汽車側(cè)面碰撞門檻加強(qiáng)梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王偉 賀海燕 袁陽

（1.重慶交通大學(xué)；2.重慶經(jīng)濟(jì)貿(mào)易學(xué)校）

在側(cè)面碰撞中，側(cè)面結(jié)構(gòu)首先開始變形，具體的變形模式則根據(jù)變形結(jié)構(gòu)件的形狀和連接方式的不同而不同[1]。由于首先開始變形的結(jié)構(gòu)件不可能將所有的碰撞能量都完全吸收，因此其余的碰撞能量是該結(jié)構(gòu)件開始引導(dǎo)連接在其周圍的結(jié)構(gòu)件發(fā)生變形吸能，隨著碰撞的持續(xù)進(jìn)行，將會有越來越多的結(jié)構(gòu)件參與碰撞吸能，而不同結(jié)構(gòu)件的吸能方式和吸能效率又各不相同，因此使得整個側(cè)面結(jié)構(gòu)在碰撞過程中的吸能變形是一個逐漸而又復(fù)雜的過程[2-4]。文章通過對汽車的碰撞仿真分析，得出門檻的變形比較大，不能夠有效地保證汽車側(cè)面碰撞的安全性。為了使門檻可以有效地保證汽車的碰撞安全性能，在車門門檻處加入門檻防撞梁，通過對門檻的加強(qiáng)梁進(jìn)行形貌和尺寸優(yōu)化，使得側(cè)面碰撞中，門檻的入侵距離減小，提高了車門側(cè)面的碰撞安全性能。

1 建立汽車側(cè)面碰撞門檻的有限元模型

通過對側(cè)面碰撞傳力路徑的分析可知，必須對汽車側(cè)面結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，使其側(cè)面碰撞傳力路徑完整并且能夠引導(dǎo)相應(yīng)結(jié)構(gòu)件充分變形吸能[5]。這樣才能使得汽車結(jié)構(gòu)在側(cè)面碰撞過程中合理充分的變形，吸能率高，更多吸收碰撞能量，從而使盡量少的能量傳遞到車內(nèi)乘員的身體上，減少二次碰撞對車內(nèi)乘員造成的接觸傷害。圖1示出汽車側(cè)面碰撞的傳力路徑模型圖。由圖1可以看出，在側(cè)面碰撞試驗(yàn)中，B柱和門檻是2條主要的傳力路徑。其中B柱為垂向傳力路徑，向上傳遞至車頂縱梁，然后通過車頂支撐橫梁橫向傳遞；門檻為縱向傳遞路徑，向前傳遞至A柱，向后傳遞至C柱，同時也會通過地板橫梁向支撐梁橫向傳遞。

根據(jù)汽車側(cè)面碰撞的傳力路徑可以對汽車門檻的有限元模型進(jìn)行簡化，發(fā)動機(jī)艙和汽車的行李箱對汽車側(cè)面碰撞的傳力路徑影響很小，因此在建立汽車側(cè)面碰撞門檻的有限元模型時可以去掉整車的前面部分和后面部分只保留汽車的乘員艙區(qū)。建立的汽車側(cè)面碰撞門檻的有限元模型，如圖2所示。

2 有限元模型的前處理

2.1 網(wǎng)格劃分和屬性的選擇

對建立好的模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到有限元仿真結(jié)果的精度[6]。網(wǎng)格劃分得太密會增加求解器的計(jì)算時間，因此，在側(cè)面碰撞接觸的區(qū)域劃分網(wǎng)格的大小為10 mm，與側(cè)面碰撞接觸較遠(yuǎn)的區(qū)域網(wǎng)格的大小為20 mm。由于該模型的零部件都是由薄板沖壓而成，因此屬性可以選擇為Belytschko-Tsay殼單元。最后劃分好網(wǎng)格之后有限元模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)有111 168個，單元數(shù)有106 655個。

2.2 汽車部件連接

由于汽車各部件間均為簡單的薄殼單元，所用的材料均為高強(qiáng)鋼或者普通鋼，因此在對模型進(jìn)行連接時通過1D單元中的spotweld來連接，焊點(diǎn)單元通過一個位置點(diǎn)來定義或者可以通過零部件上的節(jié)點(diǎn)來定義，在定義焊點(diǎn)的時候考慮2個連接部件之間的容差，并且要定義搜尋直徑。文章的有限元模型容差取6 mm，搜尋直徑也是取6 mm。最后有限元模型的焊點(diǎn)，如圖3所示。

2.3 定義接觸及邊界條件

該有限元模型定義接觸時，各部分零部件之間定義為Single Surface單面接觸，而剛性柱和側(cè)壁的接觸定義為Automatic Surface toSurface。靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)都取0.15。由于在碰撞過程中會出現(xiàn)大的穿透，可以通過增大接觸剛度，來減少碰撞過程中的穿透，軟件中默認(rèn)的接觸剛度為0.1，本次仿真中接觸剛度的值設(shè)置為0.2。

由于本次仿真的碰撞是從汽車的左邊進(jìn)行碰撞的，對于汽車的右邊變形很小，對仿真的結(jié)果影響不大，因此可以約束汽車右邊的側(cè)壁上各節(jié)點(diǎn)的6個自由度來作為邊界條件。

3 門檻加強(qiáng)梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 門檻防撞梁的形貌優(yōu)化

由于在側(cè)面碰撞仿真過程中發(fā)現(xiàn)汽車門檻的變形比較大，在發(fā)生側(cè)面碰撞事故時，會阻礙車門的打開，且不能保證車上乘員的安全，因此，可以在門檻和下邊梁之間加入一個門檻加強(qiáng)梁來提高汽車的碰撞安全性能。

運(yùn)用Hypermesh軟件對門檻加強(qiáng)板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。首先，建立門檻加強(qiáng)板的有限元模型，對門檻加強(qiáng)板的兩邊設(shè)置約束點(diǎn)，約束全部的6個自由度；然后，按照門檻受到撞擊時的受力情況，給門檻加強(qiáng)板施加應(yīng)力分布[7]。對門檻加強(qiáng)板設(shè)置響應(yīng)參數(shù)，一個參數(shù)是門檻加強(qiáng)板的體積，另一個參數(shù)是門檻加強(qiáng)板中央節(jié)點(diǎn)的位移。在進(jìn)行優(yōu)化之前，設(shè)置優(yōu)化的邊界條件；門檻加強(qiáng)板的體積不變，設(shè)置優(yōu)化的目標(biāo)：加強(qiáng)板中央節(jié)點(diǎn)位移最小化。經(jīng)過第5次迭代之后門檻加強(qiáng)板優(yōu)化的形狀結(jié)果，如圖4所示。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序只給出了門檻加強(qiáng)板的優(yōu)化形式，根據(jù)實(shí)際門檻加強(qiáng)板的安裝情況，確定最終的門檻加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)形式及其截面，如圖5所示。中間凹槽呈斜梯形狀，便于制造，并且與周圍零件不產(chǎn)生干涉。

3.2 門檻加強(qiáng)梁的尺寸優(yōu)化

將結(jié)構(gòu)優(yōu)化好的門檻加強(qiáng)梁運(yùn)用Hypermesh軟件中的size面板進(jìn)行尺寸優(yōu)化[8]。鋁合金的吸能性好，在碰撞中的安全性方面有明顯的優(yōu)勢，而且由于車身質(zhì)量減輕，在碰撞時產(chǎn)生的動能減少，因此采用輕量化材料5182鋁合金作為門檻加強(qiáng)梁的材料，設(shè)計(jì)變量為門檻加強(qiáng)梁的厚度，給門檻加強(qiáng)梁的厚度一個初始厚度為1.5mm，設(shè)計(jì)其厚度變量的下限為0.8mm，上限為2mm。對門檻加強(qiáng)梁的兩邊設(shè)置約束點(diǎn)，約束全部的6個自由度，然后按照門檻受到撞擊時的受力情況.給門檻加強(qiáng)板施加應(yīng)力分布。對門檻加強(qiáng)板設(shè)置響應(yīng)參數(shù)，一個是加強(qiáng)梁的體積響應(yīng)，另一個參數(shù)是門檻加強(qiáng)板中央節(jié)點(diǎn)的位移。在進(jìn)行優(yōu)化之前，設(shè)置優(yōu)化的邊界條件；加強(qiáng)板中央節(jié)點(diǎn)位移不超過50 mm，設(shè)置優(yōu)化的目標(biāo)：加強(qiáng)板梁的體積最小。經(jīng)過第2次迭代之后門檻加強(qiáng)板尺寸優(yōu)化的厚度云圖，如圖6所示。

將優(yōu)化后的門檻加強(qiáng)梁安裝到門檻和下邊梁之間，如圖7所示。其他條件和原車有限元模型一樣，將前處理好的有限元模型用LS-DYNA求解器進(jìn)行求解，然后比較原車和加入門檻加強(qiáng)梁模型的計(jì)算仿真結(jié)果。

4 仿真的結(jié)果及分析

在汽車門檻上布置的輸出節(jié)點(diǎn)中，選取入侵距離最大的節(jié)點(diǎn)作為加入門檻加強(qiáng)梁前后碰撞安全性的相互比較的點(diǎn)，其中以門檻的最大入侵距離和最大入侵速度作為標(biāo)準(zhǔn)來衡量汽車的碰撞安全性，無門檻加強(qiáng)梁和有門檻加強(qiáng)梁門檻上節(jié)點(diǎn)的入侵距離和入侵速度隨時間變化的曲線，如圖8和圖9所示。

由圖8可以看出，無門檻加強(qiáng)梁的汽車門檻碰撞過程中在0.055 s時刻位移最大為193.64 mm，加入了門檻加強(qiáng)梁的汽車門檻碰撞過程中在0.045 s時刻最大位移為148.32 mm。由圖9可以得到無門檻加強(qiáng)梁的汽車門檻在0.025 s時刻速度達(dá)到最大值為11.95 m/s，采用了門檻加強(qiáng)梁的汽車門檻在0.015 s時速度最大值達(dá)到9.54 m/s。采用了門檻加強(qiáng)梁的汽車門檻比原車門檻的最大位移少了45.32 mm，速度降低了2.41 m/s。由此可以看出：采用門檻加強(qiáng)梁可以有效地提高車門的碰撞安全性能，為乘員的安全提供了更多的保障。

將有門檻加強(qiáng)梁的汽車門檻和原汽車門檻在碰撞時所產(chǎn)生的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變進(jìn)行比較。汽車側(cè)壁與剛性柱碰撞時，最大時刻等效應(yīng)力和等效應(yīng)變，如圖10～13所示。原汽車門檻在0.045 s時的應(yīng)力最大為2 109.75 MPa，采用門檻加強(qiáng)梁之后的門檻在0.037 5 s時的應(yīng)力最大為1 464.58 MPa。比原來減小了645.17 MPa。加入汽車門檻加強(qiáng)梁前后汽車門檻的應(yīng)變都很小，由圖10和圖11可以看出：加入汽車門檻加強(qiáng)梁之后的門檻所受的應(yīng)力比原汽車門檻所受到的應(yīng)力明顯減小。

在汽車側(cè)壁與剛性柱碰撞時，在0.037 5 s時汽車門檻加強(qiáng)梁所產(chǎn)生的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變，如圖14和圖15所示。

從圖14可以看出：門檻加強(qiáng)梁在側(cè)壁受到碰撞時，受到的等效應(yīng)力最大值為769.224 MPa，沒有產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，這樣可以充分吸收側(cè)面碰撞時所產(chǎn)生的能量，可以降低門檻的入侵速度和減少門檻的入侵距離。

5 結(jié)論

文章建立了汽車門檻側(cè)面碰撞的有限元模型，對汽車門檻加強(qiáng)梁進(jìn)行了形貌和尺寸優(yōu)化，通過對加入門檻加強(qiáng)梁前后汽車門檻的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，可以看出加入了門檻加強(qiáng)梁之后，門檻的入侵速度和入侵距離明顯減少，加入汽車門檻加強(qiáng)梁后汽車門檻的碰撞安全性得到明顯提高。

文章選取5182鋁合金作為汽車門檻加強(qiáng)梁的材料，通過Hypermesh計(jì)算得到汽車門檻加強(qiáng)梁的質(zhì)量為0.914 kg，相對于整車的質(zhì)量來說增加的很少，并不影響汽車的輕量化設(shè)計(jì)，因此加入門檻加強(qiáng)梁的方法是可行的。

三人行，必有我?guī)熝桑瑩衿渖普叨鴱闹?，其不善者而改之?/p>

——《論語》

人一能之，己百之；人十能之，己千之。

——《中庸》