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汽車側(cè)面碰撞試驗B柱耐撞性能優(yōu)化及輕量化設(shè)計

2022-02-10 20:33:33·  來源：《機(jī)械設(shè)計與制造工程》  
　
來源 | 期刊—《機(jī)械設(shè)計與制造工程》摘要：為提高汽車碰撞后側(cè)面的安全性，對汽車B柱進(jìn)行耐撞性能優(yōu)化及輕量化設(shè)計。利用Hypermesh軟件劃分車輛網(wǎng)格，建立汽車
來源 | 期刊—《機(jī)械設(shè)計與制造工程》
摘要：為提高汽車碰撞后側(cè)面的安全性，對汽車B柱進(jìn)行耐撞性能優(yōu)化及輕量化設(shè)計。利用Hypermesh軟件劃分車輛網(wǎng)格，建立汽車有限元模型。采用LS-DYNA軟件分析優(yōu)化結(jié)果，通過B柱加強(qiáng)版進(jìn)行總成集合化處理，從而實現(xiàn)B柱加強(qiáng)板總成屬性轉(zhuǎn)移。采用CAE軟件進(jìn)行仿真實驗，確定2k因子對性能造成影響的關(guān)鍵與非關(guān)鍵因素,通過B柱熱成型優(yōu)化設(shè)計提高車輛輕量化效果。實驗結(jié)果表明：應(yīng)用該方法優(yōu)化后，車輛B柱輕量化比基礎(chǔ)模型升高了15.4%，車輛整體質(zhì)量減輕了19%以上。通過對汽車側(cè)面碰撞試驗B柱進(jìn)行耐撞性能實驗，可知汽車B柱幾乎沒有發(fā)生變形，車廂內(nèi)假人胸腔未出現(xiàn)損傷。
關(guān)鍵詞：側(cè)面碰撞；B柱；耐撞性；輕量化；優(yōu)化；CAE分析
隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畹闹饕煌üぞ遊1-2]。伴隨著市場需求與相關(guān)法規(guī)對汽車碰撞安全性能要求逐年提升，車身質(zhì)量隨之增加。
汽車的側(cè)面位置是整車中最薄弱的部分，其可以分散沖擊力的部件極少，一旦發(fā)生碰撞，將給乘坐人員生命安全造成極大的威脅。門檻梁總成與A柱、B柱、C柱、前門及后門是轎車側(cè)圍的主要部件，其中B柱作為車身側(cè)面主要承力部件，在汽車發(fā)生側(cè)面碰撞時，不但要承受巨大的沖擊力還需要給車門與車欄等部件提供支撐[3-4]。同時，影響乘坐人員安全性的關(guān)鍵指標(biāo)是B柱的入侵速度與入侵量[5-6]。由此可知，提高側(cè)面碰撞時汽車的安全性，首先要增強(qiáng)B柱的耐撞性。
我國自20世紀(jì)80年代開始對汽車側(cè)面碰撞進(jìn)行研究，研究方向為改進(jìn)門欄梁厚度、多角度改進(jìn)B柱的受力結(jié)構(gòu)。本文從提高汽車B柱耐撞性、汽車輕量化設(shè)計兩個方面對汽車車體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而提高汽車安全性。
建立并驗證有限元模型
汽車側(cè)碰動態(tài)響應(yīng)是一個復(fù)雜的過程，汽車側(cè)面碰撞有限元模型依據(jù)真實實驗構(gòu)建[7]。以國產(chǎn)某轎車為研究對象，建模流程如圖1所示。
圖1 建模流程圖

1.1 網(wǎng)格劃分

本文采用“面對面”的接觸類型構(gòu)建B柱碰撞有限元模型[8-9]。模型建立前首先需要劃分網(wǎng)格，該過程工作量巨大，需要清理幾何模型中較小的圓角與孔，目的是預(yù)防網(wǎng)格畸形，保持網(wǎng)絡(luò)連續(xù)性，使幾何模型與網(wǎng)格貼合效果良好。因此在劃分網(wǎng)格時，將可能發(fā)生大變形的區(qū)域的單元長度控制在8 mm左右，而最小單元長度控制在4 mm左右。
在構(gòu)建B柱碰撞有限元模型時，首先要注意幾何坐標(biāo)系方向的選取，并生成ruled曲面，然后再用convert將曲面劃分成網(wǎng)格，最終建立的模型包含2 614個節(jié)點(diǎn)、2 732個單元。
在完成上述兩種有限元模型的網(wǎng)格劃分后，采用sweep清掃菜單消除重復(fù)的單元元素與幾何元素，再利用check檢查是否存在畸形反向單元，最后采用renumber重新編號，以保證每個結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分都是有效的。
1.2 有限元模型建立
采用Hypermesh軟件劃分汽車網(wǎng)格，按照真實車輛CAD三維模型建立汽車有限元模型[10]。采用較小的網(wǎng)格建立如B柱、車門這類對頂壓與側(cè)面碰撞影響安全性能較高的部件模型，采用較大的網(wǎng)格建立如前后縱梁、玻璃這類對頂壓與側(cè)面碰撞影響安全性能較低的部件模型?？紤]到實際車輛采用的是低碳鋼薄板(延伸性能好)，構(gòu)建汽車有限元模型時定義車身覆蓋件采用分段式彈塑性材料。根據(jù)我國《汽車側(cè)面柱碰撞的乘員保護(hù)》法規(guī)規(guī)定，以4與1.44作為有限元模型應(yīng)變率參數(shù)P與C的值，建立側(cè)面碰撞有限元模型，如圖2所示。該模型中，模擬車輛A以時速60 km/h垂直撞向模擬車輛B，設(shè)定0.105 s為仿真碰撞時間。

圖2 側(cè)面碰撞有限元模型
在構(gòu)建側(cè)面碰撞有限元模型時，既要保證車身主要框架的完整性，也要盡量反映汽車的實際物理力學(xué)性能。為了減少工作量，適當(dāng)簡化車身骨架模型，以便形成較少的單元數(shù)量和簡潔的單元形態(tài)，從而達(dá)到簡化運(yùn)算的目的。車身作為汽車側(cè)面碰撞的主要承載構(gòu)件，對其進(jìn)行有限元分析時，在不影響仿真結(jié)果的前提下，可省略一些非承載用的輔助構(gòu)件，同時簡化截面形狀。

1.3 側(cè)碰安全分析

本文以優(yōu)化汽車B柱性能為主要研究目標(biāo)，調(diào)整車輛模型的車頂橫梁、車門防護(hù)桿與門欄等零部件的厚度。在車輛碰撞仿真中，B柱有兩個隱患：其一，在B柱側(cè)碰發(fā)生后變形模式不理想,由于侵入速度較快，導(dǎo)致腰線嚴(yán)重變形，將假人放入仿真實驗中，撞擊腰線會導(dǎo)致假人胸部嚴(yán)重受損，若實際使用可能會造成較大的胸?fù)p傷風(fēng)險[11]；其二，如圖3所示，加強(qiáng)板的過度使用加大了車輛的質(zhì)量，不利于輕量化，并將增加車輛裝配的復(fù)雜性及設(shè)計難度[12]。針對以上兩個問題，本文對B柱的耐撞性進(jìn)行優(yōu)化并對輕量化展開設(shè)計。
優(yōu)化B柱耐撞性及輕量化設(shè)計

隨著國內(nèi)外相關(guān)法規(guī)對車輛碰撞的要求不斷提升，大量的新材料、新手段、新工藝應(yīng)運(yùn)而生，本文為實現(xiàn)輕量化設(shè)計及優(yōu)化車輛耐撞性，對車輛B柱展開以下優(yōu)化設(shè)計[13]。


圖3 優(yōu)化前的B柱結(jié)構(gòu)

2.1 B柱加強(qiáng)板集成式設(shè)計

上部加強(qiáng)板的上下端位置、斷面尺寸、強(qiáng)度以及零件的厚度和材料均是影響汽車B柱加強(qiáng)板性能的重要因素。使用熱成型技術(shù)對B柱加強(qiáng)板進(jìn)行總成集合化設(shè)計，實現(xiàn)B柱加強(qiáng)板總成屬性轉(zhuǎn)移。根據(jù)仿真中側(cè)碰位置受力的不同，將B柱自上而下分為3段，每段的材料厚度均不相同，對每兩段材料進(jìn)行連接。零件強(qiáng)度在熱成型技術(shù)下可以達(dá)到1 600 MPa。由于受到車門結(jié)構(gòu)與汽車框架結(jié)構(gòu)的影響，斷面尺寸受到限制。為了達(dá)到輕量化的目標(biāo)，提高B柱側(cè)碰性能，需研究B柱加強(qiáng)板中的第一、第二分界高度以及上、中、下3部分的厚度[14]。

2.2 2k因子實驗設(shè)計

為節(jié)約碰撞實驗的成本，縮短實驗周期，采用CAE(computer aided engineering)分析軟件仿真、預(yù)估、評價優(yōu)化車輛的碰撞性能。2k因子實驗設(shè)計過程中為平衡成本、質(zhì)量以及性能，需確定對性能造成影響的關(guān)鍵與非關(guān)鍵因素。2k全因子與部分因子設(shè)計都屬于2k因子實驗設(shè)計，每增加一個因子就會導(dǎo)致實驗次數(shù)增長一倍，2k全因子設(shè)計不適用因子數(shù)較多的實驗，本文將2k部分因子設(shè)計應(yīng)用于CAE仿真，以優(yōu)化車輛側(cè)碰性能。
將車腰線處B柱內(nèi)板侵入速度與侵入量兩個性能指標(biāo)作為汽車集成式設(shè)計的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)，其中侵入速度又稱為側(cè)碰侵入速度，侵入量又稱為側(cè)碰時侵入量。用Mintab軟件研究B柱加強(qiáng)板中的第一、第二分界高度以及上、中、下3部分的厚度，以測試侵入速度與侵入量的響應(yīng)靈敏度情況，從而確定優(yōu)化效果。此時選擇部分因子為25，實驗設(shè)計見表1。

2.3 B柱熱成型優(yōu)化方案

結(jié)合現(xiàn)有的B柱加工工藝，設(shè)計基于2k因子的B柱熱成型技術(shù)優(yōu)化方案。表2為B柱基礎(chǔ)模型與優(yōu)化模型參數(shù)。由表可見，優(yōu)化設(shè)計的汽車模型輕量化效果極優(yōu)。
表1 實驗設(shè)計
表2 B柱優(yōu)化方案參數(shù)表


實驗分析
以一汽大眾2015款速騰為實驗對象，該車最高時速為220 km/h，0～100 km/h加速時間為9.3 s，車身質(zhì)量為1 395 kg，仿真操作系統(tǒng)為Windows10，仿真軟件為avl cruise軟件，avl cruise操作界面如圖4所示。

圖4 avl cruise操作界面
汽車加速度的變化是車輛碰撞過程中保證安全性能的關(guān)鍵指標(biāo)，進(jìn)行車輛側(cè)碰實驗前將加速度傳感器安裝在汽車不被撞擊側(cè)的B柱下端，因其變形不大，且接近汽車質(zhì)心位置，所以采集此處的加速度代表性強(qiáng)。通過avl cruise軟件對實驗車輛B柱遭到撞擊時的加速度進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 車輛加速度對比
從圖5可見，車輛加速度在實驗與仿真中變化趨勢只有在45～65 ms存在較大差異，其余時間段的車輛加速度變化不大，說明該汽車有限元模型是有效的。
應(yīng)用本文優(yōu)化方法分析實驗車輛B柱的輕量化與耐撞性時，車體材料使用M3、M4、M5、BTR165和DP600 這5類熱成型材料，材料主要特性見表3。
表3 材料主要特性

由表3可知，M3、M4以及M5因為加熱爐溫度不一致導(dǎo)致材料強(qiáng)度出現(xiàn)差異。采用本文方法優(yōu)化設(shè)計后，實驗汽車側(cè)碰侵入量、B柱總成與吸收能量的仿真結(jié)果見表4。實驗過程中在實驗車輛的B柱從上到下隨機(jī)采集7個點(diǎn)，編號為P1～P7，從中選擇P3～P7測定侵入量。P1～P7位置如圖6所示。

圖6 采集點(diǎn)位置示意圖
表4 優(yōu)化模型與基礎(chǔ)模型的效果對比
由表4可知，優(yōu)化模型的輕量化百分比為15.4%，而基礎(chǔ)模型為0，說明本文優(yōu)化方法對實驗車輛的輕量化設(shè)計效果極佳，且優(yōu)化模型的B柱總成質(zhì)量為5.41 kg，相比基礎(chǔ)模型的6.42 kg減輕了1.00 kg，使得實驗車輛整體質(zhì)量減輕了19%。
對實驗車輛基礎(chǔ)模型以及優(yōu)化模型進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果如圖7所示。
由圖可知，在吸收能力方面，優(yōu)化模型始終高于基礎(chǔ)模型，在120 ms時達(dá)到最高，為800 J，而基礎(chǔ)模型最高也僅有480 J左右；對比侵入量，優(yōu)化模型的結(jié)果也明顯比基礎(chǔ)模型要好，優(yōu)化模型的侵入量最高也僅有35 mm，而基礎(chǔ)模型的侵入量均在50 mm以上。相較于基礎(chǔ)模型，優(yōu)化后的實驗車輛安全性能更高，更能有效提升車輛B柱各項性能。
基礎(chǔ)模型撞擊實驗如圖8所示。
由圖可見，汽車車輪附近嚴(yán)重變形，B柱也發(fā)生扭曲，駕駛室位置車門凹陷嚴(yán)重，車門勉強(qiáng)打開，假設(shè)此時有人乘坐該車輛，胸部及肋骨將會受到嚴(yán)重?fù)p傷。
采用本文優(yōu)化方法設(shè)計的實驗車輛側(cè)碰結(jié)果如圖9所示。
實驗車輛進(jìn)行側(cè)碰實驗的同時也進(jìn)行了前碰撞實驗，相比于前翼子板的嚴(yán)重變形，優(yōu)化后的實驗車輛B柱幾乎沒有發(fā)生變形，僅車門前部位置出現(xiàn)輕微凹陷，但乘員艙沒有變形，兩側(cè)車門都可以正常打開，車廂內(nèi)假人胸腔未出現(xiàn)損傷，說明本文方法優(yōu)化后的實驗車輛B柱耐撞性得到了提高。

圖7 安全性能仿真模擬結(jié)果
圖8 基礎(chǔ)模型撞擊實驗

圖9 優(yōu)化后側(cè)碰實驗
結(jié)束語
本文采用Hypermesh軟件劃分汽車網(wǎng)格后，基于實際車輛CAD三維模型構(gòu)建汽車有限元模型，依據(jù)汽車有限元模型以及我國《汽車側(cè)面柱碰撞的乘員保護(hù)》法規(guī)，建立汽車側(cè)面碰撞有限元模型,并通過B柱加強(qiáng)板總成集合化、2k因子實驗設(shè)計以及B柱熱成型優(yōu)化，實現(xiàn)汽車B柱耐撞性優(yōu)化及輕量化設(shè)計，提升了汽車側(cè)面耐撞性，增強(qiáng)了車輛的安全性能。
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