ABAQUS在汽車座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析中的應(yīng)用_圖文

1、A B AQUS 在汽車座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析中的應(yīng)用 王 力, 鄭 顥,陳炳圣,楊 蔓廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院 廣州 510640摘要:本文建立了汽車白車身、座椅以及安全帶系統(tǒng)有限元模型,應(yīng)用 ABAQUS 軟件的 Explicit 求解模塊, 進(jìn)行汽車安全帶固定的強(qiáng)度分析。 然后進(jìn)行了安全帶固定點(diǎn)的相關(guān)試驗(yàn), 試驗(yàn)表明仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性, 驗(yàn)證了運(yùn)用有限元顯示積分方式分析汽車座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng) 度的方法。 該方法可以適用于類似的準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度分析, 用于分析一些規(guī)模較大的, 隱式積分 收斂比較困難的模型。關(guān)鍵詞:有限元、強(qiáng)度,安全帶,固定點(diǎn)Implementation of AB

2、AQUS in analysis of automotive seat belt anchorage strengthWang Li,Zheng Hao,Chen Bing-sheng,Yang ManGuangzhou Automobile Group Co.,Ltd Engineering Institute, Guangzhou 510640,China Abstract: The finite element model of BIW(Body in white , seat and the belt anchorage system is established. Implement

3、ing the Explicit module of ABAQUS to analyze the strength of the seat belt anchorage system. Furthermore, the test of the seat belt anchorage is carried out to validate the explicit analysis method of seat belt anchorage strength. The explicit analytical method is suitable for quasi-static strength

4、problems, especially for analyzing the models which is larger and difficult to simulate by using the implicit integration.Keywords: Finite Element, Strength, seat belt, belt anchorage0 引言汽車安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度是車輛 公告 強(qiáng)制性要求的試驗(yàn)項(xiàng)目, 汽車安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度 必須達(dá)到規(guī)定的要求。在汽車被動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)中,汽車安全帶固定點(diǎn)是一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)。 GB 14167 2006 汽車安全帶固定點(diǎn) 1中要求,在試驗(yàn)載荷下

5、,汽車安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度要求 安全帶不得從安裝固定點(diǎn)處脫落, 但是允許安裝帶固定點(diǎn)或周圍區(qū)域產(chǎn)生永久變形, 包括部 分?jǐn)嗔鸦蛘弋a(chǎn)生裂紋。應(yīng)用 CAE 技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),可以對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)。通過(guò)仿真的結(jié)果,來(lái) 指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和改進(jìn),可以優(yōu)先的提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率,減少試驗(yàn)次數(shù),降低設(shè)計(jì)成本。本 文建立了汽車白車身、座椅及安全帶的有限元模型,應(yīng)用 ABAQUS 軟件的顯示分析模塊 Explicit 分析了某汽轎車的后排座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度,為產(chǎn)品工程師提供了有效的設(shè)計(jì)參考。1 有限元模型的建立首先建立白車身有限元模型。整個(gè)白車身模型用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,共劃分 614375個(gè)單 元, 638149

6、節(jié)點(diǎn),其中四邊形單元 583838個(gè),三角形單元 30537個(gè),三角形單元占總單元 比例為 4.9%。本分析是后排安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度,因此為了提高計(jì)算效率,截取后半部分 白車身來(lái)分析。同時(shí)結(jié)合 GB 14167 2006 汽車安全帶固定點(diǎn)中的要求,截取后的白車 身約束點(diǎn)與安全帶固定點(diǎn)之間的距離不小于 500mm 。如圖 1所示。 圖 1 截取后白車身模型示意圖建立座椅有限元模型。 本分析主要是研究安全帶固定的強(qiáng)度, 因此座椅采用簡(jiǎn)化有限元 模型即可 2。圖 2所示是本分析所用的有限元模型。為了減少計(jì)算時(shí)間,在不影響安全帶固 定點(diǎn)強(qiáng)度的前提下,本分析中將座椅模型設(shè)置為剛體。剛體設(shè)置的關(guān)鍵字如下:

7、 *RIGID BODY, REF NODE = 914272, ELSET = rear_seat 圖 2 座椅簡(jiǎn)化模型安全帶有限元模型:采用 2D 殼單元模擬安全帶,單元類型為 S4R 3,尺寸為 20mm 左 右。如圖 3所示。 圖 3 安全帶單元安全帶安裝帶的位置分布如圖 4所示。后窗臺(tái)上三個(gè)點(diǎn)為后排安全帶卷收起安裝點(diǎn),通 過(guò)一個(gè)卷收起支架固定在后窗臺(tái)鈑金上。下安全帶全部安裝帶后地板上,共有 4個(gè)安裝點(diǎn), 且根據(jù)座椅的位置合理分布。 圖 4 安全固定點(diǎn)2 邊界條件的確立根據(jù)國(guó)標(biāo)的要求, 對(duì)白車身進(jìn)行約束。 由于本分析截取了半個(gè)白車身, 因此在截面處約 束,保證車身 6個(gè)自由度均被固定。

8、約束方式如圖 5所示。 圖 5 白車身約束方式按照標(biāo)準(zhǔn) GB141672006汽車安全帶固定點(diǎn) 1中的規(guī)定, 沿平行于車輛行駛方向 (即 整車坐標(biāo)系 X 方向且與水平面成向上 105的方向施加載荷。利用模擬織帶對(duì)上人體 模塊施加 13500N200N的試驗(yàn)載荷, 與此同時(shí)對(duì)下人體模塊施加 13500N200N的試驗(yàn)載荷。 該標(biāo)準(zhǔn)中同時(shí)還要求,除施加以上載荷,另外要在座椅處施加相當(dāng)于座椅總成質(zhì)量 20倍的力,載荷施加于座椅總成的重心位置。本分析中施加的座椅載荷為 6000N。載荷施加方式如 圖 6所示。 圖 6 載荷施加示意圖3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)于本分析而言,如果采用隱式分析方法,由于模型規(guī)模較

9、大,迭代比較多,結(jié)果不易 收斂。而顯式方法在處理類似問(wèn)題時(shí)具有更高的效率。因此本分析采用 ABAQUS 的非線性 顯式分析方法。在這個(gè)分析過(guò)程中, 系統(tǒng)的能量曲線如圖 7所示。 分析結(jié)果可見(jiàn)系統(tǒng)動(dòng)能與內(nèi)能之比小 于 5%,表明仿真結(jié)果的合理性 4。 圖 7 系統(tǒng)能量曲線圖 89是安全帶上固定點(diǎn)的應(yīng)力和塑性應(yīng)變?cè)茍D。 從圖 8可見(jiàn), 安全帶上固定點(diǎn)處, 施 加試驗(yàn)載荷后,最大應(yīng)力為 270MPa ,而該位置鈑金材料的屈服強(qiáng)度為 220MPa ,材料發(fā)生 了塑性變形。圖 9是等效塑性變形云圖,從圖中可見(jiàn),最大塑性應(yīng)變?yōu)?7%。材料的斷后伸 長(zhǎng)率為 30%,表明此處尚未發(fā)生完全斷裂,符合標(biāo)準(zhǔn) GB1

10、41672006汽車安全帶固定點(diǎn) 中的要求。圖 8 安全帶上固定點(diǎn)應(yīng)力云圖(單位:MPa 圖 9 安全帶上固定點(diǎn)塑性應(yīng)變?cè)茍D安全帶的四個(gè)下固定點(diǎn)安裝在后地板上。地板的材料為沖壓用成型鋼,屈服極限為 210MPa ,斷后伸長(zhǎng)率為 40%。圖 10是下地板應(yīng)力分布云圖,可見(jiàn)在試驗(yàn)載荷下,中間兩個(gè) 安全帶安裝點(diǎn)附近應(yīng)力較大,最大應(yīng)力為 300MPa ,超過(guò)材料的屈服極限。參考圖 11所示 的塑性應(yīng)變?cè)茍D,可知最大應(yīng)力處的塑性應(yīng)變?yōu)?14.8%,小于材料的斷后伸長(zhǎng)率,說(shuō)明該位 置的材料尚未完全斷裂。 圖 10 安全帶下固定點(diǎn)應(yīng)力云圖（單位：MPa） 圖 11 安全帶下固定點(diǎn)塑性應(yīng)變?cè)茍D 以上分析結(jié)果，

11、表明在試驗(yàn)載荷條件下，安全帶固定點(diǎn)均發(fā)生了明顯的永久變形，上固 定點(diǎn)的最大塑性應(yīng)變?yōu)?7%，下固定點(diǎn)的最大塑性應(yīng)變?yōu)?40%，均小于材料的斷后伸長(zhǎng)率， 說(shuō)明材料并未發(fā)生完全斷裂， 則安全帶不會(huì)完全脫落。 結(jié)果符合國(guó)標(biāo) GB141672006 中規(guī)定， 即：安全帶不得從安裝固定點(diǎn)處脫落，但是允許安裝帶固定點(diǎn)或周圍區(qū)域產(chǎn)生永久變形。 經(jīng)過(guò)仿真分析后，得到了參考結(jié)果，后按照國(guó)標(biāo)的要求進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果是 否可靠。這樣可以避免盲目試驗(yàn)，減少試驗(yàn)次數(shù)，降低設(shè)計(jì)成本。如圖 12 所示，為試驗(yàn)加 載現(xiàn)場(chǎng)圖片。 圖 12 安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)示意圖 試驗(yàn)結(jié)果表明，該座椅安全帶固定點(diǎn)滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，固定點(diǎn)未發(fā)生完全斷裂脫落。試 驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真分析的準(zhǔn)確性。 4 結(jié)論 本文探討了安全帶固定點(diǎn)分析的重要性，利用 ABAQUS 的顯式非線性分析方法，結(jié)合 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，建立了白車身、座椅及安全帶的有限元模型，并進(jìn)行強(qiáng)度分析。計(jì)算結(jié)果 表明，該安全帶固定點(diǎn)符合國(guó)標(biāo)的要求。 仿真分析后，進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度符合國(guó)標(biāo)要求，驗(yàn) 證了仿真分析的準(zhǔn)確性。該分析方法可為類似的模型較大的準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度分析提供參考。 參