随着经济水平的不断提高，拥有汽车产品的消费者越来越多，消费者对汽车产品的质量、安全也更加关注。在汽车被动安全中最重要的安全产品之一就是安全带，它的正常工作，特别是在一些极端工况下能保证其安全的功能显得非常重要。本文通过静态、动态仿真技术和辅助实验检验的手段，极大提高了某产品安全带在极端工况下的工作性能，为其它零部件的开发、优化设计提供了借鉴。
标签：安全带;正常工作;极端工况;可靠性
0引言
汽车被动安全技术的发展已经历了十年的发展历程，其主要包括汽车结构耐撞性和乘员约束系统两大部分。汽车结构耐撞性主要是安全车身设计。乘员约束系统主要包括方向盘、转向管柱、气囊、安全带、座椅等结构[1]。安全车身主要是在碰撞发生时压溃变形吸能，以便给乘员提供较小的减速度和足够大的乘员生存空间。乘员约束系统结构主要是在安全车身的基础上，进一步减小乘员受到的冲击，保护乘员不和车内部件发生二次碰撞，受到二次伤害。
在约束系统中，安全带是几十年前就已经发明并使用在汽车上的安全装备。安全带系统主要由安全带织带、安全带扣buckle，导向机构，卷收器等组成。安全带系统正常工作的主要条件是卷收器保持在一定的角度范围，当超过该范围，安全带织带将会被锁死。为此，我们需要做很多工作来保证卷收器在其合理的工作角度范围内。卷收器工作时角度的改变主要是由于卷收器支架本身扭转变形导致的。对照卷收器的工作原理，要保证安全带拉出角度，关键在于卷收器保持在合理范围的工作角度，为了保持卷收器的工作性能，卷收器的支架强度就显得非常重要。
本文中卷收器支架原设计虽然满足国家法规要求，但在远远严于国标的极端工况中，安全带可能会有拉出不顺利的情况产生。经分析，导致安全带拉出不顺利的主要原因就是卷收器扭转变形。因此在关键时刻，特定情况下，卷收器支架的好坏决定了整车约束系统的开发成功与否。
本文优化卷收器支架采用了新的设计理念和方法手段，极大地提高了某型号安全带卷收器的安全性和可靠性。
汽车安全带扣1有限元模型的建立及标准
本文分析中主要采用LS-DYNA的显示求解方法，一般只需要白车身和座椅。白车身的关键部分在座椅安装点的连接件，安全带安装点，座椅安装梁等，其他零部件为非关键件。本文中白车身的关键件尺寸采用平均尺寸4mm，最小网格单元尺寸不小于2mm，最大网格单元尺寸不大于6mm，梁采用平均尺寸6mm。其他非白车身关键件采用平均网格单元尺寸10mm，最小网格单元尺寸不小于8mm，最大网格单元尺寸不大于13mm。
白车身各零部件之间没有交叉、穿透，连接全部为焊点连接。焊点文件由车身相关工程师提供，焊点文件采用CSV格式，包含焊点坐标位置信息、焊接连接件信息等。各部件材料可以采用多条曲线动态材料数据，因为后面模型要做滑台仿真分析。
座椅模型需要详细建模，特别是卷收器及安全带部分，需要详细的网格模型来表征零部件的特征和几何，以便真实地表达运动过程中安全带支架等的受力情况。如果想在仿真分析中考察座椅本身的失效，座椅安装点的螺栓可以按照实际画出;也可用beam模拟，提取beam力，转换成螺栓受力，然后计算螺栓是否失效。座椅靠背的调角器刚度也主要有两种处理方式：一是，用beam模拟，然后设置beam的扭转刚度为调角器刚度;二是，详细的调角器建模，赋予模型正确的材料参数，包括材料曲线。其他部分按照座椅建模标准建立即可。
2 试验仿真方法
参考GB14167-2013《汽车安全带安装固定点、ISOFIX固定点系统及上拉带固定点》规定的要求，对座椅固定点强度进行仿真分析。
（1）模型的组成：白车身可以不安装两个前门、两个后门、一个尾门，仅仅是一个白车身。前排两个座椅同时安装，一起加载进行仿真分析。座椅应该放在不利于座椅固定点强度的最恶劣位置，同时座椅靠背角调至设计值。
（2）模型的固定方法：前固定点位置的选择应大于座椅前固定点500mm，后固定点位置的选择应远离后固定点位置300mm。在仿真分析中，固定点可以设置为前后选的mount点位置，其是汽车车身的实际固定位置。
（3）试验仿真条件：在每个座椅上分别摆放有限元的上人体模块、下人体模块。系上安全带，为节约宝贵的计算资源和时间，仿真分析的时间不必按照试验的真实时间加载，一般是从0加载到规定最大值16200N，花费80毫秒左右。在最大值时，持时80毫秒即可，整个模型的计算时间在160毫秒左右，因此是可控的、经济的。加载力的大小按照13500N加200N，即13700N进行加载。
3 优化方案
有限元模型计算结果显示卷收器支架扭轉厉害，进一步分析，卷收器支架主要受两个力，一个是腰带力的横向拉力，一个是肩带力的纵向拉力。卷收器扭转主要是由于腰带和卷首器支架共用一个安装点产生的。按照改动量最小、成本最低、投资最少的原则，进行优化设计。经过多轮的优化设计，我们到了改动最少的优化方案。在卷收器支架上增加一个孔，同时在对应的车身钣金上也增加一个孔。由于钣金和卷收器支架的更改，对应的内饰板也需要重新开模，增加和钣金对应的安装孔。这样再改动三个件，主要是孔的改变的情况，以此达到优化目的。下图1，图2是优化前后的数模。
4 优化结果
利用上面的仿真模型我们得到了较好的仿真计算结果，结果表明新设计对卷收器支架扭转变形改善明显。按照设计流程，我们按照CAE分析结果，设计出了相对应的CAD数据，及其相关的工艺文件。在一切设计完成后，我们对这几个零件进行了变参研究。最终得到了和仿真要求一样的物理样车。在物理样车之后，我们设计了滑台试验来验证优化方案的准确性。滑台试验是白车身，座椅，仪表，安全带，方向盘，仪表等组成。滑车波形参考整车碰撞波形，
并在该波形的基础上乘于1.2倍，确保试验远远严苛于实际。
从滑台试验后，卷收器支架的变形可以看出，支架的扭转变形很小，符合仿真分析的预期，达到了优化设计开发目的，极大地提高了卷收器抗扭转变形的能力，对整车约束系统在极端工况下的安全性、稳定性、可靠性有很大改善，是成功的、工程化设计方案，如图3所示。
5 结论
本文从产业实际出发，提出了高于国标设计的企业标准要求，对用户负责，提供了相应有限元模型的组成及相关标准。依照物理试验，设计出了对应的有限元模型，节约了计算资源和时间。结合工程实际和成本等因素，優化出了满足极端工况的卷收器支架，并得到物理样件=，利用滑车试验资源，自己提出相对应的加载条件，考核了设计在系统集成中的可行性，结果表明设计是成功的，在极端工况下，性能都远超国标要求，达到了设计预期和目的。本文整理出了一整套仿真分析、优化设计、试验设计、试验验证的开发流程，可为其它零部件的正向开发、优化设计提供借鉴。
参考文献
[1]胡远志，潘华，凡沙沙，等.基于模块化的约束系统高精度建模方法研究[J].重庆理工大学学报（自然科学版），2017（7）：7-17.
Abstract：With the continuous improvement of the economic level， more and more consumers have automobile products， and consumers pay more attention to the quality and safety of automobile products. One of the most important safety products in passive safety of automobiles is the seat belt. Its normal function， especially in some extreme working conditions， is very important to ensure its safety. This paper greatly improves the performance reliability of a certain product safety belt under extreme conditions through static and dynamic simulation techniques and auxiliary means of experimental inspection.
Keywords： seat belt; normal work; extreme working conditions; reliability
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