汽车安全带固定点失效分析及结构优化

谷昆仑 ， 谷朝阳 ， 张 蓉 ， 丁 晨

（1.江苏吉麦新能源车业有限公司，江苏 徐州 221011；2.上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201805；3.上海蔚来汽车有限公司，上海 201805）

0 引言

安全带作为新能源乘用车被动安全中的一个重要组成部分，其安装固定装置的强度作为汽车被动安全的一个重要指标，同时又是车辆上市公告试验中的强制检测项。GB/T 14167—2013针对安全带固定点有相应的设计要求、试验办法及评价标准，规定：在试验过程中，持续按规定的力加载，允许固定点或周围区域发生永久变形，其中包括部分断裂或产生裂纹，但同时要求安全带不得从安装固定点脱落，且安全带上有效固定点向前的位移量须在允许的范围内[1]。

传统意义上的研发流程需通过大量的试验验证设计方案的可行性，不但开发周期长，同时还增加了各种成本开支；如通过有限元分析来优化改进结构，不仅可以提高产品设计的效率，缩短开发周期，同时还可以缩减试验验证周期，降低研发成本。

本研究基于纯电动车型的后排座椅安全带固定点强度试验结果，首先通过显式有限元分析方法建立模型，按照GB/T 14167—2013的试验要求进行加载，对安全带固定点强度进行有限元分析，调试模型对标试验，然后根据对标结果进行结构优化，为结构设计及优化提供依据。

1 试验结果分析

在进行安全带固定点强度试验过程中发现后排安全带固定点脱落、开裂现象。经过总结和分析[2-4]可知，实车试验过程中安全带固定点发生失效的主要原因为：

1）由于中固定点螺栓孔过大，导致加载过程中中间固定支架从螺栓头处脱出，如图1a、图1b所示；

2）持续加载过程中，两侧固定点持续受力，由于强度不足无法承受更大载荷而被拉裂，如图1a、图1c所示。

图1 后排安全带固定点试验失效图Fig.1 Failure of rear seatbelt anchorage

2 有限元模型

有限元分析对模型进行合理的简化对分析过程和分析结果的影响至关重要。针对不同的求解类型，有限元模型建立的侧重点也略有差异。一般应在保证计算精度的前提下，尽可能缩短建模和求解计算的时间。

考虑到整车模型较大，截取白车身部分模型，通过前处理软件搭建有限元模型[5-6]；有限元模型的零部件主要网格尺寸为5 mm，同时为了提高有限元分析的精度[7]，对安全带固定点的关键受力区域的网格进行细化，并使用全积分单元[8]；对白车身相关的钣金件采用SHELL单元建立白车身有限元模型，焊点采用MAT100材料的HEXA单元进行模拟，安全带固定点处的螺栓采用实体单元模拟，其余处的螺栓采用Rigid单元进行模拟。根据各组件之间的实际接触情况，在仿真模型里定义相应的接触关系，包括板件之间的自接触、焊点与板件间的绑定、人体模块与安全带、螺栓与板件之间的面面接触等[9-10]。有限元模型如图2所示。

传统安全带建模为1D和2D的SEATBELT单元连接而成，本研究为防止加载过程中1D和2D连接处安全带因1D和2D结合处滑脱而终止计算，因此安全带全长采用2D的SEATBELT单元，如图3所示。

图2 后排安全带固定点强度有限元模型Fig.2 Finite element model of strength of rear seatbelt anchorage

白车身和座椅骨架材料使用弹塑性本构关系模型MAT24模拟，其要求输入的材料曲线应为由工程应力−应变曲线转换过来的等效应力−应变曲线。为了更好地重现试验过程中发生的现象，对安全带固定点连接的零部件材料设置失效，对相应材料的零部件单元设置失效准则。安全带单元使用*ELEMENT_SEATBELT，材料使用*MAT_SEATBELT，同时将安全带的材料定义了安全带的厚度、安全带织带的加载和卸载力与应变关系曲线[11]。

3 边界条件

分析模型要尽可能按照试验工况进行模拟，本研究对截取白车身截面边缘单元节点6个自由度方向约束，以确保车身被完全固定。

图3 安全带有限元模型Fig.3 Finite element model of seatbelt

依据GB/T 14167—2013的试验工况，沿着规定的方向，在模型中对上、下人体模块加载13.5 kN的载荷，载荷的方向为沿平行于车辆行驶方向(X轴负方向)且与水平面(YZ平面)呈10°的方向；同时对座椅施加相当于座椅总成质量20倍的载荷，方向施加在通过座椅质心，沿车辆纵向水平向前方向(X轴负方向)，如图4所示。

图4 边界条件和载荷Fig.4 Boundary condition and loads

考虑到显式分析计算时间较长，通常为了缩短计算时间可以增加模型质量和提高载荷加载的速率。由于显式动力学求解准静态过程考虑模型的动态效应，因此，要求加载过程不能过快，一般要求模型质量增加不超过5%，提高载荷加载速度后的模型动能与内能的比值应尽可能小，一般要求小于2%，从而使分析更加趋近于准静态过程特性，进一步提高有限元分析的精度和模型稳定性[12]。

4 对标分析结果

模型计算完毕后，首先通过后处理检查零部件是否有异常运动及运动穿透情况，然后检查动能、内能、沙漏能、质量增加等曲线是否满足要求，确认模型计算无问题。

通过查看后排安全带车身固定点侧动画及钣金件有效塑性应变发现，安全带下固定点车身连接处支架从中间螺栓固定处脱开，两侧钣金支架的有效塑性应变超出材料允许的断后伸长率，发生失效，并从螺栓处撕裂断开，如图5所示。后排其余安全带固定点均未超出材料允许的断后伸长率。

图5 初始方案有限元分析结果Fig.5 Finite element analysis result of initial structure

从分析结果可以看出，仿真分析结果较好地反映出试验支架的变形形式和失效的位置及状态。

5 结构优化

考虑尽可能少地改变原结构基础上进行结构优化，根据以上对标模型及结果对后排安全带固定点结构进行以下优化：

1）减小中间固定螺栓孔，由原来的φ14 mm改为φ12 mm，如图6中①所示。

图6 初始方案和优化方案Fig.6 Initial structure and improved structure

2）增大中间支架强度，将原来的方孔减小为小圆孔，如图6中②所示。

3）增加两侧支架强度，去除原来的开孔，增加支架厚度，如图6中③所示。

根据以上优化重新建立模型并递交计算，通过计算后处理得到的应变云图如图7所示。结果表明，优化后的模型中间螺栓未从螺栓孔处脱出，安全带安装支架均未超过材料的断后伸长率，未发生材料失效，且安全系数大于1.2。安全带固定点强度满足法规要求。

图7 优化方案有限元分析结果Fig.7 Finite element analysis result of improved structure

6 试验验证

基于以上优化方案，进行试制样件，重新进行试验，验证优化方案的可行性。试验结果如图8所示。

从试验结果可以看出，安全带固定点有不同程度的变形，但未出现脱落或开裂现象，试验结果和优化方案仿真结果基本一致，满足法规要求。

7 结论

图8 优化方案试验验证Fig.8 Validation test of improved structure

1）通过仿真模型的合理简化、螺栓实体建模、提高局部网格细化、使用全积分单元、设置单元失效等一系列措施，对标安全带固定点失效情况，结果显示固定支架的变形情况和开裂位置与试验结果吻合度较高，安全感固定点失效情况与试验一致。

2）基于对标模型，针对安全带固定点等关键零部件的变形及失效情况，通过减小螺栓孔、增加支架厚度等方法，对存在开裂风险的部位进行加强。分析结果表明优化方案固定支架变形较小，未发生撕裂失效等现象。

3）根据优化方案制作样件，重新试验，从试验结果看出安全带固定点有不同程度的变形，未出现脱落或开裂现象，试验结果和优化方案仿真结果基本一致，优化方案满足法规要求。

4）通过利用CAE分析技术在车辆开发过程中的应用，可以有效找到问题原因并有针对性地加以优化，从而缩短开发周期和节约成本。