某型轎車側圍結構設計與分析

李杉+吳濤+賓小龍

摘 要：汽車在側面碰撞中，B柱作為非常重要的側面結構，它是承受側面碰撞力的主要部件。它的侵入量、侵入速度和變形模式對乘員的損傷有著直接的關系，所以良好的B柱變形能減輕駕駛員的損傷。本文主要是參考原有車型捷達的側圍數據進行建模，然后對側圍結構進行優化設計，并且做出兩個側圍模型進行對比，然后對這些側圍結構進行ANSYS受力分析，達到對側圍結構優化設計的目的。

關鍵詞：汽車；側圍；優化；B柱

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.201

0 引言

汽車的側面是整車中強度比較薄弱的地方。對于在汽車中數量最多的轎車，因其側面的車門強度更加薄弱，所以研究側面的抗碰撞能力尤為的重要。對于轎車的側部，在發生側面碰撞的時候，由于緩沖區較小，沒有它的前部和后部那樣有足夠大的空間來發生結構變形去吸收碰撞的能量。并且車輛被撞的地方與乘員的距離較近，一旦受到來自側面的撞擊，乘員將會受到強烈貫入的沖擊載荷作用，輕則重傷，嚴重時會危及生命。

1 車身側圍結構數據采集與建模

1.1 車身側圍數據采集

本次數據采集使用的是三坐標測量機，首先先找一個點來設置為零點，然后通過操縱三坐標測量儀使三坐標測量儀的探針移動，這樣就會使三坐標探頭和零點有一個相對位置。通過記錄當三坐標探針移動后產生的相對位置的坐標X、Y、Z，就可以得到捷達車的側圍點云數據。

1.2 三維模型的建立過程

本次設計使用的是逆向工程（RE：Reverse Engineering）設計方法，并以此進行捷達車身側圍的逆向工程設計，將捷達車身側圍實物轉變為虛擬的電子三維模型，實現高逼真度的仿真模擬。通過前期測量的車身側圍點云數據，在CATIA中將測量的點輸入，由點構線，由線構面，最后生成所需要的CAD模型。其基本順序為：先建立側圍外板模型，再建立車門內板模型，最后將其進行裝配。建模完成后使用CATIA中的自由式分析中的箭狀曲率分析對曲面的光順性進行檢查，經檢測后發現曲面的光順性良好。裝配模型如圖1所示。

2 改進前車身側圍有限元分析

2.1 前處理

此處填入二將CATIA中的側圍的三維模型打開，在側圍的三維模型上加7根橫梁，加7根橫梁的目的是在ANSYS做分析時施加約束。啟動workbench的explicit dynamics模塊，首先，點擊engineering data模塊定義材料模型，然后在DesignModeler模塊下將側圍模型和碰撞塊導入進來。然后點擊generate 生成模型。點擊Explicit dynamics模塊設置初始條件，在這里選擇的是initial 中的速度velocity。先選擇碰撞塊，然后設置碰撞速度，在這里設置的碰撞速度是54km/h，碰撞方向是沿著y軸的負方向。

其次，點擊Explicit dynamics模塊下的analysis settings 設置碰撞結束時間，這里選擇的是0.01s。接下來，在該模塊中插入固定約束。將固定約束加在了7根橫梁的端面上。

最后，點擊solution 模塊，在該模塊中插入，總變形結果，方向變形結果，等效應力結果、應變結果，接下來點擊solve，workbench就開始計算分析。CAE模型如圖2所示。

2.2 后處理

此處觀察workbench的結果圖，選擇Mechannical界面左側分析樹中的Solution選項，并選擇Solution工具欄中總變形和等效應力（Equivalent Stress）選項，然后觀察總變形的結果，這里主要是看B柱的變形量。如圖3所示。

從結果圖3中可以看出，這里的最大變形量為129.1mm，可見B柱的侵入量為129.1mm。于是通過優化模型改變B柱的侵入量，提高側圍的碰撞性能。

3 側圍結構優化

3.1 設計優化方案

第一種方案是：考慮到提高汽車的輕量化，通過改變材料的類型來提高汽車側圍的抗撞性能。為了使汽車的重量降低，強度增加，汽車的車身多采用高強度鋼，因此本文將側圍材料設置為高強度鋼。

第二種方案是：考慮到人工工程學，并且考慮到乘客上下車的方便性，通過改變B柱的結構，在B柱中加入加強板。改變后的結構如圖4所示。

3.2 改進后模型的有限元分析

在workbench中分析上述改進后的模型，具體前處理方式與上述一致，這里不再贅述。按照方案1，將材料更換為高強度鋼。其分析結果如圖5所示。

從圖5可以看出，最大變形量為124.24mm相比第一次的分析，可見侵入量有改變。比第一次的分析結果少了4.86mm。按照方案2，通過在B柱中加入加強板來提高B柱的強度和硬度，提高碰撞性能。在新的側圍外板中，加入了2塊加強板。由于側圍內板基本上保持不變，就使用原有的側圍內板模型。其分析結果如圖6所示。

從圖6中可以看出，這里的最大變形量為102.47mm。因此，B柱的侵入量就是102.47mm。相比之前減少了26.63mm。

4 結論

在發生側面碰撞的時候，由于緩沖區較小，沒有它的前部和后部那樣有足夠大的空間來發生結構變形去吸收碰撞的能量。因此提高汽車側圍的強度對于乘員安全至關重要。汽車側圍的強度可以從材料和結構兩方面著手，本文通過使用合理的材料，改進合理的結構，使汽車在發生側面碰撞時側圍的侵入量大大減小，對保護駕駛人員以及乘客的人身安全起了至關重要的作用。

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