B柱耐撞性與輕量化優(yōu)化設計方案研究轎車

1、為了在提高轎車側面碰撞中B B 柱耐撞性能的同時減小 B B 柱的質(zhì)量以實現(xiàn)車身輕量化，對某車側面碰撞的安全性能進行了有限元分析。針對在側面碰撞中B B 柱腰線處侵入量和侵入速度過大、B B 柱結構中加強板數(shù)目較多及超重等問題，采用拼焊板結構對B B 柱外板進行了改進設計。在兼顧耐撞性與輕量化的前提下，使用正交實驗設計和多目標遺傳算法對拼焊焊 縫的位置以及各部分的厚度進行優(yōu)化。通過優(yōu)化設計，改善了B B 柱在側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%。結果表明，在 B B 柱上使用拼焊板結

2、構并進行優(yōu)化設計能夠有效地平衡耐撞 性和輕量化的要求。關鍵詞：耐撞性；輕量化；B B 柱；優(yōu)化設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)濟性的重要措施1 1，因此，在車身設計和改進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 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。MinMin 等3 3通過材料拉伸實驗得出同材料的拼焊鋼板與單一鋼板的

3、抗拉強度幾乎是一樣的，即焊接良好的拼焊板的應力應變特性基本不受焊接過程影 響，因此可以認為拼焊鋼板的碰撞性能也不受焊接過程的影響。拼焊技術在汽車工業(yè)界受到普遍關注并得到了廣泛應用，但是其設計主要依賴專家經(jīng)驗或 是以參照已有的拼焊板結構為主，只有少數(shù)學者進行了一些定量的研究。ShinShin 等4 4、LeeLee等、ZhuZhu 等2 2、SongSong 等在車門設計中使用了拼焊板，并分別進行了一系列優(yōu)化。楊雨澤等7 7使用拼焊板對某車前縱梁進行了改進設計，并對各塊差厚鋼板的材料等級及厚度 進行了正交實驗優(yōu)化。施欲亮等8 8研究了利用拼焊板進行前縱梁輕量化改進的設計方法。在轎車側面碰撞中，側

4、圍結構的侵入量、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。側圍結構主要包括 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碰撞過程中顯得至關重要。MarklundMarklund等1 1對比了局部和全局近似方法后，以線性和二次響應面的形式采用全局近似對B B 柱進行了優(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 軟件中采用拓撲和形狀優(yōu)化相結合的方法對B B 柱內(nèi)板進行了優(yōu)化改進，減小了B B

5、柱腰線處的侵入速度。本文通過在 B B 柱上使用拼焊板結構來獲得理想的B B 柱變形模型一鐘擺式暠變形模式1111，冋時結合正交頭驗設計和多目標遺傳算法對拼焊板的相關參數(shù)（焊縫的位置、板材的厚度）進行了優(yōu)化設計，實現(xiàn)了提高B B 柱耐撞性，減小 B B 柱總質(zhì)量的目的。1 1 多目標優(yōu)化準備1.11.1 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。按照我國汽車側面碰撞的乘員保護法規(guī)的要求建立了移動變形障壁以 50km/h50km/h 的速度與整車模型垂直相撞的側面碰撞有限元模型，如圖1 1 所示。碰撞仿真時間設定為0.1s0.1s。整車有限兀模型的有效性經(jīng)過了實驗驗證，圖2 2 所示為轎

6、車側面碰撞中整車非碰撞側B B 柱下部加速度曲線在仿真與實驗中的對比。由圖2 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%5%。020406080100時/ /ms圖 2 2 仿真與實驗中的車體加速度曲線1.21.2 側面碰撞安全分析圖 1 1 側面碰撞有限元模型21為了解決上述兩個問題，本文對目標轎車的B B 柱進行了改進和優(yōu)化。使用 LS-DYNALS-DYNA 軟件對目標轎車進行側面碰撞仿真。從仿真結果可知，車身結構的側面碰 撞安全性能并不理想。如圖3 3、圖 4 4 所示，因為車頂橫梁和地板均有較大

7、變形，致使車體側圍內(nèi)陷較嚴重，同時側圍侵入量和侵入速度均偏大。圖 3 3 整車側圍變形情況為了解決上述兩個問題，本文對目標轎車的B B 柱進行了改進和優(yōu)化。圖 4 4 B 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 B 柱進行優(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行適當調(diào)整，使得整車車體結構的變形局部有所改善， 但是 B B 柱仍存在兩個明顯的問題。PLCPLC 對外圍電路的控制輸出信號控制相關的執(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 CADCAD

8、 技術的發(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械拋光基本程序機械拋光中要注意的問題(1)B(1)B 柱在側面碰撞中的變形模式不夠理想，腰線處變形較嚴重，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，因此本車在側面碰撞中存在較大的人體胸部損傷風險。(2)B(2)B 柱結構中包括有較多的加強板，如圖5 5 所示。使用過多的加強板不僅不利于車身輕量化，而且還增加了車身設計和整車裝配的復雜度。圖 5 5 B B 柱的基本構成1.31.3 B B 柱拼焊板結構設計方案在側面碰撞中，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，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，從乘員損傷防護的角度出發(fā)，首先應該減小車體側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)繞轉變形的鐘擺式變形模式1111來滿足設計要求，如圖 6 6 所示。這種變形模式要求 B B 柱結構剛度服從上高下低的分布形式。為了獲得這種結構剛度，可以使用不同厚度和材料的板料進行 拼焊連接，這樣不僅可以節(jié)約材料，而且可以提高設計的靈活性1313，因此，使用拼焊板結構代替原 B B 柱模型?？蓪?

10、B B 柱外板分成上下兩部分進行拼焊，如圖7 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。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 柱外板的拼焊結構應用拼焊板結構的另一個優(yōu)點是能夠減少部件的數(shù)量，可在必須承受高應力的關鍵區(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 2。在本研究中，原 B B 柱模型包括外板、內(nèi)板和加強板11加強板 4 4，如圖 5 5 所示。在使用拼焊板結構代替原模型的結構后，B B 柱加強板 11加強板 4 4 均可去除。B B 柱結構將僅由 B B

11、 柱內(nèi)板和使用拼焊板的 B B 柱外板構成，如圖 8 8 所示。圖 8 8 應用拼焊板后的 B B 柱構成2 2 多目標優(yōu)化問題描述 2.12.1 設計目標和變量 在側面碰撞安全性分析中，通常通過側圍侵入量、侵入速度和侵入形態(tài)等指標來評價整車側面碰撞車身結構安全性能。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計目標。同時，選擇B B 柱總質(zhì)量 M M 作為輕量化的指標。根據(jù)美國公路安全保險協(xié)會對B B 柱結構變形作出的評價方法，結合本車結構尺寸，在保證 B B 柱結構變形處于優(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。在側面碰撞中，側面結構對侵入速度可接受的范圍一般在 710m/s710m/s 之間。但相關文獻表明控制側面結構的侵入速度在8m/s8m/s 以下能夠較好地滿足側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)化目標設定在 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 個對耐撞性和輕量化影響較顯著的因素作為設計變量。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，焊縫的高度 h h 選在假人正常坐姿胸腔以下、門檻以上對應的B B 柱部分，取值范圍136455mm136455mm。2.22.2 多目標優(yōu)化問題 一個典型的多目標優(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；* 口為設計變址用為可打域或捋誰計空間小E KV由上可知，本文的多目標優(yōu)化問題的數(shù)學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本研究的多目標優(yōu)化程序包括：實驗設計、數(shù)學模型回歸和多目標遺傳算法，所以，整個 多目標優(yōu)化過程可以分成三個步驟進行：首先，通過實驗設計獲得足夠的樣本點；然后， 基于這些樣本點得到數(shù)學近似模型，并對數(shù)學模型的擬合精度進行評估；最后，使用多目 標遺傳算法對數(shù)學模型進行優(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)的風水問題地暖壁掛爐的正確選擇鑄造工藝 CADCAD 的系統(tǒng)結構和數(shù)據(jù)庫建立與管理沖模制造工藝與漸增誤差溶膠-凝膠轉變階段 凝膠毛細管中水的蒸發(fā)3.13.1正交實驗設計實驗設計就是設計如何在整個設計空間內(nèi)選取有限數(shù)量的樣本點，使之盡可能地反映設計空間的特性 1414。正交實驗設計就是利用一套已有的規(guī)格化的表正