車(chē)門(mén)內(nèi)板側(cè)面碰撞的耐撞性有限元分析與輕量化設(shè)計(jì)

謝茂青，王雷剛

(浙江鐵流離合器股份有限公司，杭州 311103)

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車(chē)門(mén)內(nèi)板側(cè)面碰撞的耐撞性有限元分析與輕量化設(shè)計(jì)

謝茂青，王雷剛

(浙江鐵流離合器股份有限公司，杭州 311103)

建立了汽車(chē)車(chē)門(mén)側(cè)面碰撞的簡(jiǎn)化有限元仿真模型，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板、剛性柱的側(cè)面碰撞進(jìn)行研究，得出車(chē)門(mén)內(nèi)板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力參數(shù)、等效應(yīng)變參數(shù)，準(zhǔn)確評(píng)估了車(chē)門(mén)的碰撞性。結(jié)合仿真模型研究結(jié)果，從內(nèi)板選材的角度開(kāi)展車(chē)門(mén)輕量化研究，將鋼板材料的車(chē)門(mén)內(nèi)板替換為鋁合金材料。重新調(diào)整車(chē)門(mén)內(nèi)板的厚度，優(yōu)選基于各種車(chē)門(mén)內(nèi)板的輕量化方案，分析比對(duì)不同輕量化方案進(jìn)行碰撞仿真試驗(yàn)后的結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)化。增強(qiáng)汽車(chē)內(nèi)門(mén)側(cè)面碰撞的安全程度，達(dá)到內(nèi)板輕量化的目的。

車(chē)門(mén)內(nèi)板耐撞性；有限元分析；輕量化設(shè)計(jì)；鋁合金材料

汽車(chē)側(cè)面碰撞是比較常見(jiàn)的碰撞事故，發(fā)生率較高,如圖1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。在汽車(chē)側(cè)面碰撞的過(guò)程中，車(chē)門(mén)內(nèi)板與乘坐人員的緩沖間距僅為20～30 cm，再加上車(chē)門(mén)空間本身有限，根本不能通過(guò)結(jié)構(gòu)變形的方式吸收掉碰撞能量。在側(cè)面碰撞過(guò)程中，車(chē)門(mén)內(nèi)板的入侵距離、速度是導(dǎo)致乘坐人員受傷的關(guān)鍵因素，所以提升和改善汽車(chē)車(chē)門(mén)安全性能時(shí)，必須要對(duì)上述兩大因素進(jìn)行處理和解決，盡可能地降低入侵速度及距離。

本文對(duì)所選車(chē)型車(chē)門(mén)進(jìn)行碰撞安全性和輕量化兩方面的研究。針對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)建立有限元模型，進(jìn)行模擬仿真分析，獲取試驗(yàn)所得的車(chē)門(mén)耐撞性能，確定相應(yīng)參數(shù)值，即原車(chē)門(mén)的內(nèi)板最大侵入量[1]。然后采用輕量化材料5 182鋁合金作為車(chē)門(mén)門(mén)板材料，該材料具有較高的強(qiáng)度，在仿真實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)照各種車(chē)門(mén)厚度的耐撞性能，從而為車(chē)門(mén)輕量化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在車(chē)門(mén)內(nèi)板碰撞試驗(yàn)中，結(jié)合各種材料車(chē)門(mén)的參數(shù)能夠?yàn)樵?chē)門(mén)內(nèi)板選擇最合適的厚度，以實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化的目的[2]，進(jìn)而達(dá)到提高車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。

1　汽車(chē)原車(chē)門(mén)耐撞性有限元分析

1.1有限元模型單元類(lèi)型與質(zhì)量規(guī)定

對(duì)汽車(chē)有限元模型進(jìn)行構(gòu)建的過(guò)程中，必須要對(duì)單元類(lèi)型進(jìn)行選擇，并保證選擇的精確程度，使仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加真實(shí)。應(yīng)綜合分析問(wèn)題種類(lèi)、模型特征、問(wèn)題解決效率、解決準(zhǔn)確性等多項(xiàng)內(nèi)容，共同制定單元類(lèi)型選取決策。鈑金件是汽車(chē)車(chē)門(mén)的主要構(gòu)成材料，長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度，相對(duì)較薄，因此滿(mǎn)足有限元板殼理論的假設(shè)原理，可以對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)板件進(jìn)行殼單元模擬分析。本研究借助有限元分析求解器MSC Nastran進(jìn)行汽車(chē)車(chē)門(mén)的模態(tài)研究，針對(duì)車(chē)門(mén)，利用CQUAD4劃分網(wǎng)格，并發(fā)揮CTRIA3的作用，對(duì)一些曲面結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格。但要注意，應(yīng)確保5%的全部殼單元的量作為三角形單元的極限值[3]，汽車(chē)中間車(chē)門(mén)鉸鏈寬度尺寸是5 mm，可能會(huì)干擾試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以要借助三維六面體單元對(duì)鉸鏈進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并使鉸鏈厚度上的單元量大于2層[4]。

圖1　側(cè)面碰撞統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

在對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分的過(guò)程中，要同時(shí)對(duì)單元量、單元類(lèi)型進(jìn)行限定，有限元分析運(yùn)算的時(shí)耗取決于單元量。結(jié)合有限元基本原理，為了使仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，必須要保障單元?jiǎng)澐值募?xì)度，然而，運(yùn)算耗時(shí)長(zhǎng)、計(jì)算機(jī)資源短缺等現(xiàn)狀，使得網(wǎng)格劃分極限相對(duì)固定。本研究的主要對(duì)象為汽車(chē)車(chē)門(mén)鈑金部件，所以，在劃分時(shí)要選擇8 mm的2D網(wǎng)格。

由于汽車(chē)車(chē)門(mén)的形狀及構(gòu)成非常煩瑣，車(chē)門(mén)內(nèi)板包括多個(gè)孔位、曲面凸臺(tái)，劃分曲面網(wǎng)格的難度較大，很容易出現(xiàn)網(wǎng)格單元異面、網(wǎng)格翹曲的現(xiàn)象。在提高仿真實(shí)驗(yàn)的精確程度時(shí)，必須要對(duì)翹曲角度進(jìn)行合理的控制，以免使試驗(yàn)分析結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差[5]。網(wǎng)格劃分質(zhì)量在一定程度上同單元細(xì)條也有很大的關(guān)系，若運(yùn)用四邊形網(wǎng)格劃分的單元細(xì)長(zhǎng)在5.0以上，就會(huì)造成2.407 0的節(jié)點(diǎn)位移偏差[6]。對(duì)于保持計(jì)算效率、準(zhǔn)確性彼此的均衡性，應(yīng)嚴(yán)格規(guī)定汽車(chē)車(chē)門(mén)有限元模型的網(wǎng)格質(zhì)量[7]，詳見(jiàn)表1。

表1　汽車(chē)車(chē)門(mén)有限元模型的網(wǎng)格質(zhì)量具體規(guī)定

1.2連接汽車(chē)車(chē)門(mén)有限元模型

針對(duì)由多個(gè)部件構(gòu)成的汽車(chē)車(chē)門(mén)進(jìn)行碰撞仿真試驗(yàn)時(shí)，要考慮到部件如何有效地連接起來(lái)，在提升試驗(yàn)準(zhǔn)確性時(shí)必須要確保連接方式的科學(xué)性和合理性[7]。外包能夠?qū)⑵?chē)車(chē)門(mén)的內(nèi)外板連接起來(lái)，可以通過(guò)Altair HyperMesh模擬門(mén)板單元節(jié)點(diǎn)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，車(chē)門(mén)內(nèi)板和外板兩者的厚度總和能夠用最外層單元的厚度尺寸來(lái)表示。借助點(diǎn)焊的方式能夠?qū)④?chē)門(mén)內(nèi)板、窗框板件和內(nèi)板加強(qiáng)板有效地連接起來(lái)，在Nastran有限元分析求解器的基礎(chǔ)上，通過(guò)CWELD單元按成模擬操作，焊點(diǎn)單元的半徑應(yīng)為2.5 mm。車(chē)門(mén)內(nèi)板主要由兩大部分構(gòu)成，能夠應(yīng)用激光焊接的方式連接起來(lái)，可以借助共節(jié)點(diǎn)模擬具體的焊接操作。RBE2單元為多點(diǎn)約束，主、從節(jié)點(diǎn)的位移相同，如果部件連接部位受力研究準(zhǔn)確性較低，能夠?qū)Σ考倪B接過(guò)程進(jìn)行模擬分析，還可以分別對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板同鉸鏈的連接、車(chē)門(mén)防撞安裝板同防撞梁的連接、內(nèi)板同升降器的連接進(jìn)行模擬。

1.3原車(chē)門(mén)內(nèi)板腰線(xiàn)剛度模型建立及有限元分析

1.3.1有限元模型建立

汽車(chē)側(cè)面承受力量的主要部件就是車(chē)門(mén)，因此，車(chē)輛的耐撞性能與車(chē)門(mén)的碰撞能力有著緊密的聯(lián)系。在對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)進(jìn)行輕量化研究的過(guò)程中，必須要確保車(chē)門(mén)的耐撞性、剛度達(dá)到預(yù)期設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，并能夠給駕駛?cè)藛T提供良好的駕駛體驗(yàn)，保證汽車(chē)的安全功能。車(chē)門(mén)外板剛度、車(chē)門(mén)內(nèi)板剛度、側(cè)向剛度和垂直剛度是構(gòu)成汽車(chē)車(chē)門(mén)剛度有限元分析的幾大常見(jiàn)工作狀態(tài)。

本研究在分析汽車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板腰線(xiàn)剛度時(shí)，應(yīng)規(guī)定鎖扣位置X、Y、Z3個(gè)坐標(biāo)方向上的移動(dòng)自由度，并對(duì)鉸鏈連接位置的6大自由度進(jìn)行限制，將Y方向上100 N的力施加到內(nèi)板腰線(xiàn)中心位置，要從內(nèi)側(cè)向外側(cè)施加力量。圖2為汽車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板側(cè)面剛度分析的有限元模型。

圖2　車(chē)門(mén)內(nèi)板腰線(xiàn)剛度分析有限元模型

1.3.2結(jié)果分析

經(jīng)仿真分析可知，汽車(chē)車(chē)門(mén)加載點(diǎn)的Y方向變形是0.539 mm，但是按照行業(yè)規(guī)定應(yīng)保證Max形變量小于1.2 mm。分析結(jié)果表明汽車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板腰線(xiàn)的剛度達(dá)到了設(shè)計(jì)規(guī)定，Y方向上的位移示意圖如圖3所示。

根據(jù)公式Fls=K，能夠得出汽車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板的腰線(xiàn)剛度值。內(nèi)板腰線(xiàn)剛度與K呈正相關(guān)關(guān)系，剛度越強(qiáng)對(duì)應(yīng)的K值越大，代入研究數(shù)據(jù)能夠得出內(nèi)板腰線(xiàn)剛度數(shù)值是186.64 N/mm。原車(chē)門(mén)內(nèi)板剛度研究結(jié)果詳見(jiàn)表2。

圖3　汽車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板腰線(xiàn)剛度的Y方向變形量示意圖

工作狀態(tài)數(shù)值規(guī)定最小剛度/(N·mm-1)許用變形量/mm計(jì)算剛度/(N·mm-1)變形量/mm內(nèi)板剛度83.361.2186.640.538

1.4車(chē)門(mén)外板腰線(xiàn)剛度分析

1.4.1載荷條件和約束條件

在分析汽車(chē)車(chē)門(mén)外板腰線(xiàn)剛度時(shí)，應(yīng)對(duì)鉸鏈連接位置的6大自由度進(jìn)行限制，并規(guī)定鎖扣位置X、Y、Z3個(gè)坐標(biāo)方向上的移動(dòng)自由度，將Y方向上100 N的力施加到外板腰線(xiàn)中心位置，要從外側(cè)向內(nèi)側(cè)施加力量。汽車(chē)車(chē)門(mén)外板側(cè)面剛度分析有限元模型如圖4所示。

1.4.2結(jié)果分析

汽車(chē)車(chē)門(mén)加載點(diǎn)的Y方向變形是0.366 mm，但是按照行業(yè)規(guī)定應(yīng)保證Max形變量小于1.2 mm，仿真分析結(jié)果表明汽車(chē)車(chē)門(mén)外板腰線(xiàn)的剛度達(dá)到了設(shè)計(jì)規(guī)定，Y方向上的外板腰線(xiàn)剛度位移示意圖如圖5所示。在對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)外板腰線(xiàn)剛度進(jìn)

行分析和研究的過(guò)程中，可以根據(jù)公式Fls=K得出汽車(chē)車(chē)門(mén)外板的腰線(xiàn)在Y方向上的變形量。外板腰線(xiàn)剛度與K呈正相關(guān)關(guān)系，剛度越強(qiáng)對(duì)應(yīng)的K值越大，在公式中代入數(shù)據(jù)能夠得出外板腰線(xiàn)剛度數(shù)值是273.31 N/mm。

圖4　車(chē)門(mén)外板腰線(xiàn)剛度分析有限元模型

圖5　車(chē)門(mén)外板腰線(xiàn)剛度Y向位移圖

見(jiàn)表3，結(jié)果顯示汽車(chē)車(chē)門(mén)的剛度均達(dá)到了預(yù)期設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)規(guī)定Min窗框側(cè)向剛度與本研究剛度相一致，在進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)可以應(yīng)用。

表3　汽車(chē)車(chē)門(mén)各剛度數(shù)值表

1.5原車(chē)門(mén)計(jì)算模擬分析

本文用的模型為無(wú)窗框車(chē)門(mén)。1)防撞梁、加強(qiáng)板和內(nèi)/外板共同組成了汽車(chē)車(chē)門(mén)；2)鉸鏈、車(chē)門(mén)鎖、裝飾以及外裝飾件構(gòu)成了車(chē)門(mén)附件[8]。車(chē)門(mén)較為復(fù)雜，發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，吸收能量的部位主要為車(chē)門(mén)門(mén)體，因此，文章對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)進(jìn)行了進(jìn)一步的簡(jiǎn)化，在原有車(chē)門(mén)框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)施改進(jìn)，使得汽車(chē)具備原有內(nèi)/外板、防撞梁以及支架等車(chē)門(mén)門(mén)體的主要組成部分。

因?yàn)槠?chē)車(chē)門(mén)單元量不少，所以車(chē)門(mén)碰撞仿真試驗(yàn)分析的單次運(yùn)算耗時(shí)長(zhǎng)，需要針對(duì)車(chē)門(mén)構(gòu)建有限元模型，以此來(lái)開(kāi)展耐撞性研究，從而提高整體運(yùn)算效率，汽車(chē)車(chē)門(mén)的有限元模型示意圖如圖6所示。研究圓柱體與車(chē)門(mén)的碰撞過(guò)程(如圖7所示)，應(yīng)控制圓柱體的速率，而車(chē)門(mén)耐撞性能的評(píng)價(jià)憑借碰撞時(shí)的變形侵入量實(shí)現(xiàn)[9]。模型中所用的圓柱體直徑為305 mm，圓柱體的上端面相較于窗口下邊緣線(xiàn)，應(yīng)超過(guò)13 mm的距離，模擬時(shí)圓柱體不允許碰到其他構(gòu)件；圓柱體下端面相較于車(chē)門(mén)外板最低點(diǎn)應(yīng)超過(guò)127 mm的距離。

(a)車(chē)身

(b)車(chē)門(mén)圖6　汽車(chē)車(chē)門(mén)的有限元模型示意圖

圖7　車(chē)門(mén)與圓柱體的碰撞有限元模型示意圖

1)選取材料：針對(duì)以L(fǎng)S-DYNA為原料的車(chē)門(mén)鋼板進(jìn)行仿真模擬分析，圓柱體的材料是24號(hào)彈塑性材料，應(yīng)使車(chē)門(mén)鋼板剛度、參數(shù)、模型狀態(tài)等材料參數(shù)保持一致。在模擬時(shí)可以通過(guò)Beam梁?jiǎn)卧獙?duì)車(chē)門(mén)的焊點(diǎn)、外/內(nèi)板包邊進(jìn)行處理，選定MAT100材料，采用點(diǎn)焊接觸，通過(guò)定義接觸連接殼單元和Beam單元，此舉可對(duì)焊點(diǎn)的失效行為進(jìn)行模擬。

2)汽車(chē)車(chē)門(mén)邊界的限制因素：本研究結(jié)合碰撞過(guò)程中車(chē)門(mén)發(fā)生的變形狀況，通過(guò)模擬的手段來(lái)獲得汽車(chē)車(chē)門(mén)側(cè)面的限制條件和因素。如果車(chē)門(mén)處于關(guān)閉的狀態(tài)，就需要以一定的限制條件來(lái)約束邊框、車(chē)門(mén)鎖、上/下鉸鏈。

汽車(chē)車(chē)門(mén)上、下鉸鏈部位要對(duì)繞Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)條件進(jìn)行限制，限制其他五大自由度，并規(guī)定車(chē)門(mén)門(mén)鎖的Y、Z兩個(gè)坐標(biāo)方向上的移動(dòng)自由度，可以忽略邊框在碰撞過(guò)程中的Z方向上的變形量，對(duì)車(chē)門(mén)邊框Y方向上的允許變形量進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)定[10]。

3)接觸的定義：車(chē)門(mén)同圓柱體進(jìn)行碰撞時(shí)，兩個(gè)表面相互接觸，可能會(huì)使車(chē)門(mén)部件出現(xiàn)變形，所以汽車(chē)車(chē)門(mén)會(huì)同相關(guān)組成件發(fā)生接觸，其他組成件與車(chē)門(mén)外板亦發(fā)生接觸。由于碰撞過(guò)程中不確定因素較多，因此，接觸位置很難確定。文章選擇自動(dòng)單面接觸，對(duì)車(chē)門(mén)內(nèi)部組成件間的接觸進(jìn)行模擬；選擇自動(dòng)面面接觸，對(duì)圓柱體外表面和車(chē)門(mén)外板之間的接觸進(jìn)行模擬，動(dòng)靜摩擦系數(shù)按照0.2選取。

4)設(shè)置初始條件：參考EuroNCAP側(cè)面碰撞評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，車(chē)門(mén)同圓柱體進(jìn)行碰撞時(shí)的速度要設(shè)置為50 km/h，圓柱體沿Y方向，圓柱體速度應(yīng)同車(chē)速相一致，對(duì)外板進(jìn)行碰撞[11]。結(jié)合相關(guān)資料，在車(chē)門(mén)進(jìn)行碰撞后，運(yùn)算應(yīng)從內(nèi)側(cè)出現(xiàn)變形量到乘坐人員同車(chē)門(mén)相互接觸為止，時(shí)間段一般在25 ms之內(nèi)，因此，文章設(shè)定的碰撞終止時(shí)間為25 ms。

本研究應(yīng)將LS-DYNA第四類(lèi)型設(shè)置成沙漏控制種類(lèi)，選擇0.1為剛度系數(shù)值。若模型的沙漏不超過(guò)總能量的5%，可以保證模型能量守恒，既認(rèn)定成功。車(chē)門(mén)發(fā)生側(cè)碰過(guò)程中能量變化曲線(xiàn)如圖8可知，由圖8所示，模型是成功的。

圖8　車(chē)門(mén)側(cè)碰過(guò)程能量變化曲線(xiàn)

以5 ms為單位，在0～25 ms間選擇6個(gè)碰撞時(shí)間點(diǎn)，圖9表示車(chē)門(mén)內(nèi)板發(fā)生側(cè)碰時(shí)的變形。

由圖9可知，在模擬碰撞過(guò)程中，車(chē)門(mén)變形區(qū)域包括兩部分：第一部分變形區(qū)域?yàn)閳A柱體外表面與車(chē)門(mén)外板主要接觸區(qū)域；第二部分變形區(qū)域?yàn)檐?chē)門(mén)外板中部。對(duì)柱碰過(guò)程進(jìn)行分析：碰撞時(shí)間為7 ms時(shí)，汽車(chē)車(chē)門(mén)組成部件相互接觸的次序是：防撞梁、內(nèi)板、升降器安裝板，內(nèi)板在7 ms之內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)較大的變形量。當(dāng)碰撞發(fā)生15 ms之后，車(chē)門(mén)內(nèi)腔會(huì)受到較大的擠壓，車(chē)門(mén)內(nèi)板變形顯著。即碰撞時(shí)間為15 ms時(shí)，車(chē)門(mén)內(nèi)板和防撞梁中部接觸區(qū)域的變形達(dá)到峰值；碰撞時(shí)間為20 ms時(shí)，接觸區(qū)域已形成顯著的內(nèi)凹，門(mén)邊框Y向自由度被約束，圓柱底面四周形成了顯著的褶皺；碰撞時(shí)間為15 ms時(shí)，車(chē)門(mén)內(nèi)板與車(chē)門(mén)外板全凹陷，防撞梁變形嚴(yán)重[12]。依據(jù)模擬結(jié)果，車(chē)門(mén)內(nèi)板的中上部為最大變形區(qū)域。

圖9　車(chē)門(mén)內(nèi)板發(fā)生側(cè)碰時(shí)的變形圖

2　車(chē)門(mén)內(nèi)板輕量化仿真與結(jié)果分析

通過(guò)改變車(chē)門(mén)內(nèi)板的材料，制定不同的車(chē)門(mén)內(nèi)板厚度方案，通過(guò)對(duì)照研究碰撞仿真分析數(shù)據(jù)，能夠計(jì)算出符合車(chē)門(mén)碰撞安全規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化方案，達(dá)到車(chē)門(mén)輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文采用5182鋁合金作為車(chē)門(mén)內(nèi)板材料，其余零部件的材料、厚度尺寸應(yīng)與車(chē)門(mén)相同，將內(nèi)、外板的材料厚度準(zhǔn)確進(jìn)行鑒別，設(shè)計(jì)出合理、科學(xué)的輕量化設(shè)計(jì)方案。具體設(shè)計(jì)方案詳見(jiàn)表4。

表4　汽車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板的輕量化設(shè)計(jì)方案

在車(chē)門(mén)內(nèi)板對(duì)輸出節(jié)點(diǎn)進(jìn)行布置，對(duì)比不同厚度車(chē)門(mén)側(cè)面碰撞安全性的節(jié)點(diǎn)，確定入侵距離最大的節(jié)點(diǎn)，汽車(chē)碰撞安全性的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括2項(xiàng):1)車(chē)門(mén)內(nèi)板的最大入侵距離；2)最大入侵速度[13]。圖10～11表示隨時(shí)間變化，不同厚度車(chē)門(mén)入侵速度及其入侵量的變化規(guī)律。

圖10　不同厚度車(chē)門(mén)內(nèi)板入侵距離隨時(shí)間變化

圖11　不同厚度車(chē)門(mén)內(nèi)板入侵速度隨時(shí)間變化

表5表示不同厚度車(chē)門(mén)內(nèi)板的仿真結(jié)果。

表5　不同厚度的車(chē)門(mén)內(nèi)板仿真結(jié)果

由表中數(shù)據(jù)可知，與原車(chē)門(mén)相比，方案6中車(chē)門(mén)內(nèi)板的最大入侵距離降低0.84 mm；車(chē)門(mén)內(nèi)板的最大入侵速度明顯減小，為0.9 m/s，運(yùn)用對(duì)照研究的方式分析碰撞過(guò)程中內(nèi)板、輕量化方案6的等效應(yīng)變、應(yīng)力。

碰撞0.035 s時(shí)車(chē)門(mén)內(nèi)板的最大應(yīng)力、應(yīng)變分別為 1 043.36 MPa、494.099 MPa。進(jìn)行汽車(chē)車(chē)門(mén)輕量化設(shè)計(jì)后，與原車(chē)門(mén)相比，應(yīng)變數(shù)值相對(duì)較小，這同車(chē)門(mén)原材料有很大的關(guān)系，但內(nèi)板等效應(yīng)力則大大降低[14]。車(chē)門(mén)內(nèi)板最大等效應(yīng)變、應(yīng)力如圖12所示。

優(yōu)選方案6是完全可以滿(mǎn)足汽車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板在發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)的安全性能規(guī)定[15]的。對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)后，內(nèi)板質(zhì)量有了較大的減重，優(yōu)選結(jié)果表明選擇鋁合金作為替代材料是可行的。

圖12　車(chē)門(mén)內(nèi)板等效應(yīng)變圖

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元仿真模型構(gòu)建的方式，研究了圓柱體、車(chē)門(mén)內(nèi)板的碰撞仿真數(shù)據(jù)，對(duì)內(nèi)板材料進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，采用鋁合金代替原來(lái)車(chē)門(mén)內(nèi)板的普通鋼板，對(duì)照研究多個(gè)輕量化設(shè)計(jì)方案的側(cè)面碰撞仿真數(shù)據(jù)，在確保安全程度的基礎(chǔ)上，確定方案6為最優(yōu)方案。

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The Finite Element Analysis and Lightweight Design to the Car Door Inner Panel Crashworthiness

XIE Mao-qing，etc.

(ZhejiangTieliuClutchCo.，Ltd.，Hangzhou311103，China)

By establishing the simplified finite element simulation model of car door inner side crash，and the crash research to the car door panel and the rigid column，this article has got the stress parameters to the door inside panel structure，the equivalent strain parameters，and gives an accurate evaluation to the car door crashworthiness.Combined with the research result to simulation model，and based on the lightweight design to the door inner panel materials selection，the steel board material in the car inner side has been changed into aluminum alloy material.The thickness of the car door inner panel has been readjusted，and optimized among each kind of lightweight designs to car door inner panel.The crash simulation experiment to different lightweight designs has been made to compare and analyze the experiment results，in order to realize the optimization.By the above analysis and research，the car door inner panel crash safety has been increased，and the purpose of lightweight design to car door inner panel has also been realized.

the car door inner panel crashworthiness；finite element analysis；lightweight design；aluminum alloy material

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.011

2016-06-15

謝茂青(1974-)，男(漢),杭州,碩士,高級(jí)工程師

主要研究材料科學(xué)與工程。

U463.82：TB33

A

1009-8984(2016)03-0045-06