型開展的，所以這里以M1類車型為例，結(jié)合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，解讀試驗(yàn)荷載加載要求及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)方法如下：針對(duì)三點(diǎn)式安全帶，在圖1所示的P2、P3方向，通過加載裝置對(duì)座椅系統(tǒng)施加（16 200±200）N的荷載。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)選型

后排座椅中間三點(diǎn)式安全帶根據(jù)不同車型，其布置結(jié)構(gòu)也不相同。一般來說，兩廂轎車缺少像三廂轎車那樣的后窗臺(tái)板，故后排中央位置安全帶卷收器一般布置在頂蓋后橫梁或者后座椅靠背上，也有一些車型將其固定在后座椅靠背下方后地板上。對(duì)于這種情況，頂蓋后橫梁總成應(yīng)該擁有很強(qiáng)的強(qiáng)度，使安全帶上固定點(diǎn)在乘員正?；蚺鲎策^程中不脫落。若卷收器固定在后座椅靠背上，其安全帶另一下固定點(diǎn)一般位于座椅下方或同樣固定在后座椅靠背上。這種安全帶固定方式要求在乘員正常使用和碰撞過程中，后座椅靠背不能產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，否則會(huì)導(dǎo)致安全帶失效，致使乘員受到傷害。

由于SUV車型同兩廂車類似，沒有后窗臺(tái)板，因此其后排中央位置安全帶卷收器布置同兩廂車型一致，一般其中一個(gè)固定點(diǎn)布置在側(cè)圍上。但是，由于SUV較兩廂車型大，其后側(cè)圍比兩廂車型長，因此其安全帶卷收器固定在后側(cè)圍后部，而安全帶上布置兩個(gè)連接件，分別同座椅上兩個(gè)帶扣相連接，組成三點(diǎn)固定。

基于廂式車側(cè)圍結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，經(jīng)與座椅開發(fā)人員共同確認(rèn)，筆者決定座椅選用鉸接式固定方案，卷收器固定在后座椅靠背上，座椅靠背骨架兩端通過鎖扣的形式固定到側(cè)圍兩側(cè);安全帶另一下固定點(diǎn)位于后地板上，因?yàn)樽慰勘彻羌芗皞?cè)圍固定點(diǎn)強(qiáng)度要求極高。

2.2 初版結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在方案設(shè)計(jì)中，本研究考慮設(shè)定較多連接結(jié)構(gòu)，將C柱加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、前后側(cè)圍等連接為一體，減少局部受力形變的風(fēng)險(xiǎn)，保證可靠性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，C柱加強(qiáng)板通過新設(shè)安全帶鎖扣加強(qiáng)板將后側(cè)圍與前立柱焊接為一體，將所受力傳遞到前后側(cè)圍，擴(kuò)大受力部件范圍;加強(qiáng)板1與C柱加強(qiáng)板、后側(cè)圍內(nèi)板焊接在一起，有序分散受力;在側(cè)圍內(nèi)板后部設(shè)定加強(qiáng)板1與加強(qiáng)板2，加強(qiáng)板2下部焊接到安全帶鎖扣加強(qiáng)板上，將座椅安全帶鎖扣螺母貼到側(cè)圍內(nèi)板上，即形成一倒扣盒形加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，將所受力傳遞到其他部品，增強(qiáng)剛度。其間，主要構(gòu)成部品材質(zhì)及料厚如表2所示。

2.3 焊接工序

將后側(cè)圍內(nèi)板+C柱加強(qiáng)板+安全帶鎖扣加強(qiáng)板焊接起來，使其成為一體;將加強(qiáng)板2+安全帶鎖扣加強(qiáng)板+側(cè)圍內(nèi)板總成焊接到一體，如圖3所示。

2.4 有限元分析驗(yàn)證

本研究利用有限元分析法對(duì)車身安全帶強(qiáng)度進(jìn)行分析，確認(rèn)方案是否可行。有限元分析是基于結(jié)構(gòu)分析的數(shù)值分析方法，是CAD系統(tǒng)的重要組成部分，車身設(shè)計(jì)階段利用有限元分析法[1]，可以大大提高一次性設(shè)計(jì)的成功率。有限元分析通常由前處理、求解計(jì)算、后處理三部分組成。前處理是建立有限元分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，求解計(jì)算是計(jì)算機(jī)對(duì)有限元模型進(jìn)行數(shù)值求解處理，后處理是查看求解結(jié)果，方便用戶對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

有限元模型是有限元分析的前提和基礎(chǔ)，建立有限元模型是有限元分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，合理的有限元模型不僅能保證有限元分析的精度，而且可以減少計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)空間，縮短計(jì)算時(shí)間。在研究車身結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度或應(yīng)力情況的過程中，若想獲取更精確的結(jié)果，可使用車身結(jié)構(gòu)詳細(xì)模型;若想在較短時(shí)間內(nèi)得到結(jié)果，可采用簡(jiǎn)化的有限元分析模型。本文使用白車身及座椅骨架等主要受力部件詳細(xì)的結(jié)構(gòu)模型。車身及座椅骨架均采用shell單元，焊點(diǎn)、涂膠、螺栓等使用不同的單元進(jìn)行模擬。車體有限元模型如圖4所示。

2.5 分析工況輸入

根據(jù)《汽車安全帶安裝固定點(diǎn)、ISOFIX固定點(diǎn)系統(tǒng)及上拉帶固定點(diǎn)》（GB 14167—2013），分析具體工況。理論拉力為13.5 kN，實(shí)際計(jì)算給予1.2倍安全系數(shù)，則其實(shí)際拉力為16.2 kN;從受力方向看，座椅與水平面成10°角。加載時(shí)間曲線如圖5所示。

下面按照最大加載力16.2 kN，加載時(shí)間150 ms進(jìn)行有限元分析工況加載，考察車體各部位及座椅骨架靠背變形量，具體結(jié)果如圖6所示。CAE模擬分析結(jié)果表明，座椅靠背最大變形量為246 mm，變形量較大;側(cè)圍座椅鎖扣安裝點(diǎn)處局部有較大變形。

2.6 優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于初版結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析結(jié)果，對(duì)加強(qiáng)板料厚和鎖扣安裝板處焊點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后，主要構(gòu)成部品材質(zhì)及料厚如表3所示，焊點(diǎn)變更如圖7所示。

優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)安全帶鎖扣加強(qiáng)板、加強(qiáng)板1和加強(qiáng)板2的料厚進(jìn)行加大，安全帶鎖扣加強(qiáng)板與側(cè)圍內(nèi)板之間增加四個(gè)焊點(diǎn)。下面再進(jìn)行一次有限元CAE分析，具體結(jié)果如圖8所示。

CAE分析結(jié)果顯示，加載過程中，未見結(jié)構(gòu)失效、撕裂等變形模式發(fā)生;結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，安全帶上固定點(diǎn)位移減小82 mm，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求;同樣，固定點(diǎn)強(qiáng)度也可以滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論

安全帶作為最重要的被動(dòng)安全手段之一，是現(xiàn)代汽車安全設(shè)計(jì)及應(yīng)用中至關(guān)重要的一環(huán)。本文結(jié)合某款皮卡平臺(tái)開發(fā)的一體式車身廂式車，對(duì)側(cè)圍安全帶固定點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大限度地利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，結(jié)合仿真手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以更好地提升汽車被動(dòng)安全性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]王彥偉，鄭英.有限元法在車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2001（5）：42-43.