正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)在側(cè)面碰撞安全性仿真分析中的應(yīng)用

宮 帥，儲(chǔ) 偉

（1、東風(fēng)汽車公司 技術(shù)中心，武漢 430058；2、東風(fēng)汽車公司科技開發(fā)部；武漢 430058）

在我國(guó)城市道路交通事故中，側(cè)面碰撞的發(fā)生率和致傷率均為最高［1］。因此，提高汽車側(cè)面車體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)降低乘員損傷、改善整車的側(cè)面碰撞安全性能具有重要意義。

在眾多提高車體側(cè)面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的措施中，提高零件的材料等級(jí)，采用更高強(qiáng)度的鋼板是最直接、有效的方法之一。但考慮成本和工藝等因素，僅能對(duì)極少數(shù)零件采用高強(qiáng)鋼，所以需要利用仿真方法找出對(duì)碰撞性能影響較大的零件。因此，本文以某乘用車的側(cè)面碰撞模型為基礎(chǔ)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法制定了關(guān)鍵零件的材料優(yōu)化方案，通過極差分析法找出影響側(cè)碰性能的敏感因素，最終在少量增加成本的情況下，提高了該車的側(cè)碰安全性能，對(duì)該車的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 某乘用車側(cè)面碰撞整車模型及驗(yàn)證

1.1 整車模型

本文建立的整車有限元碰撞仿真模型包括白車身、四門兩蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)、前后懸架、座椅總成等，共有91萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，90萬個(gè)單元。移動(dòng)壁障（MDB）由車體和前部蜂窩材料的吸能塊組成，共有64萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，66萬個(gè)單元。按照C-NCAP2009試驗(yàn)規(guī)程的要求，MDB與整車放置在同一水平地面上，行駛方向與整車垂直，MDB的中心線對(duì)準(zhǔn)車輛前排座椅R點(diǎn)，初始速度為 50 km/h［3］。如圖 1所示。

1.2 模型驗(yàn)證

為保證模型的準(zhǔn)確性，使仿真分析對(duì)試驗(yàn)具有一定的預(yù)測(cè)性，我們根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)仿真模型進(jìn)行一系列的調(diào)整。調(diào)整后，仿真與試驗(yàn)的側(cè)面變形的對(duì)比如圖2所示，B柱下端加速度曲線對(duì)比如圖3所示，座椅底部加速度曲線對(duì)比如圖4所示。

由圖2、圖3、圖4的對(duì)比可知，仿真分析的側(cè)面變形模式、關(guān)鍵點(diǎn)的加速度曲線與試驗(yàn)結(jié)果基本保持一致，說明仿真模型能夠在一定程度上代表整車，仿真結(jié)果具有一定的可信度。

2 考核指標(biāo)

在側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性分析中，需要關(guān)注關(guān)鍵部位的侵入量和侵入速度，用以考核車輛的結(jié)構(gòu)安全性。本文以B柱侵入量、侵入速度，門檻梁侵入量作為考核指標(biāo)，如下所示。

2.1 B柱侵入量、侵入速度

在模型的B柱內(nèi)板上，由下至上設(shè)置9個(gè)測(cè)量點(diǎn)，輸出這9個(gè)點(diǎn)的侵入量和侵入速度，測(cè)量點(diǎn)位置如圖5所示。

2.2 門檻梁侵入量

在模型的門檻梁內(nèi)板上設(shè)置10個(gè)測(cè)量點(diǎn)，輸出這10個(gè)點(diǎn)的侵入量，測(cè)量點(diǎn)位置如圖6所示。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化對(duì)象的選取

在側(cè)面碰撞過程中，要求所設(shè)計(jì)的B柱、門檻梁、車門等部件的剛度較大，以便能夠迅速有效地將所受到的力迅速向其他的梁系結(jié)構(gòu)傳遞，達(dá)到共同承擔(dān)撞擊力，最大限度的降低對(duì)乘員的傷害的目的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和該車的實(shí)際情況，選取7個(gè)零件作為優(yōu)化對(duì)象，如下圖7所示，名稱如表1所示。在方案1中，該七個(gè)零件均采用屈服強(qiáng)度為340 MPa的材料，在優(yōu)化方案中，可以考慮采用屈服強(qiáng)度為420 MPa的材料。

表1 優(yōu)化對(duì)象名稱

3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在上面的優(yōu)化問題中，優(yōu)化對(duì)象為圖中所示的7個(gè)零件，變量為兩種屈服強(qiáng)度的材料，實(shí)質(zhì)上這是一個(gè)7因素2水平的優(yōu)化問題。如果采用全因子的試驗(yàn)方法，即將各種可能的組合都進(jìn)行仿真計(jì)算，需要27=128次計(jì)算，這種方法計(jì)算時(shí)間極長(zhǎng)，計(jì)算得到的數(shù)據(jù)量非常大，難以實(shí)現(xiàn)。因此，我們引入正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)［2］，該方法試驗(yàn)次數(shù)少，選取的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻，結(jié)論的可靠性好。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)需要構(gòu)建正交表，正交表具有均衡分散性和整齊可比性，在數(shù)學(xué)上稱為正交性，這是正交設(shè)計(jì)最重要的特點(diǎn)。針對(duì)該車的碰撞優(yōu)化問題，我們構(gòu)建了下面的正交表，如表2所示。表中A～G代表7個(gè)因素 （零件），1、2代表因素選取的（水平）材料，1表示采用屈服強(qiáng)度為340 MPa的材料，2表示采用屈服強(qiáng)度為420 MPa的材料，共需進(jìn)行8次計(jì)算，命名為方案1～8，其中方案1為原始方案。

表2 正交表

3.3 優(yōu)化方案結(jié)果分析

按照正交表中規(guī)定的優(yōu)化方案進(jìn)行仿真計(jì)算，可以得到方案1～8的仿真結(jié)果，如表3、表4、表5所示。

表3 B柱測(cè)量點(diǎn)侵入量

表4 門檻梁測(cè)量點(diǎn)侵入量

表5 B柱測(cè)量點(diǎn)侵入速度

通過對(duì)優(yōu)化方案的計(jì)算，我們得到了8種方案的侵入量和侵入速度的數(shù)據(jù)，可以采用極差分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。極差指的是正交表中各因素各水平對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果的平均值的最大值與最小值之差。公式如下所示：

式中：Ⅰ為第j列“1”水平所對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果的數(shù)值之和；Ⅱj為第j列“2”水平所對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果的數(shù)值之和；kj為第j列同一水平出現(xiàn)的次數(shù)。

各因素極差D的數(shù)值越大，說明該因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響越大；反之，越小。

根據(jù)上面的公式，將各因素對(duì)各測(cè)量點(diǎn)的極差進(jìn)行計(jì)算并繪制成曲線，如圖8、圖9、圖10所示。

對(duì)比以上三張圖中7個(gè)因素對(duì)考核指標(biāo)的影響可知，因素B，即門檻梁外板的材料對(duì)該車B柱侵入量、侵入速度的影響最大，其次為因素C和因素D，其余因素的影響很小。同時(shí)，因素B對(duì)B柱上P1～P5點(diǎn)的侵入量影響較大，對(duì)P2～P4點(diǎn)的侵入速度影響較大。同樣的，因素B對(duì)門檻梁P3～P8點(diǎn)的侵入量影響最大，其次是因素D，其他因素對(duì)門檻梁侵入量的影響很小。

3.4 改進(jìn)方案及結(jié)果

基于各因素對(duì)三個(gè)考核指標(biāo)的影響和成本考慮，制定改進(jìn)方案為提高因素B，即門檻梁外板的材料強(qiáng)度，再進(jìn)行一次計(jì)算。原始方案（即方案1）與改進(jìn)方案的計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖11、圖12、圖13所示。

從以上三張圖可以看到，改進(jìn)方案的B柱侵入量、侵入速度，門檻梁的侵入量均有較大幅度的下降，提高了整車的側(cè)碰安全性能，達(dá)到了較好的效果。

4 結(jié)論及建議

（1）采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與有限元仿真結(jié)合的分析方法，能夠通過較少的計(jì)算次數(shù)，找到對(duì)側(cè)碰安全性能影響顯著的零件，為改進(jìn)方案的制定指明了方向，對(duì)側(cè)碰性能改進(jìn)和星級(jí)提升工作具有重要意義。

（2）車體側(cè)面結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵部件的材料強(qiáng)度對(duì)整車側(cè)碰性能具有較大影響，適當(dāng)提高關(guān)鍵零件的材料強(qiáng)度，能夠有力的改善整車的側(cè)面碰撞安全性能。

（3）類似的方法可用于分析零件厚度對(duì)整車碰撞性能的影響分析，建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)，這對(duì)于新車型的設(shè)計(jì)與開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

［1］公安部交通管理局.中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒［M］.北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2000-2005.

［2］陳魁.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［3］中國(guó)汽車技術(shù)研究中心.C-NCAP管理規(guī)則（2009年版）［S］.C-NCAP，2009.

［4］趙敏.基于正交試驗(yàn)的微型轎車側(cè)碰安全性研究［J］.汽車工程，2010.5.

［5］范體強(qiáng)、萬鑫銘.側(cè)面碰撞安全性研究［C］.重慶：2010 中國(guó)汽車安全技術(shù)國(guó)際研討會(huì)論文集，2010.