基于某新能源车后排安全带固定点强度的车身局部结构优化

2020-11-23农天武黄惠星吴磊黄志杰

广西科技大学学报 2020年4期

农天武黄惠星吴磊黄志杰

摘要：基于某新能源车安全带固定点法规GB14167—2013试验所出现的失效问题，采用LS-DYNA搭建仿真模型，并通过试验仿真对标证明了仿真模型的可靠性;然后进行结构优化，获得了一个满足各方要求的优化方案;最后将优化方案带入实车验证，获得了与仿真结果一致的结论.

关键词：安全带固定点;LS-DYNA;仿真对标;结构优化

中图分类号：U491.61 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.04.015

0 引言

汽车已成为人们出行中的主要代步工具，汽车安全问题也越来越受到人们的关注.为此，国家相关部门也在逐步完善相关汽车的安全法规.其中法规GB14167—2013针对汽车安全带固定点的设计、试验方法和评价标准提出了具体的要求.法规要求：在规定时间内按规定的力持续加载，允许固定点或周围区域有永久变形甚至产生裂纹或断裂，但是安全带不得从安装固定点脱落，并且上部有效固定点向前移位不得超过允许的范围[1].

任何车辆必须通过该法规所规定的公告试验方可上市.本文针对某款正开发的新能源乘用车后排座椅安全带固定点公告试验失效情况，使用显式有限元分析方法，参照GB14167—2013的试验要求搭建有限元模型进行安全带固定点有限元仿真对标分析，并结合分析结果提出结构优化方案.

1 问题描述

某新能源汽车在进行安全带固定点公告试验时，后排55分座椅的安全带固定点所在的左、右侧D柱折弯，如图1、图2所示.加载力未达到法规规定值，如图3、图4所示，加载力未达到法规规定值导致试验未能满足GB14167—2013要求.

经对试验结果进行分析，得出结论：

1）存在焊点撕裂的情况，但未出现大面积撕裂，焊点布置合理.

2）左右侧D柱折弯，导致试验力未加载到最大值是试验未能通过法规要求的主要原因，需要对D柱区域进行结构优化.

2 试验仿真对标

针对上述公告试验中所出现的问题，搭建试验仿真对标模型，通过有限元仿真分析手段对其结构进行优化，使其通过公告试验.

在有限元计算中，科学合理的模型化是仿真计算成功与否的关键.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[2].一般应在保证计算精度的前提下，为了提高工作效率尽可能缩短建模和求解计算的时间[3].参考法规规范和试验具体实施情况搭建有限元仿真模型，包含：车身模型（如图5所示）、座椅模型如（图6所示）、人体模块及安全带模型如（图7所示）.

2.1 搭建有限元计算模型

1）在hypermesh软件中导入车身部门提供的UG数据模型，按照建模规范要求对于所涉及的车身和座椅骨架进行几何网格划分，确保模型网格正交性好，无网格交叉和渗透[4].

2）根据车身及座椅工程师提供的部件钣金厚度及材料牌号信息对车身和座椅骨架进行材料属性的定义.为保证计算精度及计算效率，座椅安装孔区域、安全带安装孔区域和座椅骨架等关键区域采用16#全积分定义，其他部件采用2#积分定义，材料曲线为真实应力应变曲线.

3）车身焊点采用beam单元模拟，材料为MAT100材料[5];车身螺栓采用rigidbody模拟.

4）安全带采用一维和二维安全带单元连接而成，一维安全带定义为seatbelt，材料为MAT_SEATBELT，材料卡片中定义了安全带的厚度以及安全带织带加载和卸载的力与应变关系的曲线[6].二维单元安全带由shell单元模拟，材料为MAT24.

5）上、下假人模块为通用模型，采用MAT20材料模拟.

6）根据车身、座椅、假人及安全带各模块之间的实际接触情况，在仿真模型里定义相应的接触关系：包括车身钣金、座椅骨架之间的自接触、焊点与钣金间的点面接触、假人模块与安全带的面面接触、假人模块与座椅的面面接触以及20倍座椅重力加载模块和座椅间的面面接触.

2.2 载荷边界条件

仿真模型尽可能的按照试验状态进行约束.本文车身状态为截取了后半部分，对截取一侧的节点及车尾后防撞梁中间位置的节点约束其6个方向自由度.如图8所示.

按照 GB 14167—2013 法规规定：在上下假人模块施加 13 500 N的载荷，载荷方向为平行于车辆行驶且绳索与假人模块连接点水平面呈10°的方向，见图8中箭头线2标识;对于座椅上布置有安全带固定的需要额外对座椅施加沿水平向前方向相当于座椅总质量20倍的力.在仿真模型中为了考虑一定的安全裕度，按照以往分析经验对加载力放大1.2倍.即假人上下模块各施加13.5*1.2=16.2 kN;按照法规要求还需要沿水平向前施加20倍的座椅重力的载荷，本文后排座椅质量为 8.8 kg，施加载荷为8.8*9.8*20/100=1.725 kN，加载模型如图8所示.

2.3 计算结果分析

模型计算完成后，通过对计算结果进行必要检查以确保计算的准确性，其中包括：查看动画是否出現异常，模型总能量、动能、内能、接触能及沙漏能曲线是否平稳;同时，为了提高仿真的精度和稳定性，质量增加要求小于5%;为了有效地模拟准静态过程，动能与内能的比值小于2%[7].根据上述检查原则，对本次计算结果进行检查得到能量曲线如图9所示.各能量曲线平稳变化，质量增加为3.4%、小于5%，动能与内能之比为1.43%、小于2%，仿真结果符合准静态过程特性;说明仿真计算模型满足检查要求，可进行下一步的研究.

查看后排D柱区域，发现左右侧D柱中间位置出现明显折弯，安全带上安装孔位置Z方向左右侧分别往下移動了53.1 mm、51.1 mm，如图10—图11所示，与试验变形趋势基本一致，验证了仿真模型的可靠性.因此，可以采用该仿真模型进行结构优化研究.

3 结构优化

根据试验和仿真结果分析，D柱区域的折弯是导致试验未通过的主要原因.因此，本研究的优化改进方向是：通过提高D柱区域的刚度，阻止其发生折弯，使加载达到法规要求，进而通过法规试验.通过分析确定了在左右D柱腔体内各增加一个加强板的设计思路，D柱优化前、后的示意图如图12—图13所示.综合考虑质量和成本，选用DC01材料，依次设计了厚度为0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm 三个优化方案.

根据3个优化方案，重新建立仿真模型进行计算：

方案1部件采用0.6 mm厚度. 下D柱中间区域仍发生折弯，安全带上安装孔位置Z方向左右侧分别往下移动了50.8 mm、49.1 mm，如图14、图15所示，不满足要求.

方案2部件采用0.8 m厚度.D柱中间区域折弯现象得到改善，安全带上安装孔位置Z方向左右侧分别往下移动了24.8 mm、23.5 mm，如图16、图17所示，但左侧位置仍有较大变形，存在一定的风险.

方案3部件采用1.0 m厚度.D柱中间区域折弯现象得到明显改善，安全带上安装孔位置Z方向左右侧分别往下移动了19.6 mm、16.4 mm，左右侧D柱变形较小，如图18、图19所示，载荷能够加载到法规要求值，各项指标也都满足法规要求，可按照该状态造车进行实车试验.

按照方案3重新造车进行试验，最终试验满足要求.试验加载力达到法规要求值，如图20所示.对比优化后的试验与仿真结果：试验后左D柱区域变形（见图21）与仿真变形（见图22）基本一致.试验后右D柱区域变形（如图23所示）与仿真变形（如图24所示）基本一致，仿真结果与试验吻合度高.

4 结论

本文通过试验仿真对标所建立的有限元仿真模型，解决了某新能源车开发过程中安全带固定点法规试验所出现的D柱折弯所导致的试验失效的问题，并得出以下结论：

1）基于法规试验所搭建的有限元对标模型与试验结果具有较高的吻合度，可基于该仿真模型进行结构优化以解决该项试验所出现的问题.

2）本研究在考虑安全裕度和厚度合适的前提下，获得了一个满足要求的优化方案，最后通过试验验证满足法规要求.

3）本研究的建模方法和优化思路同样可应用于其他车身开发当中，以提高研发效率，降低开发成本.

参考文献

[1] 全国汽车标准化技术委员会.汽车安全带安装固定点、ISOFIX 固定点系统及上拉带固定点：GB 14167—2013[S].北京：中国标准出版社，2013.