基于拼焊技术的轿车B柱耐撞性及结构优化设计
汽车侧面碰撞试验B柱耐撞性能优化及轻量化设计
ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.２０９５－５０９Ｘ.２０２０.０５.０１９汽车侧面碰撞试验Ｂ柱耐撞性能优化及轻量化设计彭宇玲(广州科技职业技术大学汽车工程学院ꎬ广东广州㊀５１０５５０)摘要:为提高汽车碰撞后侧面的安全性ꎬ对汽车Ｂ柱进行耐撞性能优化及轻量化设计ꎮ利用Ｈｙ￣ｐｅｒｍｅｓｈ软件划分车辆网格ꎬ建立汽车有限元模型ꎮ采用ＬＳ－ＤＹＮＡ软件分析优化结果ꎬ通过Ｂ柱加强版进行总成集合化处理ꎬ从而实现Ｂ柱加强板总成属性转移ꎮ采用ＣＡＥ软件进行仿真实验ꎬ确定２ｋ因子对性能造成影响的关键与非关键因素ꎬ通过Ｂ柱热成型优化设计提高车辆轻量化效果ꎮ实验结果表明:应用该方法优化后ꎬ车辆Ｂ柱轻量化比基础模型升高了１５.４％ꎬ车辆整体质量减轻了１９％以上ꎮ通过对汽车侧面碰撞试验Ｂ柱进行耐撞性能实验ꎬ可知汽车Ｂ柱几乎没有发生变形ꎬ车厢内假人胸腔未出现损伤ꎮ关键词:侧面碰撞ꎻＢ柱ꎻ耐撞性ꎻ轻量化ꎻ优化ꎻＣＡＥ分析中图分类号:Ｕ４６１.９１㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:２０９５－５０９Ｘ(２０２０)０５－００９２－０５㊀㊀随着经济快速发展ꎬ汽车已经成为人们日常生活的主要交通工具[１－２]ꎮ伴随着市场需求与相关法规对汽车碰撞安全性能要求逐年提升ꎬ车身质量随之增加ꎮ汽车的侧面位置是整车中最薄弱的部分ꎬ其可以分散冲击力的部件极少ꎬ一旦发生碰撞ꎬ将给乘坐人员生命安全造成极大的威胁ꎮ门槛梁总成与Ａ柱㊁Ｂ柱㊁Ｃ柱㊁前门及后门是轿车侧围的主要部件ꎬ其中Ｂ柱作为车身侧面主要承力部件ꎬ在汽车发生侧面碰撞时ꎬ不但要承受巨大的冲击力还需要给车门与车栏等部件提供支撑[３－４]ꎮ同时ꎬ影响乘坐人员安全性的关键指标是Ｂ柱的入侵速度与入侵量[５－６]ꎮ由此可知ꎬ提高侧面碰撞时汽车的安全性ꎬ首先要增强Ｂ柱的耐撞性ꎮ我国自２０世纪８０年代开始对汽车侧面碰撞进行研究ꎬ研究方向为改进门栏梁厚度㊁多角度改进Ｂ柱的受力结构ꎮ本文从提高汽车Ｂ柱耐撞性㊁汽车轻量化设计两个方面对汽车车体进行优化设计ꎬ从而提高汽车安全性ꎮ１㊀建立并验证有限元模型汽车侧碰动态响应是一个复杂的过程ꎬ汽车侧面碰撞有限元模型依据真实实验构建[７]ꎮ以国产某轿车为研究对象ꎬ建模流程如图１所示ꎮ图１㊀建模流程图１.１㊀网格划分本文采用 面对面 的接触类型构建Ｂ柱碰撞有限元模型[８－９]ꎮ模型建立前首先需要划分网格ꎬ该过程工作量巨大ꎬ需要清理几何模型中较小的圆角与孔ꎬ目的是预防网格畸形ꎬ保持网络连续性ꎬ使几何模型与网格贴合效果良好ꎮ因此在划分网格时ꎬ将可能发生大变形的区域的单元长度控制在８ｍｍ左右ꎬ而最小单元长度控制在４ｍｍ左右ꎮ在构建Ｂ柱碰撞有限元模型时ꎬ首先要注意几何坐标系方向的选取ꎬ并生成ｒｕｌｅｄ曲面ꎬ然后再用ｃｏｎｖｅｒｔ将曲面划分成网格ꎬ最终建立的模型包含２６１４个节点㊁２７３２个单元ꎮ在完成上述两种有限元模型的网格划分后ꎬ采用ｓｗｅｅｐ清扫菜单消除重复的单元元素与几何元素ꎬ再利用ｃｈｅｃｋ检查是否存在畸形反向单元ꎬ最后采用ｒｅｎｕｍｂｅｒ重新编号ꎬ以保证每个结构的网格划分都是有效的ꎮ收稿日期:２０２０－０１－０８作者简介:彭宇玲(１９８１ )ꎬ女ꎬ讲师ꎬ硕士ꎬ主要研究方向为车辆工程㊁车辆安全㊁结构分析ꎬ７６３４９１０８＠ｑｑ.ｃｏｍ.２９ ２０２０年５月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｍａｙ.２０２０第４９卷第５期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.４９Ｎｏ.５１.２㊀有限元模型建立采用Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ软件划分汽车网格ꎬ按照真实车辆ＣＡＤ三维模型建立汽车有限元模型[１０]ꎮ采用较小的网格建立如Ｂ柱㊁车门这类对顶压与侧面碰撞影响安全性能较高的部件模型ꎬ采用较大的网格建立如前后纵梁㊁玻璃这类对顶压与侧面碰撞影响安全性能较低的部件模型ꎮ考虑到实际车辆采用的是低碳钢薄板(延伸性能好)ꎬ构建汽车有限元模型时定义车身覆盖件采用分段式弹塑性材料ꎮ根据我国«汽车侧面柱碰撞的乘员保护»法规规定ꎬ以４与１.４４作为有限元模型应变率参数Ｐ与Ｃ的值ꎬ建立侧面碰撞有限元模型ꎬ如图２所示ꎮ该模型中ꎬ模拟车辆Ａ以时速６０ｋｍ/ｈ垂直撞向模拟车辆Ｂꎬ设定０.１０５ｓ为仿真碰撞时间ꎮ图２㊀侧面碰撞有限元模型㊀㊀在构建侧面碰撞有限元模型时ꎬ既要保证车身主要框架的完整性ꎬ也要尽量反映汽车的实际物理力学性能ꎮ为了减少工作量ꎬ适当简化车身骨架模型ꎬ以便形成较少的单元数量和简洁的单元形态ꎬ从而达到简化运算的目的ꎮ车身作为汽车侧面碰撞的主要承载构件ꎬ对其进行有限元分析时ꎬ在不影响仿真结果的前提下ꎬ可省略一些非承载用的辅助构件ꎬ同时简化截面形状ꎮ１.３㊀侧碰安全分析本文以优化汽车Ｂ柱性能为主要研究目标ꎬ调整车辆模型的车顶横梁㊁车门防护杆与门栏等零部件的厚度ꎮ在车辆碰撞仿真中ꎬＢ柱有两个隐患:其一ꎬ在Ｂ柱侧碰发生后变形模式不理想ꎬ由于侵入速度较快ꎬ导致腰线严重变形ꎬ将假人放入仿真实验中ꎬ撞击腰线会导致假人胸部严重受损ꎬ若实际使用可能会造成较大的胸损伤风险[１１]ꎻ其二ꎬ如图３所示ꎬ加强板的过度使用加大了车辆的质量ꎬ不利于轻量化ꎬ并将增加车辆装配的复杂性及设计难度[１２]ꎮ针对以上两个问题ꎬ本文对Ｂ柱的耐撞性进行优化并对轻量化展开设计ꎮ２㊀优化Ｂ柱耐撞性及轻量化设计随着国内外相关法规对车辆碰撞的要求不断提升ꎬ大量的新材料㊁新手段㊁新工艺应运而生ꎬ本文为实现轻量化设计及优化车辆耐撞性ꎬ对车辆Ｂ柱展开以下优化设计[１３]ꎮ图３㊀优化前的Ｂ柱结构２.１㊀Ｂ柱加强板集成式设计上部加强板的上下端位置㊁断面尺寸㊁强度以及零件的厚度和材料均是影响汽车Ｂ柱加强板性能的重要因素ꎮ使用热成型技术对Ｂ柱加强板进行总成集合化设计ꎬ实现Ｂ柱加强板总成属性转移ꎮ根据仿真中侧碰位置受力的不同ꎬ将Ｂ柱自上而下分为３段ꎬ每段的材料厚度均不相同ꎬ对每两段材料进行连接ꎮ零件强度在热成型技术下可以达到１６００ＭＰａꎮ由于受到车门结构与汽车框架结构的影响ꎬ断面尺寸受到限制ꎮ为了达到轻量化的目标ꎬ提高Ｂ柱侧碰性能ꎬ需研究Ｂ柱加强板中的第一㊁第二分界高度以及上㊁中㊁下３部分的厚度[１４]ꎮ２.２㊀２ｋ因子实验设计为节约碰撞实验的成本ꎬ缩短实验周期ꎬ采用ＣＡＥ(ｃｏｍｐｕｔｅｒａｉｄｅｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ)分析软件仿真㊁预估㊁评价优化车辆的碰撞性能ꎮ２ｋ因子实验设计过程中为平衡成本㊁质量以及性能ꎬ需确定对性能造成影响的关键与非关键因素ꎮ２ｋ全因子与部分因子设计都属于２ｋ因子实验设计ꎬ每增加一个因子就会导致实验次数增长一倍ꎬ２ｋ全因子设计不适用因子数较多的实验ꎬ本文将２ｋ部分因子设计应用于ＣＡＥ仿真ꎬ以优化车辆侧碰性能ꎮ将车腰线处Ｂ柱内板侵入速度与侵入量两个性能指标作为汽车集成式设计的关键质量指标ꎬ其中侵入速度又称为侧碰侵入速度ꎬ侵入量又称为侧碰时侵入量ꎮ用Ｍｉｎｔａｂ软件研究Ｂ柱加强板中的第一㊁第二分界高度以及上㊁中㊁下３部分的厚度ꎬ以测试侵入速度与侵入量的响应灵敏度情况ꎬ从而确定优化效果ꎮ此时选择部分因子为２５ꎬ实验设计见表１ꎮ２.３㊀Ｂ柱热成型优化方案结合现有的Ｂ柱加工工艺ꎬ设计基于２ｋ因子的Ｂ柱热成型技术优化方案ꎮ表２为Ｂ柱基础模型与优化模型参数ꎮ由表可见ꎬ优化设计的汽车模型轻量化效果极优ꎮ３９ ２０２０年第５期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀彭宇玲:汽车侧面碰撞试验Ｂ柱耐撞性能优化及轻量化设计表１㊀实验设计序号１２３４５６７８９１０上部厚度/ｍｍ１.３１.３１.３１.３１.１１.１１.１１.１１.１１.１中部厚度/ｍｍ１.５１.５１.７１.７１.７１.７１.７１.５１.５１.５下部厚度/ｍｍ１.１０.９１.１０.９０.９１.１１.１１.１０.９１.１第一分界高度/ｍｍ３５７３５７３５７３５７３５７２１７３５７２１７３５７３５７第二分界高度/ｍｍ６５６７５３７５３６５６７５３７５３６５６６５６６５６７５３标准序５４１５９１１１４４１７１运行序１２３４５６７８９１０中心点１１１１１１１１１１区组１１１１１１１１１１侧碰侵入速度/(ｍ ｓ－１)０.２３０.１９０.２２０.１８０.２１０.２４０.１７０.２２０.２００.１９侧碰发生时间/ｍｓ０.８２０.９２０.８５０.９１０.９５０.９６０.８８０.９３０.９６０.９７表２㊀Ｂ柱优化方案参数表基础模型优化模型Ｂ柱本体上加强板下加强板Ｂ柱本体１Ｂ柱本体２Ｂ柱本体３Ｂ柱本体４材料牌号ＤＰ６００ＤＰ６００ＤＰ６００ＢＴＲ１６５Ｍ５Ｍ４Ｍ３厚度１.３１.１１.５１.１０.９Ｂ柱主体质量/ｋｇ４.１９２.９８３ 实验分析以一汽大众２０１５款速腾为实验对象ꎬ该车最高时速为２２０ｋｍ/ｈꎬ０~１００ｋｍ/ｈ加速时间为９.３ｓꎬ车身质量为１３９５ｋｇꎬ仿真操作系统为Ｗｉｎ￣ｄｏｗｓ１０ꎬ仿真软件为ａｖｌｃｒｕｉｓｅ软件ꎬａｖｌｃｒｕｉｓｅ操作界面如图４所示ꎮ图４㊀ａｖｌｃｒｕｉｓｅ操作界面㊀㊀汽车加速度的变化是车辆碰撞过程中保证安全性能的关键指标ꎬ进行车辆侧碰实验前将加速度传感器安装在汽车不被撞击侧的Ｂ柱下端ꎬ因其变形不大ꎬ且接近汽车质心位置ꎬ所以采集此处的加速度代表性强ꎮ通过ａｖｌｃｒｕｉｓｅ软件对实验车辆Ｂ柱遭到撞击时的加速度进行仿真ꎬ并将仿真结果与实验结果进行对比分析ꎬ结果如图５所示ꎮ图５㊀车辆加速度对比㊀㊀从图５可见ꎬ车辆加速度在实验与仿真中变化趋势只有在４５~６５ｍｓ存在较大差异ꎬ其余时间段的车辆加速度变化不大ꎬ说明该汽车有限元模型是有效的ꎮ应用本文优化方法分析实验车辆Ｂ柱的轻量化与耐撞性时ꎬ车体材料使用Ｍ３㊁Ｍ４㊁Ｍ５㊁ＢＴＲ１６５和ＤＰ６００这５类热成型材料ꎬ材料主要特性见表３ꎮ表３㊀材料主要特性材料牌号屈服强度/ＭＰａ抗拉强度/ＭＰａ延伸率/％ＤＰ６００３８４６４９>１９ＢＴＲ１６５１０９９１４４９>５Ｍ３６１９１４４９>１６Ｍ４７６９１２９９>１２Ｍ５９３９１１４９>９㊀㊀由表３可知ꎬＭ３㊁Ｍ４以及Ｍ５因为加热炉温度不一致导致材料强度出现差异ꎮ采用本文方法优化设计后ꎬ实验汽车侧碰侵入量㊁Ｂ柱总成与吸收能量的仿真结果见表４ꎮ实验过程中在实验车辆的Ｂ柱从上到下随机采集７个点ꎬ编号为Ｐ１~Ｐ７ꎬ从中选择Ｐ３~Ｐ７测定侵入量ꎮＰ１~Ｐ７位置如图４９２０２０年第４９卷㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀６所示ꎮ图６㊀采集点位置示意图表４㊀优化模型与基础模型的效果对比基础模型优化模型侵入量/ｍｍＰ３４９.２５１.８Ｐ４２１.２４８.３Ｐ５５１.１４４.４Ｐ６４９.５４０.１Ｐ７４６.４４０.５Ｂ柱总成质量/ｋｇ６.４２５.４１吸收能量/Ｊ４５８.５４６２.８轻量化百分比/％０１５.４㊀㊀由表４可知ꎬ优化模型的轻量化百分比为１５.４％ꎬ而基础模型为０ꎬ说明本文优化方法对实验车辆的轻量化设计效果极佳ꎬ且优化模型的Ｂ柱总成质量为５.４１ｋｇꎬ相比基础模型的６.４２ｋｇ减轻了１.００ｋｇꎬ使得实验车辆整体质量减轻了１９％ꎮ对实验车辆基础模型以及优化模型进行仿真模拟ꎬ结果如图７所示ꎮ㊀㊀由图可知ꎬ在吸收能力方面ꎬ优化模型始终高于基础模型ꎬ在１２０ｍｓ时达到最高ꎬ为８００Ｊꎬ而基础模型最高也仅有４８０Ｊ左右ꎻ对比侵入量ꎬ优化模型的结果也明显比基础模型要好ꎬ优化模型的侵入量最高也仅有３５ｍｍꎬ而基础模型的侵入量均在５０ｍｍ以上ꎮ相较于基础模型ꎬ优化后的实验车辆安全性能更高ꎬ更能有效提升车辆Ｂ柱各项性能ꎮ基础模型撞击实验如图８所示ꎮ㊀㊀由图可见ꎬ汽车车轮附近严重变形ꎬＢ柱也发生扭曲ꎬ驾驶室位置车门凹陷严重ꎬ车门勉强打开ꎬ假设此时有人乘坐该车辆ꎬ胸部及肋骨将会受到严重损伤ꎮ采用本文优化方法设计的实验车辆侧碰结果如图９所示ꎮ㊀㊀实验车辆进行侧碰实验的同时也进行了前碰图７㊀安全性能仿真模拟结果图８㊀基础模型撞击实验图９㊀优化后侧碰实验撞实验ꎬ相比于前翼子板的严重变形ꎬ优化后的实验车辆Ｂ柱几乎没有发生变形ꎬ仅车门前部位置５９ ２０２０年第５期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀彭宇玲:汽车侧面碰撞试验Ｂ柱耐撞性能优化及轻量化设计出现轻微凹陷ꎬ但乘员舱没有变形ꎬ两侧车门都可以正常打开ꎬ车厢内假人胸腔未出现损伤ꎬ说明本文方法优化后的实验车辆Ｂ柱耐撞性得到了提高ꎮ４㊀结束语本文采用Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ软件划分汽车网格后ꎬ基于实际车辆ＣＡＤ三维模型构建汽车有限元模型ꎬ依据汽车有限元模型以及我国«汽车侧面柱碰撞的乘员保护»法规ꎬ建立汽车侧面碰撞有限元模型ꎬ并通过Ｂ柱加强板总成集合化㊁２ｋ因子实验设计以及Ｂ柱热成型优化ꎬ实现汽车Ｂ柱耐撞性优化及轻量化设计ꎬ提升了汽车侧面耐撞性ꎬ增强了车辆的安全性能ꎮ参考文献:[１]㊀夏玉峰ꎬ任莉ꎬ叶彩红ꎬ等.基于ＲＳＭ的立柱加强板定位布局多目标优化[Ｊ].浙江大学学报(工学版)ꎬ２０１６ꎬ５０(８):１６００－１６０７.[２]㊀贺小龙ꎬ张立民ꎬ鲁连涛ꎬ等.基于轻量化及刚度的铝合金车体承载结构参数选择研究[Ｊ].铁道学报ꎬ２０１６ꎬ３８(１１):２６－３２.[３]㊀胡奔ꎬ廖敏ꎬ李晓鹏ꎬ等.拖拉机前动力输出变速箱壳体轻量化设计[Ｊ].江苏农业科学ꎬ２０１９ꎬ４７(１０):２３９－２４４. [４]㊀黄琼春ꎬ李尚平ꎬ李冰ꎬ等.小型甘蔗收获机台架结构分析与轻量化设计[Ｊ].农机化研究ꎬ２０１８ꎬ４０(６):２９－３２. [５]㊀王迪ꎬ陈晓敏ꎬ杨永强ꎬ等.基于激光选区熔化的功能零件结构设计优化及制造关键技术研究[Ｊ].机械工程学报ꎬ２０１８ꎬ５４(１７):１６５－１７２.[６]㊀顾纪超ꎬ许东阳ꎬ李光耀ꎬ等.基于多组混合元模型方法的汽车轻量化设计[Ｊ].中国机械工程ꎬ２０１６ꎬ２７(１４):１９８２－１９８７.[７]㊀肖勇ꎬ丁玉梅ꎬ秦柳ꎬ等.新能源汽车轻量化的关键技术[Ｊ].塑料ꎬ２０１６ꎬ４５(２):９８－１００.[８]㊀谢晖ꎬ陈龙ꎬ李凡ꎬ等.ＲＢＦ近似模型在汽车碰撞变复杂度建模中的应用[Ｊ].机械科学与技术ꎬ２０１６ꎬ３５(１０):１６２４－１６２８.[９]㊀詹博文ꎬ孙凌玉ꎬ黄彬城ꎬ等.车用复合材料螺旋弹簧的设计与优化[Ｊ].北京航空航天大学学报ꎬ２０１８ꎬ４４(７):１５２０－１５２７.[１０]杜忠泽ꎬ芮星ꎬ王强ꎬ等.铝合金汽车发动机缸体内壁表面改性的研究进展[Ｊ].材料导报ꎬ２０１８ꎬ３２(增刊１):３３６－３４０. [１１]邹翔ꎬ高广军ꎬ董海鹏ꎬ等.高速列车多边形多胞吸能管耐撞性分析与优化[Ｊ].铁道科学与工程学报ꎬ２０１６ꎬ１３(７):１３８６－１３９２.[１２]王鑫ꎬ张道文ꎬ冉启林ꎬ等.电动自行车骑车人与汽车碰撞的动力学响应研究[Ｊ].中国安全科学学报ꎬ２０１６ꎬ２６(６):１５２－１５６.[１３]孙光永ꎬ王涛ꎬ田轩屹ꎬ等.基于多目标离散优化方法的高强度钢拼焊板的耐撞性研究[Ｊ].中国科技论文ꎬ２０１６ꎬ１１(４):４３８－４４３.[１４]徐峰祥.拼焊板形式结构件动态轴向压溃特性实验研究[Ｊ].实验力学ꎬ２０１６ꎬ３１(４):４８３－４９４.ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓａｎｄｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｄｅｓｉｇｎｏｆＢ￣ｐｉｌｌａｒｉｎｖｅｈｉｃｌｅｓｉｄｅｉｍｐａｃｔｔｅｓｔＰｅｎｇＹｕｌｉｎｇ(ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＧｕａｎｇｚｈｏｕＶｏｃａｔｉｏｎａｌａｎｄＴｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＧｕａｎｇｄｏｎｇＧｕａｎｇｚｈｏｕꎬ５１０５５０ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｉｄｅｓａｆｅｔｙｉｎｖｅｈｉｃｌｅｉｍｐａｃｔꎬｔｈｅｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｄｅｓｉｇｎｏｆＢ￣ｐｉｌｌａｒｉｎｖｅｈｉｃｌｅｓｉｄｅｉｍｐａｃｔｔｅｓｔａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ.ＴｈｅｖｅｈｉｃｌｅｍｅｓｈｉｓｄｉｖｉｄｅｄｂｙＨｙｐｅｒＭｅｓｈｓｏｆｔ￣ｗａｒｅꎬａｎｄｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ.ＬＳ￣ＤＹＮＡｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓꎬａｎｄＢ￣ｐｉｌｌａｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｐｌａｔｅｉｓｕｓｅｄｔｏｃｏｎｄｕｃｔａｓｓｅｍｂｌｙａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇꎬｓｏａｓｔｏｒｅａｌｉｚｅａｔ￣ｔｒｉｂｕｔｅｔｒａｎｓｆｅｒｏｆＢ￣ｐｉｌｌａｒｓｔｉｆｆｅｎｅｒａｓｓｅｍｂｌｙ.ＣＡＥｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｕｓｅｄｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｋｅｙａｎｄｎｏｎ￣ｋｅｙｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ２ｋｆａｃｔｏｒꎬａｎｄｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｅｆｆｅｃｔｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｄｅｓｉｇｎｏｆｂ￣ｃｏｌｕｍｎｔｈｅｒｍａｌｆｏｒｍｉｎｇ.ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＢ￣ｐｉｌｌａｒｌｉｇｈｔ￣ｗｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｉｓ１５.４％ｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｂａｓｉｃｍｏｄｅｌꎬａｎｄｔｈｅｗｈｏｌｅｂｏｄｙｗｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｉｓｒｅｄｕｃｅｄｂｙｍｏｒｅｔｈａｎ１９％.ＩｆｔｈｅＢ￣ｐｉｌｌａｒｏｆｖｅｈｉｃｌｅｓｉｄｅｉｍｐａｃｔｔｅｓｔｉｓｔｅｓｔｅｄｆｏｒｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓꎬｉｔｃａｎｂｅｓｅｅｎｔｈａｔｔｈｅｒｅｉｓａｌｍｏｓｔｎｏｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＢ￣ｐｉｌｌａｒａｎｄｎｏｄａｍａｇｅｏｆｔｈｅｄｕｍｍｙ'ｓｃｈｅｓｔｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃａｒ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｉｄｅｉｍｐａｃｔꎻＢｃｏｌｕｍｎꎻｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓꎻｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔꎻｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎꎻＣＡＥａｎａｌｙｓｉｓ６９２０２０年第４９卷㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀。
某MPV车型侧面碰撞的B柱安全设计与优化
某MPV车型侧面碰撞的B柱安全设计与优化doi:10.3969/j.issn.l005-2550.2020.05.017收稿日期：2020-05-29某MPV车型侧面碰撞的B柱安全设计与优化庞毅打陈锡文S陈钊2（1.广西数仿科技有限公司，柳州545007;2.东风柳州汽车有限公司，柳州545007）摘要：某MPV车型在侧面碰撞MDB50iS验中，为了减小B柱腰线位置的侵入位移和侵入速度，使B柱的变形为有利于保护乘员的模式，通过采用热成形且屈服强度达到1500MPa的超高强钢为B柱加强板，并优化B柱加强板腰线位置截面和内焊U型板及下部位置开减弱孔的方式，来解决B柱中部位置侵入变形过大的问题。
该车型优化后在C-NCAP的侧碰试验中结果为满分，证明了B柱优化分析的正确性，为MPV车型B柱的安全设计提供了一种有效的方法。
关键词：侧面碰撞；B柱加强板；B柱变形模式；优化设计中图分类号：U467文献标识码：A文章编号：1005-2550（2020）05-0090-06Safety Design and Optimization of B Pillar Based on a Mpv SideImpactPANG Yi1,CHEN Xi-wen2,CHEN Zhao2（Guang Xi SoFun technology Co.,Ltd1,Liuzhou545007,China;Dongfeng Liuzhou Automobile Co.,Ltd 2,Liuzhou545007,China）Abstract:In order to reduce the deformation and velocity intrusion of B pillar waist position and to get a better protection occupant deformation model in a MPV side crash testMDB50,it brought an idea by using methods to solve the problem of large deformation at Bpillar middle position.The results of vehicle side impact test in C-NCAP is full marks,whichproved the correctness of B pillar optimization analysis and provided an effective way for thesafety design of MPV B pillar.Key Words:Side Impact;B Pillar Reinforcement Panel;B Pillar Deformation Mode;Optimization Design庞毅毕业于河海大学工程力学专业。
汽车侧面碰撞安全性B柱结构优化设计
汽车侧面碰撞安全性B柱结构优化设计
周栋亮
【期刊名称】《装备制造技术》
【年(卷),期】2022()9
【摘要】以安全性、轻量化为指标要求,探索提出一种汽车侧面碰撞安全性B柱结构补丁板加强优化方案,并以实际案例进行应用测试分析。
补丁板加强优化方案采
用局部加强的方式,在B柱结构关键位置焊接补丁板,其中,优化结构中的B柱结构材料为DP780,厚度为1.2 mm,补丁板的加强板材料为DP780,材料厚度为1.0 mm,
优化的B柱结构重量仅有2.9 kg。
以某型轿车侧面碰撞为例的模型模拟仿真测试,
布设5个测点,设定3种工况,检测不同工况下运用原设计加强方案和补丁板加强方案的入侵量最大值,对比相同工况下两种不同加强方案应用下的侵入量最大值,从而
判断B柱结构补丁板加强优化方案是否可靠。
实例应用测试结果表明,补丁板加强
方案的侵入量最大值更小,3种工况下的应用均可以降低汽车B柱侵入量,40 km/h、50 km/h、60 km/h工况的下降幅度分别为23.57%、18.60%、18.60%。
补丁板加强优化方案可靠,能够有效降低汽车侧面碰撞期间B柱侵入量。
【总页数】4页(P144-147)
【作者】周栋亮
【作者单位】泰州技师学院
【正文语种】中文
【中图分类】U463
【相关文献】
1.汽车侧面碰撞B柱结构优化设计
2.基于侧面碰撞安全性的汽车车身结构优化设计
3.基于汽车侧面碰撞安全性B柱结构优化设计
4.侧面柱碰撞条件下电动汽车电池系统结构优化
5.汽车侧面碰撞试验B柱耐撞性能优化及轻量化设计
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基于Kriging模型的汽车前部结构的耐撞性优化
［ 摘要 ］ 以汽车前部结构主要板件的厚度为变量 ， 采用拉丁超立方试验设计 生成 １０个汽车正 面碰 撞有限元 ０
仿真模型 的样本数据并进行计算 ， 对计算 结果应用 Ｋ ｉ ｎ 模 拟法构建 了前部结 构的质量 、 ｒ ｉｇ ｇ Ｂ柱加 速度最 大值 和最 大吸能 的近似模型 。以 Ｂ柱加速度最 大值为 目标 ， 以前部结构 的质量 、 各板件厚度和最大 吸能为约束 ， 利用模拟退 火算法进行全局优化 ， 最终得到一组前部板件厚度 的最优组合 ， Ｂ柱加速度 最大值 达到最小 。Ｋ ｉ ｎ 模 型的计 使 ｒ ｉｇ ｇ 算精度和效率满足耐撞性工 程设计 的要求 。
ａ ｂｅｔ ｅ ｔｅｍ ｓ， ａ ｅ ｔｉｋ ｅｓｓ ｎ ａｉ ｕ ｎ ｒｙａ ｓｒｅ ｆ ｏ ｔ ｎ ｓ ｏ ｓ ａ ｔ．Ｆｎｌ ｅ ｏ ｓｏｊ ｉ ， ｈ ａｓ ｐ ｎｌｈｃ ｎｓｅ ｄｍ ｘ ｍ ｅ ｅｇ ｂｏｂ ｄｏ ｎ ｅｄａ ｎｔ ｉ ｓ ｉａ ｙａｓｔ ｆ ｃｖ ａ ｍ ｒ ｆ ｃ ｒｎ ｌ
ｍｉｅ ｚ ｄ．Ｔｈ ｃ ｕ ａ ｙ ａ ｄ ｅ ｃｅ ｃ ｆｃ ｌｕ ａ ｉｎ ｉ ｉｉ ｇ ｍｏ ｅ ｉｇ ｍｅ ｔｔ ｅ ｒ ｑ ｉｅ ｎ ｓｏ ｎｇｎ ｅ ｉ ｇ ｄ — ｅ ａ ｃ ｒ ｃ ｎ ｆ ｉ ｎ ｙ ｏ ａ ｃ ｌ ｔ ｎ Ｋｒｇｎ ｄ ｌ ｅ ｈ ｅ ｕ ｒ ｍｅ ｔ ｆｔ ｅ ｉ ｅ ｒｎ ｅ ｉ ｏ ｎ ｈｅ
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电动汽车侧面柱碰车身结构耐撞性优化
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图 某车型侧面柱碰电池模组应变云图
车身结构优化方案
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2第0250（期5）
Design-Innovation 作用。电池包对于侧面柱碰的加速度也有一定要求，如 果电池包承受加速度过高，会导致电池包内部起火。而 车身除了起到碰撞力的传递作用，还要起到一定的吸 收能量的作用。
技术聚焦
图 某车型侧面柱碰仿真分析座椅横梁挤压电池包变形图
设计·创新
电动汽车侧面柱碰车身 结构耐撞性优化
杨杨 张洋 王金龙 张琪 （广汽蔚来新能源汽车科技有限公司）
摘要：为解决某纯电动汽车侧面柱碰车身结构变形大、电池包受到挤压等问题，通过增加电池包横梁并与座椅横梁连接，提
升座椅横梁与门槛加强板的材料等级与料厚，加强门槛管梁与车身之间的连接等手段来实现车身碰撞性能提升。仿真结果 表明，优化后车身侧面结构强度有了很大的提升，有效地控制了门槛的弯折和座椅横梁的扭曲。侧面柱碰 ) 柱的最大侵入量 降低 *# &&，保护了乘员的安全，电池包的安全性能也得到提升。优化措施满足了整车侧面柱碰撞安全性能目标的要求。
! 车身
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图 某车型侧面柱碰碰撞力传递路径示意图
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塑性应变
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通过提升材料等级增加车身与电池包的连接提升电池包传力能力增加门槛材料等级增加ab柱与门槛的加强板增加门槛管梁与车身的连接提高门槛的抗弯特性等措施有效地控制了门槛的弯折和座椅横梁的扭曲使车身侧面结构整体强度得到有效提升侧面柱碰b柱的最大侵入量降低437mm有利于乘员的保护
基于侧面碰撞工况下B柱抗弯性能优化设计
基于侧面碰撞工况下B柱抗弯性能优化设计常建娥;李铁铮;莫易敏;王峰;谢业军【摘要】基于侧碰工况,选取B柱薄弱截面,将其等效简化为单帽型薄壁梁.建立三点弯曲试验模型,研究单帽梁的抗弯性能.选取截面长宽比和外板厚度为设计变量,加载力峰值和比吸能为优化指标,轻量化和抗弯稳定性为约束条件.利用最优拉丁超立方设计采取30组样本点,建立优化目标的响应面模型,通过NCGA遗传算法进行多目标优化.优化后最大加载力下降7.87%,比吸能提高14.4%,同时加载力波动度下降10.5%,质量下降8.97%.抗弯性能得到显著提高.%Based on the side impact condition,the weak section of B-pillar was selected and simplified e-quivalently as the single-hat thin-walled beam.The three point bending test model was established to study the bending performance of single-hat beam.The cross-sectional aspect ratio and external plate thickness were selected as the design variables,the peak loading force and specific energy absorption were determined as the optimization indexes,and the lightweight and bending stability were consid-ered as the constraint ing the design of the optimal Latin hypercube,30 groups of sam-ple points were taken to establish the response surface model of optimization objectives,and the multi-objective optimization was carried out by the NCGA genetic algorithm.After the optimization,the maximum loading force is reduced by 7.87%,the energy absorption energy increased by 14.4%,the undulation of load-carrying capacity decreased by 10.5%,and the mass dow n by 8.97%.T he bending performance is improved significantly.【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2018(042)002【总页数】5页(P176-180)【关键词】侧面碰撞;B柱;单帽梁;NCGA;多目标优化【作者】常建娥;李铁铮;莫易敏;王峰;谢业军【作者单位】武汉理工大学机电工程学院,武汉 430070;武汉理工大学机电工程学院,武汉 430070;武汉理工大学机电工程学院,武汉 430070;武汉理工大学机电工程学院,武汉 430070;上汽通用五菱汽车有限公司,柳州 545007;武汉理工大学机电工程学院,武汉 430070【正文语种】中文【中图分类】U467.10 引言汽车侧面碰撞由于缺少像正面碰撞时那样缓冲吸能区域，车舱室侧壁直接与对方车辆碰撞，对乘员身体伤害程度比正面碰撞还要严重.B柱位于驾驶舱前车门和后车门之间，其特殊的位置导致在侧面碰撞中首当其冲，在垂向方向上是一条主要传力路径，碰撞力向B柱两侧传递，通过底板横梁、车顶横梁等部件横向传递到车辆的非碰撞一侧，并通过自身的弯曲变形吸能，降低碰撞传递给车内成员的能量，因此，提高B柱抗弯变形的能力至关重要.Lei等[1]针对某车型的B柱将内外板材料改为铝合金,为了满足结构刚度要求，将B柱外板的厚度增加1.5倍.在保证侧面碰撞耐撞性要求前提下，质量降低了41.75%.莫易敏等[2]对B柱模型进行简化，分析了B柱的厚度对抗弯性能的影响，综合轻量化指标，对B柱厚度进行优化改进.张文[3]利用拼焊板技术将B柱分成上下两部分，对各部分的材料和厚度进行优化，实现B柱结构轻量化的同时提高了侧面结构的耐撞性能.相关研究大多对于B柱材料和厚度进行优化，而对截面形状参数优化研究较少.由于造型、安装功能件和规避零部件等综合原因，B柱的截面形状是不规则的非等截面曲梁，不同的截面形状其抗弯性能不同，所以目前鲜有对B柱进行结构优化的研究.本文选取B柱关键截面，将B柱简化成截面为矩形的单帽形薄壁梁结构，以外板截面长宽比和厚度为设计变量，基于三点弯曲试验，通过最优拉丁超立方设计进行采样建立近似模型，根据多目标优化算法进行优化设计.1 有限元模型建立1.1 B柱简化模型由于B柱结构具有不规整性和复杂性，使得B柱试验样本的制造难度大、成本高、计算时间长，同时弱化了研究变量之间的对比性，甚至研究结果无法保证准确性，因此，需要对B柱进行简化设计，根据B柱结构特点，简化的目标是截面为矩形的单帽梁.根据弯曲理论，在通常情况下，薄壁梁受到横向冲击载荷作用时，发生弯曲现象，会在局部产生塑性铰，通过塑性铰的转动从而吸收能量，而其余部分可近似看作刚性转动，因此可以忽略B柱非皱褶区域的结构特征，将B柱简化为等截面平直梁.根据C-NCAP侧碰法规，移动避障中心线对准车辆的R点，其纵向中垂面高度与试验车辆前排座椅R点的横断垂面重合误差在±25 mm范围内[4]，此时B柱对应高度截面弯曲破损严重，可以作为简化截面的原型.B柱所选截面形状见图1.根据简化前后惯性矩不变原则，对原截面进行简化.测量该轮廓的尺寸，画出CAD图，通过MASSPROP命令得到截面关于x，y轴惯性矩分别为6 138 956.08 mm4和16 234 214.12 mm4.不妨令矩形单帽梁的长宽分别为a，b，以质心为原点，以平行于矩形长宽两条边为 x，y轴，则简化后截面尺寸满足(1)(2)求解可得a=123.25 mm，b=82.34 mm.为了便于有限元模型的建立和样件的制作，确定a=135 mm，b=80 mm，焊接边长度根据原始模型确定为15 mm，则简化后截面形状见图2.图1 原始截面图2 简化截面1.2 三点弯曲试验模型汽车碰撞是一个具有大变形、大载荷和高应变率的瞬时冲击响应过程.如果在整车碰撞中对B柱进行抗弯性能的研究，不仅计算周期长，而且不易获取变量的影响规律，为了获取较为经济的解析过程，更好的对B柱抗弯性能进行研究，本文采用准静态3点弯曲试验.具体实验内容：将单帽梁放置在跨距为820 mm的支撑辊上，刚性冲击压头从试件顶端的中点以2 m/s沿垂直下落，加载距离为140 mm.3点弯曲实物图和有限元模型见图3，其中单帽梁采用4节点5×5 mm的壳单元建立，单元厚度为5个积分点，材料选用DP780.其余部分采用网络大小10 mm×10 mm六面体单元，压头部分为MAT20的刚体材料，其余为Q235材料.单帽梁外板和内板采用点面接触，内板与支撑辊之间采用面面接触，所用构件采用自接触，其他部件之间连接方式为Rigidbody连接.图3 三点弯曲试验模型1.3 仿真结果有效性分析三点弯曲试验的加载力-位移曲线的仿真与试验对比见图4.图4 加载力-位移曲线仿真与试验对比由图4可知，曲线变化趋势基本一致，达到加载力峰值的位移基本相同，因此在一定程度上可以将简化的单帽梁代替B柱进行抗弯性能研究.造成加载力-位移曲线不一致原因如下：①所选车型的B柱由外板、内板、整体加强板、局部加强板组成，而单帽梁仅由外板内板组成，相当于整体厚度减小，导致加载力峰值小于原始B柱；②B柱受压点处有加强肋和安装孔，受力复杂，曲线不如单帽梁光滑；③材料和加工工艺不同.单帽梁的仿真曲线很好地拟合试验曲线，验证了仿真的可靠性与准确性.2 最优拉丁超立方实验设计2.1 实验设计变量将截面长宽比和外板厚度作为设计变量，考虑车身关键结构件的厚度，确定外板厚度范围[1,2], 内板厚度对薄壁梁抗弯性能影响较小[5-6]，此次优化过程中不作为设计变量，内板厚度固定为1.5 mm.确定截面长宽比范围时，需要保证单帽梁的焊接边宽度15 mm和周长不变，则外板长a、宽b满足的约束条件为a+b=215 mm.根据B柱外板关键截面长，确定a的取值范围[75,165]，由约束条件对b进行取值，则截面长宽比取值范围[0.538,3.3].2.2 抗弯性能评价指标评价指标的选定能够更合理的评价单帽梁结构的抗弯性能，为后续结构的优化设计提供数据支持和指导方向.评价零部件在弯曲载荷作用下的力学性能常用指标有：加载力峰值Fmax、比吸能SEA、加载力波动度ULC.1) 加载力峰值Fmax 加载力峰值表示在整个弯曲变形过程中出现的最大加载力，一般出现在由弹性阶段过渡到塑性阶段的临界状态阶段中，体现了初次抵抗变形的能力.碰撞过程中加载力峰值过大使得加速度较大，增加了对乘员伤害，因此在结构优化设计中，应尽量减小加载力峰值，保证加载力低于一个安全阈值[7].2) 比吸能SEA 比吸能表示结构在碰撞过程单位质量的能量吸收能力，反应了材料在能量吸收过程中利用率，是轻量化设计的一项重要指标，由加载过程中所吸收的总能量除以结构总质量得到，为(3)式中：EA为总吸能；x为位移变量；F(x)为加载力；M为样件质量.3) 加载力波动度ULC 在碰撞弯曲变形过程中，结构件的吸能过程应尽量保持平稳，加载力波动幅度尽可能小.为此引入加载力波动度，其定义为加载力与平均加载力差值所做功与总吸能的比值，表征结构件在弯曲变形过程中加载力偏离平均加载力的程度，其值越小说明加载力变化平缓，抗弯稳定性能越好.表达式为(4)式中：Favg=F(x)dx/s为平均加载力.2.3 试验抽样以及数值模拟考虑到建立近似模型精度和计算时长，本文通过Opt LHD设计方法在样本空间范围内抽取30个样本点，通过hypermesh建立有限元仿真模型，LSDYNA进行数值模拟分析，由于篇幅所限,计算结果略.3 单帽梁抗弯性能多目标优化3.1 优化问题描述在提升单帽梁的抗弯特性同时满足轻量化设计目标，对其结构需要进行多目标优化.本研究中选择最大峰值力Fmax,比吸能SEA为优化设计目标，保证加载过程中的抗弯稳定性，以加载力波动度ULC不超过1.8为约束条件，同时为防止优化后质量过大考虑质量增加率不超过2%，以长宽比S、外板厚度t为设计变量.多目标优化数学模型表达式为(5)式中：M0为优化前质量,M0=5.875 kg.3.2 近似模型建立近似模型是通过一组离散数据构建出输入变量与输出变量之间的经验公式.实际工程中的设计目标函数一般很复杂，具有较高的非线性，不易得出显示的函数关系式.在模型精度得到保证前提下，近似模型可以替代实际模型，实现结果预测，简化优化过程，减少仿真调用时间，提高优化效率[8].响应面方法可以在局部空间内利用多项式拟合复杂响应关系，计算简单，具有较好的鲁棒性，给设计优化带来很大的便利.在多项式响应面模型中，对于变量维度不高的问题而言，高阶的响应面并不意味着更高的精度，反而会导致需要的实验次数增多.因此，工程问题中通常不选用三阶及以上的响应面模型进行拟合.对于一阶响应面模型，响应量y与独立试验因子xi之间的函数关系可以表示为y(x)=a0+a1x1+a2x2+…+anxn(6)在一阶响应面模型的精度不足时，可构造二阶响应面模型进行拟合.式中：ai为待定系数.对加载力峰值、比吸能和加载力波动度选用二阶响应面模型来近似拟合，而对质量选用一阶响应面模型进行拟合即可,因此，以截面长宽比及厚度作为输入，以加载力峰值、比吸能、加载力波动度和质量为输出，根据样本点建立目标函数的响应面模型：Fmax=-4.607+0.734×s+10.257 7×t+0.554 2×s×s +4.221 2×t×t -3.761 6×s×t(8)SEA=-10.973 3-64.739 1×s +290.892 2×t +20.025 6×s×s +4.362 1×t×t -51.621 0×s×t(9)M=1.804-0.003 3×s+2.550 8×t(10)ULC=0.194 9+0.024 7×s-0.032 5×t -0.003 2× s×s-0.000 1×t×t+0.003 7×s×t(11)响应面模型构建好后，为确保模型的可靠性，需要验证模型的精度.通常采用决定系数R2和平均相对误差RAAE作为近似模型精度的检验指标，R2越接近1，RAAE越接近0时，近似模型的拟合精度越高.其表达式为(12)(13)式中：yi为仿真值为响应面函数近似值为n个仿真值的平均值从样本空间中选取10组样本点对近似模型精确度进行验证，响应面精度检验表见表1.由表1可知，近似模型精度较高，因此,可以利用该近似模型进行后续优化分析.表1 响应面精度检验表响应FmaxSEAULCMR20．994650．993910．854210．99839RAAE0．013300．0 19430．092190．007543.3 算法优化在单帽梁的抗弯性能优化过程中，希望满足轻量化和抗弯稳定性要求下，比吸能最大，加载力峰值最低.通过Matlab中的非线性约束优化算法，可以得到比吸能最优值为402.33 J·kg-1，最优设计变量s=0.691 54，t=1.675 8 mm；最大加载力最优值5.815 2 kN，最优设计变量s=2.571 3，t=1.006 9 mm.可见两个优化指标没有同时达到最优.为此采用多目标遗传算法对单帽梁抗弯性能进行多目标优化设计.对于多目标问题，往往不存在一个最优解，而是得到一个非劣解的集合即为Pareto解集，设计者根据实际工作的要求综合考虑，在Pareto解集中确定最终方案.领域培植遗传算法(NCGA)是多目标遗传算法之一，首创的“领域杂交”方法使交叉繁殖的对象选择为具有相似特性的个体，丰富了种群多样性，提高了靠近Pareto前沿的个体进行交叉繁殖的概率，加快了计算收敛时间[9-10].3.4 优化结果与分析本文在计算机辅助优化平台ISIGHT中，选取NCGA算法对多目标优化数学模型进行寻优求解，设置种群规模为20，遗传代数为30，遗传类型为单点交叉，交叉概率为0.9，变异概率为0.01，迭代600代后，得到Pareto前沿见图5.图5 NSGA算法的Pareto前沿在Pareto解集中，所有加载力波动度小于1.8，质量小于6.134 kg的解均能作为设计者的选取方案，在本次优化设计中，综合考虑原始方案的抗弯性能指标，确定最终优化方案截面长宽比为0.738 88，外板厚度1.417 mm.根据长宽比，得出长为91.35 mm，宽为123.65.为了便于模型的建立和样件制作，确定长为90 mm，宽为125 mm，外板厚度1.4 mm.优化方案与原始方案加载力-位移曲线见图6，结果对比见表2.图6 优化前后加载力-位移曲线表2 优化结果对比Fmax/kNSEA/(J·kg-1)ULCM/kg原始方案15．5837273．940．18615．875优化方案14．357313．3840．16665．351优化幅度/%7．8714．410．58．97由表2可知,在满足轻量化和平稳性的条件下，单帽梁抗弯性能整体得到提高，达到优化目的.4 结束语基于某车型B柱模型，在C-NCAP侧碰工况下确定薄弱截面，根据简化前后惯性矩不变原则，将其简化成为单帽型薄壁梁结构，并通过试验验证简化模型的合理性.选取截面长宽比和外板厚度为设计变量，比吸能和加载力峰值为优化指标，轻量化和稳定性为约束.通过最优拉丁超立方设计进行抽样，建立响应面近似模型，采取NCGA遗传算法进行多目标求解，综合考虑各项指标，从Pareto解集中选取最优方案截面长宽比为0.72，外板厚度为1.4 mm，在保证轻量化和稳定性条件下，Fmax减少了7.87%，SEA提高了14.4%，为侧围结构关键件B柱截面设计提供了参考.考虑材料、厚度和加工工艺等带来的不确定误差，后续可以采取稳健性设计优化方法对优化结果进行稳健性分析，使优化结果更接近工程实际.参考文献[1] LEI F, CHEN X, XIE X P, et al. Research on three main lightweight approaches for automotive body engineering considering materials, structural performances and costs[R]. SAE Technical Paper,2015.[2] 莫易敏,雷志丹,王骏,等.微型客车侧碰安全性与B柱厚度影响关系研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2017,41(1):47-51.[3] 张文.基于侧面碰撞的高强度钢耐撞特性以及相关选材技术研究[D].长沙：湖南大学,2012.[4] 谭耀武.轿车侧面碰撞中B柱的耐撞性优化设计研究[D].长沙：湖南大学,2010.[5] 陈国栋.基于代理模型的多目标优化方法及其在车身设计中的应用[D].长沙：湖南大学,2012.[6] 莫易敏,谢业军,徐芳,等.基于正交试验法的B柱抗弯性能研究与优化[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2017,41(3):385-390.[7] 汤春球,袁友利,莫易敏,等.基于拉丁超立方抽样的薄壁梁抗弯性能研究[J].汽车技术,2017(5):30-35.[8] 韩鼎,郑建荣.工程优化设计中的近似模型技术[J].华东理工大学学报(自然科学版),2012,38(6):762-768.[9] 刘开勇.基于响应面模型的白车身轻量化优化方法[D].长沙：湖南大学,2016.[10] 赖宇阳.Isight参数优化理论与实例详解[M].北京：北京航空航天大学出版社,2012.。
基于拼焊技术的轿车B柱耐撞性及结构优化设计
基于拼焊技术的轿车B柱耐撞性及结构优化设计
叶盛;辛勇
【期刊名称】《汽车技术》
【年(卷),期】2012(000)011
【摘要】为提高某轿车侧面碰撞中B柱的耐撞性和实现整车轻量化,应用HyperMesh和LS-Dyna软件对该轿车B柱进行了碰撞仿真分析.针对碰撞中B柱对应胸部点的侵入量和侵入速度过大及质量大等问题,在兼顾耐撞性和轻量化的前提下,采用拼焊技术对B柱内板和加强板的结构进行了优化设计.试验结果表明,优化设计后的B柱最大侵入量减少13.0％,最大侵入速度减少38.8％,质量减轻5.8％.【总页数】5页(P54-58)
【作者】叶盛;辛勇
【作者单位】南昌大学;南昌大学
【正文语种】中文
【中图分类】U463.83+1
【相关文献】
1.基于台架试验与模拟的轿车B柱耐撞性与轻量化研究 [J], 高新华;徐有忠;王其东
2.基于材料性能梯度分布法提高轿车B柱耐撞性 [J], 谷诤巍;贾迎婷;徐虹;李欣
3.轿车B柱耐撞性与轻量化优化设计研究 [J], 谭耀武;杨济匡;王四文
4.基于负泊松比结构的汽车B柱结构耐撞性优化设计 [J], 赵万忠; 赵宏宇; 王春燕
5.基于激光拼焊技术的汽车B柱结构优化设计 [J], 王登峰;蔡珂芳;张帅;马明辉
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基于整车碰撞仿真的B柱零部件试验设计
基于整车碰撞仿真的B柱零部件试验设计随着汽车行业的快速发展，车辆的碰撞安全性能越来越受到关注。
B柱是车辆结构中承受侧面碰撞最直接力量的部件，其安全性能对于车辆的安全性能具有至关重要的作用。
因此，对B 柱零部件进行碰撞试验以评估其安全性能的需求变得越来越紧迫。
而整车碰撞仿真是对于车辆结构安全性能评估中常用的方法，本文将探讨如何基于整车碰撞仿真设计B柱零部件试验。
首先，需要明确试验的目的和设计的要求。
B柱结构是汽车主要的承受侧面碰撞力的零件之一，因此B柱零部件试验需要在考虑到侧面碰撞的情况下进行设计。
试验的目的是评估B柱零部件在侧面碰撞中的稳定性和破坏机制，并且通过试验结果进一步改进B柱零部件的设计。
设计要求需要考虑到试验的精度、可靠性、可重复性、以及试验成本等因素。
其次，在试验之前需要进行整车碰撞仿真，以确定试验的方案和参数。
整车碰撞仿真可以帮助进行预测分析，找出可能导致B柱潜在问题的因素，比如碰撞的速度、角度和碰撞对象等，还能够多次模拟不同的情况以得出最优的方案。
同时，通过整车碰撞仿真可以确定需要测量的试验参数和监测点位，比如加速度、应变、位移等。
接下来，需要确定试验方法和设备。
根据试验目的和设计要求，应选择适当的测试方法和设备。
碰撞试验机可以用于模拟整车的侧面碰撞情况，而强度试验机可以模拟B柱零部件的挤压试验，以评估其强度和刚度。
同时，还需要确保试验设备的准确性和可靠性，以保证试验结果的可靠性。
最后，进行实验数据的处理和分析。
通过对实验数据的处理和分析，可以得出B柱零部件在侧面碰撞中的稳定性和破坏机制，并对其进行评估。
在实验数据的分析基础上，还需要结合整车碰撞仿真的结果，以得出最终的评估结果，并且进行反馈和改进。
总的来说，基于整车碰撞仿真进行B柱零部件试验设计是一种比较可靠和有效的方法。
通过确认设计要求、进行整车碰撞仿真、确定试验方法和设备、以及实验数据的处理和分析，可以得出可靠的评估结果，以及实际可操作的设计改进方案，以提高汽车结构的安全性能。
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基于拼焊技术的轿车B柱耐撞性及结构优化设计
随着汽车行业的发展，人们对于车辆的安全性能需求也越来越高。
B柱作为车辆安全结构的一部分，在车辆碰撞事故中起着
至关重要的作用。
因此，B柱的耐撞性越来越受到汽车制造商
的重视。
在B柱的制造过程中，拼焊技术是一种非常常见的
技术。
下面我们将介绍基于拼焊技术的轿车B柱耐撞性及结
构优化设计。
首先，拼焊技术是指将两个或多个材料焊接在一起，形成一个整体的技术。
在汽车制造业中，拼焊技术主要应用于将不同零部件焊接在一起形成整车。
B柱作为车辆的主要支撑结构之一，其使用拼焊技术非常普遍。
为了提高B柱的耐撞性，设计师需要注意以下因素。
首先，B
柱的厚度和强度是关键因素。
较厚的B柱可以更好地耐受碰
撞力量，但过厚的B柱可能会影响驾驶员的视野。
因此，在
厚度和强度之间需要做出平衡。
其次，拼焊接缝的强度也非常重要。
由于拼焊处的强度通常较低，应该采取相应的措施，例如增加焊点的数量或更改焊接位置。
优化B柱结构是提高其耐撞性的关键。
设计者应该选择最合
适的材料，例如高强度钢和铝材，以使B柱在碰撞中更能承
受压力。
此外，利用现代技术，如有限元分析和三维打印，可以更好地设计和生产B柱。
最后，测试和评估B柱的耐撞性是必要的。
在设计生产完成后，应该进行大量测试，例如碰撞测试和抗扭强度测试，来确
保B柱的耐用性。
经过充分的测试和评估，可以及时发现和
解决潜在的问题。
总之，基于拼焊技术的轿车B柱耐撞性及结构优化设计对于
车辆的安全性能至关重要。
设计者应该注意B柱的厚度和强度、拼焊接缝的强度和最合适的材料选择。
经过大量测试和评估，可以确保B柱的可靠性和耐用性。
在汽车行业中，安全
第一是制造商和客户都应该承担的义务。
除了上述的因素，还有其他一些因素也需要考虑到。
例如，车辆碰撞前的预警系统。
若能及时发现迎面而来的车辆或障碍物，驾驶员就有足够的时间来采取行动避免碰撞。
这样，在B柱必须承受碰撞压力的
情况下，车辆的速度和撞击力度也能被减轻。
此外，尽管拼焊技术在汽车制造中被广泛应用，但仍会有焊接带来的问题。
例如，焊接过程中可能会出现渗漏或氧化等问题，导致焊点缺陷。
因此，制造商需要对焊接过程进行严格的质量控制和监督，以保证焊点质量足够高。
B柱的材料也对汽车的油耗产生影响。
在满足安全要求的前提下，轿车制造商会倾向于使用轻量化材料来降低汽车的整体重量。
轻量化的车身构造可以降低车辆的油耗，减少尾气排放，从而更环保，但同时也要注意其耐用性。
总之，拼焊技术在汽车制造中的应用和优化设计对于B柱的
耐撞性和车辆的安全至关重要。
如何平衡B柱的厚度和强度、拼焊接缝的强度、最合适的材料选择，以及大量的测试和评估，是设计者需要考虑的各个方面。
同时，制造商需要对焊接质量
进行控制，减轻车身质量，降低油耗，从而更环保。
这些因素都对汽车行业的安全性能和可持续发展产生着广泛的影响，值得我们重视。
B柱作为车辆结构的重要组成部分，承担着保护
驾驶员和乘客安全的重要任务。
因此，制造商在设计和生产B 柱时，需要充分考虑其耐撞性和抗震能力。
拼焊技术在汽车制造中被广泛应用，因其能够提供优良的强度和密封性能，减少车辆重量，以及降低制造成本。
但同时，拼焊技术也存在一定的问题，例如焊接接缝的强度可能影响到整个结构的耐力，需要在设计阶段合理规划焊接接缝的位置和数量，优化焊点强度。
在B柱的设计过程中，强度和密封性通常是制造商考虑的主
要因素。
为了保证B柱的强度，制造商在B柱的某些区域加厚，这些区域通常被认为是车辆碰撞时的结构要点。
例如，腰线处和后座门边缘处就是B柱的重点区域。
但特别是在轿车
顶部，由于其曲率和斜度的多样性，车顶区域通常是制造商很难掌控的弱点。
制造商可以为车顶设计一种结构，在一个较大的范围内提供合理的刚度，以此让车辆的自重得到充分支撑，从而使B柱的强度更可靠。
此外，拼焊接缝的强度也是B柱耐撞性的重要因素之一。
这
些接缝代表着连接整个车辆构造的部分。
如果拼焊接缝质量不好，那么在B柱受到碰撞时，B柱结构的强度会受到影响，导致驾驶员和乘客无法得到足够的保护。
因此，在设计和生产B 柱时，需要认真考虑焊接接缝的数量和位置，以及如何最大程度地增加接缝的强度。
总之，B柱的耐撞性和车辆的安全性是制造商在汽车制造中需
要考虑的两个最基本的因素。
要实现这些目标，制造商不仅需要充分利用拼焊技术，还需要在车辆的设计和生产过程中加强质量控制，以确保B柱的强度、密封性和耐力达到最佳水平。
这样才能在紧急情况下为驾驶员和乘客提供充分的保护，提高汽车行业的安全性能和可持续性发展。