某车型安全带固定点强度对标分析及优化

谷昆仑 谷朝阳 张蓉

（1.江苏吉麦新能源车业有限公司；2.上海汽车集团股份有限公司技术中心；3.上海蔚来汽车有限公司）

安全带作为新能源乘用车被动安全中的一个重要组成部分，其安装固定装置的强度是汽车被动安全的一个重要指标，同时又是车辆上市公告试验中的强制检测项。国家法规标准GB 14167—2013 针对安全带固定点有相应的设计要求、试验办法及评价标准。法规规定：在试验过程中，持续按规定的力加载，允许固定点或周围区域发生永久变形，其中包括部分断裂或产生裂纹，但同时要求安全带不得从安装固定点脱落，且安全带上有效固定点向前的位移量须在允许的范围内[1]。传统意义上的研发流程需通过大量的试验验证设计方案的可行性，不但开发周期长，而且还增加了各项成本开支；如果借助有限元分析方法来优化改进结构，可以提高产品设计效率，缩减试验验证周期，降低研发成本等。文章基于有限元建模方法建立安全带固定点强度分析模型，通过调试模型对标试验，最后通过结构优化满足法规要求，并经过试验验证达到了预期效果。

1 试验结果分析

在进行安全带固定点强度试验过程中，发现某车型前排安全带上固定点有脱落、开裂现象。经讨论分析，总结出固定点失效的主要原因有：1）由于安全带上固定点加强板与B 柱内板贴合度不足，导致加载过程中螺栓先从加强板处脱出，如图1 所示；2）持续加载过程中螺栓持续受力，B 柱内板不足以承受持续载荷而导致螺栓从B 柱内板处脱出而失效。

图1 某车型前排安全带固定点试验失效示意图

2 有限元模型

有限元分析模型的合理简化对分析过程和分析结果的影响至关重要。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。一般应在保证计算精度的前提下，尽可能地缩短建模和求解计算的时间。

考虑到整车模型较大，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为5 mm，同时为了提高CAE 分析的精度[4]，对安全带固定点关键受力区域的网格进行细化，并使用全积分单元[5]；对白车身相关的钣金件采用壳单元建立有限元模型，焊点采用100 号材料的实体单元进行模拟，安全带固定点处的螺栓采用实体单元模拟，其余处的螺栓采用刚性单元进行模拟。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。有限元模型，如图2 所示。

图2 某车型前排安全带固定点强度有限元模型图

传统安全带建模为一维和二维安全带单元连接而成，为防止加载过程中安全带单元结合处滑脱而终止计算，因此，安全带全长采用二维安全带单元，如图3 所示。

图3 某车型前排安全带二维有限元模型图

白车身和座椅骨架材料使用弹塑性本构关系模型24 号材料模拟，其要求输入的材料曲线应为由工程应力-应变曲线转换过来的等效应力-应变曲线。为了更好地重现试验过程中发生的现象，对安全带固定点连接的零部件的材料设置失效。安全带单元使用ELEMENT_SEATBELT，材料使用MAT_SEATBELT，同时定义了安全带的厚度、安全带织带加载力与应变关系曲线、安全带织带卸载力与应变关系曲线[6-7]。

3 边界条件

分析模型要尽可能地按照试验工况进行模拟，文章对截取的白车身截面周边节点6 个自由度方向进行约束，以确保车身被完全固定。

依据GB 14167—2013 要求的试验工况，沿着规定的方向，在模型中对上、下人体模块加载13.5 kN 的载荷，载荷的方向为沿平行于汽车行驶方向（-X）且与水平面（YZ 平面）成10°角的方向；同时对座椅施加相当于座椅总成质量20 倍的载荷，方向施加在通过座椅质心，沿汽车纵向水平向前方向（-X），如图4 所示。

图4 某车型前排安全带固定点强度边界条件和载荷示意图

考虑到显式分析计算时间较长，通常为了缩短计算时间，可以通过增加模型质量和提高载荷加载速度的方法实现。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，一般要求模型质量增加不超过5%，提高载荷加载速度后的模型动能与内能的比值应尽可能小，一般要求小于2%，从而使分析更加趋近于准静态过程特性，进一步提高有限元分析的精度和模型稳定性[8-9]。

4 对标分析结果

模型经计算完毕后，首先通过有限元后处理软件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。

通过查看前排安全带车身固定点的运动状态及钣金件的有效塑性应变，发现B 柱上固定点螺栓孔周边的有效塑性应变超出材料的允许断裂伸长率为25%，且区域较大，固定螺栓有从螺栓孔处脱开的风险。固定支架被拉伸的变形量达到18 mm，如图5 所示。前排其余安全带固定点均未超出材料允许的断裂伸长率。

图5 某车型前排安全带B 柱安装点强度初始方案有限元分析云图

从分析结果可以看出，仿真分析结果较好地反映出试验支架的变形形式和失效的位置及状态。

5 结构优化

考虑在尽可能少地改变原结构基础上进行结构优化，根据以上对标模型及结果，对前排安全带固定点结构进行优化，如图6 所示。

图6 某车型前排安全带B 柱安装点加强板结构优化前后对比图

1）增加安全带上固定点加强板与B 柱内板接触面积，同时更换螺母，增大接触面积，如图6 中①所示；

2）增加安全带上固定点加强板与B 柱内板支架的焊点，增强其连接关系，如图6 中②所示；

3）改进安全带上固定点加强板结构，增加加强筋，同时将材料由原来的B201P1 改为B340LA，以提高材料强度等级，将料厚增加至1.5 mm，如图6 中③所示。

根据以上优化，重新建立模型并计算，通过计算后处理得到的应变云图，如图7 所示。结果表明，优化后的模型B 柱内板螺栓孔周边应变较低，最大值约为12%，B 柱内板及安全带固定点加强板均未超过材料的断裂伸长率，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。基于优化方案试制样件，重新进行以上试验。试验结果显示，安全带固定点有不同程度的变形，但未出现脱落或开裂现象，优化方案满足法规要求。

图7 某车型前排安全带B 柱安装点强度优化方案有限元分析云图

6 结论

文章以某车型安全带固定点强度试验结果为研究对象，通过仿真分析对标再现试验现象，然后基于对标后的模型进行优化，最终通过试验验证满足了法规要求并得出：

1）基于试验对标后的有限元模型进行的结构优化分析结果与试验的吻合度较高；

2）安全带固定点强度分析全部采用二维安全带建模，能够有效地减少分析过程的中断，提高计算效率；

3）验证了有限元分析在车身开发中的作用，对后续座椅和安全带固定点开发具有一定的参考意义。