淺析汽車車身結構安全部件材料匹配優化設計

許寶星　王靖博

摘 要：雖然汽車產業取得了迅速發展，汽車逐漸普及，設計水平也有顯著提升，但是從汽車車身結構安全部件材料匹配的設計現狀來看，還存在很多問題，其中表現最突出的就是安全部件的選擇具有較大的盲目性，在優化設計的過程中，對材料的厚度和交互性沒有進行充分考慮。為了解決這些問題，提高汽車車身結構安全部件的設計水平，本文從碰撞安全性、關鍵安全部件的選擇等方面進行了討論和分析。

關鍵詞：汽車車身結構安；安全部件；材料匹配；優化設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.187

0 引言

隨著汽車的普及，如何降低其燃油量和尾氣的排放量開始引起社會的廣泛關注，其中減輕汽車的重量，實現汽車的輕量化是一種非常重要的方式。目前，國際上主要采用輕量化的材料來達到減汽車重量的目標，因此，選擇高強度鋼材在汽車耐碰撞性和輕量化設計中具有重要意義。同時，隨著人們安全意識的逐漸增強，人們對汽車的安全性能提出了更高的要求。有相關的調查數據顯示，正面碰撞的發生率在交通安全事故中居于首位，傷亡的嚴重程度也最高，所以本文從汽車車身結構安全部件的材料匹配方面對如何提高汽車設計的安全性進行了論述。

1 汽車碰撞的安全性設計原則

在正面碰撞中，要保障汽車的安全性，對汽車結構的吸能特性提出了較高的要求。這樣，在車輛碰撞的過程中，如果汽車具有良好的吸收動能，就可以滿足車體的加速度和入侵控制的良好匹配。

正因如此，所以在汽車正面碰撞的安全設計需要堅持如下原則：第一，將乘員艙的加速度參數控制在較小的范圍內，避免乘員受到較大的沖擊；第二，將前圍板的侵入量設置為較低的數值，同樣保持較低的轉向柱后移量，用來增加成員的生存空間，保護乘坐人員的生命安全。

2 汽車車身結構安全部件材料匹配優化設計的主要方法

由于汽車正面碰撞設計的對象具有較大的隨意性，而且沒有充分考慮到材料的厚度和交互性影響。所以為了提高設計方案的完整性，我們對汽車車身結構中具有重要作用的安全部件材料的優化匹配設計進行了討論分析。這種設計方法的具體步驟如下：

第一，選擇相關的安全設計部件。在選擇安全部件之前，需要先計算出傳力路徑，對能量分布進行分析，然后才能通過的敏感度的評價分析，提高設計的準確性，確定在汽車的正面碰撞中，會對其安全性產生較大影響的部件，并將其作為主要的設計對象。通過上述方法，就可以有效解決設計對象難以確定的問題。

第二，根據已經確定的設計對象，建立比較相近的模型來擇優選擇，同時對多個目標材料的厚度和交互性進行優化，這樣就能夠實現材料厚度的離散以及連續變量的混合優化。

3 汽車車身結構關鍵安全部件的選擇

3.1 建立汽車正面碰撞的仿真模型

我們將Ford Taurus轎車的整車模型作為整車碰撞的有限元模型。為了對這一仿真模型的有效性進行驗證，我們將某型號的汽車作為對象，進行了正面碰撞實驗。本次實驗是由美國的國家碰撞中心安排的，具有較高的可信度。

將本次實驗的結果和仿真后左右后座椅的平均加速度曲線進行比較，結合碰撞之后的汽車變形情況。

汽車碰撞實驗得到的結果和仿真的結果具有較高的一致性。因此可以證明，利用仿真模型進行計算，可以保障計算的精確性，可以用來代替真實的實驗，為相關研究提供方便。

3.2 分析傳力路徑

主要的傳力路徑主要有3種，具體如下：第一，如果汽車和正前方汽車的剛性壁障發生碰撞，那么就會導致汽車的前保險杠發生變形。此時，汽車受力就會傳遞到上縱梁，然后再傳到A柱的上端，最后向后。第二，當汽車和前面的剛性壁障發生碰撞時，前保險杠會變形。此時，汽車所受到的力就會經過前縱梁，傳導到A柱的下端、地板縱梁和門檻梁等部位，然后繼續向后傳遞。第三，在碰撞發生后，前輪胎會對A柱的下端產生作用力，這樣前輪受到的力就會直接傳遞到A柱的下端，然后再到門檻梁，接著向后傳遞。

3.3 分析能量分布

通過對傳力路徑上主要部件的能量分析，確定哪些部件在傳力路徑上起到了主要的吸能作用 ，進而確定正碰過程中的相關部件。A柱上端的吸能明顯小于A柱下端，因此可以判斷在乘員艙部分的吸能主要由車輛下部傳力路徑承擔，同時通過各部件能量占比可以進一步確定正碰過程中的主要相關部件。

4 結束語

綜上所述，在汽車車身結構安全部件的匹配設計中，本文采用的方法具有顯著優勢，不僅可以大幅度提升汽車正面的耐碰撞性能，而且有助于減輕車身整體結構的重量，優化性能。由此看來，汽車車身結構安全部件的匹配優化設計方法具有準確性和有效性的特點，可以有效地指導汽車的車身設計，縮短汽車產品的研發周期，提高汽車車身設計的安全性。

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