基于側(cè)面碰撞的多用途乘用車側(cè)面結(jié)構(gòu)優(yōu)化

徐安琪, 王 陶, 袁劉凱, 鄒小俊, 王良模

(1. 南京理工大學 機械工程學院, 江蘇 南京 210094; 2. 南京依維柯汽車有限公司, 江蘇 南京 210028)

在交通道路安全事故中,根據(jù)碰撞的位置,車輛間的碰撞可分為正面碰撞、側(cè)面碰撞、翻滾和追尾等形式,在這些事故類型中,正面碰撞發(fā)生的頻率為59%,側(cè)面碰撞發(fā)生的頻率為27%,但是由事故造成重大傷亡時,正面碰撞所占比例為49%,側(cè)面碰撞所占比例為42%,也就是說側(cè)面碰撞的比損失大于正面碰撞的比損失,側(cè)面碰撞事故帶來的傷亡更加嚴重,導致的損失也更大[1].側(cè)面碰撞安全性能越來越受到研究學者的關(guān)注.

國內(nèi)外學者[2-5]對側(cè)面碰撞安全性做了大量的研究,主要采用計算機仿真和實車試驗相結(jié)合的方法進行研究,其中研究對象大多為乘用車,研究內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)耐撞性和人體響應[6-7]等.筆者以某多用途乘用車為研究對象,采用有限元分析與實車試驗相結(jié)合的方法,對整車正面碰撞進行仿真和試驗,并進行對比驗證,同時,對側(cè)面碰撞進行仿真以及安全性進行優(yōu)化,以B柱對應乘員胸部的侵入量和侵入速度為評價指標,采用正交試驗設(shè)計和多因素權(quán)重優(yōu)化方法對車體側(cè)面主要吸能結(jié)構(gòu)進行材料和厚度的優(yōu)化,并對側(cè)面結(jié)構(gòu)進行改進以提高整車的側(cè)面碰撞安全性能.

1 整車有限元模型的建立與驗證

1.1 整車有限元模型的建立

使用Hypermesh軟件對整車建模.整車大部分為鈑金件,因此整車的網(wǎng)格大部分使用殼單元,車體中的鑄造件、鉸鏈、膠黏和水箱等則采用3D實體單元來模擬,將網(wǎng)格尺寸控制在10 mm左右.根據(jù)CAD圖紙給出的焊點坐標位置用體單元進行焊點建模,前后風擋玻璃邊緣、頂蓋與車頂橫梁邊緣等處連接采用實體單元的膠黏模擬.接觸包括整車模型的自接觸、整車所有焊點的接觸和整車模型中所有輪胎與地面的接觸.整車碰撞模型中用到最多的MAT24號材料,是多段線性彈塑性材料,可以準確體現(xiàn)材料在塑性變形時各個階段的力學特征.建立的整車有限元模型單元數(shù)為2 075 531 個,其中三角形單元僅占2.6%,節(jié)點數(shù)為1 960 828個.

1.2 正面碰撞試驗驗證

根據(jù)GB 11551—2014《汽車正面碰撞的乘員保護》標準的要求,對目標車型進行正面碰撞仿真模擬,速度為50 km·h-1.并對該車型的樣車進行實車正面碰撞試驗,試驗結(jié)果表明:該試驗車輛表現(xiàn)了很好的耐撞性能和乘員保護性能,此次檢驗的試驗車的正面碰撞乘員保護性能符合標準的要求.

實車與仿真碰撞結(jié)果對比如圖1所示.仿真的變形部位以及變形程度與試驗的大體相當,仿真的引擎蓋、保險杠和翼子板等的變形大致與試驗相符,可以認為兩者的碰撞變形基本相符,仿真模型計算的準確度在可接受的范圍內(nèi),由此表明整車仿真模型具有有效性.

圖1 碰撞試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比

2 整車側(cè)面碰撞仿真

2.1 整車側(cè)面碰撞模型的建立

直接將已驗證的整車模型應用在整車側(cè)面碰撞模型中不會改變其有效特征[8].根據(jù)GB 20071—2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護》的規(guī)定,調(diào)整整車有限元模型和可移動變形壁障模型的相對位置,使得移動壁障的縱向中垂面通過整車座椅最低位置R點所在的車身截面.整車模型與MDB模型之間選擇面面接觸,設(shè)置摩擦系數(shù)為0.2.給臺車所有節(jié)點施加在y軸方向的初始速度13.889 m·s-1,加載時間為120 ms.整車側(cè)面碰撞模型如圖2所示.

圖2 整車側(cè)面碰撞模型

2.2 側(cè)面碰撞過程的能量變化

側(cè)面碰撞過程的系統(tǒng)能量變化曲線如圖3所示,碰撞系統(tǒng)的總能量守恒,各個能量曲線變化平穩(wěn).碰撞開始時的總能量約為93.80 kJ,結(jié)束時總能量為96.30 kJ,增加了2.50 kJ,沙漏能最大為1.68 kJ,占系統(tǒng)總能量的1.79%,小于總能量的5.00%,滑移界面能最大為3.63 kJ,占系統(tǒng)總能量的3.80%,小于5.00%,可以判定模型的穩(wěn)定性和有效性符合要求[9].

圖3 系統(tǒng)能量變化曲線

2.3 整車變形分析

整車在變形最大時的位移云圖如圖4所示.

圖4 整車變形位移云圖

從圖4可以看出:側(cè)面碰撞所撞擊的區(qū)域在車體左側(cè)的中下部分,變形主要集中在與移動壁障直接接觸的車身左側(cè)下部,左前車門、左側(cè)B柱以及左后車門均發(fā)生了很嚴重的變形,車頭、車尾及車身右側(cè)的基本沒有發(fā)生變形.在側(cè)面碰撞過程中侵入量最大的區(qū)域集中在B柱及左前車門內(nèi)板的中下部,侵入量整體達到300 mm,嚴重變形區(qū)域甚至超過300 mm,顯然會對駕駛員產(chǎn)生嚴重的身體損傷,無法滿足要求.

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進

3.1 正交試驗設(shè)計

采用正交試驗設(shè)計方法和多因素權(quán)重優(yōu)化方法對B柱以及車門處進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,由于車門內(nèi)外板屬于較大的板件,車門不適合作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù),所以選取B柱內(nèi)外板和車門加強板作為優(yōu)化對象.

B柱外板的材料已采用高強度鋼無需再優(yōu)化,選取B柱內(nèi)板的材料以及厚度、車門加強板的材料以及厚度、B柱外板厚度作為正交試驗設(shè)計的5個優(yōu)化參數(shù),這5個優(yōu)化參數(shù)分別記為因素A,B,C,D,E.對于正交試驗設(shè)計中因素水平數(shù)的選取,盡量考慮多的水平因素可以使試驗越全面,但是太多因素會使試驗次數(shù)翻倍增加,因此合理安排正交試驗設(shè)計的水平因素很重要.采用L16(45)正交表,分別對這5個因素選取4個水平,根據(jù)上述各因素水平取值如表1所示.

表1 試驗因素水平表

在側(cè)面碰撞過程中側(cè)面結(jié)構(gòu)的整體侵入量是側(cè)面碰撞的重要安全指標,在側(cè)面碰撞的評分標準中,胸部的傷害是重要的評價項目之一,且假人肋骨的變形量是胸部傷害的重要評價指標[9].而侵入量是導致假人肋骨變形量的重要因素,因此分析側(cè)面碰撞的侵入量是非常重要的.同時在側(cè)面碰撞評分標準中,VC(胸部傷害黏性)也是重要的考察指標,VC是相對擠壓變形量與變形速度之積[10].所以VC不僅與結(jié)構(gòu)的侵入量有關(guān),還與結(jié)構(gòu)的侵入速度有著密切聯(lián)系.因此,選取B柱處的胸部對應測量點的侵入量和侵入速度作為評價指標,通過分析試驗數(shù)據(jù),進而找到提高耐撞性能的最優(yōu)組合,從而提升側(cè)圍結(jié)構(gòu)的耐撞性及安全性.

3.2 正交試驗結(jié)果

試驗采取5個因素4個水平,選擇L16(45)正交試驗表構(gòu)造樣本空間,一共進行16次試驗,分別根據(jù)每次試驗編號所選擇的材料厚度更改模型,并輸出K文件提交給LS-dyna計算,從結(jié)果中提取評價指標侵入量和侵入速度值,得到的正交試驗設(shè)計結(jié)果如表2所示.

表2 正交試驗結(jié)果表

3.3 優(yōu)化方案選取

為了便于確定5個因素對于側(cè)面安全性能影響的程度,先通過極差分析法,對所獲得的結(jié)構(gòu)進行整理分析.結(jié)果如表3所示,這5個因素中B柱內(nèi)板厚度對于侵入量指標的影響最大,而對于侵入速度指標影響最大的因素是B柱內(nèi)板材料,且對于2個指標分別選擇的最優(yōu)方案也不一致,所以需要對其進行多因素權(quán)重優(yōu)化設(shè)計.

多因素權(quán)重優(yōu)化方法是基于正交試驗的多指標優(yōu)化方法,其核心是對各因素水平影響優(yōu)化目標的權(quán)重進行分析,提升最優(yōu)方案選擇的可信度[8].通過試驗結(jié)果對2個指標的綜合權(quán)重矩陣進行計算可得公式(1).

表3 各因素水平極差分析

式中：ω總為綜合權(quán)重矩陣；ω侵入量為侵入量權(quán)重矩陣；ω侵入速度為侵入速度權(quán)重矩陣.

對侵入量和侵入速度2個指標的綜合評價影響的主次順序為B,A,C,E,D,最優(yōu)方案應選取為A2B4C3D2E4,即B柱內(nèi)板材料選擇Q345,厚度為1.6 mm,車門加強板材料選擇Q345,厚度為0.9 mm,B柱外板厚度為1.5 mm.

3.4 結(jié)構(gòu)進一步改進

目標車型沒有安裝防撞桿,車門內(nèi)外板之間只有一塊加強板,且位置較靠上,為了更好地吸收碰撞能量,傳遞碰撞力,考慮在車門加強板下方增加防撞桿來提高車門的強度.

原車型的車門結(jié)構(gòu)以及增加防撞桿后的車門如圖5所示,在車門處只安裝了一塊加強板來提升車門的強度,由于車門的中下部變形較大,所以將防撞桿向下傾斜安裝.防撞桿的截面形狀為圓形,材料為DCO4,厚度為1.0 mm.

B柱在整個側(cè)碰過程中起到了關(guān)鍵的承力作用,其剛度和強度的好壞對側(cè)面碰撞的耐撞性和安全性有重要的影響.B柱的變形主要集中在中下部,所以對B柱的改進主要是提高中下部的強度.在前面已對車門結(jié)構(gòu)增加了防撞桿,這樣勢必會使車門將更多的碰撞力傳遞給B柱下端.所以在B柱下端與門檻之間新增一個材料為Q235厚度為1.2 mm的貫通梁,如圖6所示,使其更好地傳遞碰撞力.

圖5 車門優(yōu)化前后示意圖

圖6 B柱改進后的示意圖

4 改進后仿真結(jié)果對比

將最終優(yōu)化方案應用于整車進行側(cè)面碰撞仿真模擬,胸部測量點優(yōu)化前后的侵入量和侵入速度對比如圖7所示.

圖7 胸部測量點優(yōu)化前后的侵入量和侵入速度對比

從圖7可以看出：測量點的最大侵入量和最大侵入速度在優(yōu)化后都有了明顯的降低,其中最大侵入量在優(yōu)化前為275.683 mm,優(yōu)化后為222.639 mm,降低了19.25%.該點最大侵入速度優(yōu)化前為8.807 09 m·s-1,優(yōu)化后的最大侵入速度為7.439 02 m·s-1,降低了15.53%.

5 結(jié) 論

采用有限元方法對某多用途乘用車進行正面碰撞分析并與實車試驗結(jié)果進行對比,驗證了模型的準確性.然后對其進行側(cè)面碰撞仿真分析,根據(jù)仿真結(jié)果,采用正交試驗設(shè)計和多因素權(quán)重優(yōu)化方法，對側(cè)面結(jié)構(gòu)包括B柱內(nèi)外板和車門加強板進行厚度和材料的匹配優(yōu)化設(shè)計,選取最優(yōu)的組合方案,并針對薄弱的地方進行改進,在車門處增加防撞桿、B柱下端增加貫通梁的措施來引導碰撞力的傳遞和吸收碰撞能量,將最終的優(yōu)化方案應用在整車中,降低了側(cè)面結(jié)構(gòu)的侵入量和侵入速度.結(jié)果表明優(yōu)化方案可以改善側(cè)面結(jié)構(gòu)的側(cè)面碰撞耐撞性能.