B柱耐撞性與輕量化優(yōu)化設(shè)計研究---轎車

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1、為了在提高轎車側(cè)面碰撞中B柱耐撞性能的同時減小B柱的質(zhì)量以實現(xiàn)車身輕量化，對某車側(cè)面碰撞的安全性能進(jìn)行了有限元分析。針對在側(cè)面碰撞中B柱腰線處侵入量和侵入速度過大、B柱結(jié)構(gòu)中加強板數(shù)目較多及超重等問題，采用拼焊板結(jié)構(gòu)對B柱外板進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。在兼顧耐撞性與輕量化的前提下，使用正交試驗設(shè)計和多目標(biāo)遺傳算法對拼焊焊縫的位置以及各部分的厚度進(jìn)行優(yōu)化。通過優(yōu)化設(shè)計，改善了B柱在側(cè)面碰撞中的變形模式。B柱最大侵入量減小了10%，腰線處侵入量和侵入速度分別減小了18%和12%，質(zhì)量減小了18%。結(jié)果表明，在B柱上使用拼焊板結(jié)構(gòu)并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計能夠有效地平衡耐撞性和輕量化的要求。? 關(guān)鍵詞：耐撞性；輕量化；

2、B柱；優(yōu)化設(shè)計? 引言? 由于安全法規(guī)和市場對汽車碰撞安全的要求不斷提高，傳統(tǒng)車身的質(zhì)量將有可能越來越大，但同時，車輛輕量化又是實現(xiàn)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的重要措施 [1]，因此，在車身設(shè)計和改進(jìn)時兼顧耐撞性和輕量化這兩個相互矛盾的要求已經(jīng)成為了當(dāng)今汽車工業(yè)界研究的熱點問題。在影響汽車碰撞安全的關(guān)鍵部件上使用拼焊板是滿足這兩個要求的有效途徑之一[2]。? 拼焊板是將兩塊或兩塊以上具有不同機械性能、鍍層和厚度的鋼板焊接在一起所得到的具有理想強度和剛度的輕型板料。Min等[3]通過材料拉伸試驗得出同材料的拼焊鋼板與單一鋼板的抗拉強度幾乎是一樣的，即焊接良好的拼焊板的應(yīng)力應(yīng)變特性基本不受焊

3、接過程影響，因此可以認(rèn)為拼焊鋼板的碰撞性能也不受焊接過程的影響。? 拼焊技術(shù)在汽車工業(yè)界受到普遍關(guān)注并得到了廣泛應(yīng)用，但是其設(shè)計主要依賴專家經(jīng)驗或是以參照已有的拼焊板結(jié)構(gòu)為主，只有少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了一些定量的研究。Shin等[4]、Lee等[5]、Zhu等[2]、Song等[6]在車門設(shè)計中使用了拼焊板，并分別進(jìn)行了一系列優(yōu)化。楊雨澤等[7]使用拼焊板對某車前縱梁進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，并對各塊差厚鋼板的材料等級及厚度進(jìn)行了正交試驗優(yōu)化。施欲亮等[8]研究了利用拼焊板進(jìn)行前縱梁輕量化改進(jìn)的設(shè)計方法。? 在轎車側(cè)面碰撞中，側(cè)圍結(jié)構(gòu)的侵入量、侵入速度和侵入形態(tài)是直接影響乘員安全的主要因素[9]。側(cè)

4、圍結(jié)構(gòu)主要包括B 柱、車門內(nèi)外板、防撞桿、門檻等部件，而B柱是側(cè)面碰撞中的主要受力部件。因此B柱變形模式的好壞在整個碰撞過程中顯得至關(guān)重要。Marklund等 [1]對比了局部和全局近似方法后，以線性和二次響應(yīng)面的形式采用全局近似對B柱進(jìn)行了優(yōu)化，使B柱總質(zhì)量減小了25%。游國忠等[10]通過建立B柱簡化模型在Altair OptiStruct軟件中采用拓?fù)浜托螤顑?yōu)化相結(jié)合的方法對B柱內(nèi)板進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，減小了B柱腰線處的侵入速度。? 本文通過在B柱上使用拼焊板結(jié)構(gòu)來獲得理想的B柱變形模型———“鐘擺式暠變形模式[11]，同時結(jié)合正交試驗設(shè)計和多目標(biāo)遺傳算法對拼焊板的相關(guān)參數(shù)(焊縫的位置

5、、板材的厚度)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了提高B柱耐撞性，減小B柱總質(zhì)量的目的。? 1 多目標(biāo)優(yōu)化準(zhǔn)備? 1.1 有限元模型的建立和驗證? 本文以某量產(chǎn)轎車為研究對象。按照我國《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》法規(guī)的要求建立了移動變形障壁以50km/h的速度與整車模型垂直相撞的側(cè)面碰撞有限元模型，如圖1所示。碰撞仿真時間設(shè)定為0.1s。整車有限元模型的有效性經(jīng)過了實驗驗證，圖2所示為轎車側(cè)面碰撞中整車非碰撞側(cè)B柱下部加速度曲線在仿真與實驗中的對比。由圖2可知，實驗和仿真的加速度曲線變化趨勢基本一致，峰值出現(xiàn)時刻較吻合，實驗曲線和仿真曲線的加速度峰值存在一定的差異，但誤差小于5%。 ?

6、圖1 側(cè)面碰撞有限元模型 ? 圖2 仿真與實驗中的車體加速度曲線 1.2 側(cè)面碰撞安全分析? 使用LS-DYNA 軟件對目標(biāo)轎車進(jìn)行側(cè)面碰撞仿真。從仿真結(jié)果可知，車身結(jié)構(gòu)的側(cè)面碰撞安全性能并不理想。如圖3、圖4所示，因為車頂橫梁和地板均有較大變形，致使車體側(cè)圍內(nèi)陷較嚴(yán)重，同時側(cè)圍侵入量和侵入速度均偏大。 ? 圖3 整車側(cè)圍變形情況 ? 圖4 B柱內(nèi)板腰線處侵入速度-時間曲線 本文的研究目的是對B 柱進(jìn)行優(yōu)化。所以決定對整車模型中的門檻、車頂橫梁、后地板和車門防撞桿等部件的材料和厚度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使得整車車體結(jié)構(gòu)的變形局部有所改善，但是B柱仍存在兩個明顯的問題。?PLC對外

7、圍電路的控制輸出信號控制相關(guān)的執(zhí)行元件 電壓力鍋的清洗方法房屋裝修餐廳巧布局 新房裝修攻略：空間要適當(dāng)留白施工方案的注意事項 裝修適宜很重要涂料怎么選擇 壓鑄模CAD技術(shù)的發(fā)展 國內(nèi)壓鑄模CAD的發(fā)展與現(xiàn)狀 涂層中的決定性因素 常見涂層 機械拋光基本程序機械拋光中要注意的問題 (1)B柱在側(cè)面碰撞中的變形模式不夠理想，腰線處變形較嚴(yán)重，侵入速度偏大。而人體胸部的損傷(肋骨變形指數(shù)RDC)與B柱腰線處撞擊假人的速度成正比[12]，因此本車在側(cè)面碰撞中存在較大的人體胸部損傷風(fēng)險。? (2)B柱結(jié)構(gòu)中包括有較多的加強板，如圖5所示。使用過多的加強板不僅不利于

8、車身輕量化，而且還增加了車身設(shè)計和整車裝配的復(fù)雜度。 ? 圖5 B柱的基本構(gòu)成 為了解決上述兩個問題，本文對目標(biāo)轎車的B柱進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。? 1.3 B柱拼焊板結(jié)構(gòu)設(shè)計方案? 在側(cè)面碰撞中，人體腹腔內(nèi)部器官的損傷對生命的威脅程度較胸部低，同時，侵入速度對人肩部和胸部的變形影響較腹部更加顯著[12]。因此，從乘員損傷防護(hù)的角度出發(fā)，首先應(yīng)該減小車體側(cè)圍在人體正常坐姿狀況下胸部位置處的變形和侵入速度。本研究試圖通過獲得理想的B 柱變形模式，即以B 柱上端與車頂橫梁連接處為圓心，B柱下端向內(nèi)繞轉(zhuǎn)變形的鐘擺式變形模式[11]來滿足設(shè)計要求，如圖6所示。這種變形模式要求B柱結(jié)構(gòu)剛度服

9、從上高下低的分布形式。為了獲得這種結(jié)構(gòu)剛度，可以使用不同厚度和材料的板料進(jìn)行拼焊連接，這樣不僅可以節(jié)約材料，而且可以提高設(shè)計的靈活性[13]，因此，使用拼焊板結(jié)構(gòu)代替原B柱模型?？蓪柱外板分成上下兩部分進(jìn)行拼焊，如圖7所示。焊縫簡化為不同厚度板料的一個簡單邊界，在有限元模型中可以直接將節(jié)點合并。 ? 圖6 B柱鐘擺式變形模式示意圖 圖7 B柱外板的拼焊結(jié)構(gòu) 應(yīng)用拼焊板結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點是能夠減少部件的數(shù)量，可在必須承受高應(yīng)力的關(guān)鍵區(qū)域采用高強度材料或增加厚度來取代原模型在這個區(qū)域中的加強板[2]。在本研究中，原B柱模型包括外板、內(nèi)板和加強板1~加強板4，如圖5所示。在使用拼焊板結(jié)構(gòu)代替原

10、模型的結(jié)構(gòu)后，B柱加強板1~加強板4均可去除。B柱結(jié)構(gòu)將僅由B柱內(nèi)板和使用拼焊板的B柱外板構(gòu)成，如圖8所示。 ? 圖8 應(yīng)用拼焊板后的B柱構(gòu)成 2 多目標(biāo)優(yōu)化問題描述? 2.1 設(shè)計目標(biāo)和變量? 在側(cè)面碰撞安全性分析中，通常通過側(cè)圍侵入量、侵入速度和侵入形態(tài)等指標(biāo)來評價整車側(cè)面碰撞車身結(jié)構(gòu)安全性能。在本研究中，選擇了B柱最大侵入量 Um、B柱內(nèi)板腰線處侵入量Lw、侵入速度vw作為評估耐撞性的設(shè)計目標(biāo)。同時，選擇B柱總質(zhì)量M 作為輕量化的指標(biāo)。根據(jù)美國公路安全保險協(xié)會對B柱結(jié)構(gòu)變形作出的評價方法，結(jié)合本車結(jié)構(gòu)尺寸，在保證B 柱結(jié)構(gòu)變形處于“優(yōu)”等級的情況下，B柱內(nèi)板尚有180mm的

11、可變形空間，因此取Um≤180mm。在側(cè)面碰撞中，側(cè)面結(jié)構(gòu)對侵入速度可接受的范圍一般在 7~10m/s之間。但相關(guān)文獻(xiàn)表明控制側(cè)面結(jié)構(gòu)的侵入速度在8m/s以下能夠較好地滿足側(cè)面碰撞乘員安全性能的要求[9]。因此將B 柱內(nèi)板腰線處侵入速度vw 的優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定在7~8m/s之間。? 如 圖7所示，本文選取了拼焊板兩部分的板料厚度t1、t2 和拼焊焊縫的高度h(焊縫距門檻下邊沿的距離)3個對耐撞性和輕量化影響較顯著的因素作為設(shè)計變量。t1 、t2 的取值范圍按照汽車用鋼板的通用厚度選取，即取值范圍為0.8~2.5mm。出于對人體胸部的保護(hù)，焊縫的高度h選在假人正常坐姿胸腔以下、門檻以上對應(yīng)的B

12、柱部分，取值范圍136~455mm。? 2.2 多目標(biāo)優(yōu)化問題? 一個典型的多目標(biāo)優(yōu)化問題可以定義為 由上可知，本文的多目標(biāo)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型可定義為 3 多目標(biāo)優(yōu)化過程? 本研究的多目標(biāo)優(yōu)化程序包括：試驗設(shè)計、數(shù)學(xué)模型回歸和多目標(biāo)遺傳算法，所以，整個多目標(biāo)優(yōu)化過程可以分成三個步驟進(jìn)行：首先，通過試驗設(shè)計獲得足夠的樣本點；然后，基于這些樣本點得到數(shù)學(xué)近似模型，并對數(shù)學(xué)模型的擬合精度進(jìn)行評估；最后，使用多目標(biāo)遺傳算法對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化。? 沖件尺寸及形位精度測量沖模的安裝與調(diào)試 木質(zhì)樓梯護(hù)理著重四點如何裝修陽光房？ 如何讓老家具變新自購材料的誤區(qū) 沙發(fā)

13、的風(fēng)水問題地暖壁掛爐的正確選擇 鑄造工藝CAD的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫建立與管理 沖模制造工藝與漸增誤差 溶膠－凝膠轉(zhuǎn)變階段 凝膠毛細(xì)管中水的蒸發(fā) 3.1 正交試驗設(shè)計? 試驗設(shè)計就是設(shè)計如何在整個設(shè)計空間內(nèi)選取有限數(shù)量的樣本點，使之盡可能地反映設(shè)計空間的特性[14]。正交試驗設(shè)計就是利用一套已有的規(guī)格化的表——— 正交表來安排多因素試驗，并對試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，找出較優(yōu)試驗方案的一種科學(xué)方法。? 為了獲得充足的設(shè)計樣本以便建立數(shù)學(xué)模型，在本研究中，選擇了L9(34)正交試驗設(shè)計表。在設(shè)計空間內(nèi)各自選取了設(shè)計變量h、t1、t2的三個水平，使用LS-DYNA 進(jìn)行9次仿真，計算出了設(shè)計目標(biāo)vw、M 、Lw 和Um 對應(yīng)的仿真數(shù)值，如表1所示。所有樣本數(shù)值將用于下一步數(shù)學(xué)模型的系數(shù)計算中。