汽車側(cè)面碰撞門檻加強(qiáng)梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王偉 賀海燕 袁陽(yáng)

（1.重慶交通大學(xué)；2.重慶經(jīng)濟(jì)貿(mào)易學(xué)校）

在側(cè)面碰撞中，側(cè)面結(jié)構(gòu)首先開(kāi)始變形，具體的變形模式則根據(jù)變形結(jié)構(gòu)件的形狀和連接方式的不同而不同[1]。由于首先開(kāi)始變形的結(jié)構(gòu)件不可能將所有的碰撞能量都完全吸收，因此其余的碰撞能量是該結(jié)構(gòu)件開(kāi)始引導(dǎo)連接在其周圍的結(jié)構(gòu)件發(fā)生變形吸能，隨著碰撞的持續(xù)進(jìn)行，將會(huì)有越來(lái)越多的結(jié)構(gòu)件參與碰撞吸能，而不同結(jié)構(gòu)件的吸能方式和吸能效率又各不相同，因此使得整個(gè)側(cè)面結(jié)構(gòu)在碰撞過(guò)程中的吸能變形是一個(gè)逐漸而又復(fù)雜的過(guò)程[2-4]。文章通過(guò)對(duì)汽車的碰撞仿真分析，得出門檻的變形比較大，不能夠有效地保證汽車側(cè)面碰撞的安全性。為了使門檻可以有效地保證汽車的碰撞安全性能，在車門門檻處加入門檻防撞梁，通過(guò)對(duì)門檻的加強(qiáng)梁進(jìn)行形貌和尺寸優(yōu)化，使得側(cè)面碰撞中，門檻的入侵距離減小，提高了車門側(cè)面的碰撞安全性能。

1 建立汽車側(cè)面碰撞門檻的有限元模型

通過(guò)對(duì)側(cè)面碰撞傳力路徑的分析可知，必須對(duì)汽車側(cè)面結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，使其側(cè)面碰撞傳力路徑完整并且能夠引導(dǎo)相應(yīng)結(jié)構(gòu)件充分變形吸能[5]。這樣才能使得汽車結(jié)構(gòu)在側(cè)面碰撞過(guò)程中合理充分的變形，吸能率高，更多吸收碰撞能量，從而使盡量少的能量傳遞到車內(nèi)乘員的身體上，減少二次碰撞對(duì)車內(nèi)乘員造成的接觸傷害。圖1示出汽車側(cè)面碰撞的傳力路徑模型圖。由圖1可以看出，在側(cè)面碰撞試驗(yàn)中，B柱和門檻是2條主要的傳力路徑。其中B柱為垂向傳力路徑，向上傳遞至車頂縱梁，然后通過(guò)車頂支撐橫梁橫向傳遞；門檻為縱向傳遞路徑，向前傳遞至A柱，向后傳遞至C柱，同時(shí)也會(huì)通過(guò)地板橫梁向支撐梁橫向傳遞。

根據(jù)汽車側(cè)面碰撞的傳力路徑可以對(duì)汽車門檻的有限元模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，發(fā)動(dòng)機(jī)艙和汽車的行李箱對(duì)汽車側(cè)面碰撞的傳力路徑影響很小，因此在建立汽車側(cè)面碰撞門檻的有限元模型時(shí)可以去掉整車的前面部分和后面部分只保留汽車的乘員艙區(qū)。建立的汽車側(cè)面碰撞門檻的有限元模型，如圖2所示。

2 有限元模型的前處理

2.1 網(wǎng)格劃分和屬性的選擇

對(duì)建立好的模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到有限元仿真結(jié)果的精度[6]。網(wǎng)格劃分得太密會(huì)增加求解器的計(jì)算時(shí)間，因此，在側(cè)面碰撞接觸的區(qū)域劃分網(wǎng)格的大小為10 mm，與側(cè)面碰撞接觸較遠(yuǎn)的區(qū)域網(wǎng)格的大小為20 mm。由于該模型的零部件都是由薄板沖壓而成，因此屬性可以選擇為Belytschko-Tsay殼單元。最后劃分好網(wǎng)格之后有限元模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)有111 168個(gè)，單元數(shù)有106 655個(gè)。

2.2 汽車部件連接

由于汽車各部件間均為簡(jiǎn)單的薄殼單元，所用的材料均為高強(qiáng)鋼或者普通鋼，因此在對(duì)模型進(jìn)行連接時(shí)通過(guò)1D單元中的spotweld來(lái)連接，焊點(diǎn)單元通過(guò)一個(gè)位置點(diǎn)來(lái)定義或者可以通過(guò)零部件上的節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，在定義焊點(diǎn)的時(shí)候考慮2個(gè)連接部件之間的容差，并且要定義搜尋直徑。文章的有限元模型容差取6 mm，搜尋直徑也是取6 mm。最后有限元模型的焊點(diǎn)，如圖3所示。

2.3 定義接觸及邊界條件

該有限元模型定義接觸時(shí)，各部分零部件之間定義為Single Surface單面接觸，而剛性柱和側(cè)壁的接觸定義為Automatic Surface toSurface。靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)都取0.15。由于在碰撞過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大的穿透，可以通過(guò)增大接觸剛度，來(lái)減少碰撞過(guò)程中的穿透，軟件中默認(rèn)的接觸剛度為0.1，本次仿真中接觸剛度的值設(shè)置為0.2。

由于本次仿真的碰撞是從汽車的左邊進(jìn)行碰撞的，對(duì)于汽車的右邊變形很小，對(duì)仿真的結(jié)果影響不大，因此可以約束汽車右邊的側(cè)壁上各節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度來(lái)作為邊界條件。

3 門檻加強(qiáng)梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 門檻防撞梁的形貌優(yōu)化

由于在側(cè)面碰撞仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)汽車門檻的變形比較大，在發(fā)生側(cè)面碰撞事故時(shí)，會(huì)阻礙車門的打開(kāi)，且不能保證車上乘員的安全，因此，可以在門檻和下邊梁之間加入一個(gè)門檻加強(qiáng)梁來(lái)提高汽車的碰撞安全性能。

運(yùn)用Hypermesh軟件對(duì)門檻加強(qiáng)板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。首先，建立門檻加強(qiáng)板的有限元模型，對(duì)門檻加強(qiáng)板的兩邊設(shè)置約束點(diǎn)，約束全部的6個(gè)自由度；然后，按照門檻受到撞擊時(shí)的受力情況，給門檻加強(qiáng)板施加應(yīng)力分布[7]。對(duì)門檻加強(qiáng)板設(shè)置響應(yīng)參數(shù)，一個(gè)參數(shù)是門檻加強(qiáng)板的體積，另一個(gè)參數(shù)是門檻加強(qiáng)板中央節(jié)點(diǎn)的位移。在進(jìn)行優(yōu)化之前，設(shè)置優(yōu)化的邊界條件；門檻加強(qiáng)板的體積不變，設(shè)置優(yōu)化的目標(biāo)：加強(qiáng)板中央節(jié)點(diǎn)位移最小化。經(jīng)過(guò)第5次迭代之后門檻加強(qiáng)板優(yōu)化的形狀結(jié)果，如圖4所示。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序只給出了門檻加強(qiáng)板的優(yōu)化形式，根據(jù)實(shí)際門檻加強(qiáng)板的安裝情況，確定最終的門檻加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)形式及其截面，如圖5所示。中間凹槽呈斜梯形狀，便于制造，并且與周圍零件不產(chǎn)生干涉。

3.2 門檻加強(qiáng)梁的尺寸優(yōu)化

將結(jié)構(gòu)優(yōu)化好的門檻加強(qiáng)梁運(yùn)用Hypermesh軟件中的size面板進(jìn)行尺寸優(yōu)化[8]。鋁合金的吸能性好，在碰撞中的安全性方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且由于車身質(zhì)量減輕，在碰撞時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能減少，因此采用輕量化材料5182鋁合金作為門檻加強(qiáng)梁的材料，設(shè)計(jì)變量為門檻加強(qiáng)梁的厚度，給門檻加強(qiáng)梁的厚度一個(gè)初始厚度為1.5mm，設(shè)計(jì)其厚度變量的下限為0.8mm，上限為2mm。對(duì)門檻加強(qiáng)梁的兩邊設(shè)置約束點(diǎn)，約束全部的6個(gè)自由度，然后按照門檻受到撞擊時(shí)的受力情況.給門檻加強(qiáng)板施加應(yīng)力分布。對(duì)門檻加強(qiáng)板設(shè)置響應(yīng)參數(shù)，一個(gè)是加強(qiáng)梁的體積響應(yīng)，另一個(gè)參數(shù)是門檻加強(qiáng)板中央節(jié)點(diǎn)的位移。在進(jìn)行優(yōu)化之前，設(shè)置優(yōu)化的邊界條件；加強(qiáng)板中央節(jié)點(diǎn)位移不超過(guò)50 mm，設(shè)置優(yōu)化的目標(biāo)：加強(qiáng)板梁的體積最小。經(jīng)過(guò)第2次迭代之后門檻加強(qiáng)板尺寸優(yōu)化的厚度云圖，如圖6所示。

將優(yōu)化后的門檻加強(qiáng)梁安裝到門檻和下邊梁之間，如圖7所示。其他條件和原車有限元模型一樣，將前處理好的有限元模型用LS-DYNA求解器進(jìn)行求解，然后比較原車和加入門檻加強(qiáng)梁模型的計(jì)算仿真結(jié)果。

4 仿真的結(jié)果及分析

在汽車門檻上布置的輸出節(jié)點(diǎn)中，選取入侵距離最大的節(jié)點(diǎn)作為加入門檻加強(qiáng)梁前后碰撞安全性的相互比較的點(diǎn)，其中以門檻的最大入侵距離和最大入侵速度作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量汽車的碰撞安全性，無(wú)門檻加強(qiáng)梁和有門檻加強(qiáng)梁門檻上節(jié)點(diǎn)的入侵距離和入侵速度隨時(shí)間變化的曲線，如圖8和圖9所示。

由圖8可以看出，無(wú)門檻加強(qiáng)梁的汽車門檻碰撞過(guò)程中在0.055 s時(shí)刻位移最大為193.64 mm，加入了門檻加強(qiáng)梁的汽車門檻碰撞過(guò)程中在0.045 s時(shí)刻最大位移為148.32 mm。由圖9可以得到無(wú)門檻加強(qiáng)梁的汽車門檻在0.025 s時(shí)刻速度達(dá)到最大值為11.95 m/s，采用了門檻加強(qiáng)梁的汽車門檻在0.015 s時(shí)速度最大值達(dá)到9.54 m/s。采用了門檻加強(qiáng)梁的汽車門檻比原車門檻的最大位移少了45.32 mm，速度降低了2.41 m/s。由此可以看出：采用門檻加強(qiáng)梁可以有效地提高車門的碰撞安全性能，為乘員的安全提供了更多的保障。

將有門檻加強(qiáng)梁的汽車門檻和原汽車門檻在碰撞時(shí)所產(chǎn)生的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變進(jìn)行比較。汽車側(cè)壁與剛性柱碰撞時(shí)，最大時(shí)刻等效應(yīng)力和等效應(yīng)變，如圖10～13所示。原汽車門檻在0.045 s時(shí)的應(yīng)力最大為2 109.75 MPa，采用門檻加強(qiáng)梁之后的門檻在0.037 5 s時(shí)的應(yīng)力最大為1 464.58 MPa。比原來(lái)減小了645.17 MPa。加入汽車門檻加強(qiáng)梁前后汽車門檻的應(yīng)變都很小，由圖10和圖11可以看出：加入汽車門檻加強(qiáng)梁之后的門檻所受的應(yīng)力比原汽車門檻所受到的應(yīng)力明顯減小。

在汽車側(cè)壁與剛性柱碰撞時(shí)，在0.037 5 s時(shí)汽車門檻加強(qiáng)梁所產(chǎn)生的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變，如圖14和圖15所示。

從圖14可以看出：門檻加強(qiáng)梁在側(cè)壁受到碰撞時(shí)，受到的等效應(yīng)力最大值為769.224 MPa，沒(méi)有產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，這樣可以充分吸收側(cè)面碰撞時(shí)所產(chǎn)生的能量，可以降低門檻的入侵速度和減少門檻的入侵距離。

5 結(jié)論

文章建立了汽車門檻側(cè)面碰撞的有限元模型，對(duì)汽車門檻加強(qiáng)梁進(jìn)行了形貌和尺寸優(yōu)化，通過(guò)對(duì)加入門檻加強(qiáng)梁前后汽車門檻的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，可以看出加入了門檻加強(qiáng)梁之后，門檻的入侵速度和入侵距離明顯減少，加入汽車門檻加強(qiáng)梁后汽車門檻的碰撞安全性得到明顯提高。

文章選取5182鋁合金作為汽車門檻加強(qiáng)梁的材料，通過(guò)Hypermesh計(jì)算得到汽車門檻加強(qiáng)梁的質(zhì)量為0.914 kg，相對(duì)于整車的質(zhì)量來(lái)說(shuō)增加的很少，并不影響汽車的輕量化設(shè)計(jì)，因此加入門檻加強(qiáng)梁的方法是可行的。

三人行，必有我?guī)熝桑瑩衿渖普叨鴱闹洳簧普叨闹?/p>

——《論語(yǔ)》

人一能之，己百之；人十能之，己千之。

——《中庸》