22_基于RADIOSS的整体式座椅安全带固定点强度对标分析与应用

基于RADIOSS的整体式座椅安全带固定点强度对标分析与
应用
RADIOSS Correlation Analysis and Application in
Seatbelt Anchorage Part Strength Simulation
黄绪鹏杨卫化王小明
（澳汰尔工程软件（上海）有限公司上海200082）
摘要：本文参照GB-14167-2006 《汽车安全带固定点》法规相关规程，运用Altair的RADIOSS显式求解技术对某型微车后排整体式座椅进行了安全带固定点强度对标分析，并将对标后的模型用于后排整体式座椅减重优化分析。

关键字：安全带固定点对标分析整体式座椅RADIOSS
Abstract: According to GB14167-2006 requirements, the paper finished correlation analysis between seatbelt anchorage part strength simulation and test with software RADIOSS. Based on the correlation model, it made some proposals to design and optimize Body in White and seat. Key words: Seatbelt anchorage, Correlation analysis, Seat, RADIOSS
1 引言
安全带固定点强度是汽车被动安全的重要指标之一，根据GB-14167-2006《汽车安全带固定点》法规的要求，它是车辆公告试验的强制检查项目。

在设计初期，可以将CAE仿真技术应用于安全带固定点的性能分析，不仅能很大程度上节约物理试验成本，缩短产品设计周期，而且能为汽车设计部门提供准确可靠的优化设计方案。

本文将具体阐述如何运用Altair的RADIOSS显式求解技术对某型微车后排整体式座椅进行安全带固定点强度对标分析（根据试验情况优化仿真模型），获得更高计算精度的安全带固定点强度分析仿真模型。

同时，将对标后的模型用于后排整体式座椅减重优化分析。

2有限元模型的建立
本次分析模型采用HyperMesh作为前处理软件，对CAD几何模型进行建模。

应用RADIOSS 显式算法对模型进行求解。

以HyperView为后处理软件，对结果进行可视化操作和数据分析。

在对某型微车的后排整体式座椅进行安全带固定点强度分析时，由于分析区域主要在安全带固定点、座椅骨架和安装点，因此按照试验情况在整车中截取座椅、安全带及座椅附近的白车身进行建模。

如图1所示，为部分白车身和座椅模型及约束条件。

白车身截取面应远离安全带固定点，对白车身的约束方式不得对固定点或其周围部分起到加强作用，同时不得减弱构架正常的变形。

图1 白车身和座椅模型及约束条件
按照法规的要求，利用模拟织带对两侧上下人体模块施加13500N的载荷，对中间下人体模块施加22500N的载荷，方向平行于车辆纵向中心平面与水平线呈向上10°的夹角。

除此之外，还应施加一个相当于座椅总重量20倍的力，方向水平，本文中这个力的大小取5600N。

加载曲线如图2所示，从开始到80ms，缓慢加载到100%载荷，持续60ms后，为提高安全系数，按照120%载荷加载，计算时间230ms即可。

图2加载模块及加载曲线
在建模时考虑到模块和安全带之间的接触关系，在人体模块位置的安全带用2-d 单元模拟，而在其他的地方，由于不涉及到接触，可以直接用1-d 单元来模拟。

导向环由spring type12单元模拟，如图3红圈所示。

图3 安全带固定点强度有限元分析模型
在进行安全带固定点试验时，持续按照规定的力加载。

（1）锚固点周围不允许出现开裂，但是
允许出现塑性变形。

因此需要考察安全带固定点及周围区域、座椅支座等关键部件最大塑性应变，不宜超过相关材料的延伸率。

（2）试验期间，外侧座椅位置同一安全带的两个下固定点Y向距离不得小于350mm，中间座椅位置两个安全带固定点的Y向距离不得小于240mm。

（3）安全带上有效固定点应位于通过R点并垂直于车辆纵向中心平面的铅垂平面之后，且在通过C点（位于R点铅垂上方450mm）的水平面上方。

（4）在RADIOSS中焊点是通过spring type13单元模拟的，需要考察焊点的轴向力和剪切力，从而判断焊点失效的风险。

（5）通过查看仿真动画，判断座椅和白车身整体变形是否稳定。

3有限元模型的对标优化
3.1对标试验概况
为了进行有限元模型的对标分析，在进行后排整体式安全带固定点强度试验时，需要做如下工作：
（1）检查安全带固定点和周围部件的连接情况。

（2）标记关键位置的焊点。

（3）测量加载点位置。

（4）选取对标点，在试验前后测量位置。

本文中选取三个对标点。

对标位置1：左、右D柱的上固定点距离；对标位置2：右侧上固定点相对于位于B柱上的孔A的距离；对标位置3：右侧上固定点相对于位于B柱上的孔B的距离。

孔A、孔B见图4。

图4 对标点位置
3.2有限元模型的对标优化
试验与仿真工况完全按照GB-14167-2006《汽车安全带固定点》的要求进行。

通过观察试验结果，发现试验中D柱的变形模式、对标点位置和CAE结果存在差异。

因此有必要通过对标分析，优化有限元模型，使得仿真结果更加贴近实际情况，进而基于对标后的有限元模型，更有效地解决实际问题。

在对标分析时，主要从如下方向进行调整：
（1）将白车身和座椅模型更新到试验状态。

同时，将试验用白车身关键区域的焊点与CAE模型中的焊点进行比对，排除CAE模型中关键位置焊点不准确的问题。

（2）在碰撞模型中，车身的钣金件一般采用的网格单元尺寸是10mm，在局部强度计算中，这样的网格大小不太适合，所以应该把车身的钣金件特别是在安全带安装点附近的零件适当的进行细化，如D柱内板，安全带安装板，卷收器安装板等。

（3）根据试验前纪录的位置信息，调整CAE模型中人体模块的位置及加载点的位置。

同时，保持车身约束和试验一致。

将加载的力曲线调整为试验加载曲线。

（4）在CAE仿真过程中，材料参数的准确性对于仿真是否真实起着至关重要的作用。

材料参数的偏差，会导致仿真结果的不准确,本文使用的材料考虑冲压成型硬化的影响。

3.3对标结果分析
在对有限元模型进行调整之后，如图5所示，为试验和仿真回弹之后的变形图，对标仿真结果中D柱变形模式与试验结果一致性较好。

图5 D柱变形模式对比图
表1为各对标位置试验测量值和仿真值，可以看出，选取的对标位置试验结果与仿真结果相近。

表1 对标位置对比图
4后排整体式座椅安全带固定点强度分析
在对后排整体式座椅进行安全带固定点强度对标分析之后，将对标后的模型用于后排整体式座椅减重优化分析，为设计部门提供优化设计方案。

在设计优化过程中，车身部门更关注的是座椅在车身上的安装位置和安全带固定点附近区域，而座椅工程师更关注的是座椅是否达标。

一个设计成功的座椅产品需要结构合理、成本最省，同时满足各项法规要求，这只有当座椅产品和车身完美切合才能实现。

因此，在对白车身和座椅骨架做设计优化时，CAE工程师需要将两者结合起来考察。

在设计初期阶段，重点评估座椅和车身结构形式的合理性及是否满足GB-14167-2006《安全带固定点》法规要求，当这两项达标后，再进行减重优化。

在对座椅减重时，考虑到座椅同时需要满足GB15083-2006《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》法规的要求，在本文的研究中，未对座椅靠背骨架进行减重优化，减重时重点考察座椅坐垫骨架区域。

通过减少部件的厚度、优化部件结构，以及一些关键部件使用更好的材料，对座椅进行减重，达到预定的要求。

在减重过程中，发现存在脱钩或地板焊点失效的风险，如果发生这种情况，会导致座椅无法通过法规。

另外，本文研究的后排整体式座椅后脚与地板采用挂钩固定（其它车型广泛采用地板锁）如图6所示。

因此为了提高安全系数，从如下几个方面入手：
（1）将挂钩增厚；
（2）优化前脚结构，增强前脚的支撑作用，同时将白车身地板上的座椅前脚安装板起筋。

如图7所示，为座椅前脚初始结构和改进后结构。

以上两个方案使得后脚挂钩拉杆附近焊点的焊点力显著降低，降低了后脚挂钩脱钩和失效的风险。

图6 座椅后脚挂钩图7 座椅前脚改进方案
通过在HyperView中查看减重优化方案仿真结果动画，白车身和座椅变形稳定。

上下固定点位置满足法规要求。

车身和座椅关键区域的塑性应变均未超过相关材料延伸率。

关键区域焊点的焊点力未出现异常。

通过与设计部门沟通，白车身和座椅的减重优化方案均可实施，建议进行实车试验。

5结论
基于RADIOSS稳定可靠的求解性能，使得在短时间内完成了仿真模型的对标工作，并运用对标后的模型，对座椅进行了减重优化分析，同时针对后排整体式座椅后脚挂钩脱钩和地板焊点失效的风险，对白车身和座椅结构进行了优化，使其满足了GB-14167-2006《汽车安全带固定点》法规的要求。

本文再一次证明了RADIOSS求解技术在产品开发中的重要地位。

6参考文献
[1] RADIOSS, MotionSlove and OptiStruct. Altair HyperWorks 12.0 Help.
[2] 欧贺国，方献军，洪清泉等.RADIOSS理论基础与工程应用[M].北京：机械工业出版社，2013.03.。