B柱耐撞性与轻化优化设计研究----轿车.doc

为了在提高轿车侧面碰撞中B柱耐撞性能的同时减小B柱的质量以实现车身轻量化，对某车侧面碰撞的安全性能进行了有限元分析。针对在侧面碰撞中B柱腰线处侵入量和侵入速度过大、B柱结构中加强板数目较多及超重等问题，采用拼焊板结构对B柱外板进行了改进设计。在兼顾耐撞性与轻量化的前提下，使用正交试验设计和多目标遗传算法对拼焊焊缝的位置以及各部分的厚度进行优化。通过优化设计，改善了B柱在侧面碰撞中的变形模式。B柱最大侵入量减小了10%，腰线处侵入量和侵入速度分别减小了18%和12%，质量减小了18%。结果表明，在B柱上使用拼焊板结构并进行优化设计能够有效地平衡耐撞性和轻量化的要求。?关键词：耐撞性；轻量化；B柱；优化设计?引言?由于安全法规和市场对汽车碰撞安全的要求不断提高，传统车身的质量将有可能越来越大，但同时，车辆轻量化又是实现车辆燃油经济性的重要措施 [1]，因此，在车身设计和改进时兼顾耐撞性和轻量化这两个相互矛盾的要求已经成为了当今汽车工业界研究的热点问题。在影响汽车碰撞安全的关键部件上使用拼焊板是满足这两个要求的有效途径之一[2]。?拼焊板是将两块或两块以上具有不同机械性能、镀层和厚度的钢板焊接在一起所得到的具有理想强度和刚度的轻型板料。Min等[3]通过材料拉伸试验得出同材料的拼焊钢板与单一钢板的抗拉强度几乎是一样的，即焊接良好的拼焊板的应力应变特性基本不受焊接过程影响，因此可以认为拼焊钢板的碰撞性能也不受焊接过程的影响。?拼焊技术在汽车工业界受到普遍关注并得到了广泛应用，但是其设计主要依赖专家经验或是以参照已有的拼焊板结构为主，只有少数学者进行了一些定量的研究。Shin等[4]、Lee等[5]、Zhu等[2]、Song等[6]在车门设计中使用了拼焊板，并分别进行了一系列优化。杨雨泽等[7]使用拼焊板对某车前纵梁进行了改进设计，并对各块差厚钢板的材料等级及厚度进行了正交试验优化。施欲亮等[8]研究了利用拼焊板进行前纵梁轻量化改进的设计方法。?在轿车侧面碰撞中，侧围结构的侵入量、侵入速度和侵入形态是直接影响乘员安全的主要因素[9]。侧围结构主要包括B 柱、车门内外板、防撞杆、门槛等部件，而B柱是侧面碰撞中的主要受力部件。因此B柱变形模式的好坏在整个碰撞过程中显得至关重要。Marklund等 [1]对比了局部和全局近似方法后，以线性和二次响应面的形式采用全局近似对B柱进行了优化，使B柱总质量减小了25%。游国忠等[10]通过建立B柱简化模型在Altair OptiStruct软件中采用拓扑和形状优化相结合的方法对B柱内板进行了优化改进，减小了B柱腰线处的侵入速度。?本文通过在B柱上使用拼焊板结构来获得理想的B柱变形模型———“钟摆式暠变形模式[11]，同时结合正交试验设计和多目标遗传算法对拼焊板的相关参数(焊缝的位置、板材的厚度)进行了优化设计，实现了提高B柱耐撞性，减小B柱总质量的目的。?1 多目标优化准备?1.1 有限元模型的建立和验证?本文以某量产轿车为研究对象。按照我国《汽车侧面碰撞的乘员保护》法规的要求建立了移动变形障壁以50km/h的速度与整车模型垂直相撞的侧面碰撞有限元模型，如图1所示。碰撞仿真时间设定为0.1s。整车有限元模型的有效性经过了实验验证，图2所示为轿车侧面碰撞中整车非碰撞侧B柱下部加速度曲线在仿真与实验中的对比。由图2可知，实验和仿真的加速度曲线变化趋势基本一致，峰值出现时刻较吻合，实验曲线和仿真曲线的加速度峰值存在一定的差异，但误差小于5%。 ?图1 侧面碰撞有限元模型 ?图2 仿真与实验中的车体加速度曲线 1.2 侧面碰撞安全分析?使用LS-DYNA 软件对目标轿车进行侧面碰撞仿真。从仿真结果可知，车身结构的侧面碰撞安全性能并不理想。如图3、图4所示，因为车顶横梁和地板均有较大变形，致使车体侧围内陷较严重，同时侧围侵入量和侵入速度均偏大。 ?图3 整车侧围变形情况 ?图4 B柱内板腰线处侵入速度-时间曲线 本文的研究目的是对B 柱进行优化。所以决定对整车模型中的门槛、车顶横梁、后地板和车门防撞杆等部件的材料和厚度进行适当调整，使得整车车体结构的变形局部有所改善，但是B柱仍存在两个明显的问题。?(1)B柱在侧面碰撞中的变形模式不够理想，腰线处变形较严重，侵入速度偏大。而人体胸部的损伤(肋骨变形指数RDC)与B柱腰线处撞击假人的速度成正比[12]，因此本车在侧面碰撞中存在较大的人体胸部损伤风险。?(2)B柱结构中包括有较多的加强板，如图5所示。使用过多的加强板不仅不利于车身轻量化，而且还增加了车身设计和整车装配的复杂度。 ?图5 B柱的基本构成 为了解决上述两个问题，本文对目标轿车的B柱进行了改进和优化。?1.3 B柱拼焊板结构设计方案?在侧