安全带固定点强度分析中紧固连接件的仿真方法

摘要

本发明公开了一种安全带固定点强度分析中紧固连接件的仿真方法，该方法包括：将紧固连接件作为整体进行网格模型划分以获得实体网格单元；对紧固连接件的外表面进行包壳处理以创建壳单元；在连接杆处创建横截面，并对横截面施加预紧应力；对连接杆和每个连接件的安装孔创建梁单元；根据紧固连接件的连接螺母与车身上的连接件的实际焊接信息创建焊接关系；对紧固连接件的壳单元和每个连接件的壳单元创建第一自接触，并对连接杆的梁单元和每个连接件的安装孔的梁单元创建第二自接触，以模拟紧固连接件与连接件之间的相互作用情况。该方法可在安全带固定点强度分析中较真实的模拟紧固连接件的预紧效果、紧固连接件与连接件的焊接关系以及相互作用。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及一种安全带固定点强度分析中紧固连接件的仿真 方法。

背景技术

GB14167-2013《汽车安全带安装固定点、ISOFIX固定点系统及上拉带固定点》是汽 车被动安全的一个重要指标，是车辆公告试验的强制检查项目，对于任何一款车型来说， 都是必须特别考虑的。该法规用以确保安全带能够在高速碰撞过程中对乘员提供足够的保 护，所施加载荷对结构强度要求很高，因此，各大汽车制造厂都不断寻求有效的研究方法 来提高其结构强度，所以在设计阶段对其结构强度的仿真分析就显得尤为重要。通过有限 元方法模拟试验过程，发现问题，提早在设计阶段解决问题，避免了大量的实际试验，节 省了开发费用，缩短开发周期。

在承受固定点试验载荷的情况下，安全带固定点的强度必须保证安全带不得从安装固 定点处脱落，但允许安装固定点及其周围区域产生永久变形或裂纹，且规定上部有效固定 点的前向位移不得超过一定的范围。安全带安装固定点一般采用螺栓联接的方式，而在安 全带固定点试验中常见的失效模式就是螺栓位置由于螺栓孔受力变形，导致材料撕裂或者 螺栓从孔中脱出导致试验失效。在相关技术中的仿真分析中，却不能较准确的模拟出螺栓 周边结构的变形模式，从而大大降低了安全带固定点强度仿真结果的准确度。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的 在于提出一种安全带固定点强度分析中紧固连接件的仿真方法，该仿真方法可以较真实的 模拟紧固连接件的预紧效果、紧固连接件与连接件的焊接关系以及紧固连接件与连接件的 相互作用，提升了安全带固定点强度仿真结果的准确度。

为了实现上述目的，本发明第一方面实施例的安全带固定点强度分析中紧固连接件的 仿真方法，所述紧固连接件用以将安全带上的连接件与车身上的连接件夹紧，所述仿真方 法包括以下步骤：将所述紧固连接件作为整体进行网格模型划分，以获得实体网格单元； 对所述紧固连接件的外表面进行包壳处理，以在所述紧固连接件的外表面创建一层与所述 实体网格单元对应的壳单元；在所述紧固连接件的连接杆处创建横截面，并沿垂直于所述 横截面的方向对所述横截面施加预紧应力，以模拟所述紧固连接件的预紧效果；对所述连 接杆创建梁单元，并对每个连接件的安装孔创建梁单元；根据所述紧固连接件的连接螺母 与所述车身上的连接件的实际焊接信息创建所述连接螺母与所述车身上的连接件之间的焊 接关系；对所述紧固连接件的外表面的壳单元和每个连接件的壳单元创建第一自接触，并 对所述连接杆的梁单元和每个连接件的安装孔的梁单元创建第二自接触，以模拟所述紧固 连接件与所述多个连接件之间的相互作用情况。

根据本发明实施例的安全带固定点强度分析中紧固连接件的仿真方法，可以在安全带 固定点强度分析中较真实的模拟紧固连接件的预紧效果、紧固连接件与连接件的焊接关系 以及紧固连接件与连接件的相互作用，更加真实地再现安全带固定点强度试验时紧固连 接件周边结构变形模式，提高了车辆在安全性能开发过程中模拟试验工况的准确性，从而 有助于节省整车安全性能开发费用以及缩短开发周期。

在本发明的一个实施例中，所述紧固连接件包括螺栓和所述连接螺母，其中，所述螺 栓包括螺栓头和所述连接杆。

在本发明的一个实施例中，所述实体网格单元为以六面体为主的实体网格单元。

在本发明的一个实施例中，所述预紧应力σ通过下述公式获得：

Mt＝K×Po×d，

σ＝Po/S，

其中，σ表示所述预紧应力，Mt表示预紧力矩，K表示拧紧力系数，Po表示预紧力， d表示螺纹公称直径，S表示所述连接杆处的所述横截面的面积。

在本发明的一个实施例中，所述紧固连接件的壳单元、所述连接杆的梁单元和所述连 接件的安装孔的梁单元均为空材料梁单元，其中，所述空材料为MAT9材料。

在本发明的一个实施例中，所述实体网格单元的材料为金属MAT24材料。

在本发明的一个实施例中，所述预紧应力通过调用有限元分析工具中的第一预设关键 字命令进行施加。

在本发明的一个实施例中，所述连接螺母与所述车身上的连接件之间的焊接关系通过 调用有限元分析工具中的第二预设关键字命令进行创建。

在本发明的一个实施例中，所述第一自接触通过调用有限元分析工具中的第三预设关 键字命令进行创建，所述第二自接触通过调用所述有限元分析工具中的第四预设关键字命 令进行创建。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的安全带固定点强度分析中紧固连接件的仿真方法的流 程图；

图2是根据本发明一个实施例的螺栓仿真模型的整体结构示意图；

图3是根据本发明一个具体实施例的螺栓预紧的时间-应力曲线示意图；

图4是根据本发明一个具体实施例的连接杆的梁单元和连接件的安装孔的梁单元的示 意图；

图5是根据本发明一个具体实施例的紧固连接件的实体网格单元所采用的MAT24材料 的应力-应变曲线示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描 述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图描述本发明实施例的安全带固定点强度分析中紧固连接件的仿真方 法。

图1是根据本发明一个实施例的安全带固定点强度分析中紧固连接件的仿真方法的 流程图。其中，紧固连接件用以将安全带上的连接件与车身上的连接件夹紧。安装带上的 连接件可以是一个或多个，车身上的连接件也可以是一个或多个。

如图1所示，本发明实施例的安全带固定点强度分析中紧固连接件的仿真方法，包括 以下步骤：

S1，将紧固连接件作为整体进行网格模型划分，以获得实体网格单元。

在本发明的一个实施例中，紧固连接件包括螺栓和与螺栓配合使用的连接螺母，其中， 螺栓包括螺栓头和连接杆。

具体地，首先根据实际螺栓结构划分螺栓网格模型：对实际螺栓进行简单处理，将螺 栓头、螺杆(即连接杆)和连接螺母作为一个整体进行划分，划分成以六面体为主的实体 网格单元，单元大小约4mm。其中，图2所示为螺栓仿真模型的整体结构示意图。

对螺栓整体外表面进行包壳，即在螺栓外表面创建一层与实体网格单元通过节点融合 (有限元分析中的一种连接方法)进行连接的壳单元。

在本发明的一个实施例中，其中，实体网格单元中的连接杆的对应部分在沿连接杆的 轴向为一排实体单元。

也就是说，实体网格单元中的连接杆部分要求沿着螺杆轴向方向划分为一排实体单元， 即连接杆部分对应两个节点，以提高后续施加预紧应力的准确度。

在本发明的一个实施例中，实体网格单元的材料采用有限元分析工具LS-DYNA中的金 属材料MAT24材料。

S2，对紧固连接件的外表面进行包壳处理，以在紧固连接件的外表面创建一层与实体 网格单元对应的壳单元。

具体地，对紧固连接件整体的外表面进行包壳，即在紧固连接件外表面创建一层与实 体网格单元通过节点融合(节点融合是指有限元分析中的一种连接方法)进行连接的壳单 元。

另外，对于紧固连接件所夹紧的每个连接件也创建壳单元。

在本发明的一个实施例中，壳单元采用LS-DYNA中的空材料MAT9材料。

S3，在紧固连接件的连接杆处创建横截面，并沿垂直于横截面的方向对横截面施加预 紧应力，以模拟紧固连接件的预紧效果。

具体地，螺栓联接的一般目的是将两个或两个以上的连接件夹紧在一起。夹持力通过 向螺栓头和螺母施加扭矩来实现，扳手和螺纹的机械优点使得能够拉伸螺栓头和螺母之间 的螺栓部分(也被称为螺杆，即文中所述的连接杆)，这在螺栓中产生了拉力，该拉力被称 为预紧力。因此在任何其它的力被施加到螺栓联接前，它就存在了。预紧力通过螺栓头、 螺帽和可能出现的任何垫片传递到相配合的连接件上，所以为更准确的模拟安全带固定点 强度试验，需对螺栓添加预紧力。

在本发明的一个实施例中，预紧应力σ通过下述公式获得：

Mt＝K×Po×dN.m，

σ＝Po/S，

其中，σ表示预紧应力，Mt表示预紧力矩，K表示拧紧力系数，Po表示预紧力，d表 示螺纹公称直径，S表示连接杆处的横截面的面积。

在本发明的一个具体实施例中，根据螺栓情况查表可得K＝0.24；而安全带螺栓预紧力 矩一般为标准值45±5N.m，螺栓直径一般为10mm，所以螺栓预紧力Po为：

Po＝45N.m/0.24/10mm＝45×1000N.mm/0.24/10mm＝18750N，

那么，连接杆的横截面的预紧应力为：

σ＝Po/S＝Po/π/r/r＝18750N/π/5mm/5mm＝238.8N/mm²＝238.8MPa，

可以取σ＝240MPa。

在本发明的一个实施例中，预紧应力通过调用有限元分析工具中的第一预设关键字命 令进行施加。

其中，第一预设关键字命令为有限元分析工具LS-DYNA中的初始截面应力关键字命令 *INITIAL_STRESS_SECTION。

具体地，采用LS-DYNA方法，在螺杆处创建一横截面，采用关键字命令 *INITIAL_STRESS_SECTION，通过该横截面施加σ＝240MPa的预紧应力，方向垂直于横截 面，以模拟紧固连接件的预紧效果，其中，螺栓预紧的时间-应力曲线如图3所示，图3中 的时间单位为ms，应力单位为GPa。

S4，对连接杆创建梁单元，并对每个连接件的安装孔创建梁单元。

在本发明的一个实施例中，连接杆的梁单元和每个连接件的安装孔的梁单元均为空材 料梁单元，其中，空材料为MAT9材料。

具体地，分别对螺杆(即连接杆)外表面和每个连接件的螺栓孔(即安装孔)周边创 建梁单元，采用LS-DYNA的空材料MAT9材料。其中，连接杆的梁单元和连接件的安装孔的 梁单元如图4所示，图4中箭头所指的竖线表示连接杆的梁单元，图4中箭头所指的水平 方向的圆圈表示连接件的安装孔的梁单元。

其中，对连接杆和连接件的安装孔所创建的空材料梁单元，梁单元的直径大小设定规 则为：以连接杆的梁单元与安装孔的梁单元之间不发生穿透为准，连接杆的梁单元与连接 杆实体单元在连接杆外表面通过节点融合进行连接，安装孔的梁单元与连接件的壳单元在 安装孔周边通过节点融合进行连接。

S5，根据紧固连接件的连接螺母与车身上的连接件的实际焊接信息创建连接螺母与车 身上的连接件之间的焊接关系。

在本发明的一个实施例中，连接螺母与车身上的连接件之间的焊接关系通过调用有限 元分析工具中的第二预设关键字命令进行创建。

其中，第二预设关键字命令为LS-DYNA中的强制焊接关键字命令 *CONSTRAINED_GENERALIZED_WELD。

具体地，对于汽车安全带螺栓，一般是将螺母焊接在车身上，然后再进行安装。也就 是说，连接螺母和车身上的连接件是焊接在一起的，安全带安装时，通过螺栓将安全带上 的连接件与车身上的连接件夹紧。所以，需要根据焊接螺母与连接件的实际焊接信息，对 焊接螺母与连接件创建焊接关系。

更具体地，根据焊接螺母与车身上的连接件的实际焊接信息，采用LS-DYNA的 *CONSTRAINED_GENERALIZED_WELD方法进行创建。

S6，对紧固连接件的外表面的壳单元和每个连接件的壳单元创建第一自接触，并对连 接杆的梁单元和每个连接件的安装孔的梁单元创建第二自接触，以模拟紧固连接件与连接 件之间的相互作用情况。

在本发明的一个实施例中，第一自接触通过调用有限元分析工具中的第三预设关键字 命令进行创建，第二自接触通过调用有限元分析工具中的第四预设关键字命令进行创建。

其中，第三预设关键字命令为LS-DYNA中的面自接触关键字命令 *CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE；第四预设关键字命令为LS-DYNA中的普通自接触关 键字命令*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL。

具体地，采用有限元分析工具进行接触关系设定，即在紧固连接件外表面的壳单元和 所有连接件的壳单元创建一个自接触，对连接杆外表面的梁单元和每个连接件安装孔的梁 单元创建一个自接触。

更具体地，对紧固连接件外表面的壳单元和所有连接件的壳单元创建一个自接触，采 用LS-DYNA中的*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE方法进行创建，模拟紧固连接件与 连接件的相互作用；对连接杆外表面的梁单元和所有连接件安装孔的梁单元创建一个自接 触，采用LS-DYNA中的*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL方法进行创建，以模拟紧固连接件 与连接件的相互作用。

另外，需要说明的是，上文中的MAT9材料参数设置为常规设置；紧固连接件的实体网 格单元所采用的MAT24材料的应力-应变曲线采用实际所用材料的应力-应变曲线即可，其 中，应力-应变曲线如图5所示。

通过与实车试验结果对比，证明了利用本发明实施例的仿真模拟方法，可以较准确的 模拟在安全带固定点强度试验中螺栓周边结构的实际变形模式，有效提高车辆在安全性能 开发过程中模拟试验工况的准确性，并且使用方便、模拟精度高，有效节约计算资源，提 高有限元仿真计算效率。

通过上述实施例的紧固连接件的仿真方法，可以在安全带固定点强度分析中建立 起螺栓模型，充分考虑螺栓预紧力施加、螺栓与连接件焊接关系以及螺栓与连接件的 相互作用，更加真实地再现安全带固定点强度试验时螺栓周边结构变形模式，为安全 带固定点强度仿真结果的准确性奠定了基础。同时，本仿真方法可实施性强，使其实 际应用于安全带固定点强度仿真分析模型中成为可能，有助于节省整车安全性能开发 费用以及缩短开发周期。

综上所述，本发明实施例的安全带固定点强度分析中紧固连接件的仿真方法，可以在 安全带固定点强度分析中较真实的模拟紧固连接件的预紧效果、紧固连接件与连接件的焊 接关系以及紧固连接件与连接件的相互作用，更加真实地再现安全带固定点强度试验时 紧固连接件周边结构变形模式，提高了车辆在安全性能开发过程中模拟试验工况的准确 性，从而有助于节省整车安全性能开发费用以及缩短开发周期。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、 “厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、 “外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于 附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所 指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发 明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示 或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两 个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定” 等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是 机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两 个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通 技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可 以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第 一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或 斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、 “下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特 征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示 例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者 特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述 不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以 在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领 域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进 行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例 进行变化、修改、替换和变型。