乘用車頂部抗壓仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

曾慶超，張遷梓，吳 磊

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545616）

0 前言

高速行駛中的汽車如果突然急打轉(zhuǎn)向很容易出現(xiàn)車輛翻滾的交通事故，這種情況下，如果車輛沒有足夠強的頂部結(jié)構(gòu)，就很有可能出現(xiàn)車頂坍塌現(xiàn)象從而危及乘員生命安全。為此原國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會聯(lián)合發(fā)布了國家強制性標(biāo)準(zhǔn)GB 26134—2010《乘用車頂部抗壓強度》，該標(biāo)準(zhǔn)對汽車頂部的結(jié)構(gòu)強度進行了明確的規(guī)定：當(dāng)按照標(biāo)準(zhǔn)的試驗要求對車頂施加向下載荷時，加載裝置下表面的移動量不應(yīng)超過127 mm，同時載荷的大小要達到整車整備質(zhì)量的1.5 倍，但不超過22 240 N。目前該標(biāo)準(zhǔn)的要求相對于其他國家或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)更低，例如，美國等發(fā)達國家將該項頂部抗壓能力提升到了整車質(zhì)量的3倍，國內(nèi)的C-IASI中對于車頂強度采用分級評價的方式，頂部抗壓能力小于整車質(zhì)量的2.5 倍，將評價為“較差”，只有達到4 倍才能獲得優(yōu)秀[1]。據(jù)悉，國內(nèi)的強制性標(biāo)準(zhǔn)也在計劃將頂部抗壓能力提升至整備質(zhì)量的3 倍。所以從長遠市場出發(fā)，現(xiàn)有車型在設(shè)計中應(yīng)該按照頂部抗壓能力達到整車質(zhì)量的3倍要求進行開發(fā)。

根據(jù)乘用車的車身結(jié)構(gòu)特點B 柱承擔(dān)了頂部抗壓試驗中的大部分載荷，但是由于布置和造型等因素的影響，乘用車B 柱一般設(shè)計成上小下大的拱形結(jié)構(gòu)，如圖1 所示；該結(jié)構(gòu)在頂部下壓載荷作用下，很容易出現(xiàn)B 柱上部折彎的情況，從而導(dǎo)致車身頂部抗壓能力下降。經(jīng)檢索國內(nèi)目前關(guān)于提高頂部抗壓能力的研究不多，尤其是在提倡輕量化車身的大環(huán)境下，如何在不顯著增加車身重量且滿足工藝要求的前提下有效地提高車身頂部抗壓性能，是困擾很多汽車工程師的難題。

圖1 某車型B柱外形輪廓

1 搭建有限元模型

1.1 試驗要求

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 26134—2010《乘用車頂部抗壓強度》的試驗規(guī)定[2]：車輛剛性的固定在剛性地面上，關(guān)閉所有車窗，關(guān)閉并鎖死所有車門，按照如圖2 所示的定位加載裝置，使其縱軸前傾角為水平面向下5°（側(cè)視），并且縱軸平行于穿過車輛縱向中心線的垂直面，橫向外傾角為水平面向下25°（正視）。加載裝置下表面的縱向中心線穿過與車頂?shù)慕佑|點或者接觸區(qū)域的中心，加載裝置下表面的前緣中點在車頂外表面最前點，再向前254 mm的橫向垂直平面不超過10 mm的范圍內(nèi)。

圖2 試驗裝置定位

1.2 搭建有限元模型

根據(jù)上述試驗要求搭建有限元仿真計算模型[3-8]：為了提高計算效率，取消底盤、座椅、動力總成以及輪胎等非參與承載的部件，僅保留白車身與四門兩蓋結(jié)構(gòu)。加載裝置采用一個1 829 mm*762 mm 的剛性板進行模擬并按照試驗要求進行擺放。在車身門檻梁位置進行剛性約束，具體有限元模型如圖3所示。

圖3 車身頂部強度分析有限元模型

2 結(jié)果分析

提取剛性加載板加載過程的最大接觸力并按照式（1）計算車身頂部承載系數(shù)對其車身頂部強度進行評價，本研究設(shè)定的車身頂部承載系數(shù)目標(biāo)值大于3。

其中：ε 為車身頂部承載系數(shù)；F為剛性加載板最大接觸力，N；m為整車整備質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2。

對基礎(chǔ)狀態(tài)下的計算結(jié)果進行分析得出剛性壓板的最大接觸力為43 300 N，而該車型設(shè)計整備質(zhì)量為1 592 kg，因此車身頂部承載系數(shù)為2.77，未能達到設(shè)計目標(biāo)值，進一步分析其變形模式，發(fā)現(xiàn)在B 柱上部安全帶固定點位置出現(xiàn)明顯的折彎變形，如圖4所示，導(dǎo)致車身頂部承載能力降低。

圖4 基礎(chǔ)狀態(tài)B 柱變形模式

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如圖5 所示，針對B 柱上部結(jié)構(gòu)存在剛度不足的問題綜合考慮B 柱結(jié)構(gòu)特點、安裝布置、工藝要求等因素，提出了兩個優(yōu)化方案[9-10]：

圖5 B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

1）將高調(diào)器加強板的焊接邊延伸至B 柱內(nèi)、外板焊接邊處，同時將其料厚由1.0 mm提升至1.2 mm；

2）在高調(diào)器下部增加一個“幾”字形加強板，該加強板材料為590DP，料厚1.2 mm，該加強板跟隨B柱內(nèi)板焊接與B 柱加強板保留5 mm 的間隙以避免車輛行駛過程結(jié)構(gòu)碰撞產(chǎn)生異響。當(dāng)車身頂部受載使B柱內(nèi)板變形到一定之后，“幾”字板與B 柱加強板發(fā)生接觸傳力，從而能夠?qū)⑤d荷由結(jié)構(gòu)相對薄弱的B 柱內(nèi)板擴散至結(jié)構(gòu)更強的B 柱加強板；避免由于B 柱內(nèi)板強度不足導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)重大的折彎變形。

4 方案驗證

將上述優(yōu)化方案帶入計算模型進行方案驗證，得出剛性壓板的最大接觸力為47 100 N，進而求出車身頂部承載系數(shù)為3.02，滿足設(shè)計要求，基礎(chǔ)狀態(tài)與優(yōu)化方案的接觸力-位移曲線對比，如圖6 所示。

圖6 優(yōu)化前后接觸力-位移曲線對比

5 結(jié)論

本文根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 26134—2010《乘用車頂部抗壓強度》的試驗要求，搭建了有限元仿真模型進行頂部抗壓強度計算，根據(jù)基礎(chǔ)狀態(tài)結(jié)果所反映的B 柱安全帶固定點區(qū)域剛度不足的問題進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，鑒于B 柱在該工況下受彎矩影響的特點[11-14]，設(shè)計了一個“幾”字形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠有效地將局部載荷進行擴散，從而避免了B 柱因局部變形導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)剛度不足的現(xiàn)象。優(yōu)化結(jié)果表明，該方案在不顯著增加結(jié)構(gòu)重量的前提下提高了車身頂部承載系數(shù)，使其滿足設(shè)計要求。