汪 隋，宋正超

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201206）

前言

美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）的交通事故統(tǒng)計表明，兒童座椅能有效保護(hù)兒童乘員在交通事故中免受傷害或減輕傷害的程度［1］，因此在乘用車安全開發(fā)過程中，對兒童乘員保護(hù)安全性能的評估是重要一環(huán)。乘用車后排座椅通常都配有ISOFIX 接口，用來固定兒童座椅。目前基于兒童座椅拉拽的臺架試驗下考核ISOFIX 固定點強(qiáng)度和其座椅的最大水平位移量，已經(jīng)成為國家汽車安全檢測強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB14167—2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX 固定點系統(tǒng)及上拉帶固定點》［2］（以下簡稱“國標(biāo)”）。

隨著CAE 仿真技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外汽車工程師對相關(guān)座椅拉拽類的安全性能進(jìn)行了一系列研究并頗具成果。胡佳等［3］研究了ISOFIX 型兒童座椅碰撞安全性能的評價方法，進(jìn)行了ISOFIX 型兒童座椅正面碰撞臺車試驗仿真，實現(xiàn)了分析和試驗結(jié)果的一致性。朱劍峰等［4］研究了基于座椅拉拽安全性能的車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法，通過CAE 仿真解決了安全帶卷軸器支架和地板梁失效的問題，并與試驗對比取得了較高的對標(biāo)精度。美國福特汽車公司Bahri 等［5］基于座椅拉拽安全性能，研究了車身鈑金沖壓成型效應(yīng)對車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，并展示了車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析數(shù)據(jù)的對比。日本汽車工程師學(xué)會Nagatani 等［6］對汽車在碰撞事故中減少兒童傷害風(fēng)險進(jìn)行了研究，通過CAE 仿真優(yōu)化了兒童約束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了兒童約束系統(tǒng)的安全性，從而減少兒童傷害的風(fēng)險。印度汽車制造商Mahindra&Mahindra 公司 Kumar 等［7］研究了基于座椅拉拽安全性能的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)方法，通過CAE 仿真優(yōu)化了車身上用于固定座椅的支架結(jié)構(gòu)、厚度和材料，解決了支架失效的問題，并與試驗對比取得了較高的對標(biāo)精度。

本文中根據(jù)國標(biāo)和泛亞汽車技術(shù)中心有限公司制定的兒童乘員保護(hù)安全標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱“企標(biāo)”），針對上汽通用汽車的某車型在兒童座椅正前向力拉拽工況下的臺架試驗中，ISOFIX 固定裝置焊點從車身上出現(xiàn)拉脫失效的問題，采用有限元分析方法進(jìn)行模擬，并以此對車身進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。改進(jìn)后的車身通過了兒童座椅拉拽的臺架試驗，滿足比國標(biāo)更嚴(yán)格的企標(biāo)要求，且有限元分析與試驗結(jié)果具有較高的對標(biāo)精度。

1 兒童座椅拉拽安全性能介紹

1.1 ISOFIX固定裝置的介紹

ISOFIX 定義為國際通用的兒童約束系統(tǒng)固定裝置，是由一個直徑6 mm 的水平放置的剛性圓桿，與帶有ISOFIX 接口的兒童座椅連接配合使用。所述的ISOFIX 固定裝置焊接在車身上，對應(yīng)車身上的兩個剛性下固定點以及限制兒童座椅翻轉(zhuǎn)的上拉帶固定點，如圖1和圖2所示。

圖1 ISOFIX焊接在車身上的位置

1.2 國標(biāo)和企標(biāo)的介紹

兒童座椅拉拽臺架試驗將靜態(tài)施加裝置（static force application device，SFAD）替 代 兒 童 座 椅 。SFAD 為剛性的工裝，尾部通過鎖扣扣在ISOFIX 下固定點上，頭部可以通過上拉帶固定在上拉帶固定點上，如圖2所示。

圖2 SFAD通過ISOFIX固定在車身上

根據(jù)國標(biāo)，兒童座椅拉拽臺架試驗有3種工況：①“正前向力拉拽試驗”是將SFAD安裝在ISOFIX 2個下固定點上，同時施加1 個大小為（8±0.25）kN、方向與水平呈（10±5）°的力，如圖3 所示；②“斜向力拉拽試驗”是將SFAD安裝在ISOFIX 2個下固定點上，同時施加1 個大小為（5±0.25）kN、方向與水平呈（0±5）°、與正前方成75°的力，如圖4所示；③“上拉帶固定點拉拽試驗”是通過1 個上拉帶固定點和2 個下固定點將SFAD 安裝在 ISOFIX 上，同時施加 1 個大小為（8±0.25）kN、方向與水平呈（10±5）°的力，如圖5所示。

國標(biāo)評價指標(biāo)：①ISOFIX 下固定點及周圍區(qū)域允許出現(xiàn)永久變形，但不能出現(xiàn)焊點拉脫或鈑金開裂失效；②SFAD 水平方向的最大位移應(yīng)限制在125 mm以內(nèi)。

圖3 正前向力拉拽

圖4 斜向力拉拽

圖5 上拉帶固定點拉拽

由于車身制造工藝存在一些不確定性因素影響車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為克服制造工藝因素導(dǎo)致的影響，在進(jìn)行兒童座椅拉拽臺架試驗過程中，施加的載荷企標(biāo)比國標(biāo)要高出一定比例，其他方面跟國標(biāo)一致，因企標(biāo)比國標(biāo)更加嚴(yán)格，所以只要滿足企標(biāo)就一定能滿足國標(biāo)。

2 車身結(jié)構(gòu)試驗中出現(xiàn)失效

根據(jù)更加嚴(yán)格的企標(biāo)，對某車型的兒童座椅進(jìn)行正前向力拉拽工況的臺架試驗，如圖6 所示。試驗結(jié)束后發(fā)現(xiàn)車身第3#區(qū)域，如圖7所示，ISOFIX下固定板部分焊核從車身地板皮上出現(xiàn)拉脫失效，失效形式如圖8所示。從圖8中可以看出，焊點失效形式為焊點熱影響區(qū)（heat affected zone，HAZ）損傷的焊點失效，失效位置出現(xiàn)在車身地板皮上，可以判定為車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足。

圖6 正前向力拉拽工況下的臺架試驗

圖7 ISOFIX在車身上的關(guān)注區(qū)

圖8 ISOFIX焊點HAZ損傷的焊點失效

3 車身結(jié)構(gòu)有限元分析

根據(jù)以上臺架試驗出現(xiàn)的失效問題，為保證汽車開發(fā)時間節(jié)點，減少臺架試驗次數(shù)，應(yīng)用LSTC 公司的LS-DYNA 軟件［8］進(jìn)行兒童座椅拉拽仿真分析來對標(biāo)臺架試驗，通過仿真與試驗對標(biāo)的結(jié)果改進(jìn)車身結(jié)構(gòu)。

3.1 焊點熱影響區(qū)損傷及鈑金斷裂失效準(zhǔn)則

焊點熱影響區(qū)（HAZ）損傷的焊點失效的有限元分析，需要在有限元模型中將HAZ 體現(xiàn)出來，采用HAZ來進(jìn)行有限元建模較復(fù)雜，包含焊核、熱影響區(qū)和基材區(qū)，如圖9 所示?；诿绹ㄓ闷嚬綥ee等［9］研究的焊點建模方法，焊核采用8個六面體單元所組成的直徑為5 mm的焊核網(wǎng)格，因焊核本體不會發(fā)生失效，采用剛體材料，HAZ和基材均采用殼單元網(wǎng)格，HAZ 直徑為8 mm，與焊核及基材區(qū)網(wǎng)格采用共節(jié)點方式連接，如圖10 所示。該焊點建模方法既能在幾何上與真實的焊點形狀接近，又能反映HAZ，還能體現(xiàn)拉伸、剪切、剝離和扭轉(zhuǎn)特性［10-11］，具有較高的模擬精度，如圖11所示。

焊點HAZ 損傷的焊點失效判斷指標(biāo)為HAZ 在失效時刻的等效塑性應(yīng)變，基于美國通用汽車公司Lee 等［12］研究的焊點熱影響區(qū)（HAZ）損傷的焊點失效分析方法，可知在有限元分析中，HAZ的等效塑性應(yīng)變與材料厚度、材料屬性和網(wǎng)格尺寸強(qiáng)相關(guān)，因HAZ 網(wǎng)格尺寸已經(jīng)確定，這些通過不同材料和厚度組合的焊接樣件強(qiáng)度的試驗與有限元強(qiáng)度分析對標(biāo)來得到。根據(jù)試驗對標(biāo)的HAZ 失效時刻的等效塑性應(yīng)變就可以制定焊點HAZ 損傷的焊點失效準(zhǔn)則，從而對焊點進(jìn)行失效判斷。

圖9 HAZ建模示意圖

圖10 HAZ有限元模型與實物電阻焊點斷面對比

圖11 焊點受力示意圖

鈑金斷裂失效判斷指標(biāo)為鈑金在斷裂時刻的等效塑性應(yīng)變?；谙嚓P(guān)文獻(xiàn)［13-14］可知，有限元分析中鈑金的等效塑性應(yīng)變與材料及網(wǎng)格尺寸強(qiáng)相關(guān)，根據(jù)美國通用汽車公司Lee等［9］研究的車身鈑金建模方法，車身鈑金建模采用5 mm殼單元。基于美國通用汽車公司高強(qiáng)鋼材料標(biāo)準(zhǔn)GMW3032—2013和低碳鋼材料標(biāo)準(zhǔn)GMW2—2012 與有限元強(qiáng)度分析對標(biāo)可以得到采用5 mm 殼單元的鈑金在斷裂時刻的等效失效塑性應(yīng)變，從而制定鈑金斷裂失效準(zhǔn)則，就可以對車身焊接件的鈑金基材區(qū)進(jìn)行失效判斷。

3.2 有限元分析加載曲線與評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)企標(biāo)制定兒童座椅拉拽有限元分析的加載曲線，橫坐標(biāo)為加載時間，縱坐標(biāo)為載荷值，加載時間為200 ms，0-110 ms加載到國標(biāo)載荷要求值，110-170 ms 為持續(xù)國標(biāo)載荷的時間，170 ms 之后加載到企標(biāo)的載荷要求值。正前向力拉拽工況和上拉帶固定點拉拽工況的載荷曲線如圖12 所示，斜向力拉拽工況的載荷曲線如圖13所示。

圖12 正前向力/上拉帶固定點拉拽載荷曲線

圖13 斜向力拉拽載荷曲線

基于以上焊點HAZ 損傷的焊點失效準(zhǔn)則和鈑金斷裂失效準(zhǔn)則，有限元分析評價指標(biāo)為：（1）ISOFIX 固定點及其周圍鈑金焊點熱影響區(qū)等效塑性應(yīng)變小于目標(biāo)值；（2）鈑金基材區(qū)等效塑形應(yīng)變小于目標(biāo)值；（3）SFAD 水平方向最大位移量小于125 mm。

3.3 有限元分析步驟

建立兒童座椅正前向力拉拽工況下的有限元分析模型，其內(nèi)容包含車身、座椅、SFAD、拉索和載荷/邊界約束。

兒童座椅正前向力拉拽有限元模擬分析步驟及內(nèi)容如下：

（1）車身、座椅、ISOFIX 固定裝置和 SFAD 的有限元模型建立；

（2）關(guān)鍵區(qū)域焊點HAZ建模，如圖14所示；

圖14 ISOFIX的焊點HAZ建模與實物對比

（3）模型的裝配（座椅、SFAD 及拉索與車身連接）；

（4）模型的準(zhǔn)靜態(tài)材料應(yīng)力應(yīng)變曲線輸入；

（5）固定約束及載荷曲線的施加；

（6）定義計算和輸出的LS-Dyna控制卡片；

（7）模型的檢查和計算；

（8）分析結(jié)果的后處理。

搭建完整的兒童座椅正前向力拉拽分析模型，如圖15所示。

圖15 正前向力拉拽有限元模型

3.4 有限元分析和試驗對標(biāo)

兒童座椅正前向力拉拽工況須考核ISOFIX 與車身焊接的1#、2#、3#、4#區(qū)域，如圖7所示。根據(jù)分析結(jié)果，這些區(qū)域的最大等效塑形應(yīng)變均出現(xiàn)在車身地板皮上。根據(jù)地板皮的材料和厚度，通過查詢焊點HAZ 損傷的焊點失效準(zhǔn)則和鈑金失效準(zhǔn)則得到：（1）地板皮焊點HAZ 發(fā)生損傷失效的等效塑性應(yīng)變?yōu)?8.6%；（2）地板皮基材出現(xiàn)斷裂失效的等效塑性應(yīng)變?yōu)?7%，以此為失效判據(jù)。

表1 為正前向力拉拽車身結(jié)構(gòu)評估。3#區(qū)域焊點HAZ 最大等效塑形應(yīng)變超過了目標(biāo)值，有焊點失效的風(fēng)險。圖16 為3#區(qū)域焊點失效模式對標(biāo)?？梢钥闯鲈囼炁c有限元分析對標(biāo)一致。

除以上焊點失效模式對標(biāo)，還應(yīng)計算并對標(biāo)SFAD 水平方向的位移結(jié)果。圖17 為SFAD 水平位移對標(biāo)曲線?？梢钥闯鰧?biāo)的兩條曲線對標(biāo)精度滿足小于10%目標(biāo)值，且SFAD 水平方向最大位移量滿足小于125 mm企標(biāo)的要求。

表1 正前向力拉拽車身結(jié)構(gòu)評估

圖16 3#區(qū)域焊點HAZ失效模式對標(biāo)

圖17 正前向力拉拽對標(biāo)曲線

根據(jù)以上焊點失效模式和SFAD 水平位移曲線的對標(biāo)結(jié)果，判定通過有限元分析可以預(yù)測試驗，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行下一步車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

4 車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過兒童座椅正前向力拉拽試驗失效的形式如圖8所示?？梢钥闯鍪У暮更c為ISOFIX與車身地板皮兩層焊接。經(jīng)測量地板皮厚度只有0.65 mm，遠(yuǎn)小于ISOFIX 的厚度1.2 mm，所以車身地板皮太薄，無法給ISOFIX 提供強(qiáng)壯的支撐是造成焊點失效的主要原因。

通過增加地板皮的厚度，提升地板皮的材料等級來改進(jìn)顯然不利于車身成本和質(zhì)量的控制。該失效區(qū)域從上到下總共有4個零件，分別為ISOFIX、地板皮、地板梁和加強(qiáng)板，如圖18 所示。根據(jù)美國通用汽車公司鋼材電阻點焊標(biāo)準(zhǔn)及修復(fù)流程GMW14057—2012 工藝要求，不能超過3 層以上的鈑金焊接，所以當(dāng)前設(shè)計只能為ISOFIX 和地板皮兩層焊接。

圖18 3#區(qū)域改進(jìn)焊接層數(shù)

通過工藝改進(jìn)，在加強(qiáng)板開工藝孔將3#區(qū)域出現(xiàn)失效的焊點2層焊改成3層焊，利用了強(qiáng)壯的地板梁來對ISOFIX 進(jìn)行加強(qiáng)，兼顧了工藝可行性同時不影響成本和質(zhì)量，如圖19所示。車身3#區(qū)域ISOFIX焊接工藝改進(jìn)后的實物樣件如圖20所示。

圖19 3#區(qū)域改進(jìn)示意圖

圖20 3#區(qū)域改進(jìn)后的實物

5 改進(jìn)后的車身結(jié)構(gòu)有限元分析

經(jīng)過改進(jìn)后的車身結(jié)構(gòu)，在臺架試驗前，須通過有限元分析評估是否解決了兒童座椅正前向力拉拽失效的問題，且滿足兒童座椅拉拽的剩下兩種工況“斜向力拉拽”和“上拉帶固定點拉拽”的企標(biāo)要求。

因“上拉帶固定點拉拽”工況須考核5#到6#衣帽板區(qū)域，根據(jù)衣帽板的材料和厚度，通過查詢焊點HAZ損傷的焊點失效準(zhǔn)則和鈑金失效準(zhǔn)則得到：（1）衣帽板焊點HAZ 發(fā)生損傷失效的等效塑性應(yīng)變?yōu)?1.7%；（2）衣帽板基材出現(xiàn)斷裂失效的等效塑性應(yīng)變?yōu)?8%，以此為失效判據(jù)。

表2 為兒童座椅拉拽3 種工況下1#到4#區(qū)域地板皮和5#到6#區(qū)域衣帽板的等效塑性應(yīng)變。從表中可以看出，各區(qū)域均滿足失效判據(jù)的要求。通過分析結(jié)果提取的SFAD 最大水平位移量也均滿足小于125 mm的企標(biāo)要求。

綜上所述，經(jīng)過改進(jìn)后的車身結(jié)構(gòu)滿足兒童座椅拉拽有限元分析評價指標(biāo)，預(yù)測在后續(xù)進(jìn)行的兒童座椅拉拽臺架試驗滿足企標(biāo)要求，因此可以進(jìn)行下一步臺架試驗驗證。

表2 兒童座椅拉拽車身結(jié)構(gòu)評估

6 改進(jìn)后的車身結(jié)構(gòu)試驗對標(biāo)

根據(jù)企標(biāo)對改進(jìn)后的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行兒童座椅拉拽的臺架試驗，臺架試驗分3 種工況，如圖21～圖23所示。試驗結(jié)束后，車身1#到6#區(qū)域均未發(fā)生焊點拉脫和鈑金開裂的失效，與有限元分析預(yù)測一致。通過試驗提取的SFAD 水平方向位移曲線和有限元分析結(jié)果對標(biāo)，如圖24～圖26 所示?？梢钥闯鲈囼炁c有限元分析對標(biāo)精度均滿足小于10%目標(biāo)值，且SFAD 水平方向最大位移量均滿足小于125 mm企標(biāo)的要求。

圖21 正前向力拉拽試驗與仿真對比

圖22 斜向力拉拽試驗與仿真對比

圖23 上拉帶固定點拉拽試驗與仿真對比

圖24 正前向力拉拽對標(biāo)曲線

圖25 斜向力拉拽對標(biāo)曲線

圖26 上拉帶固定點拉拽對標(biāo)曲線

綜上所述，經(jīng)改進(jìn)后的車身結(jié)構(gòu)通過了兒童座椅拉拽的臺架試驗，滿足企標(biāo)要求，且有限元分析結(jié)果與試驗對標(biāo)具有良好的一致性，證明了基于兒童座椅ISOFIX 的車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)有限元分析方法具有很好的適用性和可靠性。

7 結(jié)論

（1）建立了焊點熱影響區(qū)（HAZ）損傷的焊點失效準(zhǔn)則和鈑金斷裂失效準(zhǔn)則，為車身結(jié)構(gòu)性能提供了定量評價指標(biāo)，確保了后續(xù)車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案的可靠性。

（2）建立了基于兒童座椅拉拽的車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)有限元分析方法，使兒童座椅拉拽臺架試驗與有限元分析結(jié)果對標(biāo)具有良好的一致性，驗證了該方法的適用性和可靠性。

（3）基于兒童座椅拉拽的車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)有限元分析，可以有效地在車輛開發(fā)前期對車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行快速虛擬評估，降低了后期物理臺架試驗失效的風(fēng)險，減少了試驗次數(shù)，為車身設(shè)計開發(fā)提供了一個全新設(shè)計思路。