基于多胞結(jié)構(gòu)的車身前端輕量化和耐撞性設(shè)計(jì)*

賀良國，趙 杰，谷先廣

（1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009； 2.合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院，合肥 230009）

前言

隨著新能源汽車的推廣，如何在實(shí)現(xiàn)車身輕量化的同時(shí)提高汽車的耐撞性能成為研究人員亟需解決的問題［1-3］。鋁合金作為輕質(zhì)材料用于代替鋼材具有明顯的減輕質(zhì)量效果，而鋁合金多胞結(jié)構(gòu)因具備質(zhì)量小、耐撞性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)更受到廣泛關(guān)注［4-6］。

ZHANG等［7］對(duì)比分析了泡沫填充方管與多胞方管的吸能特性，發(fā)現(xiàn)多胞結(jié)構(gòu)的吸能效率要高于泡沫填充結(jié)構(gòu)。ZHANG等［8］對(duì)單胞和不同截面的多胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)軸壓試驗(yàn)，結(jié)果表明，多胞結(jié)構(gòu)在吸能效率方面明顯優(yōu)于單胞結(jié)構(gòu)。WANG等［9］對(duì)內(nèi)部隔板分別橫向和縱向放置的多胞薄壁梁進(jìn)行了三點(diǎn)抗彎性能分析，證實(shí)了多胞結(jié)構(gòu)在橫向載荷下具有優(yōu)異的吸能特性。此外，一些研究將多胞結(jié)構(gòu)應(yīng)用于車身設(shè)計(jì)。王智文等［10］設(shè)計(jì)了“目”形截面鋁合金保險(xiǎn)杠，探究其在臺(tái)車試驗(yàn)下的耐撞性能，發(fā)現(xiàn)吸能量較原鋼制零件提高了70%。周鑫美等［11］對(duì)汽車前縱梁進(jìn)行了多胞改型設(shè)計(jì)，結(jié)果表明多胞結(jié)構(gòu)在車身設(shè)計(jì)的應(yīng)用有利于整車正撞的安全性能。

目前對(duì)多胞結(jié)構(gòu)耐撞性的研究大多以薄壁管或零部件裝置為對(duì)象，而將其應(yīng)用到實(shí)際整車輕量化和耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究較少。針對(duì)上述問題，本文中提出一種兩步式順序設(shè)計(jì)方法。首先，基于前端部件的外形，設(shè)計(jì)了不同多胞構(gòu)型并進(jìn)行了吸能特性的對(duì)比分析。然后，綜合運(yùn)用最優(yōu)拉丁超立方采樣（optimal Latin hypercube sampling，OLHS）試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)、徑向基函數(shù)（radial basis function，RBF）近似模型和改進(jìn)非支配排序遺傳算法（non-dominated sorting genetic algorithm，NSGA-II）對(duì)前端多胞構(gòu)型的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與車身性能的合理匹配，達(dá)到車身結(jié)構(gòu)輕量化和耐撞性的設(shè)計(jì)要求。

1 問題描述

1.1 正面碰撞的耐撞性設(shè)計(jì)基本準(zhǔn)則

在正面碰撞過程中，可通過控制結(jié)構(gòu)的合理變形和能量吸收來降低峰值加速度，并減小防火墻入侵量，保護(hù)乘員安全［12］。

1.1.1 變形模式和能量吸收

圖1 前端結(jié)構(gòu)碰撞空間管理

前端結(jié)構(gòu)在碰撞中通常發(fā)生軸向與彎曲的混合變形，而彎曲變形所吸收的能量遠(yuǎn)小于軸向壓潰變形。圖1為前端碰撞空間管理示意圖。區(qū)間S1指保險(xiǎn)杠前端到動(dòng)力總成剛性前表面，包括A-前保險(xiǎn)杠、B-吸能盒和C-前縱梁直梁。其中，A和B區(qū)碰撞剛度應(yīng)相對(duì)較小，目的是在低速碰撞時(shí)吸收絕大部分能量和高速碰撞下將碰撞能量盡可能均勻地傳遞到車身的吸能部件。C區(qū)碰撞剛度應(yīng)高于A-B區(qū)，期望產(chǎn)生相對(duì)均勻的漸進(jìn)壓潰變形，以此充分吸收碰撞能量。D區(qū)為動(dòng)力總成所在區(qū)域，區(qū)間S2指動(dòng)力總成的剛性后表面到前圍板，對(duì)應(yīng)前縱梁后端E區(qū)，其剛度應(yīng)高于區(qū)間S1，保證有效地為區(qū)間S1的壓潰吸能變形提供穩(wěn)定的支撐平臺(tái)，并吸收高速碰撞的剩余能量，降低防火墻入侵量，從而減輕乘員傷害。

1.1.2 結(jié)構(gòu)吸能指標(biāo)

評(píng)價(jià)變形結(jié)構(gòu)的能量吸收能力，常用指標(biāo)包括峰值壓潰力（peak crushing force，PCF）、平均壓潰力（mean crushing force，MCF）、壓潰力效率（crushing force efficiency，CFE）、吸能（energy absorption，EA）和比吸能（specific energy absorption，SEA）。一般認(rèn)為CFE和SEA越高，結(jié)構(gòu)的吸能效果越好。

MCF表示為壓潰變形過程中壓潰力的平均值，即

式中：d為總壓潰距離；F（δ）為隨壓潰距離變化的瞬時(shí)壓潰力。CFE表示為MCF與PCF的比值：

EA指結(jié)構(gòu)在總壓潰距離內(nèi)吸收的總能量。SEA定義為EA與結(jié)構(gòu)質(zhì)量M的比值：

1.1.3 碰撞波形

碰撞加速度波形是評(píng)價(jià)車輛正撞耐撞性的重要指標(biāo)。然而對(duì)于不同波形，很難直觀地進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的比較分析。為解決該問題，本文中采用具有少量參數(shù)的雙臺(tái)階波形對(duì)實(shí)際碰撞波形進(jìn)行簡化分析［13］。圖2為正撞加速度曲線及其等效雙臺(tái)階波形的示意圖。研究認(rèn)為較高的第1臺(tái)階加速度G1和較低的第2臺(tái)階加速度 G2有利于保護(hù)乘員安全［14］。

1.2 整車碰撞模型的建立與驗(yàn)證

參照C-NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程，建立了某款純電動(dòng)汽車正面100%碰撞工況的有限元模型。碰撞初速度為50 km／h，仿真計(jì)算時(shí)間為120 ms。在進(jìn)行仿真優(yōu)化前，須對(duì)有限元模型的有效性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。整車結(jié)構(gòu)變形和試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖3所示，兩者的碰撞變形模式基本一致。圖4為整車碰撞加速度波形對(duì)比。仿真加速度曲線的變化趨勢和峰值加速度與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說明建立的有限元模型具有較好的精度，可用于后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

圖2 正面碰撞加速度波形和雙臺(tái)階波形

圖3 整車正面碰撞變形模式對(duì)比

圖4 整車碰撞加速度波形對(duì)比

1.3 鋁制和鋼制前端耐撞性能對(duì)比

1.3.1 鋁制前端模型的建立

根據(jù)1.1節(jié)碰撞空間管理可知，A、B和C區(qū)為主要吸能區(qū)。碰撞發(fā)生時(shí)，主要通過前保險(xiǎn)杠的彎曲變形和吸能盒與前縱梁直梁的壓潰變形吸收碰撞能量，D和E區(qū)即前縱梁中后端內(nèi)部設(shè)計(jì)有加強(qiáng)板避免過早發(fā)生彎折變形。為保證變形順序，遵循“前柔后剛”的原則，將A、B和C區(qū)即前保險(xiǎn)杠、吸能盒和前縱梁直梁的材料換為鋁合金，料厚不變，D和E區(qū)則保持鋼制設(shè)計(jì)。鋁合金材料為AA6063-T5，其主要參數(shù)見表1。鋼、鋁板料的連接采用共節(jié)點(diǎn)形式模擬［15］。

表1 AA6063-T5材料參數(shù)

1.3.2 鋁制與鋼制前端耐撞性指標(biāo)對(duì)比

對(duì)鋁制前端整車模型進(jìn)行正面碰撞仿真，并與鋼制設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表2。材料由鋼換為鋁合金后使前端質(zhì)量減輕42.3%，峰值加速度降低18.7%，說明前鋁后鋼的結(jié)構(gòu)能有效提高輕量化水平，并改善碰撞變形的穩(wěn)定性。圖5～圖7分別為加速度波形、簡化波形和能量吸收曲線對(duì)比圖。由于鋁合金強(qiáng)度低于鋼，致使在碰撞開始階段缺少足夠的起始剛度，使 G1降低13.5%，吸能量減少11.3%，車身耐撞性能降低。

2 多胞前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 多胞結(jié)構(gòu)模型的建立

圖5 鋼制與鋁制前端整車模型碰撞波形對(duì)比

圖6 鋼制與鋁制前端整車模型簡化波形對(duì)比

圖7 鋼制與鋁制前端吸能對(duì)比

由于多胞結(jié)構(gòu)比單胞具有更高的吸能效率和承載能力［16］，為增強(qiáng)鋁制前端的耐撞性能，將多胞結(jié)構(gòu)應(yīng)用至前端部件設(shè)計(jì)，以此增加軸向壓潰剛度和抗彎性能。以實(shí)車前端部件截面形狀為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了多種多胞構(gòu)型方案，其截面形狀、相關(guān)尺寸和代號(hào)見表3。后綴α和β分別表示肋板橫向和縱向放置。通過建立前保險(xiǎn)杠的三點(diǎn)彎曲和前縱梁直梁的軸向壓潰工況的仿真模型以評(píng)判多胞結(jié)構(gòu)的耐撞性。

圖8為多胞結(jié)構(gòu)在橫向和軸向沖擊下的示意圖。各多胞管采用BT四節(jié)點(diǎn)殼單元離散，厚度與實(shí)車一致。多胞管和壓頭之間采用自動(dòng)點(diǎn)面接觸，對(duì)多胞管自身采用自動(dòng)單面接觸，且動(dòng)態(tài)與靜態(tài)摩擦因數(shù)分別取0.2和0.3［17］。此外多胞結(jié)構(gòu)的材料同為AA6063-T5，采用LS-DYNA中MAT24單元進(jìn)行模擬。前保險(xiǎn)杠、吸能盒和前縱梁直梁壓潰距離分別設(shè)定為60、40和150 mm。AA6063-T5為應(yīng)變率不敏感材料，因此在進(jìn)行有限元仿真分析時(shí)不考慮應(yīng)變率對(duì)其材料參數(shù)的影響［18］。

表3 前端部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖8 兩種工況有限元模型

2.2 多胞構(gòu)型吸能特性對(duì)比分析

2.2.1 前保險(xiǎn)杠吸能特性分析

圖9為前保險(xiǎn)杠變形模式對(duì)比。結(jié)構(gòu)的屈曲變形集中在頂部。對(duì)于肋板縱向放置的α型多胞結(jié)構(gòu)，由于沒有橫向隔板的約束，變形由頂部延伸至下部，變形程度大于肋板橫向放置的β型，因此相應(yīng)耗散的能量更多。β型肋板對(duì)上翼緣的支撐較弱，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的局部壓痕，降低了截面的抗彎強(qiáng)度。

圖9 前保險(xiǎn)杠變形模式對(duì)比

表4為前保險(xiǎn)杠在三點(diǎn)彎曲工況下吸能特性的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。在胞數(shù)相同的情況下，α型結(jié)構(gòu)的SEA和CFE均高于β型。多胞構(gòu)型的SEA和CFE都比原單胞設(shè)計(jì)有不同程度的提高，其中，B2α、B3α和B4的SEA分別比單胞設(shè)計(jì)B1高出14.4%、36.7%和36.1%，其CFE比B1分別增加7.6%、11.3%和3.8%。因此，綜合考慮CFE和SEA，在所有截面設(shè)計(jì)中B3α構(gòu)型耐撞性能表現(xiàn)最優(yōu)。

表4 三點(diǎn)彎曲工況數(shù)值分析結(jié)果

2.2.2 吸能盒和前縱梁直梁吸能特性分析

圖10為前縱梁直梁變形對(duì)比圖。α型多胞結(jié)構(gòu)肋板的橫向放置有效地減小了褶皺半波長，使褶皺數(shù)目增多。對(duì)于胞數(shù)相同的β型結(jié)構(gòu)，胞的壓潰剛度較不均勻，導(dǎo)致變形較不穩(wěn)定。另外，單胞結(jié)構(gòu)在軸向載荷下壓潰褶皺較少且發(fā)生屈曲變形，除β型多胞結(jié)構(gòu)外，胞數(shù)越多，變形更穩(wěn)定，壓潰褶皺數(shù)量更多。

圖10 前縱梁變形模式對(duì)比

表5和表6分別為吸能盒和前縱梁直梁在軸向載荷下的數(shù)值分析結(jié)果。兩個(gè)不同部件的α型多胞管的SEA和CFE均高于β型。圖11和圖12分別為吸能盒和前縱梁直梁的CFE和SEA的對(duì)比?？梢钥闯?，兩者的SEA和CFE變化趨勢一致，隨著胞數(shù)的增多，CFE和SEA均呈增大趨勢。其中，E4和L4耐撞性能最優(yōu)，SEA比單胞設(shè)計(jì)分別高出24.0%和39.1%，而其CFE分別高出23.4%和27.3%。

表6 前縱梁直梁數(shù)值分析結(jié)果

圖11 壓潰效率CFE對(duì)比

圖12 比吸能SEA對(duì)比

綜上所述，選取前保險(xiǎn)杠的B3α構(gòu)型、吸能盒的E4構(gòu)型和前縱梁直梁的L4構(gòu)型應(yīng)用至整車前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。各部件通過添加內(nèi)部肋板構(gòu)建為多胞截面，如圖13所示。

圖13 前端改型設(shè)計(jì)

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

多胞前端設(shè)計(jì)的尺寸參數(shù)對(duì)整車耐撞性能有很大影響［19］。本文中系統(tǒng)地運(yùn)用OLHS試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、RBF近似模型技術(shù)和NSGA-II優(yōu)化算法尋求前端多胞構(gòu)型結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)分布。

3.1 設(shè)計(jì)變量與響應(yīng)

選取前保險(xiǎn)杠、吸能盒、前縱梁及肋板的厚度作為設(shè)計(jì)變量，如圖14所示。設(shè)計(jì)變量初值和取值范圍列于表7。多胞前端優(yōu)化的主要目的是提高整車的耐撞性并減輕質(zhì)量，因此選取上述關(guān)鍵吸能件的總吸能EA和總質(zhì)量M作為優(yōu)化目標(biāo)，碰撞峰值加速度A、防火墻最大入侵量I以及雙臺(tái)階簡化波形參數(shù)G1和G2為設(shè)計(jì)約束條件。各設(shè)計(jì)響應(yīng)的原始設(shè)計(jì)數(shù)值和優(yōu)化目標(biāo)列于表8。

圖14 設(shè)計(jì)變量

表7 設(shè)計(jì)變量與取值范圍 mm

表8 優(yōu)化目標(biāo)和約束的原始值和目標(biāo)值

3.2 近似模型的構(gòu)建與精度檢驗(yàn)

采用OLHS試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法生成60個(gè)樣本點(diǎn)，通過有限元仿真得到各個(gè)樣本點(diǎn)的響應(yīng)值，并利用樣本數(shù)據(jù)構(gòu)建徑向基RBF近似模型。為驗(yàn)證近似模型精度，還須生成10組樣本數(shù)據(jù)。采用統(tǒng)計(jì)量確定性系數(shù)R2和均方根誤差RMSE來評(píng)估近似模型和樣本點(diǎn)之間的誤差［20］：

表9 近似模型精度檢驗(yàn)

3.3 優(yōu)化過程與結(jié)果分析

多胞前端結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為

采用NSGA-II優(yōu)化算法對(duì)上述構(gòu)建的RBF近似模型進(jìn)行優(yōu)化求解，并對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。表10列出了優(yōu)化后設(shè)計(jì)變量的取值。表11為原始設(shè)計(jì)與優(yōu)化后的對(duì)比。由表11可見，仿真值與預(yù)測值相對(duì)誤差最大為9.61%，表明構(gòu)建的RBF近似模型可信度較高。與原始設(shè)計(jì)相比，前端結(jié)構(gòu)的質(zhì)量減輕35.79%，吸能量增加10%。此外，優(yōu)化設(shè)計(jì)的峰值加速度和防火墻入侵量分別降低8.62%和11.97%。

表10 設(shè)計(jì)變量優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果 mm

表11 原始設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)比

圖15 原始設(shè)計(jì)與優(yōu)化后變形比較

圖15 為前縱梁的變形模式與防火墻入侵量云圖。優(yōu)化后的前縱梁由彎折模式變?yōu)榫鶆驂簼⒛Ｊ?，產(chǎn)生的褶皺更多且變形更加穩(wěn)定，說明多胞結(jié)構(gòu)提高了縱梁截面承載能力，同時(shí)防火墻的最大入侵量也減少了23 mm。圖16～圖18分別為優(yōu)化前后碰撞加速度、簡化波形和吸能曲線對(duì)比。在原始設(shè)計(jì)中，前縱梁過早發(fā)生側(cè)向彎曲，導(dǎo)致碰撞載荷急劇下降，極大地降低了前縱梁的承載能力。優(yōu)化后，B區(qū)和C區(qū)具有相對(duì)均勻和漸進(jìn)的軸向壓潰變形，使總吸能量超過原始設(shè)計(jì)，提高了第1臺(tái)階加速度G1，降低了峰值加速度和第2臺(tái)階加速度G2，有利于保護(hù)乘員安全。

圖16 原始設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的碰撞波形對(duì)比

圖17 原始設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)雙臺(tái)階波形對(duì)比

4 結(jié)論

（1）前端結(jié)構(gòu)材料分布為前鋁后鋼時(shí)能實(shí)現(xiàn)有效減輕質(zhì)量并減小峰值加速度，但吸能量小于原鋼制設(shè)計(jì)方案。因此，本文中將多胞結(jié)構(gòu)應(yīng)用到前端截面設(shè)計(jì)，以此提高前端結(jié)構(gòu)的吸能能力。

圖18 原始設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)前端吸能對(duì)比

（2）基于前端部件的外形，設(shè)計(jì)了不同多胞構(gòu)型，并進(jìn)行了耐撞性對(duì)比。結(jié)果表明多胞結(jié)構(gòu)能有效減小褶皺半波長，大幅提高吸能效率，其中B3α、E4和L4構(gòu)型為最優(yōu)截面設(shè)計(jì)。

（3）綜合考慮整車輕量化和耐撞性要求，對(duì)多胞前端結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果：車身前端質(zhì)量減小35.79%，峰值加速度和防火墻入侵量分別降低8.62%和11.97%，說明多胞結(jié)構(gòu)在車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用有利于提高耐撞性和輕量化水平。