基于COPRAS評價方法的薄壁梁拼焊板多工況耐撞性能研究*

陳 濤，王國強，段利斌，胡朝輝

(湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

2016133

基于COPRAS評價方法的薄壁梁拼焊板多工況耐撞性能研究*

陳 濤，王國強，段利斌，胡朝輝

(湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

采用COPRAS評價方法，評價正撞和斜撞工況下不同材料與厚度組合薄壁梁拼焊板的綜合耐撞性能。結果表明:該評價方法不僅能合理、準確、高效地評價薄壁梁拼焊板綜合耐撞性能，還能對拼焊板耐撞性能的優化提供指導，具有較高的工程實用性。

薄壁梁；拼焊板；復雜比例評價方法；耐撞性能

前言

汽車前縱梁基本采用薄壁梁結構，薄壁梁結構由于可產生高度壓潰的變形模式而具有優良的吸能性能，同時因其質量輕、價格低而被作為最常見的吸能結構[1]。隨著近些年數值仿真技術的發展，特別是有限元分析軟件和計算機技術的發展，使研究者可通過軟件仿真諸如碰撞、焊接、大壓潰變形和非金屬填充材料等過程[2-3]。而且，這些工具可以幫助研究者對薄壁梁結構的軸向壓潰、材料優化和在焊接情況下不同焊接區域板材厚度組合的結構的吸能性能進行高精度仿真。近年來，隨著汽車產業的快速發展，耐撞性能研究已經成為各類汽車在設計和開發中不可避免的重要課題。特別是通過組合不同的材料例如低碳鋼和高強鋼來研究前縱梁在碰撞過程中的耐撞性能成為研究熱點[4-5]。文獻[6]中研究了鋁合金與鋼之間的焊縫連接仿真技術，文獻[7]中研究在有限元分析中將不同厚度的方管梁之間的焊縫連接的建模技術。文獻[8]中研究了不同厚度的拼焊件對軸向變形的影響。結合拼焊仿真技術，將不同厚度、材料的板料以拼焊的形式作為吸能件的研究成為新熱點。本文中基于COPRAS評價方法，以有限元軟件Ls_Dyna為研究工具，研究幾種汽車中常用的鋼材在正撞和斜撞兩種工況下以不同材料牌號和不同板料厚度拼焊組合時的綜合耐撞性能。

1 薄壁梁拼焊板耐撞性能評價指標

在薄壁梁研究中，評價其耐撞性能優劣的指標主要為以下4種：吸能效率SEA，碰撞力峰值Pmax，平均碰撞力Faverage和碰撞力效率CFE[9]。

(1)

(2)

(3)

式中：Etotal為吸能量；F(x)為關于壓潰量與壓潰力的函數；Δ為壓潰位移；Mtotal為薄壁梁的質量。

2 COPRAS評價方法介紹

在薄壁梁耐撞性能研究過程中，經常出現同一試樣不同性能指標相互矛盾的情況。導致對試樣綜合耐撞性能的優劣無法判斷，且無法對多工況下試件的耐撞性能進行綜合評價。現引用一種所謂復雜比例評價(complex proportional assessment, COPRAS)方法[10]來合理、客觀地評價試樣的綜合耐撞性能。

該評價方法的基本理論與步驟如下。

步驟1：將各種性能指標以性能矩陣X的形式進行整合，即

(4)

式中：xij表示第j個性能指標下所選的第i個試樣的性能值；m為所選的需要比較的試樣數量；n為所選的性能參數的數量。

步驟2：將矩陣X轉換成全部無量綱的新矩陣R,使矩陣中的各種指標對應的數值無量綱化，即

(5)

式中：輸入的xij為該性能指標的絕對值；rij為第j個性能指標下所選的第i個試樣的無量綱化性能值。

wj=Wj/G

(6)

步驟4：將求出的每個性能指標的權重比wj分別賦予每個指標，得出權重化后的無量綱矩陣D：

D=[yij]m×n=[rij]m×n×wj

(7)

每個性能指標權重化后的無量綱性能值之和等于該評價指標的權重比，即

(8)

步驟5：將權重化后的無量綱數值分別按對耐撞性能有利與不利進行求和，即

(9)

(10)

式中：y+ij和y-ij分別為權重化后的無量綱有利和不利的性能指標數值。有利的S+i值越大，或者不利的S-i值越小，則其對應的試樣性能越優。不難理解，對S+i值和S-i值分別求和其值應分別等同于D矩陣中有利項與不利項性能值之和，即

(11)

(12)

應有S+=1-S-

步驟6：計算每個試件的性能綜合評定值，即

(13)

式子：S-min為S-的最小值。根據Qi值求出每個試樣的綜合性能評分，以Qi的最大值為滿分，求出其他各試樣的相對分值Ui，即

(14)

3 有限元建模與實驗驗證

3.1 有限元仿真模型的建立

有限元仿真模型的建立分為：(1)臺車和拼焊板試件的模擬；(2)拼焊板和焊縫區域材料的模擬。

3.1.1 臺車和拼焊板試件的模擬

基于臺車(圖1(a))和拼焊板試樣實際尺寸(圖1(b))與連接關系，使用Ls-Dyna[11]建立仿真模型。臺車的質量為480kg，質心位于臺車的幾何中心。

仿真模型使用2維殼單元，在厚度方向采用3個積分點，積分形式為16號全積分。模型中拼焊板采用的網格尺寸為5mm×5mm。薄壁梁拼焊板的R梁與臺車以焊接的方式連接，F梁是自由端,F梁與R梁由焊縫連接，如圖1(c)所示。模型中把計算停止時間設定為120ms，用以結束分析。

3.1.2 拼焊板和焊縫區域材料的模擬

Johnson-Cook的材料模型預測了大應變和高應變率下的材料在高碰撞速度時的變形。由于本文仿真模型采用高速碰撞，故拼焊板材料的模擬采用Johnson-Cook的材料模型[12]。

同時，根據Johnson-Cook材料模型，焊接區域材料的性能參數由被焊接材料的性能參數推導，被焊接材料的性能參數包括彈性模量、密度、材料常量(A,B,C,n,m)等。由于在焊縫區域F梁與R梁材料融化的體積基本一致，因而在焊縫區域材料性能參數推導公式中，F梁與R梁的材料性能參數相關系數取值均為0.5，即

XW=0.5XSTF+0.5XSTR

(15)

式中：XW，XSTF和XSTR分別表示焊縫區、F梁和R梁的材料參數。此外，由于本研究中的實驗都是在常溫下進行的，不需要額外考慮材料性能在高溫下的熱影響。F梁、R梁和焊縫區域材料參數見表1。

為驗證臺車仿真模型的有效性，需要設計并實施一組正撞動態壓潰實驗，并采集相關實驗數據與仿真模型實驗數據進行對比驗證。

3.2 臺車仿真模型的實驗驗證

臺車仿真模型使用DP590(t=1.0mm)&DP780(t=1.5mm)材料厚度組合下的試樣進行對比驗證。以相同的初始設置進行實驗和仿真，并分別將實驗與仿真的壓潰變形和加速度曲線進行對比，見圖2。由圖2可知，在實驗與仿真中，試樣壓潰變形基本一致，加速度曲線基本吻合，證實了仿真模型中各項參數選擇、相關設置使用的正確性和有效性。因此，該

表1 基于Johnson-Cook材料模型的材料參數和焊縫區域材料參數

注：*表示基于式(15)的混合原則。

仿真模型中材料模型、網格尺寸和積分方式等參數的選取和設置可以推廣并應用到本次研究所有的仿真模型中去。

4 正撞和斜撞工況下的仿真實驗設計

為研究薄壁梁拼焊板在不同材料和不同厚度組合下正撞和斜撞兩種工況下的綜合耐撞性能，實驗設計分為兩部分。

首先，根據薄壁梁拼焊板F梁與R梁的結構對試樣進行變量設計，分為：F梁材料m1和厚度t1；R梁材料m2和厚度t2。其中材料牌號根據表1選擇，板料厚度依據汽車鈑金件常用厚度選擇，具體見圖3。

其次，設計正撞和斜撞兩種工況。仿真中拼焊板試樣在臺車的牽引下與剛性墻撞擊，剛性墻法線方向分別與臺車運動方向平行(正撞)和與臺車運動方向成30°夾角(斜撞)，臺車的初始速度為5.56m/s(20km/h),如圖4所示。選擇30°是基于研究發現，當斜撞角度為30°時試樣易于在碰撞過程中產生較高的碰撞力峰值[13]，即相對其他角度較易產生失穩或折彎。

采用拉丁方實驗設計方法抽取50個樣本點，并分別計算薄壁梁拼焊板在正撞和斜撞兩種工況下的主要性能指標。

4.1 采用COPRAS評價方法評價試件在不同材料和厚度下正撞和斜撞的綜合耐撞性能

在仿真中，主要關注的性能指標為：正撞和斜撞的吸能效率SEA、碰撞力效率CFE和Ratio。從50個樣本點中分別以材料和厚度為對象，統計計算其吸能性能的均值，結果如表2和表3所示。其中“_F”和“_R”分別指拼焊板試樣的F梁和R梁，例如SPCC_F表示F梁材料為SPCC。D和O分別代表正撞和斜撞，如SEA(D)表示正撞工況下的吸能效率，CFE(O)表示斜撞工況下的碰撞力效率。性能指標Ratio定義為試樣在正撞與斜撞工況下吸能效率的比值，即

Ratio=SEA(D)/SEA(O)

(16)

表2 不同材料牌號下試件的主要性能指標

根據表2和表3的數據，繪制出對比不同材料和不同厚度的性能指標均值的曲線，如圖5～圖10所示。

在各項性能指標中，對SEA而言，當R梁材料為DP1000時其正撞和斜撞SEA均最大(圖5)；當F梁厚度為1.0mm時其正撞和斜撞SEA均最大(圖6)。對CFE而言，當R梁材料為DP1000時正撞CFE最大，當R梁材料為DP780時斜撞CFE最大(圖7)；當F梁厚度為1.0mm時其正撞的CFE最大，當R梁厚度為1.0mm時其斜撞的CFE最大(圖8)。對Ratio而言，當F梁材料為DP1000時其Ratio最大(圖9)；當R梁厚度為1.0mm時其Ratio最大(圖10)。

表3 不同板料厚度下試件的主要性能指標

為進一步評價拼焊板試樣在不同材料牌號和板料厚度下正撞和斜撞工況時的耐撞性能，采用COPRAS評價方法評價試樣在不同材料牌號和板料厚度下的綜合耐撞性能。

首先，采用步驟1和步驟2，將所需性能指標以性能矩陣的形式進行整合，并將該矩陣中的各種指標對應的數值無量綱化，使矩陣轉換成全部無量綱的新矩陣，如表4和表5所示。

表4 無量綱化后不同材料牌號下試樣的性能指標數值

表5 無量綱化后不同板料厚度下試樣的性能指標數值

其次，采用步驟3，算出各性能指標的權重比，如表6所示。

最后，采用步驟4～步驟6，算出每個試件的耐撞性能綜合評定值即Q值。計算Q值中，SEA值和CFE值均為有利指標，Ratio為不利指標。利用Q值求出U值，最后根據U值進行性能優劣排名，如表7所示。

由表7可知，就材料牌號而言，拼焊板試件R梁材料為DP1000(DP1000_R)時試件在正撞和斜撞中的綜合耐撞性能最優，其次為F梁材料是SPCC(SPCC_F)。對板料厚度而言，當F梁厚度為1.0mm(1.0_F)時試件在正撞和斜撞中的綜合耐撞性能最優，其次為當R梁厚度為1.2mm(1.2_R)時。表7同時評價出在各種材料或厚度變化下試樣在正撞和斜撞中綜合耐撞性能的優劣順序。

表6 各個性能指標權重比

表7 不同材料和不同厚度的COPRAS評價結果

4.2 基于COPRAS評價結果的仿真驗證

選取兩組試樣進行正撞與斜撞綜合性能驗證，根據排名取試樣1：SPCC(t=1.0mm) & DP1000(t=1.2mm)和試樣2：DP780(t=1.2mm) & DP780(t=1.0mm)兩組試樣分別進行正撞和斜撞仿真，并采用COPRAS評價方法進行評定。驗證數據如圖11和圖12所示，評價結果如表8所示。

仿真結果顯示，排名靠前的材料牌號、板料厚度組合的試樣其綜合耐撞性能優于排名靠后的材料牌號、板料厚度組合的試樣。證明了COPRAS評價方法的正確性。

試樣性能參數SEA(D)SEA(O)CFE(D)CFE(O)RatioS+iS-iQiUi排名試樣10.12740.14750.05820.06030.08390.39340.08390.5095100.001試樣20.12260.10250.09180.08970.11610.40660.11610.490596.272

5 結論

(1) 利用實驗數據建立有限元仿真模型并對模型進行對比標定，采用拉丁方實驗設計方法設計仿真以研究拼焊試件在不同材料牌號和板料厚度下的耐撞性能，并考慮正撞與斜撞兩種工況。斜撞(30° )相對正撞的吸能效率有較大減少，其中在F梁和R梁不同的材料變化之間其降幅在18%～35%之間，在F梁和R梁不同的厚度變化之間其降幅在17%～32%之間。

(2) 使用COPRAS評價方法對試樣正撞和斜撞的綜合耐撞性能進行評定。試件會隨著F梁材料屈服強度的增加而綜合耐撞性能降低，隨著R梁材料屈服強度的增加而提高；試件會隨著F梁厚度的增加而綜合耐撞性能降低，隨著R梁厚度的增加也降低。并得出當R梁材料為DP1000時試件在正撞和斜撞的綜合耐撞性能最好，當F梁厚度為1.0mm時試件在正撞和斜撞的綜合耐撞性能最好，并使用兩組仿真對COPRAS評價方法進行驗證。結果表明：COPRAS評價方法可對試樣在不同材料、厚度下的多工況綜合耐撞性能作出合理、客觀的評價，且具有指導意義和工程實用性。

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A Research on the Multi-condition Crashworthiness of TWB-madeThin-walled Beam Base on COPRAS Method

Chen Tao, Wang Guoqiang, Duan Libin & Hu Zhaohui

HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082

Complex proportional assessment (COPRAS) method is adopted to evaluate the overall crashworthiness performance of tailor welded blank (TWB) made thin-walled beam with different combinations of material and thickness under both head-on and oblique crashes. The results show that the assessment method adopted can not only rationally, accurately and efficiently evaluate the overall crashworthiness of TWB-made thin-walled beam but also provide guidance for its optimization, having a high engineering practicality.

thin-walled beam; tailor welded blank; complex proportional assessment method; crashworthiness

*國家國際科技合作計劃(2014DFG71590)、湖南省自然科學基金(14JJ3055)、中國博士后科學基金(2014M552132)、廣西科技計劃重大專項(桂科重1348003-5)、國汽(北京)汽車輕量化聯盟項目(20130303)和湖南省自然科學基金(13JJB003)資助。

原稿收到日期為2014年12月16日。