乘用車車門側(cè)面柱碰撞性能最優(yōu)耦合設(shè)計(jì)

摘要： 針對(duì)汽車側(cè)面碰撞安全性問題，以某乘用車車門為研究對(duì)象，采用仿真分析與數(shù)學(xué)優(yōu)化相結(jié)合的方法，對(duì)駕駛員側(cè)車門的安全性能進(jìn)行優(yōu)化分析.根據(jù)GB/T 37337—2019《汽車側(cè)面柱碰撞的乘員保護(hù)》的測(cè)試要求建立側(cè)面柱碰撞仿真模型，進(jìn)行仿真模型可靠性分析，對(duì)車輛側(cè)圍的侵入量、車門各部件的吸能情況及車輛的加速度等安全性能指標(biāo)進(jìn)行研究.通過設(shè)計(jì)拉丁方試驗(yàn)和樣本數(shù)據(jù)，建立優(yōu)化目標(biāo)的響應(yīng)面模型，基于非支配排序遺傳算法II（nondominated sorting genetic algorithmⅡ，NSGAⅡ）對(duì)建立的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，采用熵TOPSIS法計(jì)算Pareto前沿解的歐式距離，確定最終優(yōu)化方案.結(jié)果表明：在車門質(zhì)量減小1.22%情況下，車門最大侵入量減少了10.28%，車門主要吸能零部件吸能占比提高了16.14%，車門加速度峰值降低了7.58%；優(yōu)化后的車門在侵入量、加速度以及吸能方面均得到了不同程度的改善，從而加強(qiáng)了車門的碰撞強(qiáng)度，提高了汽車側(cè)面碰撞安全性；優(yōu)化后車輛加速度峰值減少了16.37%，乘員受到的二次沖擊得到改善.

關(guān)鍵詞： "乘用車； 碰撞安全； 側(cè)面柱碰撞； 車門； 多目標(biāo)優(yōu)化

中圖分類號(hào)： U473.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： "A文章編號(hào)： ""1671-7775（2024）06-0644-09

引文格式： "王占宇，王洪林，郭曉光，等. 乘用車車門側(cè)面柱碰撞性能最優(yōu)耦合設(shè)計(jì)[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，45（6）：644-652.

Optimal coupling design of passenger car door structure

based on lateral pole collision performance

WANG Zhanyu1， WANG Honglin1， GUO Xiaoguang2， LIANG Huixin3

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin，Heilongjiang 150040， China; 2. China National Heavy Duty Truck Group Jinan Truck Co.， Ltd.， Jinan， Shandong 250022， China; 3. BYD Automobile Co.， Ltd.， Xi′an， Shaanxi 710000， China）

Abstract： To solve the safety problem of automobile side collision， the safety performance of the driver side door was optimized and analyzed by combining simulation analysis and mathematical optimization with passenger car door as research object. According to the test requirements of GB/T 37337—2019 of protection of the occupants in the event of a lateral pole collision， the lateral pole collision simulation model was established， and the reliability of the simulation model was analyzed. The safety performance indicators of the intrusion of the side wall of vehicle， the energy absorption of each component of the door and the acceleration of vehicle were investigated. By designing the sample data of the Latin experiment， the response surface model of the optimization target was established， and the multiobjective optimization solution of the established optimization mathematical model was obtained based on the nondominated sorting genetic algorithmⅡ（NSGAⅡ）. The Euclidean distance of the Pareto front solution was calculated by the entropyTOPSIS method， and the final optimization scheme was determined. The results show that when the door mass is reduced by 1.22%， the maximum intrusion of the door is reduced by 10.28%， and the proportion of energy absorption of the main energyabsorbing parts of the door is increased by 16.14%， while the peak acceleration of the door is reduced by 7.58%. The optimized door is improved to different degrees in terms of intrusion， acceleration and energy absorption， which can enhance the door impact intensity and improve the side impact safety of car. The peak acceleration of the vehicle is reduced by 16.37%， and the secondary impact force on the occupants is relieved.

Key words： "passenger car； crash safety; lateral pole collision; car door; multiobjective optimization

在交通事故中，側(cè)面碰撞占比僅次于正面碰撞，而且側(cè)面碰撞是造成乘員傷亡率最高的事故形式，重傷和死亡率高達(dá)25%.GB/T 37337—2019《汽車側(cè)面柱碰撞的乘員保護(hù)》[1]對(duì)車輛側(cè)面碰撞安全提出了新的要求.側(cè)面柱碰撞作為側(cè)面碰撞中的一種，由于其緩沖吸能差，碰撞力集中，車門距離乘員較短，對(duì)乘員的人身安全造成更嚴(yán)重的威脅.學(xué)者對(duì)車輛側(cè)面碰撞安全性的研究集中在B柱[2-6]、車門結(jié)構(gòu)件[7-10]的優(yōu)化，采用新材料（如熱成型鋼板、泡沫鋁[11]、碳纖維[12-13]等材料）改善側(cè)面抗撞性能.在汽車側(cè)面柱碰撞方面，HUANG Z. G.等[14]對(duì)B級(jí)車側(cè)面柱碰撞和側(cè)面變形特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，與可變形壁障碰撞相比，側(cè)柱碰撞具有使乘客受傷更嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)，有必要增加車身側(cè)面的局部強(qiáng)度以避免小面積重疊剛性碰撞. LONG C. R.等[15]運(yùn)用喬治華盛頓大學(xué)國家碰撞分析中心開發(fā)的小客車模型，分析了側(cè)面柱碰撞時(shí)車門防撞梁對(duì)沖擊載荷的響應(yīng).郝琪等[16]考慮車門結(jié)構(gòu)剛度、振動(dòng)特性和側(cè)面柱碰撞安全性能，對(duì)單排兩座小型電動(dòng)汽車車門進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，有效提高車門剛度及側(cè)面柱碰撞綜合指標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)車門質(zhì)量減少7.5%.林智桂等[17]分析了微型客車與轎車的質(zhì)心、結(jié)構(gòu)及總布置對(duì)能量傳遞和車體結(jié)構(gòu)耐撞性的影響，進(jìn)行了微型客車側(cè)面柱碰撞分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化.

我國學(xué)者對(duì)車輛側(cè)面碰撞安全的研究，多是圍繞臺(tái)車試驗(yàn)工況展開，對(duì)于具有剛性大、碰撞面積小、碰撞力集中等特點(diǎn)的側(cè)面柱撞研究相對(duì)較少，且多是基于歐美側(cè)面柱碰撞法規(guī)的試驗(yàn)要求對(duì)車輛安全性能進(jìn)行優(yōu)化.此外，對(duì)車輛側(cè)面碰撞安全性能的研究大多以優(yōu)化B柱或車門防撞梁等構(gòu)件展開，優(yōu)化對(duì)象單一.為此，筆者根據(jù)GB/T 37337—2019測(cè)試要求工況，考慮車門上多個(gè)構(gòu)件在側(cè)面柱碰撞中的剛度關(guān)系，結(jié)合多個(gè)構(gòu)件的耦合作用，提高車輛的側(cè)面柱碰撞安全性.

1側(cè)面碰撞有限元模型的建立

本研究的車輛長(zhǎng)為3 915 mm，整車的質(zhì)量為1 069.53 kg，駕駛員側(cè)車門組件主要包括車門內(nèi)外板、車門防撞梁、車窗加強(qiáng)板、車窗框架等起支撐和框架作用的主體結(jié)構(gòu)，在車門系統(tǒng)中還有車窗玻璃、門腔內(nèi)部必要機(jī)械與電子零部件等組件.車門內(nèi)部防撞梁截面為圓形，材料屈服強(qiáng)度為750 MPa，布置形式呈斜置布置，兩端通過弧焊與接頭焊接，接頭通過點(diǎn)焊與車門內(nèi)板連接，梁的中間通過膨脹膠與車門外板膠接，車門內(nèi)板由2塊鋼板拼接而成.車門內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示.

有限元模型材料和屬性定義、部件連接按照實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置.整車自身的接觸采用單面自動(dòng)接觸；車輛與碰撞柱之間的接觸采用表面與表面接觸.以整車碰撞過程中變形較小的點(diǎn)作為整車運(yùn)動(dòng)的參考點(diǎn)，為了更好地體現(xiàn)碰撞過程中車輛與車內(nèi)乘員的相應(yīng)關(guān)系，以乘員艙內(nèi)兩座椅中間設(shè)置的加速度傳感器響應(yīng)作為整車運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)參考點(diǎn)（編號(hào)為1998228）.GB/T 37337—2019測(cè)試要求如下：碰撞剛性柱是一個(gè)垂直的不能變形的剛性金屬結(jié)構(gòu)，柱體直徑為254 mm±6 mm，在碰撞瞬間，車輛的碰撞速度為32 km/h.當(dāng)車輛與剛性柱發(fā)生接觸時(shí)，平行于車輛碰撞速度矢量的垂直面與車輛縱向中心線之間應(yīng)形成75°±3°的碰撞角度.據(jù)此，在本研究的碰撞模型中，車輛縱向中心線與系統(tǒng)坐標(biāo)系x軸形成15°角，賦予整車所有節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)坐標(biāo)系y方向初始速度為-8 888.8 mm/s，在車輛模型駕駛員側(cè)車門處建立直徑為254 mm、材料為剛性材料的剛性柱，并約束剛性柱所有方向的自由度.建立的車輛側(cè)面柱碰撞仿真模型如圖2所示.

2仿真結(jié)果分析

2.1仿真結(jié)果可靠性分析

2.1.1能量守恒分析

車輛側(cè)面柱碰撞0.20 s的能量變化如圖3所示. 其中：E0為總能量；Ei為內(nèi)能；Ek為動(dòng)能；Eh為滑移能；Es為沙漏能；t為時(shí)間.

從圖3可以看出：各種能量曲線過渡平滑，未出現(xiàn)明顯突變；初始時(shí)刻動(dòng)能曲線與總能量持平，后呈現(xiàn)非線性下降，動(dòng)能變化先慢、后快、再慢，最后趨于穩(wěn)定；初始時(shí)刻內(nèi)能為0，隨動(dòng)能的減小而逐漸增加，變化趨勢(shì)與動(dòng)能變化呈對(duì)稱狀態(tài)，與實(shí)際碰撞過程能量變化過程吻合；碰撞過程中總能量基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，模型符合能量守恒定律.

2.1.2質(zhì)量守恒分析

質(zhì)量增加值曲線如圖4所示，其中Δm為質(zhì)量增加值.從圖4可以看出：在碰撞仿真過程質(zhì)量增加了11.97 kg，而車輛模型總質(zhì)量為1 069.53 kg，質(zhì)量增加比例為1.12%，小于總質(zhì)量的5.00%，符合設(shè)計(jì)要求，仿真模型質(zhì)量守恒.綜上可得，有限元建模中接觸關(guān)系的確定和參數(shù)設(shè)置在合理范圍內(nèi)，此側(cè)面柱碰撞模型可靠，可以用于本研究.

2.2整車變形分析

車輛模型在碰撞0.09、0.12、0.15、0.18、0.21、0.24 s時(shí)的變形如圖5所示.碰撞側(cè)車門內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形如圖6所示，在發(fā)生碰撞后防撞梁局部發(fā)生明顯的彎折，這是由于車門防撞梁剛度不足，未能較好地抵抗剛性柱的侵入.

2.3車身吸能情況分析

在側(cè)面柱碰撞工況下，車門結(jié)構(gòu)作為直接接觸部分，在吸收碰撞能量方面起著重要作用.整車及車身側(cè)圍部分零部件吸能情況如表1所示.

從表1可以看出：車門防撞梁吸收的能量排在第3位，考慮到防撞梁在發(fā)生碰撞時(shí)接觸面積遠(yuǎn)小于其他吸能部件，參與變形體積有限，因此防撞梁的吸能效率優(yōu)勢(shì)明顯；車門主要吸能零部件共吸收能量4.66 kJ，占總能量的12.76%，提高車門部分的吸能值對(duì)提高車身耐撞性具有顯著的意義.

3車門側(cè)面碰撞多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1基于多目標(biāo)優(yōu)化的車門防撞梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，車門內(nèi)部防撞梁是車輛安全的主要結(jié)構(gòu)，其性能優(yōu)劣直接影響整車的安全性能.提高防撞梁的性能可以顯著提高車輛側(cè)面耐撞性，需在防撞梁優(yōu)化設(shè)計(jì)中考慮更多的變量，充分挖掘防撞梁的最大潛力.但是，隨著變量的增加，所需的樣本數(shù)據(jù)和仿真計(jì)算量也會(huì)呈現(xiàn)幾何增長(zhǎng).因此，為了盡可能實(shí)現(xiàn)防撞梁最優(yōu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，減少不必要的計(jì)算成本，首先對(duì)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)其性價(jià)比最優(yōu)，在此基礎(chǔ)上對(duì)車門安全零部件間的耦合作用進(jìn)行研究.

3.1.1多目標(biāo)優(yōu)化模型的建立

將侵入量L最小和吸能值E最大作為2個(gè)優(yōu)化目標(biāo).結(jié)構(gòu)形狀和材料屬性是影響防撞梁安全性能的重要因素，自變量的設(shè)計(jì)應(yīng)從這2個(gè)角度考慮.已有研究表明：矩形防撞梁的吸能值和低階模態(tài)頻率均劣于梯形防撞梁，且梯形防撞梁在梁側(cè)壁傾角為100°時(shí)吸能性能最佳.因此，截面形狀選擇圓形與梯形2個(gè)設(shè)計(jì)變量.在材料方面，采用4種防撞梁材料作為設(shè)計(jì)變量，具體性能參數(shù)如表2所示.防撞梁的截面面積與其強(qiáng)度有直接關(guān)系，因此，將其直徑d作為設(shè)計(jì)變量之一.受車門內(nèi)腔空間限制，梁的直徑不宜過大，將其設(shè)定為31.000～33.650 mm.

多目標(biāo)優(yōu)化問題力求所有優(yōu)化目標(biāo)最小，因此將最大吸能值E乘以-1，σ為屈服強(qiáng)度，于是防撞梁的多目標(biāo)優(yōu)化問題可描述為

min（L，-E），

s.t.31.000 mm≤d≤33.650 mm，

750 MPa≤σ≤1 200 MPa.（1）

3.1.2模型的簡(jiǎn)化

主要研究對(duì)象為車門結(jié)構(gòu)，在保持各個(gè)零部件的材料屬性、連接方式及各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)不變的前提下，從整車模型中導(dǎo)出直接參與碰撞的車門結(jié)構(gòu)，并刪除車窗玻璃、車窗升降機(jī)等影響較小的零部件.簡(jiǎn)化后的模型包括車門內(nèi)外板、車門防撞梁和車窗加強(qiáng)板等結(jié)構(gòu).車門簡(jiǎn)化模型如圖7所示，雖然簡(jiǎn)化后的模型質(zhì)量遠(yuǎn)小于整車質(zhì)量，質(zhì)心位置發(fā)生改變，但車門通過鉸鏈和門鎖與車身固定，在碰撞過程中，車門將一部分力傳遞至門檻梁、地板.

A柱、B柱等未直接發(fā)生碰撞的部分，車門外圍的運(yùn)動(dòng)情況受車身其他結(jié)構(gòu)的限制，為了使簡(jiǎn)化后的模型運(yùn)動(dòng)情況與整車保持一致，在簡(jiǎn)化模型與其他車門接觸部分設(shè)置運(yùn)動(dòng)約束.導(dǎo)出整車碰撞過程中具有代表性的車門約束節(jié)點(diǎn)在x、y、z軸的位移與時(shí)間關(guān)系曲線，定義簡(jiǎn)化模型的邊界條件.

整車模型與簡(jiǎn)化模型位移云圖對(duì)比如圖8所示，其中s為位移.整車模型與簡(jiǎn)化模型車門防撞梁內(nèi)能變化對(duì)比如圖9所示.模型簡(jiǎn)化前、后具有較好的一致性，可以使用該簡(jiǎn)化模型進(jìn)行后續(xù)研究.

3.1.3拉丁方試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)共有3個(gè)變量，擬合二階響應(yīng)面至少需要10個(gè)樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)拉丁方試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在空間內(nèi)隨機(jī)生成16個(gè)樣本點(diǎn)，并通過有限元仿真求解各樣本點(diǎn)的輸出響應(yīng)值.防撞梁拉丁方試驗(yàn)設(shè)計(jì)樣本數(shù)據(jù)如表3所示.

3.1.4響應(yīng)面模型的建立

由拉丁方試驗(yàn)結(jié)果可見，不同截面形狀車門防撞梁的侵入量指標(biāo)相差不大，同一水平的梯形截面梁最大吸能值均劣于圓形截面梁，因此，確定防撞梁的截面為圓形方案.為簡(jiǎn)化響應(yīng)面模型的數(shù)學(xué)建模，不再將梁的截面形狀納入變量中.基于8組圓形截面梁的拉丁方試驗(yàn)結(jié)果，建立吸能值E和侵入量L關(guān)于直徑d和材料屈服強(qiáng)度σ的二階響應(yīng)面模型，實(shí)際計(jì)算值與模型預(yù)測(cè)值之差為模型的復(fù)相系數(shù)，考慮模型中自變量的數(shù)量，通過調(diào)整復(fù)相系數(shù)得到模型的修正復(fù)相系數(shù)，復(fù)相系數(shù)分別為0.997和0.987.修正的復(fù)相系數(shù)分別為0.994和0.992，復(fù)相系數(shù)接近1.000，表明代理模型的精度較高，可以代替仿真模型進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì).

3.1.5多目標(biāo)優(yōu)化求解

運(yùn)用NSGAⅡ遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)求解.經(jīng)過計(jì)算，共得到60組Pareto最優(yōu)前沿解，如圖10所示.根據(jù)實(shí)際需求保留了11組合適的Pareto前沿解.11組Pareto最優(yōu)前沿解的計(jì)算結(jié)果如表4所示，其中比吸能為材料單位質(zhì)量吸收的能量.綜合比較，選第7組作為最終解，即直徑為33.473 mm，材料為SPCN118Y的防撞梁作為優(yōu)化方案.

3.2基于多目標(biāo)優(yōu)化的車門設(shè)計(jì)

3.2.1多目標(biāo)優(yōu)化模型的建立

在車輛碰撞安全性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，不僅要考慮侵入量L及吸能值E指標(biāo)，還需考慮瞬時(shí)碰撞力F的峰值，因此，將L、F最小和E最大作為優(yōu)化目標(biāo).為體現(xiàn)“增效不增本”的優(yōu)化思想，以原簡(jiǎn)化車門模型質(zhì)量28.590 kg作為質(zhì)量m約束.將對(duì)車門強(qiáng)度影響最顯著的4個(gè)零部件厚度作為設(shè)計(jì)對(duì)象，即車門內(nèi)板厚度δ1、外板厚度δ2、防撞梁厚度δ3和車窗加強(qiáng)板厚度δ4.試驗(yàn)變量取值如表5所示.

基于以上研究，多目標(biāo)問題描述為

min（L，F(xiàn)，-E），

s.t.0.500 mm≤δ1≤0.900 mm，

0.600 mm≤δ2≤0.900 mm，

1.600 mm≤δ3≤3.000 mm，

4.600 mm≤δ4≤5.400 mm，

m≤28.590 kg.（2）

3.2.2拉丁方試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將以上設(shè)計(jì)變量作為輸入響應(yīng)來設(shè)計(jì)拉丁方試驗(yàn).本次試驗(yàn)共有4個(gè)變量，擬合二階多項(xiàng)式響應(yīng)面至少需要15組樣本，依據(jù)拉丁方試驗(yàn)規(guī)則設(shè)計(jì)20組樣本，并通過有限元求解輸出總吸能值E0、峰值碰撞力Fmax、最大侵入量Lmax及車門總質(zhì)量m.在仿真計(jì)算前，需對(duì)整車模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理.試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)如表6所示.

3.2.3響應(yīng)面模型的建立

基于以上樣本數(shù)據(jù)及輸出響應(yīng)建立響應(yīng)面模型.吸能值響應(yīng)面模型為

E=-9.249+7.513δ1-1.532δ2+2.688δ3+1.871δ4+

1.781δ1δ2-0.989 1δ1δ3-0.224δ1δ4+0.902δ2δ3-

0.829δ2δ4-0.078 6δ3δ4-3.130δ12+2.195δ22+

0.026 8δ23-0.073 1δ42.（3）

吸能值響應(yīng)面模型的復(fù)相系數(shù)為0.992，修正復(fù)相系數(shù)為0.987，精度較高.

最大侵入量響應(yīng)面模型為

L=-1 531.677+1 166.883δ1+74.072δ2+241.428δ3+

166.492δ4+96.103δ1δ2-134.932δ1δ3-86.885δ1δ4+

19.224δ2δ3-81.187δ2δ4-13.962δ3δ4-323.875δ21+

148.191δ22-16.537δ23-0.862δ24.（4）

最大侵入量響應(yīng)面模型的復(fù)相系數(shù)為0.933，修正復(fù)相系數(shù)為0.984，因?yàn)閭€(gè)別樣本數(shù)據(jù)偏離較大，導(dǎo)致整體復(fù)相系數(shù)略小，但是總體滿足精度要求.

峰值碰撞力響應(yīng)面模型為

F=-6 523.77+88 215δ1-2 802.6δ2+119.623δ3+

5 425.7δ4+93 587.3δ1δ2-18 211.1δ1δ3+2 816.7δ1δ4+

42 203.62δ2δ3+3 764.965δ3δ4-84 724.2δ21+

10 462.08δ22-5 485.82δ23+1 862δ24.（5）

峰值碰撞力響應(yīng)面模型的復(fù)相系數(shù)為0.987，修正復(fù)相系數(shù)為0.992，精度較高.以上構(gòu)建的代理模型均有較高的精度，可以代替仿真模型進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì).

3.2.4多目標(biāo)優(yōu)化求解

運(yùn)用前述的NSGAⅡ遺傳算法對(duì)式（2）進(jìn)行求解.共得120組Pareto最優(yōu)前沿解，如圖11所示.

比較所有的最優(yōu)解組合發(fā)現(xiàn)，內(nèi)板厚度均靠近設(shè)計(jì)變量的上限，外板厚度均靠近設(shè)計(jì)變量的下限；通過車輛側(cè)圍結(jié)構(gòu)厚度的匹配，可以改變吸能值、車身變形侵入量、沖擊載荷等被動(dòng)安全指標(biāo)的數(shù)值，改變零部件厚度是改善車輛安全性能的簡(jiǎn)捷方法.為直觀地表現(xiàn)3個(gè)優(yōu)化目標(biāo)之間的關(guān)系，將優(yōu)化結(jié)果分別投影到3個(gè)平面上，如圖12所示.

從圖12可以看出：車門侵入量?jī)?yōu)化結(jié)果分布在320.000 mm到375.000 mm之間，離散值為0.172，分布范圍較集中；峰值碰撞力和吸能值分布范圍較廣，可選擇空間更充足，若針對(duì)某一指標(biāo)進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化，可以預(yù)期其性能將會(huì)有顯著改善.從圖12a可以看出，吸能值和侵入量之間存在一定的支配關(guān)系，但這是3目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果對(duì)二維平面的投影，忽略了峰值碰撞力的變化情況，彼此之間也是非劣關(guān)系，即沒有任何一組設(shè)計(jì)變量點(diǎn)在優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)值上均優(yōu)于其他設(shè)計(jì)點(diǎn).從圖12b、c可以看出，峰值碰撞力與吸能值和侵入量存在一定矛盾關(guān)系，優(yōu)化單一目標(biāo)要以犧牲其他目標(biāo)為代價(jià).

通過理想解相似偏好排序法對(duì)比前述的120組Pareto解集的歐式距離，確定最終優(yōu)化方案，優(yōu)化前、后防撞梁材料分別為SPCN980Y和SPCN118Y，車門優(yōu)化參數(shù)如表7所示.優(yōu)化后單個(gè)車門的質(zhì)量為28.241 kg，質(zhì)量減少了0.350 kg，相較于優(yōu)化前，車門質(zhì)量減少了1.22%.車門外板厚度達(dá)到設(shè)計(jì)變量的下限值，內(nèi)板厚度接近設(shè)計(jì)變量的上限值.

4優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

優(yōu)化前后整車變形對(duì)比如圖13所示.優(yōu)化前后車門位移云圖如圖14所示.優(yōu)化前后，車輛變形模式未發(fā)生改變，仍呈V形侵入，但是優(yōu)化后的車門變形量最大部分面積略小于初始狀態(tài)，變小的部分對(duì)應(yīng)防撞梁的布置位置，防撞梁抗侵入能力提高；優(yōu)化后淺藍(lán)色區(qū)域面積更大，說明結(jié)構(gòu)受力更均勻，遠(yuǎn)離碰撞接觸區(qū)域的車門邊緣變形量也有差異，說明優(yōu)化后車輛剛度提高，侵入量減少.

優(yōu)化前后最大變形量節(jié)點(diǎn)侵入量對(duì)比如圖15所示.優(yōu)化前后車門侵入量趨勢(shì)一致，但是優(yōu)化后侵入量為317.530 mm，減少了36.390 mm，即減少了10.28%，車輛側(cè)圍剛度明顯改善.

車門主要吸能部件優(yōu)化前后吸能情況對(duì)比如表8所示.改變車門結(jié)構(gòu)后整車在側(cè)面柱碰撞中總的吸能值為36.680 kJ，相比優(yōu)化前的36.530 kJ略有增加.

優(yōu)化后車門主要吸能部件吸能值占整車吸收能量的14.82%，相比優(yōu)化前的12.76%，提高了16.14%.車門外板厚度減少，吸能值增加，說明優(yōu)化后充分利用了車門外板與車門主體之間的間隙，在不影響車輛整體安全性能前提下，增加了車門外板的變形量，進(jìn)而增加了吸能值，抵消了因厚度減小導(dǎo)致吸能值的損失.車門內(nèi)板厚度增加29.23%，吸能值增加35.96%.

優(yōu)化前后車門加速度與時(shí)間的關(guān)系曲線對(duì)比如圖16所示，其中：a為加速度；g為重力加速度.優(yōu)化前后曲線波動(dòng)趨勢(shì)一致，優(yōu)化后曲線整體波動(dòng)相比優(yōu)化前略有推遲，但相差甚微，說明僅改變車門剛度并不能推遲加速度峰值出現(xiàn)的時(shí)間；優(yōu)化后加速度曲線的4次顯著波峰值分別為54.01g、33.80g、11.01g、17.43g，比優(yōu)化前分別變化-7.58%、9.67%、-3.52%、5.51%，在第1次波峰，車門因變形產(chǎn)生的加速度峰值降低4.43g，說明優(yōu)后車門的剛度提高，變形速率減慢，使乘員約束系統(tǒng)有更多的緩沖時(shí)間.

優(yōu)化前后整車加速度與時(shí)間的關(guān)系曲線對(duì)比如圖17所示.

從圖17可以看出：優(yōu)化前后曲線波動(dòng)趨勢(shì)一致；本研究建立的加速度響應(yīng)面模型為最大波峰值的響應(yīng)，即第3波峰的響應(yīng)，優(yōu)化后其數(shù)值明顯降低，致使優(yōu)化后的加速度最大值受第2波峰數(shù)值支配，相比優(yōu)化前，優(yōu)化后加速度最大值減少了4.33g，減少了16.37%.通過改善各零部件間的剛度耦合關(guān)系，使優(yōu)化后的加速度曲線4次顯著波峰均小于優(yōu)化前，整體加速度波動(dòng)更加平滑，更有利于車身被動(dòng)安全系統(tǒng)與乘員約束系統(tǒng)配合，乘員受到的二次沖擊得到改善.

5結(jié)論

1） 以某乘用車駕駛員側(cè)車門為例，根據(jù)GB/T 37337—2019《汽車側(cè)面柱碰撞的乘員保護(hù)》的測(cè)試要求，建立了側(cè)面柱碰撞仿真環(huán)境，設(shè)計(jì)拉丁方試驗(yàn)，得到了試驗(yàn)樣本，建立了數(shù)學(xué)模型，基于NSGAⅡ算法對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，采用熵TOPSIS法計(jì)算了Pareto前沿解的歐式距離，確定了最終優(yōu)化方案.

2） 通過車門外板厚度的減少控制了整體質(zhì)量變化，增加車門內(nèi)板厚度使其吸能值改善，增加防撞梁的剛性以減少侵入量.改善車門內(nèi)部各零部件之間的剛度關(guān)系，使車身整體受力更平滑.

3） 對(duì)車門防撞梁的直徑、材料和厚度，車門內(nèi)外板的厚度，車窗加強(qiáng)板的厚度進(jìn)行最優(yōu)策略設(shè)計(jì)，提高了每個(gè)零部件對(duì)車輛碰撞安全性的貢獻(xiàn)度，在車門質(zhì)量減少了0.350 kg的前提下，車輛的側(cè)面柱碰撞安全性能得到了提高，車門侵入量減少了10.28%，車門安全零部件的吸能值有所提高，吸能占比提高了16.14%，車門加速度峰值降低了7.58%，整車加速度峰值減小了16.37%，使整車側(cè)面被動(dòng)安全性能得到了提高，實(shí)現(xiàn)車身侵入“增效不增本”的效果，證明了提出的優(yōu)化方法的有效性.

參考文獻(xiàn)（References）

［1］全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 汽車側(cè)面柱碰撞的乘員保護(hù)：GB/T 37337—2019[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2019.

［2］徐安琪，王陶，袁劉凱，等.基于側(cè)面碰撞的多用途乘用車側(cè)面結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，41（1）：15-19，45.

XU A Q， WANG T， YUAN L K， et al.Side structure optimization of multipurpose passenger vehicle based on side collision[J]. Journal of Jiangsu University （Natural Science Edition）， 2020，41（1）：15-19，45.（in Chinese）

［3］郝琪，潘文杰，肖琪，等.純電動(dòng)汽車側(cè)面碰撞試驗(yàn)及仿真分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2019（7）：119-122.

HAO Q， PAN W J， XIAO Q， et al. Test and simulation analysis of pure electric vehicle in side impact[J]. Machinery Design amp; Manufacture， 2019（7）：119-122.（in Chinese）

［4］劉暢，林建平， 路洪洲，等.汽車B柱碰撞失效變形過程仿真重現(xiàn)[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2019，26（1）：213-220.

LIU C， LIN J P， LU H Z， et al.Simulation of automotive Bpillar collision failure deforming process[J]. Journal of Plasticity Engineering， 2019，26（1）：213-220.（in Chinese）

［5］DAGDEVIREN S， YAVUZ M， "KOCABAS M O， et al. Structural crashworthiness analysis of a ladder frame chassis subjected to full frontal and pole side impacts[J]. International Journal of Crashworthiness， 2016，21（5）：477-493.

［6］王登峰，蔡珂芳，張帥，等.基于激光拼焊技術(shù)的汽車B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，38（7）：691-697，708.

WANG D F， CAI K F， ZHANG S， et al. Structure design of automotive Bpillar based on tailorwelded blank technology[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology， 2018，38（7）：691-697，708.（in Chinese）

［7］武和全，毛鴻鋒，曹立波.汽車側(cè)面碰撞車門可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].公路交通科技，2016，33（8）：146-151.

WU H Q， MAO H F， CAO L B. Optimal design of reliability of car door against side impact[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development， 2016，33（8）：146-151.（in Chinese）

［8］TEMEL S， VURAN M C， LUNAR M M R， et al.Vehicletobarrier communication during realworld vehicle crash tests[J]. Computer Communications， 2018，127：172-186.

［9］譚琳，李沁逸，陳益慶，等.汽車側(cè)面碰撞側(cè)圍結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車技術(shù)，2019（11）：22-25.

TAN L， LI Q Y， CHEN Y Q， et al. Reliability optimization design of side impact body structure[J]. Automobile Technology， 2019（11）：22-25.（in Chinese）

［10］董麗萍，朱西產(chǎn)，馬志雄.基于多點(diǎn)沖擊的側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)方法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，43（8）：1213-1218.

DONG L P， ZHU X C， MA Z X. Side impact sled test method based on multipoint impact[J]. Journal of Tongji University （Natural Science）， 2015，43（8）：1213-1218.（in Chinese）

［11］MOHAMMAD V H. Evaluation of new steel and composite beam designs for side impact protection of a sedan as per FMVSS 214， IIHS and side pole tests requirements[D]. India： Osmania University， 2010.

［12］馬聰承，蘭鳳崇，陳吉清.泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)改善汽車側(cè)撞安全的仿真研究[J].汽車工程，2017，39（4）：432-439，456.

MA C C， LAN F C， CHEN J Q. Simulation study on the improvement of vehicle side impact safety by aluminum foam composite structure[J]. Automotive Engineering， 2017，39（4）：432-439，456.（in Chinese）

［13］張君媛，姜哲，李仲玉，等.基于抗撞性的汽車B柱碳纖維加強(qiáng)板優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車工程，2018，40（10）：1166-1171，1178.

ZHANG J Y， JIANG Z， LI Z Y， et al.Optimization design of vehicle CFRP Bpillar stiffening panel for crashworthiness[J]. Automotive Engineering， 2018，40（10）：1166-1171，1178.（in Chinese）

［14］HUANG Z G， ZHANG B， WANG L M， et al. Experimental study on side pole collision and deformable barrier collision of car[J]. Journal of Physics： Conference Series，DOI：10.1088/17426596/1549/3/032120.

［15］LONG C R， YUEN S C K， NURICK G N. Analysis of a car door subjected to side pole impact[J]. Latin American Journal of Solids and Structures， DOI：10.1590/167978255753.

［16］郝琪，李海倫，崔宏偉，等.考慮側(cè)面柱碰的電動(dòng)汽車車門多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2020，11（3）：314-321.

HAO Q， LI H L， CUI H W， et al. Multidisciplinary design optimization of an electric vehicle door based on pole side crash[J]. Journal of Automotive Safety and Energy， 2020，11（3）：314-321.（in Chinese）

［17］林智桂，呂俊成，羅覃月，等. 面向側(cè)面柱撞的微型客車耐撞性研究[J]. 中國機(jī)械工程，2016，27（1）：129-134.

LIN Z G， LYU J C， LUO Q Y， et al. Research on crashworthiness of minivans faced on pole side impact[J]. China Mechanical Engineering， 2016，27（1）：129-134.（in Chinese）

（責(zé)任編輯賈國方）

收稿日期： ""2022-06-27

基金項(xiàng)目： "國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52472357）； 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2572014CB17）

作者簡(jiǎn)介： ""王占宇（1975—），男，吉林集安人，副教授（zywang77@163.com），主要從事汽車碰撞與輕量化研究.

王洪林（2000—），男，吉林榆樹人，碩士研究生（3177408683@qq.com），主要從事汽車碰撞與輕量化研究.