汽车座椅安全带锚固定点强度分析

周旺，李晶

(西安工程大学机电工程学院，陕西西安 710600)

0 引言

汽车座椅不仅是用来支撑乘员身体使其具有一定的舒适性，在汽车被动安全中也起到保护成员避免或减少伤害的作用[1]。汽车座椅安全带固定点强度作为衡量汽车被动安全的一个重要指标，汽车座椅安全带固定点试验是车辆《公告》强制性要求的试验项目[2]。GB 14167-2013《汽车安全带安装固定点、ISOFIX固定点系统及上拉带固定点》[3]中明确了安全带固定点试验的方法和评判标准。

在产品开发前期，可以通过计算机建立座椅有限元分析模型，按照真实试验条件摆放和加载进行求解计算，得到仿真试验模拟动画、位移、塑性变形等参数。肖永富等[4]比较了显式分析与隐式分析的特点，得出显式分析更加适用于座椅安全带固定点强度试验仿真的结论。赵波等人[5]对汽车座椅上的调角器进行了设计，同时使用软件HyperWorks进行仿真分析，提升了座椅的安全性。 Y M TANG等[6-7]将CAE分析软件仿真模拟与真实试验进行对标，其结论表明：CAE分析软件仿真模拟与真实试验结果高度吻合，说明计算机仿真对试验具有一定的参考意义。R KUMAR等[8-10]利用有限元仿真软件分析某座椅，提出通过新增零件、增加厚度、变更材料等措施来优化座椅强度，虽然满足要求，但是这样不仅使座椅质量增加，新增件更是增加冲压模具费用，增加零件厚度或更改材料也使座椅生产成本提升。本文作者以某汽车主驾电动八项可调节座椅为例，基于强大的前处理软件ANSA建立座椅的有限元模型，节省大量网格划分等繁杂的前处理时间；以及通过在工程界得到广泛应用、被公认为是最佳的显式分析软件LS-DYNA进行求解计算，提出一种改变支架机构、提升座椅强度的方案，达到满足强度的要求。

1 GB 14167-2013法规解读

1.1 试验方法

依据GB 14167-2013《汽车安全带安装固定点、ISOFIX固定点系统及上拉带固定点》，利用有限元建模软件，将假胸、整椅、安全带、假臀按图1所示位置摆放。对假胸用钢丝绳施加向上角度为10°的力，加载13 500 N的力；对假臀用钢丝绳向上角度为10°加载20倍的整椅重力。在t=1.5 s时加载力达到13 500 N并保持0.5 s。

图1 试验摆放方法

1.2 评判标准

安全带通过的两个下方固定点J1、J2在座椅横向的距离D1需要大于350 mm。座椅的横向中心应该位于点J1、J2之间，同时满足距离D2不能小于120 mm，如图2所示。允许上方的安全带固定点的周围区域有发生塑性变形的现象，包括部分断裂或者局部区域产生裂纹，但所有安全带的固定点不能使其失效。通过各个部件的材料塑性变形百分比来判断部件是否失效。各材料参数经验值见表1。

图2 位移评判标准表1 材料参数

元件材料屈服强度/MPa塑性变形百分比/%钢丝20钢24513圆管Q34542716钣金件QSTE50065318滑轨CR98078120

2 建立座椅有限元模型求解

座椅主要由如图3所示的滑轨、钣金件、圆管、钢丝、标准件螺栓、发泡体等组成。

图3 座椅主要组成

通过ANSA软件将钣金件和圆管划分成三角形和四边形组成的薄壳单元(*ELEMENT_SHELL)，积分类型选用Type16全积分壳单元，其中三角形的数量不超过总数的5%；钢丝与螺栓划分成梁单元(*ELEMENT_BEAM)，积分类型选用Type2 Belytschko-Schwer合力梁；焊缝使用刚性单元(*ELEMENT_RIGID)；发泡体划分成四面体单元(*ELEMENT_SOLID)，积分类型选用Type2全积分S/R体单元。初始穿透可能造成计算过程中能量异常现象，非正常的自由边界可能造成部件局部应力过大，重复单元可能导致异常终止计算，网格单元尺寸过小会使求解时间过长。调整单元，消除初始穿透和非正常的自由边界以及保证无重复单元。三角形和四边形单元长度控制在2～8 mm之间，其中四边形的歪斜度(Skew)小于42，长宽比(Aspect)小于4.5，翘曲度(Warpage)小于16，雅克比(Jacobian)大于0.65。四面体单元尺寸控制在10～20 mm之间，坍塌比(Tet Collapse)大于0.28。由达朗贝尔动力学原理[11]可得：

将式(2)代入式(1)后整理得到：

式(3)中：

求解式(3)，可得节点位移向量U(t+Δt)，将其代入物理、几何方程，可得对应的单元应力和应变，提交LS-DYNA软件计算。

3 分析结果

3.1 能量检查

能量正常是评判分析模型的一个重要条件。由图4可知动能(Kinetic Energy)在t=0.9 s时达到最大值保持到t=1.2 s，然后逐步降低最终在t=1.6 s时为零。接触能(Interface Energy)未出现负值等异常。内能(Internal Energy)和全局能量(Total Energy)平滑上升在t=1.6 s时达到最大值且保持0.4 s，说明能量守恒。

图4 能量曲线

3.2 位移、塑变云图

求解得出距离D1为498.2 mm，距离D2为276.3 mm，符合要求。右后侧滑轨材料塑性变形由图5知最大为21.09%，超过材料极限塑性变形，存在局部撕裂的可能。

图5 右侧滑轨塑变云图

4 改进方案及优化结果

由于右后侧滑轨上方装有安全带固定件，受力较大，所以可将右后侧滑轨上方支架与右前侧滑轨上方以半弧形连为一体，避开滑轨调节齿，如图6所示，使得座椅上的安全带固定点受拉时的受力分散到滑轨前端。

图6 滑轨上支架结构变更

模型优化后再次提交计算可得到图7所示的新后右侧滑轨塑性变形云图，可知滑轨塑性变形为17.9%，低于材料极限塑性变形，失效风险控制在合理范围内。

图7 新后右侧滑轨塑变云图

5 结论

通过有限元分析软件对座椅进行安全带固定点仿真模拟，发现座椅右侧滑轨上方支架结构设计不合理，可能存在零件失效的风险。对支架零件进行了结构优化。常见的优化措施有增减零部件厚度、变更所用的材料来达到强度或减重的效果。作者通过前后支架合并为一体且巧妙避开滑轨控制爪的结构改进，并再次进行仿真模拟，座椅所有零件低于其材料极限塑性变形，满足法规要求。