ABAQUS在汽车座椅安全带固定点强度分析中的应用

A B AQUS在汽车座椅安全带固定点强度分析中的应用
王 力， 郑 颢，陈炳圣，杨 蔓
广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广州 510640
摘要：本文建立了汽车白车身、座椅以及安全带系统有限元模型，应用ABAQUS软件的Explicit求解模块，进行汽车安全带固定的强度分析。

然后进行了安全带固定点的相关试验，试验表明仿真结果的准确性，验证了运用有限元显示积分方式分析汽车座椅安全带固定点强度的方法。

该方法可以适用于类似的准静态强度分析，用于分析一些规模较大的，隐式积分收敛比较困难的模型。

关键词：有限元、强度，安全带，固定点
Implementation of ABAQUS in analysis of automotive seat
belt anchorage strength
Wang Li，Zheng Hao，Chen Bing-sheng，Yang Man
Guangzhou 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. Implementing 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 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 anchorage
0 引言
汽车安全带固定点强度是车辆《公告》强制性要求的试验项目，汽车安全带固定点强度必须达到规定的要求。

在汽车被动安全标准中，汽车安全带固定点是一个重要的标准。

GB 14167—2006 《汽车安全带固定点》[1]中要求，在试验载荷下，汽车安全带固定点强度要求安全带不得从安装固定点处脱落，但是允许安装带固定点或周围区域产生永久变形，包括部分断裂或者产生裂纹。

应用CAE技术在产品设计时，可以对产品性能进行模拟和预测。

通过仿真的结果，来指导产品的设计和改进，可以优先的提高产品设计效率，减少试验次数，降低设计成本。

本文建立了汽车白车身、座椅及安全带的有限元模型，应用ABAQUS软件的显示分析模块Explicit分析了某汽轿车的后排座椅安全带固定点强度，为产品工程师提供了有效的设计参
考。

1 有限元模型的建立
首先建立白车身有限元模型。

整个白车身模型用壳单元划分网格，共划分614375个单元，638149节点，其中四边形单元583838个，三角形单元30537个，三角形单元占总单元比例为4.9%。

本分析是后排安全带固定点的强度，因此为了提高计算效率，截取后半部分白车身来分析。

同时结合GB 14167—2006 《汽车安全带固定点》中的要求，截取后的白车身约束点与安全带固定点之间的距离不小于500mm 。

如图1所示。

图1 截取后白车身模型示意图
建立座椅有限元模型。

本分析主要是研究安全带固定的强度，因此座椅采用简化有限元模型即可[2]。

图2所示是本分析所用的有限元模型。

为了减少计算时间，在不影响安全带固定点强度的前提下，本分析中将座椅模型设置为刚体。

刚体设置的关键字如下： *RIGID BODY , REF NODE = 914272, ELSET = rear_seat
图2 座椅简化模型
安全带有限元模型：采用2D 壳单元模拟安全带，单元类型为S4R [3]，尺寸为20mm 左右。

如图3所示。

图3 安全带单元
安全带安装带的位置分布如图4所示。

后窗台上三个点为后排安全带卷收起安装点，通过一个卷收起支架固定在后窗台钣金上。

下安全带全部安装带后地板上，共有4个安装点，且根据座椅的位置合理分布。

图4 安全固定点
2 边界条件的确立
根据国标的要求，对白车身进行约束。

由于本分析截取了半个白车身，因此在截面处约束，保证车身6个自由度均被固定。

约束方式如图5所示。

图5 白车身约束方式
按照标准GB14167—2006《汽车安全带固定点》[1]中的规定，沿平行于车辆行驶方向（即整车坐标系X方向）且与水平面成向上10°±5°的方向施加载荷。

利用模拟织带对上人体模块施加13500N±200N的试验载荷，与此同时对下人体模块施加13500N±200N的试验载荷。

该标准中同时还要求，除施加以上载荷，另外要在座椅处施加相当于座椅总成质量20倍的
力，载荷施加于座椅总成的重心位置。

本分析中施加的座椅载荷为6000N。

载荷施加方式如图6所示。

图6 载荷施加示意图
3 仿真结果与试验
对于本分析而言，如果采用隐式分析方法，由于模型规模较大，迭代比较多，结果不易收敛。

而显式方法在处理类似问题时具有更高的效率。

因此本分析采用ABAQUS 的非线性显式分析方法。

在这个分析过程中，系统的能量曲线如图7所示。

分析结果可见系统动能与内能之比小于5%，表明仿真结果的合理性[4]。

图7 系统能量曲线
图8~9是安全带上固定点的应力和塑性应变云图。

从图8可见，安全带上固定点处，施加试验载荷后，最大应力为270MPa ，而该位置钣金材料的屈服强度为220MPa ，材料发生了塑性变形。

图9是等效塑性变形云图，从图中可见，最大塑性应变为7%。

材料的断后伸长率为30%，表明此处尚未发生完全断裂，符合标准GB14167—2006《汽车安全带固定点》中的要求。

图8 安全带上固定点应力云图（单位：MPa）
图9 安全带上固定点塑性应变云图
安全带的四个下固定点安装在后地板上。

地板的材料为冲压用成型钢，屈服极限为210MPa，断后伸长率为40%。

图10是下地板应力分布云图，可见在试验载荷下，中间两个安全带安装点附近应力较大，最大应力为300MPa，超过材料的屈服极限。

参考图11所示的塑性应变云图，可知最大应力处的塑性应变为14.8%，小于材料的断后伸长率，说明该位
置的材料尚未完全断裂。

图10 安全带下固定点应力云图（单位：MPa）
图11 安全带下固定点塑性应变云图
以上分析结果，表明在试验载荷条件下，安全带固定点均发生了明显的永久变形，上固定点的最大塑性应变为7%，下固定点的最大塑性应变为40%，均小于材料的断后伸长率，说明材料并未发生完全断裂，则安全带不会完全脱落。

结果符合国标GB14167—2006中规定，即：安全带不得从安装固定点处脱落，但是允许安装带固定点或周围区域产生永久变形。

经过仿真分析后，得到了参考结果，后按照国标的要求进行了相关的试验，验证结果是否可靠。

这样可以避免盲目试验，减少试验次数，降低设计成本。

如图12所示，为试验加
载现场图片。

图12 安全带固定点强度试验示意图
试验结果表明，该座椅安全带固定点满足标准的要求，固定点未发生完全断裂脱落。

试验结果验证了仿真分析的准确性。

4 结论
本文探讨了安全带固定点分析的重要性，利用ABAQUS的显式非线性分析方法，结合国家标准的要求，建立了白车身、座椅及安全带的有限元模型，并进行强度分析。

计算结果表明，该安全带固定点符合国标的要求。

仿真分析后，进行了相关的试验，试验结果表明该安全带固定点强度符合国标要求，验证了仿真分析的准确性。

该分析方法可为类似的模型较大的准静态强度分析提供参考。

参考文献
[1] GB14167—2006.汽车安全带固定点[S].
[2] 杜子学,文孝霞.汽车安全带固定点强度分析与优化[J].重庆交通大学学报,2004,Vol.23,No.5：
99~101.
[3] DS SIMULIA.ABAQUS Analysis User's Manual.
[4] 庄 茁，张 帆等编著.ABAQUS非线性有限元分析与实例[M].北京：科学出版社，2005：391.。