基于安全带固定点强度的车身结构优化设计
时间：2021-03-21 08:07:11 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘 要：本文结合CAE理论分析，以及实车试验的结果，寻求一种能够提高安全带上固定点强度的低成本的车身结构设计方案。应用这些方案，有效地解决某车型安全带上固定点拉力试验失效问题，并通过国家安全带试验法规要求。
关键词：固定点强度;车身结构;优化设计
1 问题背景
根据国家汽车公告强制性法规，要求新生产的车辆，其座椅必须符合新标准要求。新标准规定了汽车座椅、座椅固定装置以及头枕的要求与试验方法;同时，也规定了汽车安全带固定点的位置、强度要求以及试验方法。在安全带拉力试验中，经常发生安全带固定点被拉裂失效的情况，导致试验失败，不通过法规要求，无法通过公告。
某车型A白车身在做安全带固定点强检试验，左前排座椅在加到11221N（标准要求是：13500±200N）的拉力时，左前座椅B柱安全带上固定点被严重拉裂，安全带上固定点强度未通过国家法规要求，如图1所示;同时对车型B的4个白车身进行安全带拉力试验，共有4例B柱安全带固定点被严重拉裂，5例C柱安全带固定点被拉裂，未通过国家法规要求，如图2所示。
因此，迫切需要分析这些固定点失效的原因，并寻找一个低成本的的结构优化方案来提高强度，确保通过国家法规要求。
2 原因机理分析
2.1 B柱区域的原因分析
为了分析失效的机理，研究对比试验后4台车型B的白车身，统计出 B柱&C柱安全带固定点经过拉力实验后的情况，如表1所示。
由表1可知，四台白车身的左侧围B柱安全带上固定点，在拉力试验中没有出现开裂，焊点都没有失效，通过率100%;而右侧围B柱安全带上固定点的通过率只有25%。为何出现这种截然相反的情况？首先，结构方面，左/右B柱区域的零件结构是对称的，对应的零件是同一家供应商，可以排除结构方面的差异;然后，分析对比工艺情况，结果发现在后门框上圆角处的焊点不一样，左侧围比右侧围在圆角处少一个焊点，如图3所示。
根据以上分析，中门框前上角处的焊点，右侧比左侧多一个焊点，反而降低安全带上固定点的强度。对左侧、右侧不同的工艺，分别进行CAE分析。CAE结论：焊点失效顺序如下，如图4所示。
第一步、焊点1、焊点2首先失效;
第二步、紧接着焊点3失效，导致钣金产生缺口进而很容易被撕裂;
第三步、钣金撕裂到一定程度，焊点4和焊点5失效。
通过CAE分析结果，充分的验证了试验结果左/右的差别性， 造成右侧B柱安全带固定点失效的主要是以下两个原因：
第一、焊点1、3区域是一个变形较大的区域，结构受力状态较恶劣，应力值比较大，焊点较容易失效。
第二、焊点改变了母材原有的性能，增加了材料的脆性，大大降低了母材的延伸率，即抵抗变形的能力。
2.2 C柱区域的原因分析
由上述统计可知，车型B（故障车）的C柱安全带上固定点的情况比较恶劣，8例C柱，通过的只有3例，通过率仅37.5%。对标车1以及对标车2的C柱安全带上固定点的强度在安全带拉力试验中都通过国家法规要求，通过分析他们之间的区别，找出原因，相关信息见表2所示。
可知，车型B（故障车）的C柱在腔体大小、安全带加强板的宽度以及关键受力区域焊点数量三方面都比对标车1、车型2恶劣，结合CAE分析结果得出结论，造成故障车C柱安全带上固定点失效的主要原因有：
1、C柱的腔体太小。
2、关键受力区域的焊点数太少。
3、安全带加强板的结构不合理（孔偏）。
3 提高安全带固定点强度的优化设计
综合考虑更改的成本和周期，在确保固定点满足法规试验的前提下，根据以上分析的失效原因，主要在焊点和加强板上做优化设計。这样才能够快速赢得时间，尽快完成优化方案的更改，确保车辆按时完成公告。
3.1 增加受力区域的焊点数量
根据分析结果，安全带固定点附近的焊点失效是引起安全带固定点失效的起因，若焊点没有被撕裂，能够确保固定点不失效，是可以通过拉力试验。焊点失效，引起板金被撕裂，安全带固定点失效。结合实际情况，具体加焊点方法如下，如图5所示，在关键受力区域增加焊点，焊点间距由60mm～80mm，减少到40mm～50mm。
1）在B柱区域安全带上固定点增加两个关键焊点;
2）C柱区域安全带上固定点增加三个关键焊点，如图5所示。
另外，通过CAE分析说明焊点间距对应力值大小的影响，如表3所示。由于此处是手工焊接，经常会出现偏焊，导致焊点间距不均匀。要求车间控制关键焊点质量，杜绝出现偏焊、虚焊、少焊现象，要求焊点之间的距离比较均匀，否则会验证影响安全带固定点的强度。
3.2 改进安全带加强板的结构
故障车C柱安全带上加强板‘孔偏’，根据CAE分析，‘孔心’摆正后能降低安全带固定点附近的应力值，降低安全带螺母被拉脱的风险，如图6所示。
因此，C柱安全带上加强板的优化设计方案如下，如图7所示：
1）更改安装孔位置，安全带螺母孔位于加强板中间位置;
2）增加螺母板，取消C柱内板与安全带加强板在安全带固定点附近的焊点（安全带加强板与螺母板焊接），这样不但提高C柱内板的美观性，也提高安全带固定点的强度，如图7所示。
3.3 优化结构的连接焊点
安装点附近焊点总数6个不变，把原来4个两层焊接和2个三层焊接分别变为4个三层焊接和2个两层焊接，即安全带加强板与侧围内板的2层焊接点数量2个，安全带加强板、侧围内板以及侧围外板的3层焊接点数量4个。这样更改后，焊点数量不变、成本不变的前提下，提高安全带固定点的强度，如图8所示。
-表示两层焊接（侧围内板及安全带加强板）;-表示三层焊接（侧围外板、安全带加强板以及侧围内板）。
3.4 优化设计的效果
改进后，对白车身进行一次安全带拉力试验。B柱安全带拉力试验的工况：腰带拉力-16300N，胸带拉力-14700N（法规要求13500N）;C柱安全带拉力试验的工况：腰带拉力-13500N，胸带拉力-13500N（法规要求13500N）;B柱、C柱的安全带固定点都没有失效，通过国家法规要求，试验结果如图9所示。原故障试验的拉力是11200N，更改后把拉力最大增加了45%，C柱整个腔体变形比较大，但是焊点保持完好，焊接螺母保持固定状态，未被拉脱，固定点保持受力状态，判定拉力试验通过。
4 结论
本文结合实际拉力试验和CAE理论分析，通过详细对比故障原因，得出一套能有效提高安全带上固定点强度的低成本方案。采用本文的优化结构方案，成本很低容易实现，强度比优化前提高了50%以上，B柱、C柱安全带上固定点通过了国家强检要求。本文对故障的原因分析、优化设计方案可以为广大车身结构设计工程师借鉴应用。
参考文献：
[1]朱灯宏.基于薄壁腔体理论的车身结构优化设计[J].湖北：汽车科技，2016年第4期.
[2]黄金陵.汽车车身设计[M].北京：机械工业出版社，2007.9.
[3]林程 王文伟 陈潇凯.汽车车身结构与设计[M].北京：机械工业出版社，2013.6.
[4]成艾国，沈阳，姚佐平.汽车车身先进设计方法与流程[M].北京：机械工业出版社，2011.4.
