汽车后排安全带固定点强度有限元分析应用

汽车后排安全带固定点强度有限元分析应用

【摘 要】在汽车安全带固定点的设计中，采用hyperwork作为前后处理器及ls-dyna显式有限元方法对安全带固定点按照GB14167标准要求进行有限元仿真模拟计算，分析安全带固定点的强度，为结构设计提供依据，从而在设计阶段设计出合理的结构，以满足国标法规试验的要求。

【关键词】安全带固定点；有限元仿真；强度；hyperwork；ls-dyna

0.概述

汽车安全带固定点是汽车被动安全的重要指标之一，是车辆公告试验的强制检查项目，GB14167针对安全带固定点有专门的技术要求。 随着我国汽车技术的发展，国标的要求也逐步提高，GB14167-2006对M1类车的后排安全带固定点数量规定是3或2，GB14167-2013则更改为3；法规要求：在规定的时间内，持续按规定的力加载，则允许固定点或周围区域有永久变形，包括部分断裂或产生裂纹，安全带不得从安装固定点脱落，并且上部有效固定点向前位移不得超过允许的范围。

本文以一款SUV车型为例，在后排中间安全带新增的第三固定点的结构设计中，利用有限元前处理软件Hypermesh和ls-dyna显示有限元分析方法，按照GB14167-2013的试验要求加载，对安全带固定点的强度进行CAE分析，为结构设计提供依据。

1.有限元模型的建立

1.1车身及座椅的有限元模型

根据设计部门提供的SUV车型CATIA格式的CAD数据，在hypermesh的ls-dyna模板中读入模型，进行有限元模型的建立。考虑到模型的共用，如碰撞及模态分析等，按照大小10mm划分网格，对各安装点附近的相关零件按4mm进行细化，采用shell单元建立车身的有限元模型。考虑到计算资源，对后排安全带固定点的强度分析，根据国标规定“所有固定车辆的装置应距被测固定点前方不小于500mm或后方不小于300mm处，且不得影响构架结构”，截取车身B柱前沿截面之后的区域。截取后的模型单元数276609，节点数283891。参见图1。

X5车型的后排中间安全带下固定点都在座椅的支脚上，根据试验情况及CAE计算的精度，对座椅也进行了有限元模型的建立，网格大小按照5mm，骨架采用shell单元，坐垫采用solid单元。参见图2。

图1 车身模型 图2 座椅模型

1.2模型的连接和材料参数

车身零件是通过点焊连接在一起的，在CAE模型中根据提供的焊点数据进行整体建模，通过在hypermesh中将焊点数据导入，在1D菜单中connectors->spot选项中进行焊点的连接建模。本例中的焊点采用MAT100，SECTION_BEAM来模拟，本例未考虑焊点失效。车身 中顶盖部位的胶连接通过菜单1d->connectors->area进行建模。

车身钣金件材料采用ls-dyna中的matl24即分段线性弹塑性本构模型来模拟，材料曲线是由工程应力应变曲线转换成的真实应力应变曲线。与固定点连接的零件材料设定失效应变值，即材料模型卡片的变量EPPF。坐垫材料采用ls-dyna中的matl83来模拟。

1.3人体模块和安全带的有限元模型

用于试验的上人体模块和下人体模块在GB14167-2013的附录F中有示意图，在CAE模型建立对应的简化模型，参见图3。安全带由一维的seatbelt单元和二维shell单元组成，在ls-dyna中通过analysis页面菜单safety-〉belt-routing设置卷收器固定点和吊环的导向点。安全带模型参见图4，车身上各固定点见图5。

图3 人体模块模型 图4 安全带模型

人体模块在CAE模型中材料设置为matl20，为刚体模型。安全带材料采用实际织带在加载和卸载条件下的应力应变曲线模拟。

图5 安全带安装点

2.边界条件

CAE模型要尽可能地按照试验工况进行模拟，本例对白车身进行约束采用约束截面边缘单元所有节点的6个自由度，保证车身被完全固定。本例中先在hypermesh中建立一个set，将这些节点包含在内，然后通过建立卡片*boundary_spc_set，约束节点的各自由度。

按照GB14167-2013中的试验工况，在CAE模型中，利用模拟织带对上人体模块施加13500N±200N的载荷，对下人体模块施加13500N±200N的载荷，载荷方向沿平行于车辆行驶方向（即整车坐标系X方向）且与水平面成向上10°±5°的方向；对座椅施加相当于座椅总成质量20倍的力，载荷施加于座椅总成的重心位置，方向水平向前，参看图6。本例中先通过建立卡片*define_curve定义加载的曲线，按照平滑快速的原则加至目标值并保持0.12ms，加载曲线参看图7；在加载点建立局部坐标系，将实际加载方向定义为X方向，通过建立卡片*load_node_set指定加载点的加载力值曲线和方向。

图6 约束及加载示意图

图7 加载力值曲线

3.分析结果和试验验证

ls-dyna的显式积分方法非常适合求解各种复杂问题，本例在hypermesh中将分析模型输出成.K文件，提交ls-dyna求解计算，得到CAE仿真结果。通过hyperview后处理，首先查看仿真动画，确认车身及座椅的变形是否稳定；确定之后查看安全带各固定点处零件的塑性应变云图。

图8 地板及中间座椅支脚的塑性应变云图

图9 中间上固定点支架的塑性应变云图

以安全带中间下固定点处和中间上固定点为例，如图8和图9，最大塑性应变分别为14.5%和10.5%，本例以各处最大塑性应变小于材料断后伸长率的85%，判断不发生零件断裂失效，结构满足要求。

输出中间上固定点的位移曲线，校核是否超出法规允许的范围，本例校核满足要求。

图10 后排安全带上固定点位移曲线

经过仿真计算，可以判断安全带固定点的结构设计是可以达到国标要求，否则应优化设计，直到仿真满足要求为止，本例通过有限元仿真认为结构设计满足要求，就可以准备按gb14167-2013进行安全带固定点强度的法规试验，试验结果表明，该车后排座椅安全带固定点能满足标准的要求，固定点未发生断裂脱落。

图11 后排安全带固定点强度试验图

4.结束语

本文利用hypermesh作为前处理器，ls-dyna作为求解器的有限元分析应用模式，按照国标试验的要求，对公告试验前的车型进行仿真计算，有效地避免了盲目试验，降低了开发成本。通过实际试验的结果符合国标要求，也验证了仿真分析的有效性。也为有限元分析更多地应用到整车开发中提供借鉴。

【参考文献】

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