B柱耐撞性與輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)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(qiáng)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(jì)。在兼顧耐撞性與輕量化的前提下，使用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)，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(jì)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(jì)? 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(shí)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(jì)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(diǎn)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(jī)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(qiáng)度和剛度的輕型板料。Min等[3]通過材料拉伸試驗(yàn)得出同材料的拼焊鋼板與單一鋼板的抗拉強(qiáng)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(jì)主要依賴專家經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(jì)，并對各塊差厚鋼板的材料等級及厚度進(jìn)行了正交試驗(yàn)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(jì)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(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)，實(shí)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(yàn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中的對比。由圖2可知，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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?yàn)檐図敊M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(xiàng) 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(jī)械拋光基本程序機(jī)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(qiáng)板，如圖5所示。使用過多的加強(qiáng)板不僅不利于

8、車身輕量化，而且還增加了車身設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)的靈活性[13]，因此，使用拼焊板結(jié)構(gòu)代替原B柱模型。可將B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(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)度材料或增加厚度來取代原模型在這個區(qū)域中的加強(qiáng)板[2]。在本研究中，原B柱模型包括外板、內(nèi)板和加強(qiáng)板1~加強(qiáng)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(qiáng)板1~加強(qiáng)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(jì)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(jì)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(jì)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(yàn)設(shè)計(jì)、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(yàn)設(shè)計(jì)獲得足夠的樣本點(diǎn)；然后，基于這些樣本點(diǎn)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(diǎn)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(yàn)設(shè)計(jì)? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)如何在整個設(shè)計(jì)空間內(nèi)選取有限數(shù)量的樣本點(diǎn)，使之盡可能地反映設(shè)計(jì)空間的特性[14]。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出較優(yōu)試驗(yàn)方案的一種科學(xué)方法。? 為了獲得充足的設(shè)計(jì)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(yàn)設(shè)計(jì)表。在設(shè)計(jì)空間內(nèi)各自選取了設(shè)計(jì)變量h、t1、t2的三個水平，使用LS-DYNA 進(jìn)行9次仿真，計(jì)算出了設(shè)計(jì)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(jì)算中。