B柱耐撞性與輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方案研究轎車

1、為了在提高轎車側(cè)面碰撞中B B 柱耐撞性能的同時(shí)減小 B 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 B 柱腰線處侵入量和侵入速度過大、B 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 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，使用正交實(shí)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 B 柱在側(cè)面碰撞中的變形模式。B B 柱最大侵入量減小了10%10%，腰線處侵入量和侵入速度分別減小了18%18%和 12%12%，質(zhì)量減小了 18%18%。結(jié)果表明，在 B B 柱上使用拼焊板結(jié)

2、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；B 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(shí)，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 1，因此，在車身設(shè)計(jì)和改進(jìn)時(shí)兼顧耐撞性和輕量化這兩個(gè)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(gè)要求的有效途徑之一2 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。MinMin 等3 3通過材料拉伸實(shí)驗(yàn)得出同材料的拼焊鋼板與單一鋼板的

3、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。ShinShin 等4 4、LeeLee等、ZhuZhu 等2 2、SongSong 等在車門設(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 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)行了正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。施欲亮等8 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)

4、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 9。側(cè)圍結(jié)構(gòu)主要包括 B B 柱、車門內(nèi)外板、防撞桿、門檻等部件，而B B 柱是側(cè)面碰撞中的主要受力部件。因此B B 柱變形模式的好壞在整個(gè)碰撞過程中顯得至關(guān)重要。MarklundMarklund等1 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 B 柱進(jìn)行了優(yōu)化，使 B B 柱總質(zhì)量減小了 25%25%。游國忠等1010通過建立 B B 柱簡化模型在 AltairAltair OptiStructOptiStruct 軟件中采用拓?fù)浜托螤顑?yōu)化相結(jié)合的方法對B B 柱內(nèi)板進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，減小了B B

5、柱腰線處的侵入速度。本文通過在 B B 柱上使用拼焊板結(jié)構(gòu)來獲得理想的B B 柱變形模型一鐘擺式暠變形模式1111，冋時(shí)結(jié)合正交頭驗(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、板材的厚度）進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了提高B B 柱耐撞性，減小 B B 柱總質(zhì)量的目的。1 1 多目標(biāo)優(yōu)化準(zhǔn)備1.11.1 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(dòng)變形障壁以 50km/h50km/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 1 所示。碰撞仿真時(shí)間設(shè)定為0.1s0.1s。整車有限兀模型的有效性經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，圖2 2 所示為轎

6、車側(cè)面碰撞中整車非碰撞側(cè)B B 柱下部加速度曲線在仿真與實(shí)驗(yàn)中的對比。由圖2 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(shí)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%5%。020406080100時(shí)/ /ms圖 2 2 仿真與實(shí)驗(yàn)中的車體加速度曲線1.21.2 側(cè)面碰撞安全分析圖 1 1 側(cè)面碰撞有限元模型21為了解決上述兩個(gè)問題，本文對目標(biāo)轎車的B B 柱進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。使用 LS-DYNALS-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 3、圖 4 4 所示，因?yàn)檐図敊M梁和地板均有較大

7、變形，致使車體側(cè)圍內(nèi)陷較嚴(yán)重，同時(shí)側(cè)圍侵入量和侵入速度均偏大。圖 3 3 整車側(cè)圍變形情況為了解決上述兩個(gè)問題，本文對目標(biāo)轎車的B B 柱進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。圖 4 4 B B 柱內(nèi)板腰線處侵入速度- -時(shí)間曲線本文的研究目的是對 B 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 B 柱仍存在兩個(gè)明顯的問題。PLCPLC 對外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 CADCAD

8、 技術(shù)的發(fā)展 國內(nèi)壓鑄模 CADCAD 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(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)RDC)與 B B 柱腰線處撞擊假人的速度成正比1212，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(xiǎn)。(2)B(2)B 柱結(jié)構(gòu)中包括有較多的加強(qiáng)板，如圖5 5 所示。使用過多的加強(qiáng)板不僅不利于車身輕量化，而且還增加了車身設(shè)計(jì)和整車裝配的復(fù)雜度。圖 5 5 B B 柱的基本構(gòu)成1.31.3 B 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

9、傷對生命的威脅程度較胸部低，同時(shí)，侵入速度對 人肩部和胸部的變形影響較腹部更加顯著1212。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 B 柱變形模式，即以 B B 柱上端與車頂橫梁連接處為圓心，B B 柱下端向內(nèi)繞轉(zhuǎn)變形的鐘擺式變形模式1111來滿足設(shè)計(jì)要求，如圖 6 6 所示。這種變形模式要求 B B 柱結(jié)構(gòu)剛度服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1313，因此，使用拼焊板結(jié)構(gòu)代替原 B B 柱模型。可將

10、B B 柱外板分成上下兩部分進(jìn)行拼焊，如圖7 7 所示。焊縫簡化為不同厚度板料的一個(gè)簡單邊界，在有限元模型中可以直接將節(jié)點(diǎn)合并。B柱上端B柱外檢下部分闊麗碰搏力B拄外板上部分焊縫高度圖 6 6B B 柱鐘擺式變形模式示意圖圖 7 7B 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(gè)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(gè)區(qū)域中的加強(qiáng)板2 2。在本研究中，原 B B 柱模型包括外板、內(nèi)板和加強(qiáng)板11加強(qiáng)板 4 4，如圖 5 5 所示。在使用拼焊板結(jié)構(gòu)代替原模型的結(jié)構(gòu)后，B B 柱加強(qiáng)板 11加強(qiáng)板 4 4 均可去除。B B 柱結(jié)構(gòu)將僅由 B B

11、 柱內(nèi)板和使用拼焊板的 B B 柱外板構(gòu)成，如圖 8 8 所示。圖 8 8 應(yīng)用拼焊板后的 B B 柱構(gòu)成2 2 多目標(biāo)優(yōu)化問題描述 2.12.1 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(jià)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 B 柱最大侵入量 UmUm、B B 柱內(nèi)板腰線處侵入量 LwLw、侵入速度 vwvw 作為評估耐撞性的設(shè)計(jì)目標(biāo)。同時(shí)，選擇B B 柱總質(zhì)量 M M 作為輕量化的指標(biāo)。根據(jù)美國公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)對B B 柱結(jié)構(gòu)變形作出的評價(jià)方法，結(jié)合本車結(jié)構(gòu)尺寸，在保證 B B 柱結(jié)構(gòu)變形處于優(yōu)”等級的情況下，B B 柱內(nèi)板尚有

12、 180mm180mm 的可變形空 間，因此取 UmcUmc180mm180mm。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 710m/s710m/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/s8m/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 9。因此將 B B 柱內(nèi)板腰線處侵入速度 vwvw 的優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定在 78m/s78m/s 之間。如圖 7 7 所示，本文選取了拼焊板兩部分的板料厚度t1t1、t2t2 和拼焊焊縫的高度 h h（焊縫距門檻下邊沿的距離）3 3 個(gè)對耐撞性和輕量化影響較顯著的因素作為設(shè)計(jì)變量。t1t1、t2t2 的取值范圍按照汽車用鋼板的通用厚

13、度選取，即取值范圍為0.82.5mm0.82.5mm。出于對人體胸部的保護(hù)，焊縫的高度 h h 選在假人正常坐姿胸腔以下、門檻以上對應(yīng)的B B 柱部分，取值范圍136455mm136455mm。2.22.2 多目標(biāo)優(yōu)化問題 一個(gè)典型的多目標(biāo)優(yōu)化問題可以定義為ri：（x 一（ x）t/ t. x trr*（x Hft、* EMI（）x r：+* t T式中1 * Atj）為用牛目揀臥敕；*F；* 口為設(shè)計(jì)變址用為可打域或捋誰計(jì)空間小E KV由上可知，本文的多目標(biāo)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型可定義為星仁忑180 m m 7m；s1* MSTTI, ?0, Sm rm f：匸13 tn m ：.h 4融TTI

14、m本研究的多目標(biāo)優(yōu)化程序包括：實(shí)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(gè) 多目標(biāo)優(yōu)化過程可以分成三個(gè)步驟進(jìn)行：首先，通過實(shí)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)的風(fēng)水問題地暖壁掛爐的正確選擇鑄造工藝 CADCAD 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)3.13.1正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)如何在整個(gè)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 1414。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)就是利用一套已有的規(guī)格化的表正