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汽车安全带固定点仿真精度研究 摘要 在当今的汽车安全领域，座椅安全带系统依然发挥着举足轻重的作用。保证 安全带系统有足够的强度是非常必要的。我国汽车安全带固定点强度法规所规定 的试验过程是一种准静态、强非线性问题，往往伴随着大变形甚至是材料或焊点 失效。传统的有限元模型不能很好的模拟这一过程，仿真受人为因素影响大，与 实车试验结果差别大，稳定性不高。如何提高仿真精确度和稳定性，同时降低建 模难度和人为因素影响，是本文的研究重点。 本文首先介绍了汽车座椅安全带固定点强度的研究背景和意义，介绍了本仿 真所采用的显式计算方法的计算原理，从而揭示出显式计算方法在分析准静态过 程时可能存在的缺陷。然后通过对比不同单元类型的单元理论及实际应用，选择 更加准确的完全积分格式单元；研究了不同加载函数和加载时间下仿真过程中的 动态效应，使用正弦加载函数，加载时间为结构最小周期7 倍，将仿真模型动态效 应控制在较小范围内，符合准静态情况的要求；通过分析焊点实际受力状态和失 效模式，结合焊点失效试验，采用更加准确的实体焊点及失效模拟方式；提出一 种全新的可失效固连( t i e d 。b r e a k ) 螺栓模拟方式，较为简单准确的模拟了螺栓 联结的特性。多次试验验证表明，经过改进的仿真模型精度能够达到9 0 ，且能 准确预测焊点和螺栓失效。在此基础上，本文运用优化算法对某车型d 柱安全带 固定点局部结构进行轻量化，在保证结构强度的同时，部件重量减轻了1 4 9 7 ， 降低了整车成本。 论文进行大量的理论研究和实车试验验证，结果表明，文中所述的仿真方法， 能够极大的改善汽车安全带固定点仿真的精确度和稳定性。同时本文的思路也为 解决准静态、强非线性这一有限元仿真中的难点问题，提供了有益的参考。 关键词：汽车安全带固定点；仿真；显式计算；准静态；焊点；螺栓；轻量化 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev e h i c l es e a t b e l ts y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ev e h i c l es a f e t ya r e a t h es e a t b e l ta n c h o r a g et e s tisaq u a s i s t a t i cp r o c e s sw i t hh u g en o n l i n e ，i n v o l v i n g m a t e r i a la n ds p o t w e l df a i l u r e t h ec u r r e n ts i m u l a t i o nm o d e l sh a v en o tt r e a tt h e s e p r o b l e m sp r o p e r l y ，w h i c hm a k e st h es i m u l a t i o nr e s u l td i s s i m i l a rw i t ht h et e s tr e s u l t ， a n dt h ea c c u r a c yi sh i g h l yi n f l u e n c e db yt h ee n g i n e e r sp e r s o n a ls k i l l h o wt oa c h i e v e h i g ha c c u r a c ya n ds t a b i l i t y ，w h i l er e d u c et h ed i f f i c u l t ya n dp e r s o n a li n f l u e n c e ，i st h e m a i ng o a lo ft h i sa r t i c l e t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo fv e h i c l es e a t b e l t a n c h o r a g es t r e n g t hr e s e a r c h t h e n ，t h ec a l c u l a t i o np r i n c i p l eo fe x p l i c i tf i n i t ee l e m e n t m e t h o du s e di nt h i ss i m u l a t i o nw a si n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e ，t h e r e m i g h tb e d e f e c t sw h i l eu s i n ge x p l i c i tf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt o s i m u l a t et h e q u a s i s t a t i cp r o c e s s t h i sa r t i c l ec o m p a r e dd i f f e r e n te l e m e n tt y p e s ，c h o o s e st h ef u l l y i n t e g r a t e ds h e l le l e m e n tw h i c hw a sm o r ea c c u r a t e a l s o ，t h ed y n a m i ce f f e c tu n d e r d i f f e r e n tl o a dt y p e sa n dl o a dt i m ew a ss t u d i e d i tt u r n e do u tt h a tb yu s i n gas i n e f u n c t i o nl o a dt y p ea n d7t i m e sl e a s tp e r i o dl o a dt i m e ，t h ed y n a m i ce f f e c to ft h em o d e l w a sc o n t r o l l e dw i t h i nal o wl e v e l b a s e do nt h er e s e a r c ho ns p o t w c l dl o a da n df a i l u r e m o d e ，a n dw i t ht h ed a t ao b t a i n e df r o ms p o t w e l df a i l u r ee x p e r i m e n t ，as o l i ds p o t w e l d s i m u l a t i o nm e t h o dw a sr e c o m m e n d e d w i t ham o r ea c c u r a c yf a i l u r em o d e t h i s a r t i c l ep u ta w a r dat o t a l l yn e wb o l ts i m u l a t i o nm e t h o d ，w h i c hw a sn a m e d t i e d b r e a k m e t h o d t h i sm e t h o dr e f l e c t e dt h ep r o p e r t yo fab o l ti nas i m p l ea n da c c u r a t ew a y a t l a s t ，b a s e do nt h ei m p r o v e ds i m u l a t i o nm o d e l ，as o m ev e h i c l e sdp o l es t r u c t u r ew a s o p t i m i z e dt om i n i m i z et h em a s sb y14 9 7p e r c e n tw i t h o u tr e d u c i n gt h es t r e n g t h t h er e s e a r c hi n d i c a t e st h a t ，t h em e t h o d sd e s c r i b e di nt h ea r t i c l es i g n i f i c a n t l y i m p r o v e dt h ea c c u r a c y a n ds t a b i l i t yo ft h ev e h i c l es e a t b e l ta n c h o r a g e ss t r e n g t h s i m u l a t i o n a l s o ，t h et h i n k i n g so ft h i s a r t i c l ep r o v i d eg o o dr e f e r e n c ef o ro t h e r q u a s i s t a t i c ，s t r o n gn o n l i n e a rp r o c e s ss i m u l a t i o n k e yw o r d s ：v e h i c l es e a t b e l ta n c h o r a g e s ；s i m u l a t i o n ；e x p l i c i t f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； q u a s i - s t a t i c ；s p o t w e l d ；b o l t ；l i g h t w e i g h t i i i 汽车安全带固定点仿真精度研究 插图索引 图1 1 汽车安全带固定点强度试验示意图4 图1 2 汽车安全带固定点强度试验图一5 图1 3 汽车安全带固定点强度试验仿真图一6 图2 1 某车型c 柱安全带固定点强度试验结果1 1 图2 2 某车型d 柱安全带固定点强度试验结果1 2 图2 3 某车型d 柱安全带固定点强度试验结果1 2 图2 - 4 某车型d 柱安全带固定点强度试验结果1 3 图3 1h l 单元局部坐标系一1 6 图3 2b t 单元局部坐标系1 7 图3 3 不同单元类型求解扭曲梁问题18 图3 4 不同单元类型的薄壁梁冲击问题结果1 8 图3 5 不同单元类型内能曲线2 0 图3 6 斜坡函数和正弦函数曲线2 1 图3 7 不同输入函数下输出对比2 2 图3 8斜坡函数和正弦函数加载结构动能曲线对比2 3 图3 - 9 斜坡函数和正弦函数加载结果动能对比2 3 图3 1 0 弹簧振子系统示意图2 4 图3 1 1 不同加载时间下振子位移力曲线对比2 s 图3 1 2 某车型d 柱区域最低结构模态一2 t 5 图3 1 3 不同加载时间仿真动能曲线对比2 7 图3 1 4 不同加载时间仿真内能曲线对比2 7 图3 15 加载时间为t = 7 t 时系统内能和内能曲线一2 $ 图3 1 6 不同加载时间下仿真与试验结果图片一2 $ 图3 1 7 模型改进前后仿真与试验结果图片2 9 图3 1 8 不同加载时问下仿真与试验结果图片3 0 图4 1 焊点局部结构示意图一3 3 图4 2 焊点局部受力示意图_ 3 3 图4 3b e a m 焊点示意图一3 4 图4 4h e x 实体焊点示意图3 4 图4 5h e x 焊点受力示意图3 5 图4 6 不同受载条件下焊点失效试验3 6 硕士学位论文 图4 7 不同焊点模拟方式分析结果比较( 实例一) 3 7 图4 8 不同焊点模拟方式分析结果比较( 实例二) 3 7 图4 9 螺栓联结失效图例一3 8 图4 1 0 某车型d 柱安全带固定螺栓局部截面3 8 图4 1 1 简单螺栓模拟及试验结果示例一3 9 图4 1 2 刚体螺栓模拟方式示意图4 0 图4 13 不同螺栓模拟方式结果对比( 实例一) 一4 1 图4 1 4 不同螺栓模拟方式结果对比( 实例二) 一4 2 图5 1 最优化流程图4 4 图5 22 因素9 水平的全因子试验设计采样图一4 5 图5 32 因素9 水平的基础拉丁方试验设计采样图一4 5 图5 - 42 因素9 水平的最优拉丁方试验设计采样图4 6 图5 5 某车型d 柱安全带局部结构及预仿真结果4 9 图5 - 6 轻量化前后仿真结果对比5 1 图5 7 最终结构仿真及试验结果对比5 2 v u 汽车安全带固定点仿真精度研究 附表索引 表1 1 汽车保有量和交通事故死亡人数统计表一1 表3 1 不同单元类型的压溃量1 9 表3 2 不同单元类型安全带固定点计算结果1 9 表3 3 斜坡函数和正弦函数加载结果对比2 3 表3 4 不同加载时间分析结果对比2 6 表3 5 模型改进前后分析结果对比实例一2 9 表3 - 6 模型改进前后分析结果对比实例二3 0 表3 77 次重复试验结果汇总3 0 表5 1 初始点、样本点计算结果4 9 表5 2 决定系数5 1 表5 3 板厚优化结果及圆整值5 1 v i i i 硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早珀了匕 1 1 1 汽车安全性现状 汽车在以快捷、舒适的特点服务于越来越多的人同时，其安全性仍然是人类 社会中挥之不去的梦魇。在任何一个节假日，对于外出的人而言，临行前来自家 人的最后一句嘱托一。定是路上注意安全。可见在当前，交通工具的危险性带给人 类社会的压力不但没有随着技术进步而逐渐减少，反而由于频出的惨痛事故而愈 演愈烈。因车祸造成的惨剧也不绝于耳，2 0 1 2 年春节期间，重庆江北区建新南路 发生车祸，3 人死亡，lo 多人受伤；福建泉州发生车祸，造成5 人死亡，一人受伤 据统计，仅2 0 12 年春节期间( 1 月2 2 日至2 8 日) ，全国共发生涉及人员伤亡 的道路交通事故1 7 9 5 起，造成5 4 7 人死亡、2 0 8 0 人受伤。 f 表所示是我国从1 9 9 9 年至1 j 2 0 0 9 年汽车保有量和交通事故死亡人数统计表瞳1 表1 1 汽车保有量和交通事故死亡人数统计表 从表中的内容可见，近10 年来，我国的汽车保有量突飞猛进，而因交通事故 导致的死亡人数却在逐年减少，可以看到我国汽车安全方面已经取得了长足的进 步。然而，参考世界发达国家的万车死亡人数比例，则显现了我们的不足。例如， 2 0 0 6 年，美国1 7 ，德国o 9 3 ，荷兰0 8 4 ，日本仅有0 8 ，而我国达到了6 1 ，为 日本的7 6 倍旧1 。我国的汽车安全仍然存在非常大的改进空间。 汽车安全性研究按照交通事故发生的前后可分为两类，即主动安全性研究和 被动安全性研究。 1 、主动安全性( a c t i v es a f e t y ) 所谓主动安全性是指在交通事故发生前采取的安全措施。这些措施使汽车能 够识别潜在的危险因素，或当突发因素作用时，能够在驾驶员的操纵下或者自动 避免发生交通事故h 1 。目前，己发展成熟的主动安全性装置和技术主要包括：车 轮防抱死制动系统( a b s ) 、牵引力控制系统( t c s ) 、主动悬架、四轮转向、四轮驱 动、车距雷达报警系统和汽车全球定位导航系统( g p s ) 等。在理想情况下，主动 安全能够完全避免灾难的发生。但是，汽车主动安全性研究和应用比较不成熟， 汽车安全带固定点仿真精度研究 并不能完全预防大部分交通事故的发生，因此提高汽车本身在发生交通事故时保 护乘员、行人免受或减轻伤亡的汽车被动安全性也是汽车安全研究的主要课题。 2 、被动安全。1 生( p a s s i v e s a f e t y ) 所谓被动安全性是指当汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员或 车外行人进行保护，以免发生伤害或使伤害减低到最低程度的性能畸1 。汽车被动 安全性研究着眼于如何合理地进行车身结构安全性设计，利用车身结构的变形尽 可能地吸收能量以减少对乘员的冲击和防止乘员生存空间的变形。同时，又要利 用乘员约束系统，防止和减少乘员与车厢部件发生再次冲击造成的“二次伤害”。 车身结构的安全性设计和乘员约束系统的采用，两者相辅相成，密不可分。目前， 汽车被动安全性的研究内容主要包括车身结构抗撞性研究、碰撞生物力学研究以 及乘员约束系统和安全驾驶室内组件的开发。 在当前的汽车安全领域，被动安全依然扮演着最为重要的角色。而被动安全 的两大基本配置为汽车安全带和安全气囊。 1 1 2 汽车安全带的作用 安全带的历史非常久远，它的诞生早于汽车。早在1 8 8 5 年，安全带出现并使 用在马车上，目的是防止乘客从马车上摔下去。1 9 0 2 年5 月2 0 日在纽约举行的一场 汽车竞赛场上，一名赛车手为了防止在高速中被甩出赛车，用几根皮带将自己和 同伴拴在座位上。竞赛时，他们驾驶的汽车因意外冲出观众群，造成两人丧生， 数十人受伤，而这几名赛车手却由于皮带的缘故死里逃生。这几根皮带也就成为 了汽车安全带的雏形。安全带在汽车上的首次使用，就挽救了乘员的生命。自此 以后，1 9 2 2 年，赛车场上的跑车开始使用安全带，1 9 5 5 年，美国福特汽车首次在 民用汽车装用了安全带，1 9 6 8 年，美国规定轿车面向前方的座位均必须安全安全 带。欧洲和日本等发达国家相继制定了汽车乘员必须要佩戴安全带的规定。 目前世界上安全带的标准形式是尼尔斯发明的三点式安全带，这种汽车安全 带开始为人接受始于1 9 6 7 年，尼尔斯在美国发表了2 8 0 0 0 宗意外报告，文献中 记录了19 6 6 年瑞典国内所有牵涉沃尔沃汽车的交通意外，数据明确表明，三点式 安全带不但在超过半数的个案中降低甚至避免乘客受伤的机会，更能够保住乘客 的性命。 安全带对乘员提供安全保护的一个显著的例子是充满悬疑色彩的英国王妃戴 安娜之死。1 9 8 1 年7 月2 9 日，美丽而且仁爱的戴安娜与威尔斯亲王查尔斯举行盛大 婚礼，上演现实版的“灰姑娘 传奇，然而婚后生活并不和谐。1 9 9 7 年8 月3 0 曰下 午，离婚一年多的戴安娜与其男友埃及亿万富翁之予多迪法耶兹在法国南部 旅游胜地圣托贝度假一周后返回巴黎。晚餐后，为摆脱7 名摄影记者的追逐，他们 乘坐的奔驰2 8 0 s e 3 5 型豪华轿车时速高达15 0 公里。结果，在巴黎市中心的塞纳河 硕士学位论文 畔阿尔玛桥下隧道中撞上水泥柱。戴安娜和保镖送入医院，戴安娜因胸部大出血 死亡。这场灾难中的唯一幸存者是保镖特里弗里斯琼斯，他也是唯一系上安 全带的人。这此车祸是意外或者阴谋，其结果都从侧面客观反映了安全带系统的 重要性。 事实上业界普遍认为，在发生碰撞事故时，安全带起到的保护作用是9 0 ， 加上安全气囊则可以达到9 5 。在未配置安全带系统或者安全带系统发生失效的 情况下，安全气囊的的巨大冲击力将直接作用于乘员的头部和胸部，造成比没有 安全气囊更加严重的伤害。事故调查表明，在发生正面碰撞撞车时，如果系好安 全带，可使死亡率减少5 7 ，在侧面碰撞时可以减少4 4 ，在翻车时可以减少8 0 。 安全带系统的性能对乘员的保护作用之大由此可见。 鉴于此，在广泛的国家和业界联盟，都对汽车安全带的形式和配置做出了强 制规定。各大汽车厂商也不断开发创新安全带系统的功能，以求提升整车安全性， 更好的为乘员提供保护。 1 2 汽车安全带固定点强度法规 我国汽车安全带安装固定点法规最早的版本是j b 4 0 7 4 1 9 8 5 汽车座椅安全带 安装固定点，该标准1 9 9 3 年被g b l 4 1 6 7 1 9 9 3 汽车安全带安装固定点代替。 其标准体系是参照日本道路车辆安全标准s r a2 2 3 和美国联邦机动车安全法规 f m v s s2 0 4 ，结合我国实际情况制定的。现行的国家标准g b l4 16 7 - 2 0 0 6 是依据联 合国欧洲经济委员会2 0 0 3 年7 月31 日颁布生肖的e c er 1 4r e v 3 a m e n d 1 ( 0 5 系列) 修订完成。现行法规对汽车座椅安全带固定点的布置，强度，试验流程做了详细 规定。据悉，目前欧洲法规已经进行了进一步修订，变为0 6 系列，内容涵盖了 i s o f i x ( 儿童约束系统用固定点) 。我国新的国家标准也已经起草完成，正在积 极报批。 以上历程看得到，世界各国对于汽车安全带固定点要求由来已久，而且在不 断的更新，加强规范和要求。我国紧跟世界步伐，目前采用的已经是第三次修订 的版本。 现行法规g b l 4 1 6 7 2 0 0 6 对于汽车座椅安全带配置、形式和试验方法做了详细 规定1 。要点如下：( 以m 1 类车为例) 1 对于三点式安全带，分别通过上、下人体模块，对座椅安全带固定点施加 1 3 5 0 0 2 0 0 n 的载荷； 2 对于两点式安全带，通过下人体模块，对座椅安全带固定点系统施加 2 2 5 0 0 2 0 0 n 的载荷； 3 如果安全带固定点有一个或多个位于座椅上，则须附加相当于座椅重量2 0 倍的力载荷。 汽车安全带固定点仿真精度研究 图i 1 汽车安全带固定点强度试验示意图 1 3 汽车安全带固定点强度研究方法 鉴于安全带固定点法规的重要性，对于任何一款车型来说，该法规都是必须 特别考虑的。且该法规是用以确保安全带能够在高速碰撞过程中对乘员提高足够 的保护，所施加载荷对结构强度要求很高。因此，各大汽车制造厂都不断寻求有 效的研究方法来提高相关结构的设计能力。 在汽车被动安全技术研究中，主要采用的方法为实车试验法及有限元仿真法。 实际的安全性研究及工程应用中，广泛应用有限元法可以大大缩短产品开发周期 及开发成本，但仿真分析结果仍需要通过实验来进行验证。因此，在进行汽车被 动安全研究中，必须将有限元仿真法与实验法进行有机结合，以便最大限度地发 挥各种研究方法的优势。 1 3 1 实车试验法 在汽车安全带强度的研究手段中，最可靠最直观的方法无疑是试验法。试验 法真实的反映了车辆结构的实际性能表现，并作为能否通过法规检验的唯一凭证。 通过对实车试验，可以观察试验过程中变形及结果，然后对其进行详细研究，寻 找优化设计的途径。试验过程中首先将待测白车身牢固的安装在试验台架上，然 后用施力装置通过织带，分别对上下人体模块缓慢向前拉伸，直至施力装置的载 荷达到法规要求。试验过程中保持记录加载曲线和试验录像，并在结构发生失效 时立即停止试验以避免发生危险。 汽车安全带试验过程通常持续2 0 s 左右，试验中往往伴随着较大的材料变形甚 至失效。本试验是一个准静态、强非线性过程。 车辆的安全带性能必须满足国家法规要求才可以上市销售，但是所有的安全 坝i ：字位沦义 作试验都是破坏性试验。也就足说，一辆完整的台1 i 进行一次试验后h | 】矗告报废。 冉加上试验设备比较昂贵和试验检测资质问题，。螳普通的汽i i 制造商1 i 具备单 独进行检测的条件。如果嘤进行多次t 曩复试验，实存是人力，物力和财力上的臣 大浪费。冈此，寻找快速，r 岛效的，尽i 叮能少的减少实4 三试验，同时能够指导结 构设汁的技术是必不可少的。 图1 2 汽车安全带固定点强度试验图 1 3 2 有限元仿真法 在汽车开发t j ，对短周期、低成本的小懈追求促进了计算机仿真技术的迅速 发展，而得益丁：计算机硬件力量的| _ i 新月异，广泛的应用计算机仿真成为可能。 有限元仿真分析法是曰1 讨最为成熟的仿真方法。它通过汁算机模拟实际试验中的 材料、结构、载荷、边界条件，运用离散化的有限单7 已理论，在计算机中模拟试 验过程。计算机仿真的主嘤优点体现在以卜儿方面： 1 仿真分析极大的缩短了i ：发时f n j ，减少了实i 试验，也避免了很多试验中 各种人为的或者f 1 然的偶然性冈素。 2 仿真分析可以轻松得到过程 ，的隐蔽结构、能最数抛、过程动l 画等等实车 试验难于获得的信息。 3 仿真分析便f 简单，低成本的进行多个力案验，从而选取最优方案。 由于以j ：特点，计算机仿真技术得剑广泛的应用。从结果预测、过程再现、 优化设汁等方面发挥了越来越匝嘤的作用。旧时也为仿真技术提 了越水越高的 嘤求。 汽车安全带固定点仿真精度研究 图1 3 汽车安全带固定点强度试验仿真图 相对于实车试验，仿真技术也有自己的不足之处，对于比较复杂的模拟过程， 首要的问题就是仿真的精确度和稳定性。 影响仿真精确度和稳定性的因素很多，包括理论上的不完善，材料参数不准 确，边界和初始条件不准确，计算误差，使用者经验不够丰富等等。仿真的这一 缺陷使得工程师无法可靠的引用模拟结果，同时往往困惑于其不稳定性，使得仿 真的实际效用大打折扣。在某些时候，仿真还容易沦为试验验证工具，而不是设 计指导工具。 1 4 国内外研究现状 为了使仿真分析的结果更加真实可靠，国内外众多学者已经进行了很多努力。 在国内，重庆交通学院车辆工程研究院的杜子学和文孝霞用a n s y s 软件，采 用局部分解力加载的方法，对分析模型、边界条件等进行了介绍，认为应用有限 元法对汽车安全带固定点强度试验仿真是有效的1 。长安汽车江西研究院的许早 龙，范朝兵应用l s - d y n a 软件对某微型车的中排座椅安全带固定点强度进行了分 析，对局部螺栓模拟，材料应变率处理给出了意见，并得出了一些可以推广到一 般准静态分析中的结论n 1 。奇瑞汽车股份有限公司安徽芜湖研究院的谭冰花、朱 志军等人，同样使用l s d y a n 软件对某微型车的安全带固定点强度进行了分析，文 中对仿真的加载和边界条件，焊点模拟给出了意见，并对不符合法规要求的结构 进行了优化旧1 。 在国外，德国的k a l u sh e s s e n b e r g e r 针对e c er 1 4 和f m v s s 的要求，对汽车安 全带固定点分别用a b a q u s ( 隐式) 和l s d y n a ( 显式) 进行分析，比较两者的优 一 硕士学位论文 2 2 2 2 2 2 2 2 。2 = ! = ! 自! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ；! ；! ! g ! 自e 自! = = = = = = = = = 2 = = = = = = = = = 劣，并最终与试验对照。结论表明，隐式分析建模工作量大，结果精确，而显式 分析建模相对容易，结果则有较大误差和波动。在l s d y n at h e o r y 和l s d y n a k e y w o r du s e r sm a n u a l 中，对l s d y n a 软件中用到的显式分析技术及理论做了比 较详尽的介绍n 引。d c a k e 对仿真中用到的安全带、滑环、预紧器等单元特性及用 法做了详细介绍1 。 1 5 本文研究内容 汽车安全带固定点试验过程具有准静态、强非线性特性，这是仿真分析中的 难点问题。尽管众多学者和工程师进行了相关研究，但是目前分析模型仍然存在 分析精度不高，结果稳定性较差，对分析者技术经验要求较高的现状，在实际使 用中不够可靠。本文着眼于提高分析的精确度和稳定性，降低仿真分析对于使用 者的经验和技巧要求。在全面的评估了传统分析模型基础上，通过相关理论研究 和大量实车试验，对仿真模型中的关键参数进行了修正或改进，对模型处理细节 进行完善，使得仿真结果与实车试验结果高度一致，并经过3 款车型共7 次仿真和 试验对比，验证了模型的稳定性。经过改进的分析方法建模过程对使用者技术要 求较低，仿真精度和稳定性完全满足工程使用要求，真正使得仿真分析成为工程 师结构设计的简单、可靠、高效的工具。在此基础上，本文运用最优化方法，在 结构强度不减弱的前提下对安全带固定点局部结构进行轻量化，降低了生产成本。 具体工作内容如下： ( 1 ) 详述汽车安全带固定点仿真采用的显式有限元计算方法，由于该方法主 要针对瞬态问题，在处理准静态问题时，天然的存在缺陷。本文对这一缺陷进行 了理论上的研究，为下文的模型改进打下基础。同时，拟定上人体模块位移和仿 真动能曲线分别为衡量结构变形量和仿真动态效应的评价指标。 ( 2 ) 通过对比h l 单元、b t 单元、b w c 单元、完全积分单元的单元理论和格 式，及其在薄壁梁冲击试验中的仿真结果，发现不同单元积分类型对仿真结果影 响较大，其中完全积分单元计算结果与试验值更为接近。将完全积分单元应用于 安全带固定点强度计算模型中，相比于传统模型中普遍采用的b t 缩减积分单元， 计算精度有所提高，计算时间也在合理范围内。 ( 3 ) 基于简单的弹簧振子系统，研究不同加载函数和加载时间对模型动态效 应的影响，发现加载函数选取正弦加载函数或圆滚函数，加载时间大于系统最小 振动周期5 倍以上时，能够有效控制动态效应。针对汽车安全带固定点试验的准静 态模式，加载函数选择非常易于建立的正弦加载函数，加载时间选择系统最小振 动周期的7 倍，对仿真分析结果改善非常大。通过大量试验验证，仿真精度能够达 到9 0 左右。 ( 4 ) 安全带固定点试验中最常见的失效模式为焊点撕裂。通过对比常用的焊 汽车安全带固定点仿真精度研究 点模拟方式的优劣，发现实体h e x 焊点不仅结构和受力仿真更加准确，而且失效 模式更加丰富。这是实体h e x 焊点首次在安全带固定点仿真中得到应用。经试验 验证，这种模拟方法得到的计算结果与实车试验高度吻合，应用获得成功。 ( 5 ) 通过分析对比常见螺栓仿真方式，发现均不能全面的仿真螺栓联结。本 文首次提出使用可失效固连( t i e d b r e a k ) 的模拟方式，较为真实的反映了螺栓 联结的诸多特性。经试验验证，仿真结果与试验结果吻合度较高。 ( 6 ) 针对某在开发中的汽车d 柱安全带固定点，首先进行预分析确定对安全 带试验影响最大的部件，然后建立设计目标与部件厚度之间的多项式关系，运用 遗传算法对其进行轻量化研究，在结构保持原有强度的条件下，部件重量减轻了 1 4 9 7 ，降低了整车成本。 硕士学位论文 第二章安全带固定点强度仿真及评价 有限元分析方法主要有显式和隐式两种计算方法n2 | ，隐式计算方法采用静力 学理论建立整体平衡方程，然后逐步迭代至最终解，中间需要组合计算整体刚度 矩阵，需要大量的存储空间和计算时间”3 。且隐式分析的迭代过程不存在时间概 念，在描述接触和大变形问题时显的十分困难。而显式计算方法采用动力学理论， 通过对时间积分，由初始时刻步进计算到终了时刻，进而求的问题的解。由于显 式计算方法不需要组合整体刚度矩阵，也不需要求解整体平衡方程，因此节省了 大量计算时问，而把c p u 时问用于计算单元的节点力。尤其是在强非线性问题中， 隐式算法在接触、网格变形、计算量大方面的劣势展现无余。因此，采用显式计 算方法求解准静态问题越来越多的受到重视。 2 1 显式计算方法 显式计算的核心思想是利用前一个时间段得到的运动学条件，去求解经过一 个微小时间t 之后，下一个时间段的运动学条件n 引。具体计算过程如下： 对于任意一个物理过程，总可以列出如下的动力学方程 md = ，一i( 2 1 ) 其中为m 质量矩阵，f 为外力，为单元内力。 在时刻t 节点加速度d f f 川。( f i ) i ， ( 2 2 ) 此处的质量矩阵是对角或者块状，所以求解d 是非常容易的。同时，对于单 个节点而言，其加速度取决于该节点的外力，内力，和节点质量，不存在节点之 间耦合。因此单个计算的规模小，复杂程度低。 在得到节点加速度后，速度由中心差分法得到，即假定在微小时间步长a t n ， 加速度为常数，则这个微小时间段的中点速度等于上一个微小时间段中点速度加 上速度的变化。 d i ( t + 等) - - - - di 。等，+ 垒垡学d l ( 1 ， ( 2 3 ) t 时间段结束时的位移由t 时间段内速度积分，再加上t 时间段开始时节点 汽车安全带固定点仿真精度研究 位移， d i ( t + t ) 2 d i t + a t i 。+ to l ( 。+ 堕) ( 2 4 ) 这样，在时间段t 内，计算出了常数加速度di r ，中点速度 5 1 。h a _ t 、和终了时刻 节点位移d i ( ，+ 出) 。为了保证计算是精确的，时间段t 应足够小以保证在这段时间内 加速度可以近似为常数。也因此，显式计算需要计算大量的时间步。而在每一个 时间步内的计算，都仅仅是对时间反复显式积分，计算成本非常小。大部分的计 算资源消耗在时间段结束时用节点位移，通过单元应变和材料本构关系，计算节 点内力，然后，计算下一个时刻开始时的节点加速度。 总结来说，显式计算的计算循环如下： 1 节点计算 a 动力平衡方程：t 时刻节点加速度西i ，= m 。( f ，) i ， b 对时间显式积分： t + t ，2 时刻节点速度d i ( t + a t ) 一- - d | ( t 坐) + 竺上尝6 l ( t ) t + t 时刻节点位移d | ( t + t ) = di 。+ a ti 。+ a l d i ( 。+ 鸟 2 单元计算 a 根据应变速率垂，计算单元应变增量d 占 b 根据单元本构关系，计算应力6 = f ( 西d e ) c 根据应力，计算节点内力，。十1 ) 3 根据此时计算出的节点内力和边界条件，返回步骤1 ，计算下一时刻的节点 加速度等。 由此可见，显式计算是以t 为时间单位的递推过程，虽然每次递推都涉及到 多次计算，但是每次计算消耗的计算资源很小，这种特点使其计算瞬态，大规模， 强非线性，接触问题时候具有非常大的优势。 2 2 准静态问题计算方法 按照所分析问题的类型，可以按照持续时间将一般问题归纳为三类：静态问 题，瞬态问题和准静态问题。对于静态问题，通常依据静力学理论，通过隐式计 算的方法模拟，可以快速准确的得到问题的解；对于瞬态问题，则依据动力学理 论，通过显式计算方法模拟，由于瞬态问题经历时间极短，也可以快速准确的得 到问题的解；而对于处于静态和瞬态之间状态的准静态问题，则是处理上的一个 坝一i ：掌位论义 难点。l 犬1 为参式和隐式方法4 ：处理准静态问题。i ：，都存在根本的缺陷，具体表现 存： 1 娃式方法汁算步长极小，通常为微米级，m 埘静态过烈持续时问以秒或者 分钟为单位，因此娃式方法计算准静态时，汁算时问将j 常k 。 2 隐式方法在处理非线性和接触问题时，尤其是祚：结构存在较人变形时，隐 式计算很难获得收敛的解。 如附所述，显式分析于计算步长极小，通常用一j 二计算瞬念过程，如碰撞， 爆炸过稗。这样的过程持续时问以毫秒为簟f t ，此时显式计算在计算方法t ：精确 可靠。而座椅安全带试验过程持续时问达到儿十秒，如果按照这样实际的持续时 问计算，显然也可以取得准确可靠的解。f i _ l 是这时候计算时间将超乎想象，无法 满足实际i ：程需要。因此在这样的准静念过程中，需要采用加快加载时问的方法， 赆可能高敛的完成分析过程。这同时带米一个问题，那就是附加的非真实的动态 效应。如何降低这种动态效心带来的误芹，成为显式计算分析准静态问题的关键 问题之一。 2 3 安全带试验仿真 2 3 1 传统模型仿真评价 安全带试验仿真是一个准静念、燃作线性物理过君。传统的仿真模型虽然- 叮 以反映 结构变形趋势、材料应力应变、焊点力大小等信息，但是模型精度和稳 定性存在较大问题。经常出现仿真变形恶劣、材料破坏，i 面实车试验又能够满足 法规要求，或者仿真结果比较乐观而试验失效的情况。如下图是传统模型计算结 果0 实乍试验对比。 图2 一l 某车型c 柱安全带固定点强度试验结果 汽车安全带固定点仿真精度研究 对比图片，仿真结果有一定变形，但未发生失效。而实车试验时，b 柱内板 上一焊点母材撕裂，从而引发b 柱横向彻底撕裂。仿真结果没有准确反映这一情 况，与实车试验结果差别非常大。 图2 - 2 某车型d 柱安全带固定点强度试验结果 对比上图，仿真结果d 柱内板向内有明显变形。实车试验与仿真基本一致， 但实车变形稍小。 图2 - 3 某车型d 柱安全带固定点强度试验结果 仿真结果部分焊点开裂，与试验结果较为吻合，但仿真中开裂焊点较少，而 实车中焊点大面积开裂。 硕士学位论文 图2 4 杲车型d 柱安全带固定点强度试验结果 仿真d 柱内板变形明显，分析认为结构强度稍显不足，而实车试验中d 柱内 板变形不明显，完全满足强度要求。 由以上的仿真结果和实车试验举例对比可见，传统有限元仿真结果存在以下 几点主要问题： 1 仿真结果与实车试验结果在变形趋势和失效形式上比较相仿，但是吻合度较低， 通常表现在比试验结果显得恶劣， 2 仿真结果有时接近试验结果，有时则与试验结果差别很大，即稳定性较差。 3 仿真结果对焊点失效模拟较差，很难准确结构失效。 由于以上缺陷，工程师很难放心的以仿真结果为依据进行结构设计和优化。 2 3 2 评价指标选择 在模型参数优化中，确定模型精确与否的评价指标是一个很重要的工作。评 价指标必须满足这样的条件： 1 ，该指标能充分代表事件关键信息； 2 ，该指标直观，易于测量。 在本文中，我们选取两方面的评价指标，第一个指标用来衡量仿真结果相对 于试验结果的准确性，取上人体模块的受拉点前向位移，作为模型评价指标。仿 真中这一位移值可以直接量取；试验中测量上人体模块从预加载完成( 即消除了 施力路径上的间隙之后) ，到试验结束过程中上人体模块的前向位移。第二个指标 用来衡量仿真计算过程的动态效应，取计算过程中的内能和动能曲线作为评价依 据。 2 4 本章小结 本章对汽车安全带固定点仿真采用的显式有限元计算方法进行了介绍，由于 汽车安全带固定点仿真精度研究 该计算方法主要针对瞬态问题，在处理准静态问题时，天然的存在缺陷。本文对 这一缺陷进行了理论上的研究，为下文的模型改进打下基础。并对传统仿真模型 进行了评估，发现其仿真精度和稳定性较差；选择上人体模块和仿真动能曲线分 别作为结果准确度和仿真动态效应的评价指标。 硕士学位论文 第三章单元类型及加载方式仿真研究 由于显式计算方式更适用于解决高速、瞬态问题，在处理低速、准静态问题 时候，出于计算经济性考虑，需要人为加快加载速度。此时，附加的动态效应干 扰了解的正确性。传统的仿真模型没有采用有效的措施来弥补这一不足，导致计 算过程中产生振荡和冲击，与真实试验有较大的差距。仿真结果精确度和稳定性 不高。本章将研究模型动态效应的主要影响因素，并对其做出改进，使分析更加 符合准静态过程特性，从而提高仿真的精度和稳定性。 3 1 单元类型影响研究 汽车车身多使用钣金件，薄板在几何上一个重要特点是厚向尺寸远小于面内 尺寸，这种条件下，为了计算高效简便，人们经常采用位于实际钣金中面的带厚 度壳单元来模拟钣金件。 根据h e l m h o l t z 速度分解原理，非刚体连续介质速度由平动、旋转和变形3 部 分组成。比刚体速度仅多出了一项变形影响。因此，如果以薄板中面为参考面， 建立单元局部坐标系，随着单元平动，随着单元转动，就只需要计算单元的变形。 用此局部坐标系描述的变形部分就是纯应变的变化率n 引。通过下式，可以求解应 变速率，应变及c a u c h y 应力。 叠；：三( 盟+ 堕) ( 3 1 ) 9 2 叙j 叙i 其中，v ，x 分别为节点在局部坐标系中的速度和坐标。 壳单元的基本格式主要发展为三种n 引： 1 基于经典壳理论。经典壳理论假设壳单元挠度远小于其厚度，并认为板厚 度方向的正应力可以忽略； 2 基于k i r c h h o f f l 鼠设。k i r c h h o f f l 鼠设中面法线在变形后仍保持与中面垂直。 3 基于m i n d l i n 平板理论。m i n d l i n 平板理论认为垂直与平板中面的直线在变形 之后仍然是直线，但因为存在横向剪切变形，不一定仍然垂直与平板中面。 上述第2 、3 类平板单元的共同特点是将构造挠度一阶