ISOFIX侧碰强度改善研究

王友平,毛军辉

宁波宝贝第一母婴用品有限公司,浙江 宁波 315000

0 引言

儿童约束系统(child restraint system,CRS)是指能为儿童乘员提供坐姿或睡姿状态的装置[1],其设计是通过限制儿童身体的移动来减轻车辆在碰撞事故或突然减速情况下对佩戴者的伤害。CRS在车辆上的安装有2种方式,一种是通过车用安全带固定,一种是通过CRS上的ISOFIX固定[2]。因ISOFIX固定的整体式CRS相比其他类型固定的CRS保护性能更佳[3],逐渐成为了市场的主流。

车祸中车辆的碰撞有一部分是来自于侧面[4]。儿童乘员在侧面碰撞事故中受到严重或致命伤的风险远高于其他类型的碰撞事故[5]。目前研究儿童约束系统侧面碰撞的不多,刘军 等[6]研究的是车门侵入速度、深度及方式等不同侵入条件对CRS中儿童损害的影响。ISOFIX是CRS与车辆连接的关键零部件,强度不足可能会导致CRS直接与车辆分离,给乘坐儿童带来严重的伤害。本文最大的创新点在于结合ADAC侧面碰撞工况,通过采用计算机辅助工程(CAE)的仿真分析结合实际样品测试的方式,快速分析、改善和验证现有ISOFIX产品侧面强度的不足,最终发现通过合理布局铆钉数量和位置,可使ISOFIX连接装置侧碰强度大幅提升。

1 ISOFIX测试方法

1.1 ADAC介绍

全德汽车俱乐部(ADAC)是德国最大的交通协会,总部位于德国慕尼黑[7]。ADAC站在消费者的角度对市面上的CRS定期进行抽检,采用的碰撞项目比国标GB27887—2011更高,比如ADAC采用了80°碰撞来模拟测试(见图1)。

图1 ADAC 80°侧面碰撞示意

1.2 ISOFIX装置

ISOFIX[8]是指从ISOFIX儿童约束系统结构中伸出,与ISOFIX的车辆下部固定点配合使用的固定装置[9](见图2)。为了与汽车安装有更好的兼容性,国标GB 27887—2011中对ISOFIX外形尺寸有详细规定(见图3)[10]。但尺寸的限制也意味着只能在有限的空间内通过巧妙的结构布局来增加强度。

图2 ISOFIX与CRS安装图示

1.3 测试方法

为了便于后续的研究和方案改善,本文将ADAC中ISOFIX的受力情况简化为如下工装:将上下工装固定在拉力机上,ISOFIX产品一端固定在测试上工装,另一端固定在测试下工装,ISOFIX与水平面成80°夹角(见图4)。

图4 80°侧拉工装示意

2 试验与研究

2.1 ISOFIX原型样件测试

为了获知现有ISOFIX的侧拉强度情况,先制作3套样件,按照如上测试方式将样件固定在拉力机上。ISOFIX的侧拉强度力值为11 210～12 730 N(见图5)。

图5 原型样件80°侧拉数据

2.2 建立CAE仿真分析模型

经过前期的调研获知,之前有通过CAE(compater aided engineering)来快速辅助改善产品设计的先例[11],因此,本文也在产品设计过程中引入CAE软件,建立仿真模型来同步验证设计方案。本文使用HyperMesh进行网格划分、建立边界条件和加载,LS-DYNA进行求解计算,HyperGraph进行结果处理,HyperView进行动画处理,形成最终的仿真分析报告。

在不影响分析结果的同时,为了提高CAE验证效率,本文对有限元模型进行了简化。模型固定件只保留主要的2个ISOFIX鳄鱼嘴的固定点,运动件在连接件螺栓孔的中心处施加向上力以及沿y方向随时间线性增加的位移(见图6)。

图6 CAE中ISOFIX工装模型搭建

横管和连接件使用的是一阶六面体单元,尺寸是3 mm;鳄鱼嘴二阶四面体单元,尺寸是1 mm;横管和鳄鱼嘴之间的焊缝是二阶四面体单元,尺寸是0.5 mm。模型总规模约9万单元。ISOFIX 采用的模型材料见表1,45#钢热处理真实与仿真应力应变曲线见图7。

表1 仿真模型使用到的样件材料

图7 45#钢热处理真实与仿真应力应变曲线

2.3 CAE分析结果

通过HyperGraph对仿真结果进行提取和处理,得到如下ISOFIX拉力仿真的曲线,拉力在位移52 mm处达到最大值13 100 N(见图8)。使用HyperView软件进行动画处理,ISOFIX鳄鱼嘴在根部断裂(见图9)。

图8 ISOFIX仿真结果

图9 ISOFIX 根部断裂图示

通过对比CAE分析结果和ISOFIX原型样件测试结果(见图10)得出如下结论。

图10 ISOFIX CAE仿真和试验拉力曲线对比

1)仿真的最大力约为13 100 N,实际原型样件测试力为11 210～12 730 N。

2)仿真最大力点出现在52 mm左右,实际原型样件测试最大力点为50～60 mm。

3)仿真和试验的力位移曲线线性段斜率基本一致。

通过CAE仿真分析与原型样的对比测试,其误差在理想范围内。

2.4 失效原因

对原型样件结构进行分析,如果鳄鱼嘴2个钢片在拉力作用下分开,那么只有1个钢片在受力,如果铆钉能把2个钢片牢固地结合在一起,使2个钢片共同受力,那么ISOFIX的强度会增加很多。

3 改善方案验证

3.1 改善方案

通过上面对模型的分析,在原型样件上制定了2个改善方案(见图11),改善方案汇总见表2。

表2 改善方案

图11 改善方案图示

3.1.1 改善方案A:加强现有铆钉强度

当侧拉力增加到15 000 N时,焊缝处的应力达到1 203.0 MPa,接近材料的抗拉强度(见图12)。

图12 改善方案A的ISOFIX受力云图

3.1.2 改善方案B:后端增加2颗铆钉

当侧拉力增加到20 000 N时,焊缝处的应力达到12 03.7 MPa,接近材料的抗拉强度(见图13)。

从上面2个模型的对比可以看出(见表3),改善方案B强度提高明显,因此根据方案B进行样件制作和测试验证。

3.2 实物验证

依据CAE对方案B的仿真分析,本文对样件进行了制作和测试(见图14)。在原型样件基础上,通过在鳄鱼嘴后端单侧增加2颗螺栓对钢片进行锁合,同时对3个样件进行了侧面拉力测试。

测试结果表明,强度提升到了20 000 N左右(见图15)。

图15 改善方案B的实物试验力-位移曲线

3.3 改善前后效果对比

通过在ISOFIX后端增加2个固定点,强度从改善前的12 000 N左右提升到了20 000 N左右,提升了约67%。

3.4 ISOFIX强度改善原因

在80°侧拉中,2片鳄鱼嘴直接承受拉力,ISOFIX随着拉力的增加,变形越来越大,当形变量达到一定时,ISOFIX的测面强度也就到了极限强度。本文通过增加铆钉的数量来增加鳄鱼嘴2片壳体的固定,从而提升鳄鱼嘴的强度,达到提高ISOFIX侧面强度的目的。

4 结论

随着人们对儿童出行安全意识的逐步提升,儿童约束系统的侧面碰撞会越来越被大家所重视。本文通过对ISOFIX装置侧拉强度的改善研究发现,ISOFIX上的铆钉位置和数量对产品整体强度有很大影响。该研究可以给儿童安全座椅工程师们更好、更完善地设计ISOFIX装置提供参考和借鉴。