湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司 湖南长沙 410205
摘要：为了进行汽车安全带固定点强度分析，运用有限元分析软件Hypermesh建立白车身、座椅、安全带、人体模块有限元模型。采用LS-DYNA的显式积分法进行求解，按照国家标准设置规定的载荷，分析结构通过标准的可能性。验证了运用有限元显式积分分析汽车安全带固定点强度的方法。
关键词：汽车；安全带；固定点；强度
引言
GB14167－2013《汽车安全带固定点、ISOFIX固定点系统及上拉带固定点》规定中要求，在规定的时间内承受试验要求的载荷情况下，安全带固定点的强度必须要保证安全带不会出现脱落的情况，但允许固定点或者周围区域产生永久变形或者裂纹，且规定安全带上固定点在受力方向的位移不得超过一定的范围。本文基于此，以国内某车型为例，对安全带固定点的强度进行CAE分析，期望这些分析总结能为汽车车身正向开发提供参考依据。
1 安全带固定点实体模型
安全带固定点强度分析的第一步是建立合理的几何模型，表面上理解似乎建立与此相应的整车结构模型要好一些，但不尽然．本研究中基于：
①模型复杂、工作量大（计算机时、建模）、周期长；
②边界、载荷考虑因素多反倒不利于分析等，采用局部结构几何模型对微型货车安全带固定点强度进行了优化设计分析，大大减轻了建模和计算的工作量。在考虑与安全带固定点强度相关的驾驶室有关部件和结构之后，用CAD软件UG（Unigraphic）建立了分析腰带固定点强度的几何模型。其中：驾驶室后围-横梁几何模型由后围、上横梁板、下横梁板以及上、下横梁之间的加强板4个部件所组成．这些部件之间都是以焊接的方式相连接的。
2 有限元模型的建立
想要对安全带固定点强度进行分析，首先要创建合理的有限元模型。由于考虑到整车结构太大，计算机的配置有限，在仿真的过程中应适当的减小分析模型。白车身的有限元模型采用壳单元建立，与座椅模型、安全带系统组件、上下人体模块进行装配，白车身模型不带挡风玻璃和侧围玻璃。座椅的有限元模型由座椅骨架、调节机构、座垫组成，其中调节机构在建立有限元模型时省略。由于座椅骨架结构均是薄壁件，所以用壳单元模拟骨架；座垫为实体模型，用六面体单元创建，材料属性选择泡沫材料。座椅的模型，网格大小选择8~10mm。车辆座椅实际靠背角为25°。安全带单元采用二维壳单元，平均尺寸为12mm。按照法规要求：座椅模型处于滑轨最后端，为座椅的最不利使用位置；建立标准的上下人体模块，放置于座椅的相应位置，与安全带正确装配。整个模型共有525755个壳单元，有178951个体单元。建立的模型，主要对安全带安装位置强度，包括上固定点安装位置、卷收器安装位置、下固定点位置和插锁安装位置进行考察。
3 边界条件
3.1 约束条件
在实际的实验中，是将整个白车身固定在台架上，我们利用CAE分析的时候尽可能的模拟实验，才能保证我们的CAE分析结果的准确度。整个前排安全带固定点的分析模型是从白车身上截取出来的局部模型，将模型周边所有自由度进行约束，可以满足试验中对固定装置安装的要求（固定装置应该在距所实验的安装固定点前方500mm，或者后方300mm）。
3.2 加载
法规中对安全带安装固定点的加载方向、加载力大小和加载速度规定如下：
（1）加载方向。应沿平行于汽车纵向中心面并与水平线成10°±5°的方向向前施加负荷。
（2）加载力。对于3点式安全带，M1和N1类车辆上下两部分加载装置分别施加13.5±0.2kN的加载力。对分设于车身和座椅骨架上的安全带固定点，除了按照上述的要求加载后，同时通过座椅中心，沿水平给每一座椅叠加等于整个座椅质量20倍的力（在此款车中，座椅估计的重量是16kg，因此该载荷为3136N）。
（3）加载速度。法规规定应尽可能快地加载到法规规定的载荷值，并持续至少0.2s。本文进行的加载时间80ms，持续时间40ms。
4 CAE分析
有限元分析方法主要有显式和隐式两种计算方法。安全带固定点强度试验属于准静态问题，对于静态和准静态问题，涉及到接触不稳定和及其复杂的接触问题，很难保证迭代稳定收敛。LS-DYNA采用的是显示积分法，这种求解方式适用于各种复杂的接触问题，比较容易收敛。因此，本分析采用LS-DYNA的非线性显式分析方法进行求解。通过LS-DYNA求解，在Hyperview后处理软件中查看分析结果，安全带上固定点安装部位选用的材料为B340/590DP，材料抗拉应变位0.2。如图1所示，计算得出的应变为0.2177，安全带上固定点安装位置计算的应变超过材料的抗拉应变，故安全带上固定点安装位置强度不满足要求。
安全带下固定点安装位置的材料为B410LA，材料抗拉应变为0.16。如图2所示计算应变0.01，安全带下固定点安装位置计算的应变小于材料的抗拉应变，故安全带下固定点安装位置强度满足要求。安全带卷收器安装位置的材料为DC01，材料抗拉应变目标0.35。如图3所示计算应变为0.054，安全带卷收器安装位置计算的应变小于材料的抗拉应变，故安全带卷收器安装位置强度满足要求。安全带插锁安装位置材料为SAPH440，材料抗拉应变为0.23。如图4所示计算应变为0.205，安全带插锁安装位置计算的应变小于材料的抗拉应变，故安全带插锁安装位置强度满足要求。
综上所述，安全带上固定点（高度调节器安装位置）强度不满足要求，需要对安全带上固定点安装位置（B柱内板）进行结构改进。
图3安全带卷收器应变图 图4安全带插锁应变
5 改进方案
通常改善安全带固定点强度的方法有增大B柱厚度，或在固定点安装位置处添加加强件，或是改善安全带固定点周围部件的材料，而增加厚度会增加车辆整体的重量，改变部件材料会增加整车成本。为了控制整车的成本与车重，采用局部增加加强件来改进安全带固定点处的强度，加强件大小要能覆盖住高度调节器上的安装孔，以便能全面的焊接。考虑到成本因素，在DC01、DC04、B340/590DP、B410LA材料中，选择DC01材料节约成本，厚度选为最小的1mm。如图5所示。
对改进后的模型重新进行安全带固定点的强度分析。安全带上固定点安装位置，如图6所示计算应变为0.167，而抗拉应变为0.2，安全带上固定点安装位置计算的应变小于材料的抗拉应变，故安全带上固定点安装位置强度满足要求。将改进的模型进行求解计算后，对安全带上固定点及其他考察位置进行了应变的前后对比，对比结果如表1所示。
.png)
表1改进前后应变对比表
.png)
图5安全带上固定点改进模型图 图6改进后的安全带上固定点应变
结束语
通过CAE仿真分析可以发现，汽车B柱处的安全带固定点不满足国标要求，有开裂风险。对此处进行了改进设计，在高度调节器孔位置处增加加强件，并对改进后的结构进行CAE仿真分析。分析结果表明改进后的方案，使B柱安全带固定点处的应变大大降低，满足国标的要求。这种改进方案可以为以后实车试验提供理论依据。
参考文献
[1]汽车安全带固定点强度分析与改进[J].付景顺,路家傲. 机电产品开发与创新. 2015（06）
[2]基于LS-DYNA的汽车安全带固定点强度分析[J].廉振红. 内燃机与配件. 2020（06）
[3]确保行车安全不要忽视安全带[J]. 汽车与安全. 2017（04）
[4]汽车安全带车感性能检测系统研究[D].于文函.长春工业大学 2019
[5]汽车安全带动态性能的试验研究和数字仿真[D].金剑.吉林大学 2019