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汽车工业研究·季刊
2020年第3期
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……………………………………………………………………………谷昆仑郝朝利程啸
引言
随着我国汽车行业设计制造水平
和大众消费水平的不断提高，人们对整车被动安全性能的要求越来越高。安全带是汽车被动安全中的一个重要组成部分，其安装固定点的强度既是被动安全的一个关键指标，同时又是车辆公告试验强制检查项目。GB14167-2013针对安全带固定点有专门的具体的设计要求、试验方法和评价标准。法规要求：在规定的时间内，持续按规定的力加载，允许固定点或周围区域有永久变形，包括部分
断裂或产生裂纹，安全带不得从安装固定点脱落，并且上部有效固定点向
前位移不得超过允许的范围[1]。
传统的开发流程通过大量的试验反向验证设计的正确性，不仅开发周期长，还增加了设计成本；通过仿真分析来改进结构，可以提高产品设计
效率，缩短开发周期，减少试验次数，降低设计成本。
本文基于公司自主研发的某款乘用车后排座椅安全带固定点，使用显式有限元分析方法，按照GB14167-2013的试验要求加载，对安全带固定点强度进行CAE
分析，为结构设计及优化提供依据。
有限元模型
基于三维软件CATIA 完成汽车后
排座椅、安全带、假人上肢和臀部的几何建模，截取白车身部分模型，通过前处理软件搭建有限元模型[2,3]；有限元模型的零部件主要网格尺寸的大小为5mm ，同时为了提高CAE 分析的精度，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；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
图1后排安全带固定点强度有限元模型
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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[4,5]。有限元模型如图1所示。
传统安全带建模为1D 和2D SEATBELT 单元连接而成，本文为防止加载过程中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2所示。
车身和座椅钣金件材料使用弹塑性本构模型mat24来模拟，其材料曲线是由工程应力应变曲线转换过来的真实应力应变曲线。试验中主要受力部位可能会发生撕裂，为了更好地模拟试验，与固定点连接的零部件的材料设定失效。安全带单元定义为*EL⁃EMENT_SEATBELT ，材料定义为*MAT_SEATBELT ，材料卡片中定义了安全带的厚度以及安全带织带的加
载和卸载的力与应变关系的曲线。边界条件
对车身前端截取位置和后悬安装
点位置所有节点建立约束，约束6个方向自由度，以确保车身被完全约束。
按照GB14167-2013规定的试验工况，在有限元模型中对上下假人模块施加13500N 的载荷，载荷方向沿平
行于车辆行驶方向且与水平面呈10°的方向；对座椅施加相当于座椅总质量20倍的力，施加在通过座椅质心，沿车辆纵向水平向前方向。如图3所示。
考虑到显式计算时间较长，通常为了缩短计算时间可以通过增加质量和提高加载速度。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，一般要求质量增加小于5%，提高加载速度后的动能与内能之比应尽可能小，一般
控制在2%以下，使分析更加符合准静
态过程特性，从而提高仿真的精度和稳定性。
计算结果分析
模型经计算完毕后，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
a ）变形量云图
b ）塑性应变云图
图4初始方案有限元分析结果
初始方案优化方案初始方案
优化方案
图5初始方案和优化方案
图2安全带有限元模型图3边界条件和载荷
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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，最大变形量达到了90.7mm ；两侧钣金支架的最大有效塑性应变27.5%，超出材料允许的最大塑性应变25%，且超出区域较大，导致支架从螺栓处撕裂断开，如图4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。
设计方案存在的问题是安全带下固定点中间钣金件螺栓安装孔过大，结构设计相对较弱，所以导致螺栓从钣金零件脱开；同时两侧螺栓安装孔处钣金件强度不足，致使在中间安装
点脱开两侧安装板无法承受较大载荷而被拉裂失效。
结构优化
根据以上分析结果对后排安全带汽车安全带扣
固定点结构进行以下优化：
1）改进安全带下固定点（锁扣
侧）中间螺栓连接板的结构及连接方式，适当减小螺栓安装孔直径，增加材料厚度。如图5中①所示。2）改进安全带下固定点（锁扣侧）支架结构，减小开孔大小，增加支架面积以保证其强度。如图5中②
所示。
3）改进安全带下固定点（锁扣侧）两侧螺栓连接板结构，增大搭接
面积，增加材料厚度，以保证其强
度。如图5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6所示。结果表明优化后的模型中间螺栓未从螺栓孔处脱出，支架最大变形量为30.2mm ，安全带安装支架最大塑性应变9.7%，尚未超过材料的断后伸长率25%，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。
结语
本文通过运用有限元分析技术对
后排安全带固定点进行模拟，出设计的不足之处。针对后排安全带固定点存在的问题有针对性地更改加强，通过优化计算，最终满足法规要求。
针对安全带固定点计算模型经常出现的由于一维安全带和二维安全带连接滑环处滑脱而导致的计算中断问题进行优化，采用新的二维安全带建模，在保证精度前提下，提高了计算效率，节约计算优化时间。
通过利用CAE 分析技术在车辆开发过程中的应用，可以有效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。
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,2014.
[2]赵海鸥.LS-DYNA 动力分析指南[M].北京：兵器工业出版社,2003.
[3]胡远志，曾必强，谢书港.基于LS-
DYNA 和HyperWorks 的汽车安全仿真与分析[M].北京：清华大学出版社,2011.
[4]曹奇.汽车安全带固定点仿真精度研究[D].长沙：湖南大学,2012.
[5]郝文静，郭鹏程，李扬，等.安全带固定点强度仿真精度分析及过法规优化[J].现代制造工程
,
2018(4):69-75.
a ）变形量云图
b ）塑性应变云图
图6优化方案有限元分析结果
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