汽車車身結構安全部件材料匹配優化設計

彭吉龍，單　娟

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南 鄭州　450000）

汽車車身結構安全部件材料匹配優化設計

彭吉龍，單娟

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南 鄭州450000）

近年來我國經濟水平不斷提高，汽車也逐漸成為主要的交通工具之一，但是在節能減排的大環境下，汽車的尾氣排放量和燃油量較大也是一個不容忽視的問題，已經引起了社會的廣泛關注，要降低汽車燃油量，減少汽車自重較為關鍵，在國際上主要通過使用輕量化材料來達到這個目的，同時汽車制造企業還要兼顧汽車安全性能以滿足用戶需求。文章將就汽車車身結構安全部件材料匹配優化設計展開探討。

汽車制造；車身結構；部件材料

數據顯示，汽車自重每降低10%，能夠降低最高8%的油耗和13%的二氧化碳，例如目前應用較為普遍的材料高強度鋼，能夠降低最高0.5mm的車身板厚度，降低汽車質量20%左右，節省油耗15%，因此，對于汽車的輕量化和耐撞性設計來說，使用高強度鋼能夠取得良好的效果，并且目前汽車對于安全性的要求也逐漸提高，設計師需要使用高強度鋼來制造某些關鍵部件，降低汽車自重并提高汽車的安全性能。

1　汽車碰撞安全性分析

（1）汽車安全性設計的原則。一般發生交通事故都是由于汽車正碰引起的，因此在正碰過程中要保持汽車的安全性，汽車結構需要具備良好的吸能特征，這樣發生碰撞后車輛能夠吸收整車動能，達到入侵量控制和汽車加速度的良好匹配，對于汽車正碰安全性的設計，應該滿足以下幾個條件：乘員艙加速度較低，這樣能夠盡量降低乘員受到的沖擊；轉向柱后移量和前圍板侵入兩較小，能夠盡量減少碰撞后乘員生存空間的減少量，降低乘員受到的傷害。

（2）材料匹配優化設計方法。對于汽車的正碰安全性設計，選擇設計對象的主觀性較強，在設計過程中對于材料的材質和厚度也缺乏交互性。汽車車身結構安全部件材料的匹配優化設計，主要是分析汽車的能量分布情況和傳力路徑，以此為基礎選擇汽車的安全設計部件，通過分析敏感度進一步確定對汽車正碰安全性影響較大的關鍵部件，這樣能夠有效降低難以選擇設計對象的難度。如果已經選定了設計對象，通過近似模型優選和多目標優化材料厚度和材料材質，并且能夠兼顧部件的交互性，達到材料和厚度的連續變量、離散變量的混合優化。

2　選擇汽車關鍵安全部件

首先要建立正碰的仿真模型，一般使用的是“美國國家碰撞分析中心”的“Ford Taurus整車模型”，并且采用這個車型進行了碰撞試驗以確認整車模型的有效性，這個試驗是由美國國家碰撞中心主持進行的，因此可信度是很高的，我國也針對這個方針模型進行了試驗，通過對比仿真數據和實驗數據，發現兩個結果一致性較高，說明此模型計算精度較高，在正常情況下能夠代替真實汽車模型以進行試驗和研究；然后分析傳力路徑，以此確定對汽車正碰性能影響較大的關鍵部件；第三要分析能量分布，也就是分析傳力路徑上關鍵部件的能量傳遞，確定在傳力路徑上起主要吸能作用的汽車部件，進一步確定汽車正碰過程中的關鍵部件；第四要分析部件敏感度，采用的主要方法就是正交試驗法，研究主要汽車部件的敏感度，確定影響汽車正碰性能的主要因素。對于汽車制造企業來說，使用高強度鋼會大大的增加成本，如果選擇部件的材料無法實現碰撞性能的明顯改善，那么就會造成開發材料和開發資金的嚴重浪費。

3　汽車關鍵安全部件材料匹配優化

（1）建立數學模型。分析部件敏感度并選擇對材料變化影響較大的部件作為設計對象，并分析部件最恰當的強度等級，從備選材料中選擇最合適的材料作為其他部件材料的取值范圍。

（2）構建正面碰撞的近似模型。構建近似模型能夠盡量縮小最優化問題的求解規模，減少模型的求解時間，在很多大型工程優化工作中都有廣泛應用。常見的近似模型有RBF近似模型、RSM近似模型等，由于這些近似模型存在局限性，因此很難保證近似模型的精度，需要根據實際概況構建目標函數和約束條件的近似模型，通過對比若干近似模型找到最合適的近似模型，這樣才能確保安全設計精度較高。根據實驗結果分析，汽車部件的厚度和質量呈正比例關系，可以用多項式將部件的質量和準確表達出來，因此RSM近似模型較為合適。

（3）材料匹配優化設計以及結果分析。材料匹配需要考慮厚度和材料，分別是連續變量和離散變量，因此這是一個混合變量的多目標優化問題，常見的方法是將離散變量也看作是連續變量，得到局部最優解，但是解決問題的效率并不高，如果將連續變量看作是離散變量，同樣存在效率低下的問題，因此目前遺傳算法應用較為普遍。利用遺傳算法優化近似模型，得到前沿曲線，如圖1所示，可以看到質量目標響應和加速度峰值目標響應是矛盾的，要改善一個性能必須犧牲另一個性能，再采用改進的最小距離選解法得到的最優解代入到有限元模型中，通過計算得到優化前后的設計變量和相應速度的對比情況，優化后有效地改善了汽車的正碰性能，同時減輕了關鍵安全部件的質量，得到的設計結果可信度較高。

圖1　前沿曲線

4　結語

綜上，通過建立模型、構建正碰模型以及模型求解等，得到材料匹配優化設計的最佳結果，在保證汽車正碰性能的同時有效的降低了汽車的自重。

［1］楊占春.基于車輛運行參數的汽車安全部件故障診斷［J］.中國機械工程，2012，（20）：35.

［2］解國宏.數值仿真技術在汽車安全部件設計中的應用［J］.上海汽車，2006，（15）：62.

［3］柳艷杰.低速碰撞時汽車安全部件的數值仿真研究［J］.黑龍江水專學報，2008，（2）：113.

M atching Optim ization Design of Safety Parts of Car Body Structure

PENG Ji-long，SHAN Juan

（Henan Patent Examination CooperationCenter of State Intellectual Property，Zhengzhou，Henan 450000，China）

In recent years economy is improving gradually in our country，and car also gradually becomes one of the main means of transportation，but under the circumstances of energy conservation and emissions reduction，car exhaust emissions and fuel quantity is also a problem that can't be ignored，and has caused the wide attention of the society.Therefore，it is very important to reduce automobile fuel quantity and automobile weight.In the world，it mainly uses lightweight materials to achieve this goal，at the same time，automobile manufacturing enterprise should pay attention to auto safety performance to meet users'needs.This paper discusses matching optimization design of safety parts of car body structure.

automobile manufacturing；body structure；parts materials

U463.82

A

2095-980X（2016）09-0049-02

2016-08-17

彭吉龍（1988-），男，河南濮陽人，碩士研究生，研究實習員，主要研究方向：車輛振動與噪聲。第二作者對本文的貢獻等同第一作者。