秦轩辕 王秋锋 李广府

摘 要：安全带是汽车被动安全的重要保障措施，其固定点强度是评价汽车安全性的一项重要指标。本文介绍了某款厢式车侧围安全带的固定点加强结构设计，通过结构设计、模拟仿真分析和优化设计等，为同类型的结构设计提供参考。

关键词：安全带固定点;加强结构;强度分析;优化设计

中图分类号：U491.61文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）02-0061-03

The Strength Design of the Three-point Safety Belt Fixed Structure for the Rear Seats of a Van

QIN Xuanyuan WANG Qiufeng LI Guangfu

（Technology Center of Zhengzhou Nissan Automobile Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450016）

Abstract： Seat belts are an important safeguard for the passive safety of automobiles， and the strength of their anchorages is an important indicator for evaluating automobile safety. This paper introduced the strengthened structural design of the anchorage of a certain van side safety belt， in order to provide references for the same type of structural design through structural design， simulation analysis and optimum design.

Keywords： seat belt anchorage;strengthened structure;strength analysis;optimum design

随着社会的进步和汽车技术的飞速发展，客户对汽车的安全性有着越来越高的要求。安全带是保障汽车被动安全的重要措施，其固定点强度不仅是评价汽车安全性的一项重要指标，也是相关国家规范中强制性要求的试验检测项目。因此，车身结构设计阶段必须进行安全带固定点强度设计。本文主要针对某皮卡平台开发设计的一体车身厢式车侧围上后排安装固定点结构进行设计，并通过有限元分析等模拟手段对设计提出优化建议，最终达到优化设计的目的。

1 国家汽车标准的具体要求

《汽车安全带安装固定点、ISOFIX固定点系统及上拉带固定点》（GB 14167—2013）（下文简称国家标准）要求，在固定点承受试验载荷的情况下，安全带固定点的强度务必确保安全带不能从安装固定点位置脱落，但允许安装固定点及其周围区域产生永久变形或者裂纹，同时所有的安全带固定点不能失效;在荷载卸载后，要确保全部座位上的乘员通过手动操作位移装置和锁止装置就能够离开车辆。

设计阶段，为了保证设计的可靠性，在一体车身厢式车的車型验证分析过程中，本研究均以国家标准要求加载力值的1.2倍进行仿真分析。国家标准要求的加载力方向如图1所示，[P1]是指通过座椅质心水平方向，[P2]和[P3]是指水平方向向上10°。根据国家标准要求，不同类型车辆的座椅所要求施加的荷载各有不同，具体情况如表1所示。

本研究主要是基于某款皮卡平台开发的一体式车身M1类车型开展的，所以这里以M1类车型为例，结合相关国家标准要求，解读试验荷载加载要求及评价标准。试验方法如下：针对三点式安全带，在图1所示的P2、P3方向，通过加载装置对座椅系统施加（16 200±200）N的荷载。

2 结构设计

2.1 结构选型

后排座椅中间三点式安全带根据不同车型，其布置结构也不相同。一般来说，两厢轿车缺少像三厢轿车那样的后窗台板，故后排中央位置安全带卷收器一般布置在顶盖后横梁或者后座椅靠背上，也有一些车型将其固定在后座椅靠背下方后地板上。对于这种情况，顶盖后横梁总成应该拥有很强的强度，使安全带上固定点在乘员正常或碰撞过程中不脱落。若卷收器固定在后座椅靠背上，其安全带另一下固定点一般位于座椅下方或同样固定在后座椅靠背上。这种安全带固定方式要求在乘员正常使用和碰撞过程中，后座椅靠背不能产生翻转，否则会导致安全带失效，致使乘员受到伤害。

由于SUV车型同两厢车类似，没有后窗台板，因此其后排中央位置安全带卷收器布置同两厢车型一致，一般其中一个固定点布置在侧围上。但是，由于SUV较两厢车型大，其后侧围比两厢车型长，因此其安全带卷收器固定在后侧围后部，而安全带上布置两个连接件，分别同座椅上两个带扣相连接，组成三点固定。

基于厢式车侧围结构现状，经与座椅开发人员共同确认，笔者决定座椅选用铰接式固定方案，卷收器固定在后座椅靠背上，座椅靠背骨架两端通过锁扣的形式固定到侧围两侧;安全带另一下固定点位于后地板上，因为座椅靠背骨架及侧围固定点强度要求极高。

2.2 初版结构设计

在方案设计中，本研究考虑设定较多连接结构，将C柱加强结构、前后侧围等连接为一体，减少局部受力形变的风险，保证可靠性。结构设计如图2所示。

在结构设计中，C柱加强板通过新设安全带锁扣加强板将后侧围与前立柱焊接为一体，将所受力传递到前后侧围，扩大受力部件范围;加强板1与C柱加强板、后侧围内板焊接在一起，有序分散受力;在侧围内板后部设定加强板1与加强板2，加强板2下部焊接到安全带锁扣加强板上，将座椅安全带锁扣螺母贴到侧围内板上，即形成一倒扣盒形加强结构，将所受力传递到其他部品，增强刚度。其间，主要构成部品材质及料厚如表2所示。

2.3 焊接工序

将后侧围内板+C柱加强板+安全带锁扣加强板焊接起来，使其成为一体;将加强板2+安全带锁扣加强板+侧围内板总成焊接到一体，如图3所示。

2.4 有限元分析验证

本研究利用有限元分析法对车身安全带强度进行分析，确认方案是否可行。有限元分析是基于结构分析的数值分析方法，是CAD系统的重要组成部分，车身设计阶段利用有限元分析法[1]，可以大大提高一次性设计的成功率。有限元分析通常由前处理、求解计算、后处理三部分组成。前处理是建立有限元分析的关键环节，求解计算是计算机对有限元模型进行数值求解处理，后处理是查看求解结果，方便用户对分析结果进行分析和评价。

有限元模型是有限元分析的前提和基础，建立有限元模型是有限元分析的关键环节，合理的有限元模型不仅能保证有限元分析的精度，而且可以减少计算机的存储空间，缩短计算时间。在研究车身结构静强度或应力情况的过程中，若想获取更精确的结果，可使用车身结构详细模型;若想在较短时间内得到结果，可采用简化的有限元分析模型。本文使用白车身及座椅骨架等主要受力部件详细的结构模型。车身及座椅骨架均采用shell单元，焊点、涂胶、螺栓等使用不同的单元进行模拟。车体有限元模型如图4所示。

2.5 分析工况输入

根据《汽车安全带安装固定点、ISOFIX固定点系统及上拉带固定点》（GB 14167—2013），分析具体工况。理论拉力为13.5 kN，实际计算给予1.2倍安全系数，则其实际拉力为16.2 kN;从受力方向看，座椅与水平面成10°角。加载时间曲线如图5所示。

下面按照最大加载力16.2 kN，加载时间150 ms进行有限元分析工况加载，考察车体各部位及座椅骨架靠背变形量，具体结果如图6所示。CAE模拟分析结果表明，座椅靠背最大变形量为246 mm，变形量较大;侧围座椅锁扣安装点处局部有较大变形。

2.6 优化设计

基于初版结构设计的分析结果，对加强板料厚和锁扣安装板处焊点进行优化设计。优化后，主要构成部品材质及料厚如表3所示，焊点变更如图7所示。

优化设计对安全带锁扣加强板、加强板1和加强板2的料厚进行加大，安全带锁扣加强板与侧围内板之间增加四个焊点。下面再进行一次有限元CAE分析，具体结果如图8所示。

CAE分析结果显示，加载过程中，未见结构失效、撕裂等变形模式发生;结构改进后，安全带上固定点位移减小82 mm，满足国家标准要求;同样，固定点强度也可以满足国家标准要求。

3 结论

安全带作为最重要的被动安全手段之一，是现代汽车安全设计及应用中至关重要的一环。本文结合某款皮卡平台开发的一体式车身厢式车，对侧围安全带固定点进行加强结构设计，最大限度地利用現有结构，结合仿真手段进行结构设计，以更好地提升汽车被动安全性能。

参考文献：

[1]王彦伟，郑英.有限元法在车身设计中的应用[J].机械设计与制造，2001（5）：42-43.