论文部分内容阅读
【摘 要】文章通过对某商用车在安全带拉力试验中中排座椅右后脚安装螺母脱开的原因进行分析，并对中排座椅右后脚安装点的结构进行优化，提高了安装点的结构强度。新结构经安全带拉力试验验证可行，有效地保证了座椅安装的可靠性。
【关键词】座椅安装板；结构优化；强度；拉力试验
【中图分类号】U463.836 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）12-0055-03
0 引言
汽车安全座椅是汽车普遍采用的安全装备，是一种有效的成员保护装置。为使座椅在汽车上能充分发挥作用，除本身的结构和强度外，它在车身上的安装强度（车身座椅固定点强度）也至关重要。本文针对某商用车中排座椅右后脚安装点结构在安全带拉力试验中出现的螺母脱开问题，采用CAE辅助分析手段，对其固定点结构进行优化设计，优化后的结构成功地解决了安全带拉力试验中出现的安装螺母脱开问题。通过这一实例，本文总结了座椅安装点结构的设计经验，为今后进一步优化车身强度和功能的设计提供一些借鉴和参考。
1 座椅安装结构特点
某商用车中排座椅安装点位置分布在车架后地板横梁一焊合件上，每个安全带安装板上有一个安装点，安装点沿Y向布置，2个座椅安装螺母均布于座椅安装板上的安装螺母板上，中排座椅右后脚安装板与横梁通过电阻点焊连接，而座椅则通过螺栓固定在中排座椅右后安装板上（如图1所示）。
某商用车在安全带拉力试验中，中排座椅右后脚安装螺母出现脱开的问题（如图2所示）。
2 原因分析
2.1 结构应力分析
经CAE模拟分析得知：座椅安全带安装板开裂处的最大应变值为0.621（其应变要求≤0.12），超出其应变要求范围，座椅安装板的材料为ST37-2G，其理论屈服值≥215 MPa，安全使用范围≤215×80%=172 MPa，安全裕度较小（如图3所示）。在安全带拉力试验中，结构强度不足导致螺母直接脱开。
2.2 结构分析
经过调查分析，中排座椅的载荷通过安装螺栓传递给座椅安装板和横梁，座椅右后脚安装板一端悬空于横梁上，悬空的一端在Z向上有螺母板支撑，而横梁腔体中的座椅安装点在Z向上没有有效的结构支撑（如图4所示），座椅安装结构在承受拉力的同时还承受剥离力，导致应力集中。
从CAE的分析结果我们也可以得到有效的验证，故需对此处结构进行优化，以解决安全带拉力试验中的螺母脱开问题。
3 方案的制订与确认
3.1 方案的制订
根据以上分析，只要在横梁腔体上方的安装点处增加Z向的结构支撑或提高此处结构强度，加强此处结构的刚度和抗拉强度，就可降低座椅安装板的应变和横梁焊点的应力。结合零件结构特点，制订如下方案。
方案一：新增螺母板，原座椅安装板结构更改，取消横梁腔体内座椅安装板一侧的翻边（如图5所示），螺母板与横梁内侧面、座椅安装板均通过焊点连接，以加强此处结构的强度。
方案二：原座椅安装板结构不变，新增“U”形螺母板，螺母板与横梁内侧面通过二保焊连接，螺母板与座椅安装板通过焊点连接，以加强此处结构强度（如图6所示）。
方案三：新增螺母板，原座椅安装板结构更改，螺母板与横梁内侧面通过二保焊连接，螺母板与座椅安装板通过焊点连接，以提高零件结构的Z向强度（如图7所示）。
3.2 方案的确定
通过运用有限元虚拟分析软件（CAE分析）对方案进行分析，结果如图8所示。
从CAE的模拟分析发现：方案一原座椅安装板结构更改，新增螺母板，座椅安装板应变值由0.621降为0.077，降低了约87%；焊点力值由2.7降为0.57，降低了约79%，应变值与焊点力值均满足要求，改善效果明显。
方案二原座椅安装板结构不变，新增螺母板，座椅安装板应变值由0.621降为0.076，降低了约88%；焊点力值由2.7降为0.36，降低了约87%，应变值与焊点力值均满足要求，改善效果明显。
方案三新增螺母板，原座椅安装板结构更改，座椅安装板应变值由0.621降为0.104，降低了约83%；焊点力值由2.7降为0.65，降低了约76%，应变值与焊点力值均满足要求，改善效果明显。
4 方案验证和实施
结合零件结构特点、CAE分析结果、制造工艺性及更改费用等因素，最终选择方案二：在中排座椅右后脚安装点处增加带加强筋特征的“U”形螺母板，原座椅安装板结构不变，螺母板与横梁侧面通过二保焊连接，与座椅安装板通过焊点连接。经过优化后，座椅安装板此处的最大应变值下降为0.076，焊点力值下降为0.36，此方案经安全带拉力试验验证，原安装螺母脱开处没有发生螺母脱开问题，说明此结构满足设计要求，改进措施有效。通过实施该方案，基本上达到了如下效果。
（1）提高此处结构的强度、刚度和抗扭强度，并能把座椅传递过来的载荷应力快速分散到横梁上，避免应力集中，提升了座椅安装结构的可靠性和耐久性。
（2）座椅安装螺母脱开处应变值降低了约88%，焊点力值降低了约87%，解决了中排座椅右后脚安装点结构在安全带拉力试验中出现的安装螺母脱开问题。
原结构跟优化后的结构在安装点处截面分别如图9、图10所示。
5 总结
在车身结构开发设计过程中，要充分考虑零件的受力情况、材料强度及结构的合理性等因數，根据零件结构的边界条件及所承担的功能对其进行设计，并利用CAE等模拟软件对其进行分析，同时通过安全带拉力试验等进行验证，不断对其结构进行优化和改善，最终达到优化设计的效果。
参 考 文 献
[1]黄天泽.汽车车身结构与设计[M].北京：机械工业出版社，1997.
[2]《汽车工程手册》编辑委员会.汽车工程手册[M].北京：人民交通出版社，2001.
[3]王伟，段茂才，刘剑.汽车后排座椅安装点结构优化设计[J].中国新技术新产品，2015（4）.
[责任编辑：陈泽琦]
【关键词】座椅安装板；结构优化；强度；拉力试验
【中图分类号】U463.836 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）12-0055-03
0 引言
汽车安全座椅是汽车普遍采用的安全装备，是一种有效的成员保护装置。为使座椅在汽车上能充分发挥作用，除本身的结构和强度外，它在车身上的安装强度（车身座椅固定点强度）也至关重要。本文针对某商用车中排座椅右后脚安装点结构在安全带拉力试验中出现的螺母脱开问题，采用CAE辅助分析手段，对其固定点结构进行优化设计，优化后的结构成功地解决了安全带拉力试验中出现的安装螺母脱开问题。通过这一实例，本文总结了座椅安装点结构的设计经验，为今后进一步优化车身强度和功能的设计提供一些借鉴和参考。
1 座椅安装结构特点
某商用车中排座椅安装点位置分布在车架后地板横梁一焊合件上，每个安全带安装板上有一个安装点，安装点沿Y向布置，2个座椅安装螺母均布于座椅安装板上的安装螺母板上，中排座椅右后脚安装板与横梁通过电阻点焊连接，而座椅则通过螺栓固定在中排座椅右后安装板上（如图1所示）。
某商用车在安全带拉力试验中，中排座椅右后脚安装螺母出现脱开的问题（如图2所示）。
2 原因分析
2.1 结构应力分析
经CAE模拟分析得知：座椅安全带安装板开裂处的最大应变值为0.621（其应变要求≤0.12），超出其应变要求范围，座椅安装板的材料为ST37-2G，其理论屈服值≥215 MPa，安全使用范围≤215×80%=172 MPa，安全裕度较小（如图3所示）。在安全带拉力试验中，结构强度不足导致螺母直接脱开。
2.2 结构分析
经过调查分析，中排座椅的载荷通过安装螺栓传递给座椅安装板和横梁，座椅右后脚安装板一端悬空于横梁上，悬空的一端在Z向上有螺母板支撑，而横梁腔体中的座椅安装点在Z向上没有有效的结构支撑（如图4所示），座椅安装结构在承受拉力的同时还承受剥离力，导致应力集中。
从CAE的分析结果我们也可以得到有效的验证，故需对此处结构进行优化，以解决安全带拉力试验中的螺母脱开问题。
3 方案的制订与确认
3.1 方案的制订
根据以上分析，只要在横梁腔体上方的安装点处增加Z向的结构支撑或提高此处结构强度，加强此处结构的刚度和抗拉强度，就可降低座椅安装板的应变和横梁焊点的应力。结合零件结构特点，制订如下方案。
方案一：新增螺母板，原座椅安装板结构更改，取消横梁腔体内座椅安装板一侧的翻边（如图5所示），螺母板与横梁内侧面、座椅安装板均通过焊点连接，以加强此处结构的强度。
方案二：原座椅安装板结构不变，新增“U”形螺母板，螺母板与横梁内侧面通过二保焊连接，螺母板与座椅安装板通过焊点连接，以加强此处结构强度（如图6所示）。
方案三：新增螺母板，原座椅安装板结构更改，螺母板与横梁内侧面通过二保焊连接，螺母板与座椅安装板通过焊点连接，以提高零件结构的Z向强度（如图7所示）。
3.2 方案的确定
通过运用有限元虚拟分析软件（CAE分析）对方案进行分析，结果如图8所示。
从CAE的模拟分析发现：方案一原座椅安装板结构更改，新增螺母板，座椅安装板应变值由0.621降为0.077，降低了约87%；焊点力值由2.7降为0.57，降低了约79%，应变值与焊点力值均满足要求，改善效果明显。
方案二原座椅安装板结构不变，新增螺母板，座椅安装板应变值由0.621降为0.076，降低了约88%；焊点力值由2.7降为0.36，降低了约87%，应变值与焊点力值均满足要求，改善效果明显。
方案三新增螺母板，原座椅安装板结构更改，座椅安装板应变值由0.621降为0.104，降低了约83%；焊点力值由2.7降为0.65，降低了约76%，应变值与焊点力值均满足要求，改善效果明显。
4 方案验证和实施
结合零件结构特点、CAE分析结果、制造工艺性及更改费用等因素，最终选择方案二：在中排座椅右后脚安装点处增加带加强筋特征的“U”形螺母板，原座椅安装板结构不变，螺母板与横梁侧面通过二保焊连接，与座椅安装板通过焊点连接。经过优化后，座椅安装板此处的最大应变值下降为0.076，焊点力值下降为0.36，此方案经安全带拉力试验验证，原安装螺母脱开处没有发生螺母脱开问题，说明此结构满足设计要求，改进措施有效。通过实施该方案，基本上达到了如下效果。
（1）提高此处结构的强度、刚度和抗扭强度，并能把座椅传递过来的载荷应力快速分散到横梁上，避免应力集中，提升了座椅安装结构的可靠性和耐久性。
（2）座椅安装螺母脱开处应变值降低了约88%，焊点力值降低了约87%，解决了中排座椅右后脚安装点结构在安全带拉力试验中出现的安装螺母脱开问题。
原结构跟优化后的结构在安装点处截面分别如图9、图10所示。
5 总结
在车身结构开发设计过程中，要充分考虑零件的受力情况、材料强度及结构的合理性等因數，根据零件结构的边界条件及所承担的功能对其进行设计，并利用CAE等模拟软件对其进行分析，同时通过安全带拉力试验等进行验证，不断对其结构进行优化和改善，最终达到优化设计的效果。
参 考 文 献
[1]黄天泽.汽车车身结构与设计[M].北京：机械工业出版社，1997.
[2]《汽车工程手册》编辑委员会.汽车工程手册[M].北京：人民交通出版社，2001.
[3]王伟，段茂才，刘剑.汽车后排座椅安装点结构优化设计[J].中国新技术新产品，2015（4）.
[责任编辑：陈泽琦]