汽车座椅安全带固定点强度分析

郑正，卢磊

广州广汽优利得汽车内饰系统研发有限公司，广东广州 511434

0 引言

汽车座椅是汽车安全件的重要组成部分之一，它不仅可以给乘员提供支撑，还具有保护乘员避免或减少伤害的作用。汽车座椅安全带固定点试验是车辆《公告》强制性试验项目。在车辆发生碰撞事故时，如果安全带固定点强度不满足法规要求，则安全带固定点周围区域的撕裂或断裂是会造成人员伤亡。为使座椅在整车碰撞过程中起到更好的保护作用，许多座椅企业会设计高于法规标准要求的性能产品。已有不少学者利用仿真分析方法对安全带固定点强度进行了研究。邓国红等采用LS-DYNA的显式求解模块分析汽车安全带固定点强度，验证了分析方法的有效性。王力等应用ABAQUS软件的Explicit求解模块，完成了某轿车后排座椅安全带固定点强度仿真分析，并验证了相关试验，证明了仿真分析的有效性。曹奇等通过对传统模型中单元类型，加载曲线等关键参数进行优化，提高计算仿真精度。周旺和李晶针对座椅右侧滑轨强度存在不足的问题，利用LS-DYNA软件进行了安全带固定点强度仿真，并提出优化结构方案，优化后的汽车座椅满足法规要求。

文中以某M1类汽车副驾座椅为例，基于前处理软件Hypermesh建立座椅的有限元模型，采用RADIOSS的显式求解模块对座椅进行安全带固定点强度仿真分析，探讨了模型的建立及失效原因的分析，并提出解决问题的改进方案，使座椅的安全带固定点强度满足法规1.2倍(载荷16 200 N)的要求。

1 安全带固定点试验方法

图1为座椅安全带固定点强度试验时力的加载示意图。根据法规GB 14167—2013的要求，分别在上、下人体模块加载大小为(13 500±200)N，载荷在15 s内缓慢加载，保持0.5 s后，在2 s内继续加载至(16 200±200)N，加载方向与水平线成10°±5°且沿车辆纵向中心平面向前。同时在座椅质心位置施加等同于座椅质量24倍的力，其加载方向沿车辆纵向中心平行向前并与水平线成0°±5°方向，载荷在17.5 s内缓慢加载。

图1 座椅安全带固定点强度试验时力的加载示意

2 仿真模型

利用有限元前处理软件Hypermesh建立如图2所示的座椅安全带固定点强度试验仿真模型。采用有限元前处理软件Hypermesh搭建有限元模型，零部件的主要网格尺寸大小为5 mm。此外，在符合精度要求的条件下，针对安全带固定点的受力情况，在局部优化安全带固定点受力区域的网格。钣金件和圆管采用以四边形为主三角形为过渡的网格划分，滑轨内外槽采用六面体单元网格单元。座椅各零部件之间螺栓连接采用SPRING单元进行模拟，焊接采用Rigid单元进行模拟。文中分析的座椅主要是薄板冲压件，符合LAW2材料模型。

图2 座椅安全带固定点强度试验仿真模型

3 计算结果及分析

系统的内能和动能变化曲线如图3所示。由分析结果可得，系统动能与内能之比为0.9%，小于5%，表明了仿真结果的合理性。

图3 系统的内能与动能变化曲线

图4为座椅零部件最大变形图，在加载过程中座椅主要变形区域为下固定侧区域。由图4可以看出，加载至162 000 N时，滑轨外槽明显张开，存在拔脱的风险，导致下固定点失效。

图4 座椅零部件最大变形图

有研究表明：利用显式有限元分析方法求解，把应力作为参考标准会忽略一些断裂因素，通过周围的塑性应变来判断断裂情况会更加合理。因此文中主要以材料的塑性应变来评判断裂情况。

座椅滑轨外槽和内槽的最大有效塑性应变云图如图5和图6所示。由图中可以看出，滑轨外槽的最大有效塑性应变为49.62%，超出材料的拉伸极限，位于外槽末端，有撕裂风险； 滑轨内槽的最大有效塑性应变为46.48%，超出材料的拉伸极限，有断裂风险。不满足GB 14167—2013标准要求在试验载荷下汽车安全带不得从安装固定点处脱落。

图5 座椅滑轨外槽最大有效塑性应变云图

图6 座椅滑轨内槽最大有效塑性应变云图

4 改进方案及验证

滑轨外槽的结构如图7所示，由图可以看出，因解锁机构的设计需要，位于滑轨外槽靠近固定点端存在较大的缺口，使得此处截面积减小，弱化了外槽局部的承载强度，在高载荷条件下，容易产生断裂。

图7 滑轨外槽结构

由于下固定侧的滑轨受力较大，考虑对滑轨结构进行补强优化。从设计成本、开发时间以及难易程度等方面考虑，并基于上述原因的分析结果，提出该座椅的优化方案如下：

(1)增加U型补强板，厚度为3.0 mm，材质为SPFH590。

(2)增加滑轨外槽补强板，厚度为2.6 mm，材质为SPFH590。

优化后的座椅结构如图8所示。

图8 优化后的座椅结构

对改进方案进行分析计算，得到滑轨外槽和内槽的最大有效塑性应变云图如图9和图10所示。由图9可以看出，滑轨外槽的最大有效塑性应变为18.61%;由图10可以看出，滑轨内槽的最大有效塑性应变为11.75%。结果均未超出材料的拉伸极限，失效风险较小，在合理范围之内。

图9 滑轨外槽最大有效塑性应变云图

图10 滑轨内槽最大有效塑性应变云图

结合改进后的方案进行试验验证，载荷随时间变化结果如图11所示，试验过程如图12所示。试验结果表明，加载至16 200 N时，固定点未发生完全断裂脱落，该座椅安全带固定点能满足标准要求。同时，试验结果验证了仿真分析方法的有效性。

图11 载荷随时间变化结果

图12 试验过程

5 结束语

文中利用Hyperworks有限元分析软件，建立安全带固定点仿真分析模型，并进行强度分析，得到原座椅的滑轨强度不足，导致下固定点失效，不能满足法规要求，并针对结构强度不足的问题进一步分析，提出改进方案。结果表明，改进方案的结构满足标准要求，同时验证了仿真分析方法的有效性。文中也说明了利用有限元分析方法可大大提高设计效率，减少试验验证次数，降低了开发成本和缩短开发时间，提高试验通过率具有重要意义。