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轎車(chē)側(cè)面碰撞模型簡(jiǎn)化及輕量化設(shè)計(jì)重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文（專(zhuān)業(yè)學(xué)位）學(xué)生姓名：王林指導(dǎo)教師：龍思遠(yuǎn)教授兼職導(dǎo)師：范體強(qiáng)高級(jí)工程師學(xué)位類(lèi)別：工程碩士（車(chē)輛工程領(lǐng)域）重慶大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院二O一五年十一月 ModelSimplificationofCarSideImpactandLightweightDesignAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementforProfessionalDegreeByWangLinSupervisedbyProf.LongSiyuanPluralisticSupervisedbyFanTiqiangSpecialty：ME(VehicleEngineeringField)CollegeofAutomotiveEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaNovember,2015 中文摘要摘要近年來(lái)，隨著當(dāng)前社會(huì)對(duì)汽車(chē)安全性能和節(jié)能環(huán)保越來(lái)越多地重視，在確保汽車(chē)剛度、安全性能的前提下，最大限度地減小汽車(chē)部件的質(zhì)量已成為汽車(chē)工業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)研究課題。由于汽車(chē)乘員艙側(cè)面車(chē)身強(qiáng)度相對(duì)于其他區(qū)域較弱，側(cè)碰易對(duì)乘員造成較大的傷害，因此研究汽車(chē)側(cè)面碰撞安全性能及輕量化設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文在對(duì)汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)和耐撞性分析做大量文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，闡述了當(dāng)今汽車(chē)工業(yè)常用的幾種輕量化設(shè)計(jì)方法，同時(shí)介紹了國(guó)內(nèi)外汽車(chē)耐撞性的研究現(xiàn)狀。然后建立了Toyota凱美瑞車(chē)型的側(cè)碰簡(jiǎn)化模型，并使用Hyperworks、LS-dyna、OptiStruct等相關(guān)軟件及正交試驗(yàn)方法，系統(tǒng)進(jìn)行了整車(chē)正面碰撞、側(cè)面碰撞、白車(chē)身剛度模擬仿真分析，最終在滿(mǎn)足汽車(chē)結(jié)構(gòu)安全性能的條件下給出了兩種設(shè)計(jì)方案，獲得了較好的減重效果。論文研究結(jié)論如下：①通過(guò)對(duì)比某款轎車(chē)CAE模型正面碰撞仿真結(jié)果與實(shí)車(chē)正面碰撞試驗(yàn)，驗(yàn)證了整車(chē)有限元模型的可靠性；②在整車(chē)側(cè)面碰撞有限元模型的基礎(chǔ)上，建立兩種不同邊界約束下的側(cè)碰簡(jiǎn)化模型——base1為半約束，base2為全約束。對(duì)兩種簡(jiǎn)化模型進(jìn)行厚度靈敏度分析，確定了base1半約束簡(jiǎn)化模型更具有效性和準(zhǔn)確性。③輕量化方案一：對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行正交設(shè)計(jì)并通過(guò)權(quán)重優(yōu)化方法得到合理的材料分配方案，結(jié)合整車(chē)側(cè)碰模擬結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)分配方案進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，得到新的優(yōu)化方案，并對(duì)其進(jìn)行整車(chē)側(cè)碰和白車(chē)身剛度模擬，通過(guò)與原始模型仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了方案一在滿(mǎn)足汽車(chē)結(jié)構(gòu)安全性能的條件下實(shí)現(xiàn)優(yōu)化部件減重17.3%。④輕量化方案二：使用熱沖壓激光拼焊技術(shù)，對(duì)方案一B柱加強(qiáng)板進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)仿真分析，驗(yàn)證其在滿(mǎn)足汽車(chē)結(jié)構(gòu)安全性能的條件下，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化部件減重25.6%。關(guān)鍵詞：側(cè)面碰撞，簡(jiǎn)化模型，結(jié)構(gòu)安全性能，輕量化設(shè)計(jì)I 英文摘要ABSTRACTWiththedevelopmentofmodernsociety,automobilesafetyperformance,energyconservationandenvironmentalprotectionaremoreandmoreattentioninrecentyears.Onthepremiseofensuringcarstiffnessandsafety,minimizingthequalityofthecarpartshasbecomeahotresearchtopicintheautomobileindustry.Becausethepassengercompartmentisarelativelyweakzoneinthevehiclesideimpact.,passengersmayeasilysufferfromsevereinjuries.Sotheresearchofsafetyperformanceandlightweightinthevehiclesideimpacthasstrongpracticalsignificanceandengineeringapplication.Basedonalargenumberofliteratureresearchaboutautomotivelightweightandcrashworthiness,thispaperelaboratesseveraldesignmethodsofautomotivelightweight,whichiscommonlyusedintheautomotiveindustry.Anditalsointroducesthecurrentresearchstatusofvehiclecrashworthiness.BymeansofestablishingthesidetouchsimplifiedmodeloftheToyotacamrycar,andusingHyperworks,Ls-dyna,OptiStructsoftwareandtheorthogonalexperimentmethod,thepaperhascarriedonsimulationanalysisofthevehiclefrontalimpact,sideimpactandwhitebodystiffness,finallythetwodesignedschemesacquiregoodeffectofweightlossontheconditionofmeetingstructuresafetyperformance.Theresultsareasfollows:①BycomparingfrontalcrashsimulationresultsoftheCAEmodewiththerealvehiclefrontalcrashtest,toverifythereliabilityofthefiniteelementmodel;②Onthebasisofthesideimpactfiniteelementmodel,toestablishtwosidetouchthesimplifiedmodelswithdifferentboundaryconstraints.Oneisthebase1forhalfconstraints,theotheroneisbase2forallconstraints.Byanalyzingthesensitivityofthetwokindsofsimplifiedmodel,tomakesurethatthebase1ismoreeffectivenessandaccuracy.③Improvementschemeone:Thesimplifiedmodelisanalyzedbyorthogonaldesignandweightoptimizationmethod,togetareasonablematerialallocationscheme,Combinedwiththevehiclesidecollisionsimulationresultsandengineeringexperience,allocationschemeisimprovedtoattainanewoptimizationscheme.Thenewschemecarriesonthevehiclesidecollisionandwhitebodystiffnesssimulation,inordertoverifytheschemeoneundertheconditionofmeetthestructuresafetyperformanceachievesweightlossof17.3%throughsimulationresultscomparedwiththeoriginalIII 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文model.④Improvementschemetwo:UsinghotstampingandlaserweldingtechnologytoimproveBcolumnreinforcingplateoftheschemeone.Throughthesimulationanalysis,totestifythatitachievesweightlossof25.6%undertheconditionofmeetingthestructuresafetyperformance.Keywords：Sideimpact,Simplifiedmodel,Structuresafetyperformance,LightweightdesignIV 目錄目錄中文摘要········································································································I英文摘要······································································································III1緒論········································································································11.1引言··········································································································11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)···········································································21.2.1汽車(chē)側(cè)面碰撞安全性研究現(xiàn)狀···································································21.2.2汽車(chē)輕量化研究現(xiàn)狀···············································································31.3課題研究目的及內(nèi)容····················································································41.3.1研究目的······························································································41.3.2內(nèi)容····································································································42汽車(chē)側(cè)碰法規(guī)分析及輕量化研究方法·················································52.1汽車(chē)側(cè)面碰撞法規(guī)分析·················································································52.1.1美國(guó)FMVSS214和歐洲ECER95法規(guī)對(duì)照···············································52.1.2我國(guó)汽車(chē)側(cè)面碰撞法規(guī)············································································62.1.3C-NCAP簡(jiǎn)介·························································································72.2汽車(chē)輕量化研究方法····················································································72.2.1基于新興材料應(yīng)用的汽車(chē)輕量化································································82.2.2基于設(shè)計(jì)的汽車(chē)輕量化··········································································112.2.3基于先進(jìn)成形技術(shù)的汽車(chē)輕量化······························································122.3本章小結(jié)··································································································143整車(chē)仿真模型的建立及有效性驗(yàn)證···················································153.1整車(chē)有限元模型的建立流程·········································································153.1.1模型的幾何清理和網(wǎng)格劃分····································································163.1.2材料及屬性定義···················································································183.1.3部件的連接·························································································203.1.4接觸的定義·························································································223.2整車(chē)有限元模型的有效性驗(yàn)證······································································223.2.1系統(tǒng)能量曲線(xiàn)······················································································233.2.2車(chē)體變形對(duì)比·······················································································243.2.3測(cè)量點(diǎn)傳感器輸出曲線(xiàn)對(duì)比····································································263.2.4仿真與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)論·············································································27V 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文3.3本章小結(jié)··································································································274整車(chē)側(cè)面碰撞簡(jiǎn)化模型的建立及驗(yàn)證···············································294.1整車(chē)側(cè)面碰撞模型······················································································294.1.1移動(dòng)可變形壁障（MDB）·······································································294.1.2整車(chē)側(cè)面碰撞仿真模型的建立·································································294.2側(cè)碰簡(jiǎn)化模型的建立···················································································314.2.1簡(jiǎn)化模型約束條件················································································314.2.2簡(jiǎn)化模型測(cè)量項(xiàng)···················································································324.3兩種簡(jiǎn)化模型的驗(yàn)證分析············································································324.3.1側(cè)碰簡(jiǎn)化模型有效性驗(yàn)證·······································································324.3.2側(cè)碰簡(jiǎn)化模型靈敏度分析·······································································344.4小結(jié)········································································································405側(cè)碰簡(jiǎn)化模型正交設(shè)計(jì)及最優(yōu)方案驗(yàn)證···········································415.1側(cè)碰簡(jiǎn)化模型正交優(yōu)化設(shè)計(jì)·········································································415.1.1簡(jiǎn)化模型的改進(jìn)···················································································415.1.2簡(jiǎn)化模型的正交優(yōu)化設(shè)計(jì)·······································································425.1.3多因素權(quán)重優(yōu)化方法·············································································455.2整車(chē)下優(yōu)化方案的性能驗(yàn)證·········································································485.2.1優(yōu)化方案的碰撞安全性能驗(yàn)證·································································485.2.2方案一的結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證··········································································505.3本章小結(jié)··································································································566基于方案一的熱沖壓激光拼焊的應(yīng)用···············································596.1熱沖壓及激光拼焊的基本知識(shí)······································································596.2整車(chē)下方案二的性能驗(yàn)證············································································596.2.1方案二的參數(shù)設(shè)定················································································596.2.2整車(chē)下方案二的性能驗(yàn)證·······································································606.3方案一與方案二的輕量化減重比例································································626.4本章小結(jié)··································································································637結(jié)論····································································································65致謝······································································································67參考文獻(xiàn)······································································································69VI 1緒論1緒論1.1引言汽車(chē)在多種交通狀況下發(fā)生的碰撞事故種，歸納起來(lái)有如下幾種形態(tài)：正面碰撞、側(cè)面碰撞、追尾、翻滾等。在我國(guó)，由于城市道路交通多以平面交叉路口為主，所以側(cè)面碰撞事故發(fā)生的幾率是最高的。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，汽車(chē)在各類(lèi)碰撞事故中側(cè)面碰撞所發(fā)生的幾率約為27%,如圖1.1所示，可是當(dāng)考慮碰撞造成的乘員傷害和財(cái)產(chǎn)損失的時(shí)候，側(cè)面碰撞將達(dá)到一個(gè)較高水平，接近于正碰，如圖1.2所示。圖1.1汽車(chē)碰撞類(lèi)型比較圖1.2各類(lèi)碰撞事故損失成本比較Fig.1.1AutomobilecollisiontypesFig.1.2Comparisonoflosscostwithkindsofcollisionaccidents由于大量汽車(chē)交通事故會(huì)給人們帶來(lái)嚴(yán)重的人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失，使得汽車(chē)的碰撞安全性能近年來(lái)越來(lái)越受到重視，各國(guó)為此都制定了相應(yīng)的汽車(chē)碰撞乘員保護(hù)的法規(guī)，為汽車(chē)內(nèi)的駕乘人員安全提供了很好的法律保障。同時(shí)各個(gè)國(guó)家和地區(qū)也制定出獨(dú)立的新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程（NewCarAssessmentProgram），中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心作為獨(dú)立的汽車(chē)科研機(jī)構(gòu)，也推出了C-NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程，會(huì)對(duì)車(chē)輛的安全性能進(jìn)行定量分析，將汽車(chē)的碰撞安全等級(jí)劃分成了5個(gè)星級(jí)進(jìn)行評(píng)定，對(duì)國(guó)內(nèi)乘用車(chē)的碰撞性能和相應(yīng)的乘員保護(hù)提出了更高的要求。在這所有的汽車(chē)碰撞類(lèi)型中，由于汽車(chē)側(cè)面在車(chē)體中是強(qiáng)度較為薄弱的部位，其對(duì)乘員的傷害比其它[1]的碰撞類(lèi)型會(huì)造成更為嚴(yán)重的傷害。因此對(duì)于開(kāi)展汽車(chē)側(cè)面碰撞的安全性研究工作對(duì)改善我國(guó)道路的交通安全有著極其重要的意義。然而隨著汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)汽車(chē)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，即在保證車(chē)身的剛度、強(qiáng)度和安全性能不降低的情況下，最大限度地減輕車(chē)身質(zhì)量。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的自主品牌轎車(chē)重量比發(fā)達(dá)國(guó)家的同級(jí)別轎車(chē)平均重約為1 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文8%-10%，我國(guó)自主品牌汽車(chē)輕量化潛力與國(guó)外現(xiàn)有車(chē)型輕量化水平相比是十分[2]巨大的。所以不論是為了提高車(chē)輛的動(dòng)力性能、降低生產(chǎn)與運(yùn)行成本、減少能源消耗、還是減小排放，都必須將汽車(chē)輕量化作為核心技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.2.1汽車(chē)側(cè)面碰撞安全性研究現(xiàn)狀汽車(chē)耐撞性的研究方法有很多種：事故調(diào)查、整車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)、臺(tái)車(chē)部件實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)。汽車(chē)的耐撞性研究在美國(guó)、歐洲和日本開(kāi)展的比較早,為安[3]全起見(jiàn)，19世紀(jì)的英國(guó)便開(kāi)始實(shí)行機(jī)動(dòng)車(chē)安全法規(guī)，20世紀(jì)30年代后歐美國(guó)家也開(kāi)始進(jìn)行了汽車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)，60年代以后隨著國(guó)際汽車(chē)保有量的持續(xù)增加，汽車(chē)事故就不斷增大，為了降低汽車(chē)事故的發(fā)生率，政府特別成立了專(zhuān)門(mén)的交通安全管理機(jī)構(gòu)，因此企業(yè)也開(kāi)始對(duì)汽車(chē)的耐撞性進(jìn)行研究，碰撞安全性研究開(kāi)始時(shí)主要集中在汽車(chē)正面碰撞，直到70年代慢慢注意到側(cè)面碰撞安全，在80年代的時(shí)[4]候開(kāi)始碰撞仿真分析。各國(guó)從60年代開(kāi)始就相繼制訂不同的安全法規(guī)，如歐洲ECE法規(guī)、美國(guó)FMVSS、澳洲ADR規(guī)則和日本道路安全標(biāo)準(zhǔn)及新車(chē)型的審查標(biāo)準(zhǔn)等，通過(guò)法規(guī)來(lái)強(qiáng)制保證了汽車(chē)的安全性。在過(guò)去的研究里，主要包括了側(cè)面碰撞乘員的受傷機(jī)理、碰撞響應(yīng)特性從而進(jìn)行相應(yīng)的碰撞生物力學(xué)研究，最終得到碰撞人體代替假人，和結(jié)合碰撞數(shù)值仿真CAE分析來(lái)研究側(cè)面碰撞中乘員的約[5]束系統(tǒng)、側(cè)圍車(chē)身結(jié)構(gòu)件、安全駕駛室內(nèi)飾組件的研發(fā)改進(jìn)等方面，同時(shí)在行人[6]安全和主動(dòng)安全系統(tǒng)等方面都進(jìn)行了一系列較為深入的研究。LesariD等人通過(guò)對(duì)比侵入量的試驗(yàn)分析得出了側(cè)圍侵入量在很大程度上會(huì)影響側(cè)面碰撞乘員受傷[7]的程度，從而確定側(cè)碰乘員損傷的機(jī)理；HamPtonCG等人通過(guò)研究碰撞車(chē)型、乘員室侵入量以及損傷接觸點(diǎn)對(duì)側(cè)面碰撞乘員損傷的影響，得到了這些因素對(duì)遠(yuǎn)[8][9]離碰撞側(cè)的乘員的損傷風(fēng)險(xiǎn)；JunH等人通過(guò)B柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、WatanabeK等人通過(guò)在車(chē)身側(cè)面結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用高強(qiáng)度鋼等方法都實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)側(cè)面碰撞安全性的提高。我國(guó)汽車(chē)碰撞安全的研究主要是近三十年里進(jìn)行的，對(duì)于側(cè)碰安全也只是在近二十年來(lái)進(jìn)行研究的，雖然我國(guó)對(duì)汽車(chē)耐撞性的研究起步較晚，但是經(jīng)過(guò)這些年的探索，還是取得了一些顯著的成果。天津汽車(chē)技術(shù)研究中心在2006年頒布了我國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)法規(guī)CNCAP,要求對(duì)市場(chǎng)上的所有新車(chē)型進(jìn)行必要的碰撞安全性能的測(cè)試。同時(shí)，企業(yè)和高校也積極地參與到汽車(chē)安全的研究領(lǐng)域中，湖南大學(xué)和清華大學(xué)是建立起碰撞實(shí)驗(yàn)室最早的高校，奇瑞汽車(chē)股份有限公司在2010年建成[10]碰撞安全實(shí)驗(yàn)室，其可以滿(mǎn)足歐美日等國(guó)家相關(guān)法規(guī)要求。清華大學(xué)的黃世霖[11]等人在1991年最早開(kāi)展了汽車(chē)被動(dòng)安全性試驗(yàn)的研究；唐友名等人對(duì)福特第五2 1緒論代的Taurus車(chē)型，定量分析了側(cè)面碰撞主要因素比如撞擊車(chē)速等與侵入量之間的[12]函數(shù)關(guān)系；張學(xué)榮等人確定了側(cè)碰中的主要影響因素，如侵入速度、車(chē)門(mén)內(nèi)飾剛度以及變形情況等對(duì)乘員造成損傷的影響，最后得到了控制側(cè)圍結(jié)構(gòu)侵入速度低于8m/s，受撞擊時(shí)間髖骨處在胸部之前，同時(shí)在保證適當(dāng)?shù)能?chē)門(mén)內(nèi)飾剛度特性[13]的情況下，能夠減輕碰撞對(duì)乘員造成的傷害；張維剛等人通過(guò)對(duì)側(cè)圍部件的侵入速度以及B柱變形情況進(jìn)行分析，得出控制B柱各部位侵入速度和整體變形情[14]況能夠降低假人的損傷；張學(xué)偉通過(guò)將原有的普通高強(qiáng)鋼板替換為溫?zé)岢尚蔚母邚?qiáng)度鋼板，并通過(guò)沿B柱軸向的強(qiáng)度梯度優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了在保證整車(chē)防撞性能的基礎(chǔ)上得到B柱重量減輕25%的輕量化效果。1.2.2汽車(chē)輕量化研究現(xiàn)狀自能源危機(jī)以來(lái)，原材料價(jià)格和不斷上升的燃油價(jià)格迫使汽車(chē)生產(chǎn)商們能力想方設(shè)法的去降低汽車(chē)的質(zhì)量。20世紀(jì)80年代，發(fā)達(dá)國(guó)家汽車(chē)制造廠(chǎng)商也都加快了汽車(chē)輕量化的研究，以提升產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力。[15]在國(guó)外,K.S.Lee等釆用合成材料并結(jié)合車(chē)身耐撞性對(duì)車(chē)身進(jìn)行輕量化研[16]究；瑞典的P.0.Marklund等在保證轎車(chē)安全性能的前提下對(duì)轎車(chē)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),且B柱重量減輕25%。1998年又繼續(xù)開(kāi)發(fā)ULSAB-AVC項(xiàng)目，針對(duì)美國(guó)中等級(jí)別和歐洲C級(jí)車(chē)設(shè)計(jì)的概念車(chē)項(xiàng)目，并使車(chē)輛的安全性能分別達(dá)到美國(guó)和歐洲的NCAP五星級(jí)碰撞標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)PNGV-Class質(zhì)量由現(xiàn)階段平均質(zhì)量243kg減為[17]228kg，歐洲C級(jí)車(chē)質(zhì)量由現(xiàn)價(jià)段平均的263kg減為208kg。此外，美國(guó)的PNGV及后來(lái)的FreedomCar項(xiàng)目，改進(jìn)整車(chē)生產(chǎn)的材料、制造工藝并采用新材料，使整[18]車(chē)結(jié)構(gòu)和子系統(tǒng)重量降低50%。我國(guó)雖然在汽車(chē)輕量化方面的研究起步較晚，但近年來(lái)對(duì)汽車(chē)輕量化材料、[19]輕量化連接工藝等關(guān)鍵技術(shù)也展開(kāi)了廣泛的研究。孫宏圖等對(duì)車(chē)身前部薄壁件[20]進(jìn)行了輕量化,并對(duì)其進(jìn)行耐撞性的仿真分析。張勇等釆用近似模型方法,對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)件進(jìn)行減薄和更換材料的研究。在新一代高強(qiáng)度鋼的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)方面，我國(guó)處于世界領(lǐng)先水平。寶鋼、太鋼已分別試生產(chǎn)出強(qiáng)塑積為20%Gpa、30Gpa%的第三代高強(qiáng)度鋼，并正在與一汽、上汽、中國(guó)汽車(chē)工程研究院等單位合作開(kāi)展可應(yīng)[21]用性評(píng)價(jià)研究。此外，一批被列為國(guó)家“863”、“973”的高新技術(shù)項(xiàng)目和國(guó)家科技攻關(guān)重大項(xiàng)目的汽車(chē)新材料項(xiàng)目的研發(fā)和應(yīng)用，也極大地促進(jìn)了我國(guó)汽車(chē)輕量化技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，如液壓成形、噴射成形等先進(jìn)成形技術(shù)的研究與應(yīng)用；鋁、鎂合金也逐漸應(yīng)用在國(guó)產(chǎn)自主轎車(chē)上。3 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文1.3課題研究目的及內(nèi)容1.3.1研究目的汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)該當(dāng)做一個(gè)整體來(lái)看待，在進(jìn)行汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)的時(shí)候，[17]不僅要從降低重量的角度考慮，同時(shí)要全方位的考慮到汽車(chē)的其他性能。眾所周知，結(jié)構(gòu)剛度、碰撞安全性是汽車(chē)的關(guān)鍵性能，由于目前汽車(chē)的側(cè)面結(jié)構(gòu)普遍缺乏材料的合理匹配和先進(jìn)材料的使用，存在著極大的浪費(fèi)，因此很有必要對(duì)其進(jìn)行合理的材料優(yōu)化匹配和結(jié)構(gòu)改進(jìn)，在保證車(chē)身的剛度、強(qiáng)度和安全性能不降低的情況下，盡量減輕車(chē)身質(zhì)量以達(dá)到降低燃油消耗和尾氣排放為目的。所以本文通過(guò)對(duì)汽車(chē)側(cè)面碰撞模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行靈敏度分析以驗(yàn)證簡(jiǎn)化模型的有效性和準(zhǔn)確性；通過(guò)使用極具競(jìng)爭(zhēng)力的輕量化材料——先進(jìn)高強(qiáng)鋼，對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行多因素正交優(yōu)化設(shè)計(jì)，找到滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)剛度、碰撞安全性能的材料優(yōu)化匹配方案，并在此優(yōu)化上進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和先進(jìn)材料的應(yīng)用，使其達(dá)到最大輕量化的目的。為今后汽車(chē)輕量化的設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)和參考。1.3.2內(nèi)容車(chē)身是汽車(chē)四大部件之一，承擔(dān)著汽車(chē)使用過(guò)程中的剛度、正面及側(cè)面耐撞性要求，是最具輕量化價(jià)值的部件之一。為節(jié)約計(jì)算時(shí)間和研究成本，本文以某款轎車(chē)側(cè)面碰撞的簡(jiǎn)化模型作為研究對(duì)象，開(kāi)展其側(cè)面碰撞安全仿真分析及輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。本文研究?jī)?nèi)容如下：①對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外汽車(chē)側(cè)面碰撞安全法規(guī)，按照中國(guó)新車(chē)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)（C-NCAP）中汽車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)方法建立某款轎車(chē)整車(chē)側(cè)面碰撞仿真模型;詳細(xì)論述了國(guó)際上實(shí)現(xiàn)汽車(chē)車(chē)身輕量化開(kāi)發(fā)的三個(gè)主要路徑：輕量化材料技術(shù)、輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)和先進(jìn)成形技術(shù)。②通過(guò)對(duì)比某款轎車(chē)CAE模型正面碰撞仿真結(jié)果與實(shí)車(chē)正面碰撞試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證其整車(chē)有限元模型的可靠性；③在整車(chē)側(cè)面碰撞仿真模型的基礎(chǔ)上，建立兩種邊界約束下的側(cè)碰簡(jiǎn)化模型，并對(duì)兩種簡(jiǎn)化模型進(jìn)行靈敏度分析驗(yàn)證，對(duì)比分析其有效性和準(zhǔn)確性。④優(yōu)化方案一：對(duì)驗(yàn)證后準(zhǔn)確性最高的側(cè)碰簡(jiǎn)化模型進(jìn)行多因素正交試驗(yàn)仿真分析，并將得到的最優(yōu)組合方案帶入到白車(chē)身模型和整車(chē)側(cè)碰模型中進(jìn)行模擬，分析其結(jié)構(gòu)剛度和側(cè)碰安全性能，以檢測(cè)最優(yōu)方案在整車(chē)模型中的優(yōu)化效果，是否達(dá)到輕量化要求。⑤優(yōu)化方案二：在正交最優(yōu)方案的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加熱沖壓成型鋼及激光拼焊等新興成形技術(shù)在整車(chē)側(cè)碰中的模擬，對(duì)比分析其結(jié)構(gòu)剛度和側(cè)碰安全性能，在保證性能不降低的情況下，以實(shí)現(xiàn)最大輕量化優(yōu)化的目的。⑥對(duì)比分析上述兩種優(yōu)化方案。4 2汽車(chē)側(cè)碰法規(guī)分析及輕量化研究方法2汽車(chē)側(cè)碰法規(guī)分析及輕量化研究方法2.1汽車(chē)側(cè)面碰撞法規(guī)分析汽車(chē)安全法規(guī)總的來(lái)說(shuō)可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是國(guó)家頒發(fā)的汽車(chē)安全技術(shù)法規(guī)，如美國(guó)FMVSS(FederalMotorVehicleSafetyStandards)，是強(qiáng)制性的法規(guī)，即市場(chǎng)上銷(xiāo)售的所有汽車(chē)都必須要滿(mǎn)足此規(guī)定；另一類(lèi)是對(duì)安全性能有更高要求的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如新車(chē)評(píng)價(jià)程序NCAP(NewCarAssessmentProgram)。目前，世界上側(cè)面碰撞法規(guī)一直沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在汽車(chē)安全性領(lǐng)域內(nèi)最具代表性的是歐洲法規(guī)（ECE）和美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車(chē)安全法規(guī)（FMVSS），其它國(guó)家如日本和中國(guó)等的汽車(chē)工業(yè)大多是以美國(guó)或歐洲的側(cè)面碰撞實(shí)驗(yàn)法規(guī)作為自己的試驗(yàn)條款，我國(guó)以歐洲的ECER95為藍(lán)本，制定了側(cè)面碰撞法規(guī)（或標(biāo)準(zhǔn)）。而對(duì)于轎車(chē)側(cè)面碰撞時(shí)，可能會(huì)引起轎車(chē)的側(cè)向翻傾或是橫滾，因此大多國(guó)家評(píng)價(jià)轎車(chē)側(cè)面碰撞安全性時(shí)，還要檢測(cè)車(chē)身頂蓋、車(chē)門(mén)靜強(qiáng)度等。相應(yīng)法規(guī)如美國(guó)的《側(cè)門(mén)強(qiáng)度》(FMVSS571.214)、我國(guó)的《轎車(chē)側(cè)門(mén)強(qiáng)度》(GB15743-1995)等。2.1.1美國(guó)FMVSS214和歐洲ECER95法規(guī)對(duì)照[22]美國(guó)FMVSS214法規(guī)，其內(nèi)容可表述為：重量為1356kg的可移動(dòng)變形障礙壁以54±1km/h的速度撞向某試驗(yàn)車(chē)的側(cè)面，壁障的行駛方向（即車(chē)輪旋轉(zhuǎn)方向）與試驗(yàn)臺(tái)車(chē)成27°，以90°碰撞面接觸，MDB左邊緣與軸距中心點(diǎn)的距離為940mm。若車(chē)軸距大于2896mm，則為前軸中心線(xiàn)向后508mm，誤差±50.8mm，障礙壁面的離地間隙為279mm。在被碰撞側(cè)的駕駛位和乘員位分別放置假人SID。[23]歐洲ECER95法規(guī)，其內(nèi)容可表述為：950kg的可變形移動(dòng)障礙壁以50±1km/h的速度垂直撞向靜態(tài)的某試驗(yàn)車(chē)側(cè)面，移動(dòng)壁的中心線(xiàn)要與汽車(chē)的中心線(xiàn)垂直，碰撞中心點(diǎn)通過(guò)座椅的R點(diǎn)，偏差為±25mm，離地間隙300mm。在被碰撞側(cè)的駕駛位放置假人EuroSID。美國(guó)FMVSS214和歐洲ECER95法規(guī)具體的差異見(jiàn)表2.1歐美側(cè)碰法規(guī)對(duì)照。5 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文表2.1歐美側(cè)碰法規(guī)對(duì)照Table2.1SideimpactregulationsofEuropeandtheUnitedStates2.1.2我國(guó)汽車(chē)側(cè)面碰撞法規(guī)1999年10月28日，原國(guó)家機(jī)械工業(yè)局頒布了我國(guó)第一項(xiàng)汽車(chē)技術(shù)法規(guī)CMVDR294—《關(guān)于正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則》。2000年4月1日，國(guó)家將此項(xiàng)檢驗(yàn)列入當(dāng)時(shí)汽車(chē)型式認(rèn)證(公告)40項(xiàng)強(qiáng)制檢測(cè)項(xiàng)目中，2003年11月我國(guó)參照歐洲ECER94法規(guī)制定的國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)正式出臺(tái)，即GB11551-2003《乘用車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》，并于2004年6月正式實(shí)施。2004年，我國(guó)結(jié)合國(guó)內(nèi)的具體國(guó)情，以歐洲ECER95法規(guī)為藍(lán)本，并參考美國(guó)、日本的相關(guān)條例開(kāi)始制定《汽車(chē)側(cè)面碰撞乘員保護(hù)》國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定于2006年7月1日起對(duì)新車(chē)型正[24][25]式實(shí)施，對(duì)在生產(chǎn)車(chē)型自該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之日起36個(gè)月后實(shí)施。6 2汽車(chē)側(cè)碰法規(guī)分析及輕量化研究方法2.1.3C-NCAP簡(jiǎn)介2006年，C-NCAP(chinanewcarassessmentprogramme)評(píng)價(jià)體系也應(yīng)運(yùn)而生。它是獨(dú)立于法規(guī)之外的一套主要用來(lái)評(píng)價(jià)車(chē)輛被動(dòng)安全性的系統(tǒng)，其目的：一方面是反映所測(cè)試車(chē)輛的綜合性能，促使汽車(chē)制造商改進(jìn)產(chǎn)品性能；另一方面是為廣大消費(fèi)者去提供一種車(chē)輛安全性能的途徑。在C-NCAP評(píng)價(jià)體系中，共涵蓋3個(gè)整車(chē)碰撞試驗(yàn)項(xiàng)目，側(cè)碰試驗(yàn)是其中重要的一項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容。C-NCAP最高得分為51分。三項(xiàng)試驗(yàn)（100%正面碰撞、側(cè)面碰撞、正面40%偏置碰撞）每項(xiàng)試驗(yàn)滿(mǎn)分為16分，三項(xiàng)試驗(yàn)總得分滿(mǎn)分為48分。對(duì)安全帶提醒裝置、側(cè)氣簾（及側(cè)氣囊）和ISOFIX裝置分別有1.5分、1分和0.5分的加分。對(duì)于5星級(jí)車(chē)和4星級(jí)車(chē)，還必須滿(mǎn)足其它條件。根據(jù)總分，按照以下星級(jí)評(píng)分的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛進(jìn)行星級(jí)的評(píng)價(jià)?？偡中羌?jí)≥50分5+（★★★★★☆）≥45且＜50分5（★★★★★）≥40且＜45分4（★★★★）≥30且＜40分3（★★★）≥15且＜30分2（★★）＜15分1（★）對(duì)于根據(jù)總分評(píng)價(jià)出的4星級(jí)車(chē)和5星級(jí)車(chē)，還必須分別要滿(mǎn)足下列條件。獲得5星級(jí)的車(chē)，在三項(xiàng)試驗(yàn)中，假人特定的部位不能為0分，否則此車(chē)被降為4星級(jí)車(chē)。在可變形移動(dòng)壁障側(cè)面碰撞試驗(yàn)中，特定部位為頭部、胸部、腹部和骨盆，在正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)和正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗(yàn)中，特定部位為頭部、頸部和胸部。對(duì)于4星級(jí)車(chē)，三項(xiàng)試驗(yàn)中，每項(xiàng)試驗(yàn)的得分都不能低于10分，否則此車(chē)被降為3星級(jí)車(chē)。2.2汽車(chē)輕量化研究方法目前，國(guó)際上汽車(chē)實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化的先進(jìn)技術(shù)如圖2.1所示，包括輕量化材料技術(shù)、新的制造與成形工藝技術(shù)和輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)，這些是輕量化車(chē)身開(kāi)發(fā)的三個(gè)主要路徑。7 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文圖2.1車(chē)身輕量化技術(shù)Fig2.1Lightweighttechnology然而隨著汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)汽車(chē)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提出了更高的性能要求，使得車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)并不僅僅是降低車(chē)身的重量，而是要與車(chē)身性能設(shè)計(jì)緊密聯(lián)[26]系起來(lái)，在車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要考慮安全、耐久、功能、成本、NVH、工藝及質(zhì)量七大要素。車(chē)身設(shè)計(jì)質(zhì)量高低的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要取決于這些要素之間的平衡程度，2.2.1基于新興材料應(yīng)用的汽車(chē)輕量化①高強(qiáng)鋼的使用高強(qiáng)度鋼是指屈服強(qiáng)度大于210MPa的鋼材,超高強(qiáng)度鋼是指屈服強(qiáng)度大于[27]550MPa的鋼材。近年來(lái)世界各大車(chē)廠(chǎng)為了實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的輕量化，鋼鐵協(xié)會(huì)和一些主要鋼廠(chǎng)先后進(jìn)行了有關(guān)汽車(chē)輕量化項(xiàng)目的研究。國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)的汽車(chē)輕量化項(xiàng)目始于1994年，到2002年ULSAB-AVC項(xiàng)目結(jié)束。項(xiàng)目取得顯著效果的重要[28]原因是采用了大量的高強(qiáng)度鋼板。在ULSAB-AVC項(xiàng)目中，白車(chē)身100%采用了高強(qiáng)度鋼板，其中超過(guò)60%為超高強(qiáng)度鋼板。由世界汽車(chē)鋼組織牽頭的未來(lái)鋼質(zhì)汽車(chē)項(xiàng)目（FSV），由包括寶鋼、蒂森克虜伯、安賽樂(lè)米塔爾、美鋼聯(lián)等在內(nèi)的全球17家主要汽車(chē)鋼板供應(yīng)商一起出資并全程參與。FSV各車(chē)型的設(shè)計(jì)主要包括先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSS）、超高強(qiáng)度鋼（UHSS）的制造技術(shù)的優(yōu)化及其選擇在內(nèi)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括了7個(gè)不同零部件優(yōu)化的多種解決方案：B柱、門(mén)檻、頂蓋、前/后橫梁和與前上部的翼子板荷載傳遞路徑有關(guān)的零件。FSV使用20多個(gè)先進(jìn)高強(qiáng)度鋼品種，這些鋼材預(yù)計(jì)會(huì)在2015~2020年批量生產(chǎn)，這些高強(qiáng)度鋼占了整體車(chē)身用材的97%，千兆帕以上級(jí)別的高強(qiáng)度鋼占有量高于整車(chē)車(chē)身用材的50%。FSV汽車(chē)白車(chē)身的用鋼等級(jí)如下圖2.2所示。FSV應(yīng)用的材料包括孿晶誘導(dǎo)塑性鋼（TWIP鋼）、雙相鋼（DP鋼）、復(fù)相鋼（CP鋼）、相變誘導(dǎo)塑性鋼（TRIP鋼）[29]和熱成形鋼（HF鋼）等。8 2汽車(chē)側(cè)碰法規(guī)分析及輕量化研究方法圖2.2未來(lái)鋼質(zhì)純電動(dòng)汽車(chē)白車(chē)身的用鋼等級(jí)及其分布Fig2.2SteelgradeanddistributionofthewhitebodyofthefuturesteelonpureelectricvehicleDP系列的高強(qiáng)鋼冷軋汽車(chē)板產(chǎn)品是結(jié)構(gòu)類(lèi)零件的首選材料之一，目前使用最多的是DP590、DP780等，因?yàn)槠渲圃旃に嚭头椒ū容^容易，在汽車(chē)防撞件、加強(qiáng)件及結(jié)構(gòu)件等方面都得到了很廣泛的應(yīng)用，如車(chē)底十字構(gòu)件、防撞桿等。TRIP鋼主要是用于制造車(chē)門(mén)撞擊橫梁、底盤(pán)部件、保險(xiǎn)杠加強(qiáng)件、擋板等重要的部件，目前常用強(qiáng)度級(jí)別包括TRIP590、TRIP780。這種鋼具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，沖壓成形的能力高，延展性好，同時(shí)能量吸收的能力強(qiáng)，用作汽車(chē)鋼板能減輕車(chē)重、降低油耗，也能夠抵抗撞擊時(shí)的塑性變形，顯著提高汽車(chē)安全等級(jí)，有著明顯的優(yōu)越性。隨著生產(chǎn)工藝的不斷完善和提高，TRIP鋼板的批量化生產(chǎn)已成為可能，應(yīng)用前景非常廣闊。高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用除了出于輕量化的考慮外,還能增加車(chē)身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)、彎曲剛度;增加了抗撞能力以及碰撞時(shí)的能量吸收能力。由于高強(qiáng)度鋼板經(jīng)濟(jì)性良好、加工工藝成熟而且其生產(chǎn)制造效率也高,高強(qiáng)度鋼是目前運(yùn)用最多的輕量化材料,約90%的車(chē)身鋼板已經(jīng)使用高強(qiáng)度鋼。②鎂、鋁合金的使用1）鋁是一種綜合性能較好的輕質(zhì)材料,其密度僅為鋼的1/3,有著很好的機(jī)械加工性和抗腐燭性，良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。因此鋁合金是一種理想的車(chē)身用輕質(zhì)材料。目前汽車(chē)工業(yè)中，鋁合金材料大量應(yīng)用于車(chē)身框架、車(chē)身結(jié)構(gòu)、車(chē)身覆蓋[30]件、車(chē)門(mén)、車(chē)輪、地板、發(fā)動(dòng)機(jī)行李箱罩和保險(xiǎn)杠等。在2012巴黎車(chē)展首發(fā)的秉承路虎攬勝一貫的創(chuàng)新精神和經(jīng)典設(shè)計(jì)的全新攬勝,是全球第一款采用輕量化全鋁制車(chē)身的SUV車(chē)型,車(chē)身比上一代車(chē)型減重了20%。當(dāng)然,鋁合金的應(yīng)用目前還存在著很多的技術(shù)難題,比如鋁合金的成形性沒(méi)有鋼材好,其制造工藝還需要繼續(xù)研究;鋁合金由于本身導(dǎo)熱性能良好導(dǎo)致其有著較差的焊接性能,需要進(jìn)一步研究改善;成本是所有影響因素里最關(guān)鍵的因素,目前鋁合金的成本還很高,致使其不能9 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文大量的應(yīng)用在所有汽車(chē)上。32）鎂合金的密度一般為1.74g/cm、它的性能與鋁合金相似,但是鎂的密度卻更低,它是目前實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬材料了。它具有很強(qiáng)的吸能能力,已經(jīng)成為汽車(chē)輕量化效果中最好的材料。但是鎂合金缺點(diǎn)也不少，其再利用率、生產(chǎn)工藝都不如鋼,后處理的工藝要求較高、過(guò)程也復(fù)雜，不僅生產(chǎn)成本高，材料也貴。目前大多應(yīng)用在汽車(chē)上的鎂合金為壓鋳成形,如車(chē)身、底盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)、儀表盤(pán)骨架、座椅骨架、車(chē)頂橫梁、車(chē)門(mén)防撞梁等零部件。據(jù)相關(guān)資料表明，從上世紀(jì)90年代開(kāi)始,鎂合金在汽車(chē)中應(yīng)用的增長(zhǎng)速度很快,雖然全球每輛汽車(chē)的鎂合金平均使用的水平少于3kg,但是它的使用量以每年約20%的速度增長(zhǎng)著,因此在汽車(chē)上使用鎂合金對(duì)汽車(chē)性能的提高和汽車(chē)的輕量化上有著十分顯著的作用,鎂合金已成為輕量化新興汽車(chē)材料的一個(gè)重點(diǎn)研究項(xiàng)目。③復(fù)合材料的使用復(fù)合材料與性能相同的鋼結(jié)構(gòu)相比，一般可實(shí)現(xiàn)減重35%。其中復(fù)合材料纖維增強(qiáng)型塑料是一種塑料和增強(qiáng)纖維復(fù)合成的材料，大量用于汽車(chē)上的有聚酯片狀膜塑料制造的前翼子板和車(chē)身導(dǎo)流板等,傳遞模塑工藝技術(shù)用來(lái)制造車(chē)身板件加強(qiáng)筋,汽車(chē)用復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)主要有:外觀(guān)設(shè)計(jì)靈活美觀(guān)、密度小、易于實(shí)現(xiàn)整體[31]式結(jié)構(gòu)、絕緣性好、抗腐燭性好、抗振性好、隔熱性好等。復(fù)合材料除玻璃纖維外,還有品質(zhì)很高的碳纖維和合成纖維。碳纖維(CFRP)是一種纖維絲狀的材料,在成形時(shí)像織布一樣紡織成片狀,然后用有機(jī)膠浸潤(rùn)成形并固化,碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有絕佳的韌性和抗拉強(qiáng)[32]度,它的質(zhì)量也只有鋼的1/4。在高性能的轎車(chē)和超級(jí)跑車(chē)中高強(qiáng)度、輕質(zhì)、高剛度等都是設(shè)計(jì)的主要指標(biāo),目前蘭博基尼、法拉利、布加迪、奔馳AMG等超跑的車(chē)身皆是由碳纖維打造成的,全碳纖維車(chē)身技術(shù)的應(yīng)用使汽車(chē)車(chē)身質(zhì)量減輕40%~60%,僅為鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的1/6~1/2,然而碳纖維車(chē)身最大的缺點(diǎn)就是昂貴的價(jià)格,使得其在汽車(chē)上的應(yīng)用僅限制在高性能車(chē)領(lǐng)域。碳纖維是一種可以實(shí)現(xiàn)高程度輕量化的材料,它的生產(chǎn)制造工藝現(xiàn)已成為車(chē)企中輕量化材料發(fā)展中的一個(gè)重要研究課題。④工程塑料的使用目前已經(jīng)使用工程塑料制造的車(chē)身翼子板、有車(chē)身、車(chē)身前后保險(xiǎn)杠、擋泥板、車(chē)門(mén)內(nèi)板、導(dǎo)流板等,與結(jié)構(gòu)性能相同的金屬材料相比可實(shí)現(xiàn)減重約40%。此種材料耐腐燭性良好和吸能性能好,能有效緩沖吸收低速下的輕微碰撞而無(wú)需維修或者更換部件,從設(shè)計(jì)與制造工藝上其比金屬材料在造型上的自由程度更大,從制造性、成本、安全性方面考慮,它都是輕量化設(shè)計(jì)理想的材料。如聚酯主要用于生產(chǎn)汽車(chē)的擋泥板、前后保險(xiǎn)杠、擾流板、儀表盤(pán)、供給系零件、加速踏板等部10 2汽車(chē)側(cè)碰法規(guī)分析及輕量化研究方法件;聚氨基甲酸酯用來(lái)制造車(chē)門(mén)、行李箱蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋罩及散熱器擋板,這不僅能[33]減輕汽車(chē)的質(zhì)量,還可以提高舒適性,在發(fā)生碰撞時(shí)也能減少對(duì)乘員的傷害。2.2.2基于設(shè)計(jì)的汽車(chē)輕量化車(chē)身是汽車(chē)三大總成之一，占有汽車(chē)總重量的40%，車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化對(duì)于整車(chē)的輕量化起著非常重要的作用。在車(chē)身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)中，主要運(yùn)用有限元、邊界元等數(shù)值計(jì)算方法，結(jié)合形貌優(yōu)化、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化、近似模型和多目標(biāo)多學(xué)科優(yōu)化等設(shè)計(jì)方法對(duì)車(chē)身的結(jié)構(gòu)動(dòng)靜態(tài)剛度、NVH和抗撞性等性能進(jìn)行綜合的優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和CAE技術(shù)的日益成熟，開(kāi)發(fā)人員可以在設(shè)計(jì)初期就能獲得新車(chē)型的結(jié)構(gòu)性能，從而提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量，縮短新車(chē)型的開(kāi)發(fā)周期和節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。①多學(xué)科多目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題是起源于Franklin在1772年提出的如何協(xié)調(diào)多目標(biāo)矛盾的問(wèn)[34]題。國(guó)際上公認(rèn)的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題是由Pareto于1896年首次提出的，他從經(jīng)濟(jì)[35]平衡的角度歸納出多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。1951年Koopmans首次提出了Pareto最優(yōu)解的概念，為多目標(biāo)優(yōu)化奠定了初步基礎(chǔ)。多目標(biāo)優(yōu)化方法現(xiàn)已廣泛用于解決工程實(shí)際問(wèn)題，如車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、底盤(pán)懸架系統(tǒng)、飛行器設(shè)計(jì)的多目標(biāo)優(yōu)化等。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（MDO）是一種針對(duì)解決復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的和多學(xué)科動(dòng)態(tài)影響并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效工具和方法，學(xué)科意指系統(tǒng)中本身相互之間、相對(duì)獨(dú)立又有數(shù)據(jù)交換關(guān)系的基本模塊，對(duì)于MDO的概念目前還尚未完全能夠統(tǒng)一。如[36]Abbasi等使用多目標(biāo)方法對(duì)車(chē)輛基于100%正碰工況下的車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕量化[37]設(shè)計(jì)，使得車(chē)輛質(zhì)量下降8.23%，碰撞性能提高了2.72%；Hunkeler等使用魯棒設(shè)計(jì)優(yōu)化方法對(duì)不同的梁截面耐撞性能進(jìn)行形狀優(yōu)化；②多材料混合車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)方法[38]崔新濤研究了多材料結(jié)構(gòu)車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)方法，文中將材料類(lèi)型和零件厚度作為設(shè)計(jì)變量，構(gòu)建了車(chē)身材料與結(jié)構(gòu)組合的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立全局近似模型，并用多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行了優(yōu)化求解，結(jié)果得到了最佳的[39]材料匹配及厚度信息；麻省理工學(xué)院的LynetteW.Cheah考察了汽車(chē)生命周期內(nèi)的能耗問(wèn)題，同時(shí)考慮了材料生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗問(wèn)題，對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多[40]材料結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)；周云郊研究了鋼鋁混合材料車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。③拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，目前廣泛應(yīng)用于汽車(chē)零部件企業(yè)。它可以在零件結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)階段合理的分布材料以降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。利用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，主機(jī)廠(chǎng)及零部件供應(yīng)商可以很大程度上縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高產(chǎn)品11 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文結(jié)構(gòu)性能，減少甚至取消昂貴的試制樣件的生產(chǎn)數(shù)量和試驗(yàn)的次數(shù)，節(jié)約研發(fā)成本。[41]朱劍峰等將基于變密度法的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)引入到汽車(chē)變速箱殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，同時(shí)在優(yōu)化過(guò)程中考慮了制造工藝的約束，通過(guò)對(duì)變速箱殼體分別進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化來(lái)提高變速箱殼體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、固有頻率以及控制結(jié)構(gòu)質(zhì)[42]量，最終將變速箱質(zhì)量控制在15kg；周偉基于拓?fù)鋬?yōu)化與靈敏度分析對(duì)客車(chē)車(chē)[43]身進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，使客車(chē)車(chē)身質(zhì)量降低362kg；Jang等對(duì)大型平板貨車(chē)的車(chē)架進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化輕量化設(shè)計(jì)，使得質(zhì)量下降29%，同時(shí)彎曲及扭轉(zhuǎn)剛度分別提高21%和169%；2.2.3基于先進(jìn)成形技術(shù)的汽車(chē)輕量化從汽車(chē)車(chē)身的生產(chǎn)制造工藝角度出發(fā),在車(chē)身輕量化優(yōu)化選材時(shí),材料的生產(chǎn)成本、成形性以及連接性等都是選擇的基準(zhǔn)原則,在這些輕量化材料的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)生出了很多新的成形技術(shù),這些新技術(shù)的推廣應(yīng)用進(jìn)一步提髙輕量化車(chē)身材料的性能,以便車(chē)身制造過(guò)程的同時(shí)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的目的。①激光拼焊板目前汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)焊接工藝主要有電阻點(diǎn)焊、激光焊、MIG和MAG焊等方式，其中激光焊接技術(shù)主要用于車(chē)身不等厚板的拼焊和車(chē)身焊接、車(chē)身框架結(jié)構(gòu)的焊接，例如頂蓋與側(cè)圍的焊接。激光焊接應(yīng)用于汽車(chē)，可以降低車(chē)身重量從而達(dá)到省油的目的；提高車(chē)身的裝配精度，使車(chē)身剛度提升30%，從而提高車(chē)身安全性；降低汽車(chē)車(chē)身制造過(guò)程中的沖壓和裝配成本，減少零數(shù)量，提高車(chē)身一體[44]化程度。激光拼焊板（TailorWeldedBlanks，TWB）源于上世紀(jì)80，其工藝過(guò)程為先將不同或相同厚度、強(qiáng)度、材質(zhì)的冷軋鋼板，切割成合適的尺寸或形狀，然后經(jīng)激光焊接成一個(gè)理想的整體，即拼焊板，再?zèng)_壓成汽車(chē)所需的零件。國(guó)外[45]很多學(xué)者對(duì)激光拼焊板技術(shù)開(kāi)展了研究，如Choi等研究了激光拼焊板的熱壓成形性能；2011年湖南大學(xué)的鐘志華院士團(tuán)隊(duì)對(duì)車(chē)門(mén)內(nèi)板采用激光拼焊板技術(shù)，對(duì)車(chē)門(mén)的內(nèi)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，又基于優(yōu)化算法確定焊縫最佳位置，焊接沖壓完[46]成后，最終實(shí)現(xiàn)了車(chē)門(mén)的輕量化設(shè)計(jì)。②連續(xù)變截面薄板續(xù)變截面薄板（TailorRolledBlank，TRB）是通過(guò)柔性軋制核心技術(shù)和計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)控制來(lái)自動(dòng)、連續(xù)地調(diào)節(jié)軋輥間距，從而獲取的沿軋制方向按預(yù)先定制的變截面形狀的板材。TRB鋼板的優(yōu)點(diǎn)是使零件載荷分布更合理，可改善汽車(chē)結(jié)構(gòu)的剛度、NVH性能及被動(dòng)安全性能等?？梢杂迷摷夹g(shù)來(lái)制造車(chē)身的外覆蓋件,且能[47]明顯減輕汽車(chē)質(zhì)量。③熱沖壓成形12 2汽車(chē)側(cè)碰法規(guī)分析及輕量化研究方法熱沖壓成形技術(shù)，是將硼鋼鋼板(初始強(qiáng)度為500~600MPa)加熱至奧氏體化狀態(tài)，快速轉(zhuǎn)移到模具中高速?zèng)_壓成形，在保證一定壓力的情況下，制件在模具本體中以大于27℃/s的冷卻速度進(jìn)行淬火處理，保壓淬火一段時(shí)間，以獲得具有均勻馬氏體組織的超高強(qiáng)鋼零件的成形方式。目前熱成形用鋼有4種:Mn-B系列,Mn-Mo-B系列,Mn-Cr-B系列,Mn-W-Ti-B系列(B鋼的應(yīng)用主要是為了提高鋼板的淬透性)。熱沖壓成形的優(yōu)點(diǎn)有：得到超高強(qiáng)度的車(chē)身零件;可以減輕車(chē)身重量;能提高車(chē)身安全性、舒適性;改善了沖壓成形性;提高了零件尺寸精度;可以提高焊接性、表面硬度、抗凹性和耐腐蝕性;降低了沖壓機(jī)噸位要求。④液壓成形在傳統(tǒng)工藝中，汽車(chē)車(chē)身、底盤(pán)等許多零件是先沖壓成兩個(gè)或多個(gè)零件，再焊接成結(jié)構(gòu)件，因此，存在工序多、零件數(shù)量多、截面變化簡(jiǎn)單、疲勞性能差等缺點(diǎn)。液壓成型可解決這些問(wèn)題。液壓成形是一種柔性的成形技術(shù),它是把流體介質(zhì)作為沖壓時(shí)的傳力介質(zhì),取代了剛性沖壓中的凸模與凹模,流體介質(zhì)以高壓形式?jīng)_入需要成形的管件或板料的模具中,使管件或板料在模具內(nèi)由液體壓力變形成模具的造型,最終成為所需的汽車(chē)零部件形狀。液壓成形這種先進(jìn)的制造工藝手段在歐美日等汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,國(guó)外一些大的汽車(chē)制造商已經(jīng)用其取代了傳統(tǒng)的沖壓等制造工藝,液壓成形技術(shù)的大量推廣使用提高了汽車(chē)零部件產(chǎn)品質(zhì)量,減少零件數(shù)量,減輕汽車(chē)質(zhì)量,且零部件的生產(chǎn)制造成本沒(méi)有提高很多,在實(shí)際生產(chǎn)中有良好的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。液壓成型零部件在汽車(chē)上的應(yīng)用如圖2.3所示。圖2.3汽車(chē)上應(yīng)用液壓成形技術(shù)的零部件Fig2.3Applicationofhydraulicformingtechnologyinautomobileparts13 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文2.3本章小結(jié)在本章中首先介紹了國(guó)內(nèi)外汽車(chē)側(cè)面碰撞法規(guī)的發(fā)展及相應(yīng)的區(qū)別，然后詳細(xì)論述了國(guó)際上實(shí)現(xiàn)汽車(chē)車(chē)身輕量化開(kāi)發(fā)的三個(gè)主要路徑：輕量化材料技術(shù)、輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)和先進(jìn)成形技術(shù)。為后續(xù)的碰撞安全性能分析和汽車(chē)車(chē)身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)奠下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。以期望在保證車(chē)身的剛度、強(qiáng)度和安全性能不降低的情況下，最大限度地減輕車(chē)身質(zhì)量。14 3整車(chē)仿真模型的建立及有效性驗(yàn)證3整車(chē)仿真模型的建立及有效性驗(yàn)證建立整車(chē)的有限元模型是進(jìn)行整車(chē)碰撞分析的第一步，本章將建立整車(chē)的有限元模型并對(duì)該模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證。一個(gè)整車(chē)模型擁有成百上千個(gè)零件，對(duì)其完[48]整的建模需要耗費(fèi)巨大的工作量，一般而言整車(chē)建模工作量大約為三人一年。本文由于受到時(shí)間、經(jīng)費(fèi)及其他原因的制約，不能完整的建立整車(chē)有限元模型而是根據(jù)已有的有限元模型進(jìn)行深入的研究。本文采用的模型來(lái)源于美國(guó)國(guó)家碰撞[49]分析中心（NCAC）網(wǎng)站上公布的Toyota凱美瑞整車(chē)模型。正確的有限元模型才能得到正確的仿真結(jié)果，本章建立的有限元模型經(jīng)過(guò)有效性驗(yàn)證后為后續(xù)章節(jié)的分析和優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。3.1整車(chē)有限元模型的建立流程整個(gè)有限元建模的過(guò)程，先將CAD幾何模型導(dǎo)入hypermesh中，進(jìn)行必要的幾何清理和網(wǎng)格劃分；然后進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查與優(yōu)化；將各個(gè)零部件根據(jù)位置關(guān)系裝配起來(lái)后對(duì)部件網(wǎng)格進(jìn)行材料屬性和部件屬性的賦予；檢查有無(wú)穿透并調(diào)整；對(duì)整車(chē)及零部件質(zhì)量和質(zhì)心的調(diào)整；設(shè)置好模型的邊界條件，主要包括剛性墻和地面、連接、接觸、重力場(chǎng)和初始速度；模型的輸出設(shè)置，主要為傳感器和截面力等；設(shè)置控制卡片；然后調(diào)用Ls-dyna等求解器對(duì)模型進(jìn)行求解計(jì)算；將仿真數(shù)據(jù)與實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，主要比較關(guān)鍵部位的加速度、速度，整車(chē)和零部件的變形情況等，以此驗(yàn)證有限元模型的有效性。建立仿真模型的過(guò)程流程圖如下圖3.1所示。圖3.1仿真模型建立流程圖Fig3.1Theflowchartofmodelestablishment15 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文從上圖可以看到，模型建立的各環(huán)節(jié)之間相互制約，每一步要保證其準(zhǔn)確性，這樣才能又好又快的建立一個(gè)整車(chē)有限元模型。3.1.1模型的幾何清理和網(wǎng)格劃分①模型的幾何清理及簡(jiǎn)化CAD模型導(dǎo)入hypermesh軟件的過(guò)程中有可能產(chǎn)生一些幾何特征的重復(fù)、缺失、錯(cuò)誤鏈接等問(wèn)題，因此有必要對(duì)集合模型進(jìn)行修復(fù)清理，主要包括修復(fù)相鄰[50]面的連接性、刪除重復(fù)的面和多余的線(xiàn)條、修補(bǔ)缺失的元素等。將CAD模型中的一些不必要的零件刪除，可以忽略幾何模型中的對(duì)整體力學(xué)性能影響較小的空洞、凸臺(tái)凹槽、倒角以及肋筋等幾何細(xì)節(jié)，以為這些幾何特征會(huì)加大建模時(shí)的時(shí)間和難度，增加求解的時(shí)間，有時(shí)還會(huì)影響到結(jié)果的可靠性，所以要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，比如我們將直徑6mm以下的孔洞去掉，去掉半徑4mm的圓角，去掉高度不足4mm的凸臺(tái)或凹槽。對(duì)于一些鈑金件結(jié)構(gòu)，抽取中面并清理幾何，對(duì)于一些塊體或特殊要求的模型，進(jìn)行表面幾何清理。②單元類(lèi)型的選擇選擇單元類(lèi)型通?？紤]模型的結(jié)構(gòu)形狀，還有分析目的、加載條件和經(jīng)濟(jì)性。由于汽車(chē)大部分部件采用薄金屬板經(jīng)過(guò)沖壓后焊接拼裝而成，因此建模的過(guò)程中大部分都用殼單元模擬，還有一小部分零件用梁?jiǎn)卧蝮w單元模擬。就殼單元而言，考慮到模型計(jì)算時(shí)的效率和精度影響，一般選用計(jì)算效率較高的BT（Belytschko-Tsay）殼單元來(lái)進(jìn)行模擬，但是控制卡片CONTROL_SHELL中當(dāng)計(jì)算翹曲剛度時(shí)通常選擇計(jì)算的穩(wěn)定性較好的BWC（Belytschko-Wong-Chiang）殼單元計(jì)算。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等相對(duì)變形很小的部件一般用實(shí)體單元建模并簡(jiǎn)化為剛體。汽車(chē)部件具體選用的單元如下表3.1所示。表3.1各零部件仿真單元選擇表Tab.3.1Theselectiontableofpartssimulationelement零部件名稱(chēng)選取的單元類(lèi)型車(chē)身、車(chē)門(mén)等厚度方向尺寸明顯小于另外采用可變形殼單元兩方向的尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、門(mén)鎖、鉸鏈、玻璃采用實(shí)體單元懸架采用拉伸彈簧、阻尼彈簧和柱鉸共同模擬輪轂采用球鉸和轉(zhuǎn)動(dòng)鉸進(jìn)行模擬輪胎采用氣囊模型模擬懸置采用三個(gè)彈簧簡(jiǎn)化模擬16 3整車(chē)仿真模型的建立及有效性驗(yàn)證③網(wǎng)格劃分網(wǎng)格尺寸的大小會(huì)影響到整車(chē)的有限元模型計(jì)算的時(shí)間和精度，更小的網(wǎng)格尺寸固然會(huì)提高模型的計(jì)算精度，得到更好的模擬結(jié)果，但是也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的加大。如下圖3.2所示，曲線(xiàn)1表示計(jì)算精度隨網(wǎng)格大小的變化關(guān)系，曲線(xiàn)2表示計(jì)算花費(fèi)時(shí)間和網(wǎng)格大小的變化關(guān)系。圖3.2精度、時(shí)間和網(wǎng)格規(guī)模之間的關(guān)系Fig3.2Therelationshipbetweentheprecision,timeandmeshsize由圖可見(jiàn)，在O點(diǎn)左側(cè)，細(xì)化網(wǎng)格可以使計(jì)算精度大大提高而不會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的大幅增加，但是當(dāng)網(wǎng)格細(xì)化到一定程度時(shí)，在O點(diǎn)的右側(cè)，可以看到細(xì)化網(wǎng)格不會(huì)使計(jì)算精度有較大的提高，反而有下降的趨勢(shì)，而且這時(shí)的計(jì)算時(shí)間大[51]幅度增加。所以在劃分網(wǎng)格時(shí)最好使得網(wǎng)格規(guī)模在O點(diǎn)左右。本文的模型網(wǎng)格劃分以本人做過(guò)的汽車(chē)前防撞梁總成和前車(chē)門(mén)總成為例進(jìn)行說(shuō)明。劃分好的模型網(wǎng)格如下圖3.3所示。圖3.3汽車(chē)前防撞梁總成和前車(chē)門(mén)總成Fig3.3FrontcrashLiangZongchengandfrontdoorassembly17 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文采用二維殼單元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為8mm，單元最小尺寸為4mm，最大為12mm。防撞梁總成一共有13620個(gè)單元，14474個(gè)節(jié)點(diǎn)，三角形占比2.1%；車(chē)門(mén)總成共有47578個(gè)單元，49011個(gè)節(jié)點(diǎn)，三角形占比3.8%，三角形單元所占比例均控制在了5%以下。④網(wǎng)格質(zhì)量檢查根據(jù)分析目的，根據(jù)單元的尺寸選擇相應(yīng)的網(wǎng)格質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)。采用的單元質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)的具體參數(shù)如下表3.2所示。表3.2單元質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)Tab3.2Thecheckstandardofelementquality檢查參數(shù)參數(shù)控制范圍最小單元長(zhǎng)度（MinLength）4mm最大單元長(zhǎng)度（MaxLength）12mm單元長(zhǎng)寬比（AspectRatiao）<5翹曲度（Warpage）<12°扭曲度（Skewness）<40°單元雅可比值（jacobian）>0.6最小三角形內(nèi)角（MinAnglesforQuads）30°最大三角形內(nèi)角（MaxAnglesforQuads）100°最小四邊形內(nèi)角（MinAnglesforTriangular）45°最大四邊形內(nèi)角（MinAnglesforTriangular）130°三角形占總模型比例<5%單元質(zhì)量滿(mǎn)足上述要求后，再檢查重復(fù)單元和節(jié)點(diǎn)、單元連續(xù)性、自由邊、單元法向一致性等。3.1.2材料及屬性定義①材料定義根據(jù)不同的部件特性選擇不同的材料類(lèi)型，材料類(lèi)型的選擇影響到有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以有必要準(zhǔn)確的定義各個(gè)部件的材料類(lèi)型和屬性。LS_DYNA[52]擁有豐富材料庫(kù)，其有140多種材料模型可供選取。其中主要的材料類(lèi)型及應(yīng)用情況如表3.3所示。18 3整車(chē)仿真模型的建立及有效性驗(yàn)證表3.3整車(chē)碰撞模型中的主要材料類(lèi)型Tab3.3Mainmaterialtypesinvehicleimpactmodel序號(hào)應(yīng)用情況材料說(shuō)明材料卡片多線(xiàn)形彈塑性材料1鈑金件殼單元*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY(MATL24)散熱器及懸架空材料2*MAT_NULL外包殼單元(MATL9)蜂窩狀材料3散熱器體單元*MAT_HONEYCOMB(MATL26)線(xiàn)性彈簧4測(cè)點(diǎn)單元*MAT_SPRING_ELASTIC(SDMAT1)非線(xiàn)性彈簧*MAT_SPRING_NONLINEAR_ELASTIC(SDMAT4)5減震器非線(xiàn)性阻尼*MAT_DAMPER_NONLINEAR_VISCOUS(SDMAT5)焊點(diǎn)材料6焊點(diǎn)*MAT_SPOTWELD(MATL100)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速剛體材料7*MAT_RIGID箱等不變形件(MATL20)8粘膠、輪胎等彈性材料(MAT1)*MAT_ELASTIC②屬性定義根據(jù)零件劃分的網(wǎng)格類(lèi)型及車(chē)身零件的厚度，結(jié)合分析時(shí)所需要設(shè)置的屬性，進(jìn)行相關(guān)屬性卡片的定義，并生成屬性key文件。其中主要的零件屬性及應(yīng)用情況如表3.4所示。表3.4整車(chē)碰撞模型中的主要的零件屬性Tab3.4Themainpartpropertiesofthevehicleimpactmodel序號(hào)應(yīng)用情況屬性類(lèi)型屬性卡片1劃分為殼體的零件殼單元，需定義零件厚度SECTION_SHELL2劃分為實(shí)體的零件實(shí)體單元SECTION_SOLID3彈簧、阻尼彈簧單元SECTION_DISCRETE4焊點(diǎn)梁?jiǎn)卧猄ECTION_BEAM19 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文3.1.3部件的連接部件與部件之間通過(guò)各種連接關(guān)系構(gòu)成一個(gè)汽車(chē)的整體，連接方式的不同會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)和變形形式的變化，所以連接的準(zhǔn)確與否會(huì)關(guān)系到有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須保證各部件間的準(zhǔn)確連接。①相對(duì)靜止部件的連接1）可變形體之間連接可變形體之間的連接可以采用可變形體共節(jié)點(diǎn)連接，如用spring、beam等的連接；也可以用剛性單元連接兩端的變形體，如plot、rigidbody、weld等連接；還有使用單獨(dú)新建的上下兩層剛性單元，其邊沿與可變形體共節(jié)點(diǎn)，剛性單元所屬的component需要賦予MAT20類(lèi)型材料屬性和其他相關(guān)屬性。2）可變形體與剛性體的連接可以直接將剛性體和可變形體共節(jié)點(diǎn)連接也可以在interface命令塊中設(shè)置一個(gè)ExtraNode類(lèi)型的接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)連接，接觸示意圖如下圖a所示。c.剛性體之間連接剛性體與剛性體間的連接可以用LS_DYNA中的*CONSTRAINED_RIGID_BODIES關(guān)鍵字創(chuàng)建一個(gè)接觸連接，在同一個(gè)關(guān)鍵字下，一個(gè)主剛體可以對(duì)應(yīng)多個(gè)從剛體，實(shí)現(xiàn)他們之間的固結(jié)，接觸示意圖如下圖3.4所示。a）CONSTRAINED_EXTRA_NODESb)CONSTRAINED_RIGID_BODIES圖3.4連接示意圖Fig3.4Connectiondiagram②運(yùn)動(dòng)件的連接運(yùn)動(dòng)件之間的連接主要是鉸鏈。鉸鏈類(lèi)型包括spherical球鉸、revolute轉(zhuǎn)動(dòng)鉸、20 3整車(chē)仿真模型的建立及有效性驗(yàn)證cylindrical柱鉸、planar平面鉸、universal萬(wàn)向鉸等，通過(guò)LS-DYNA中的*CONSTRAINED_JOINT模擬，建立鉸鏈時(shí)要注意節(jié)點(diǎn)的選擇順序，鉸鏈形式如下圖3.5所示。（a）球鉸（b）轉(zhuǎn)動(dòng)鉸（c）柱鉸（d）萬(wàn)向鉸圖3.5鉸鏈鏈接方式Fig3.5Hingelinkingways③焊點(diǎn)連接車(chē)身金屬薄板件的連接主要使用焊接，有點(diǎn)焊和焊縫等焊接方式。當(dāng)選擇焊點(diǎn)類(lèi)型為weld、rigid、rigidlink、rigid(crbody)時(shí)，不需要定義材料、屬性和接觸，這幾種類(lèi)型也只能用于可變形體之間的連接。MAT100、MAT100（hexa）和MAT196類(lèi)型焊點(diǎn)需要定義材料和屬性，還需定義接觸和用于接觸的set。MAT100和MAT100（hexa）焊點(diǎn)材料類(lèi)型為MAT_SPOTWELD，property屬性類(lèi)型為SECTION_BEAM。MAT196焊點(diǎn)材料為MAT_GENERAL_SPRING_DISCREATE_BEAM類(lèi)型，property屬性為SECTION_BEAM類(lèi)型。21 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文3.1.4接觸的定義整車(chē)碰撞模型中除了0D、rigidbody、spring、1D單元外，其余所有接觸的部件均需要設(shè)置相應(yīng)的接觸。整車(chē)碰撞模型中主要的接觸方式及應(yīng)用情況如表3.5所示。表3.5整車(chē)碰撞模型中的主要接觸方式Tab3.5Maincontactmethodsinvehicleimpactmodel序號(hào)應(yīng)用情況接觸類(lèi)型從主*CONTACT_TIED_SHELL_EDG1開(kāi)閉件焊點(diǎn)接觸焊點(diǎn)集開(kāi)閉件集合E_TO_SURFACE_ID*CONTACT_TIED_SHELL_EDG2白車(chē)身焊點(diǎn)接觸焊點(diǎn)集白車(chē)身集合E_TO_SURFACE_ID*CONTACT_AUTOMATIC_SIN3汽車(chē)自身汽車(chē)―GLE_SURFACE_ID4剛性墻*RIGIDWALL_PLANAR_IDALL―5前車(chē)輪和地面*RIGIDWALL_PLANAR_ID前2個(gè)車(chē)輪―6后車(chē)輪和地面*RIGIDWALL_PLANAR_ID后2個(gè)車(chē)輪―3.2整車(chē)有限元模型的有效性驗(yàn)證本文所采用的NCAC公布的2012ToyotaCamry整車(chē)有限元模型如下圖3.6所示。此模型網(wǎng)格平均尺寸為6~7mm，最小尺寸4mm，共有1678823個(gè)單元，1687989個(gè)節(jié)點(diǎn)，663個(gè)部件，10795個(gè)焊點(diǎn)單元，總質(zhì)量1421kg。圖3.62012ToyotaCamry整車(chē)有限元模型Fig3.62012CamryToyotafiniteelementmodel22 3整車(chē)仿真模型的建立及有效性驗(yàn)證由于此車(chē)型做過(guò)編號(hào)為No.7520(速度35mph,56km/h)的實(shí)車(chē)正碰試驗(yàn)，因此本人也將此車(chē)的有限元模型進(jìn)行正面碰撞仿真，通過(guò)對(duì)比仿真數(shù)據(jù)和實(shí)車(chē)正面碰撞數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證此有限元模型的有效性，當(dāng)結(jié)果吻合度達(dá)到85%以上時(shí)，則可以認(rèn)為[53]模型是有效的。將此整車(chē)模型設(shè)置好整體自動(dòng)單面接觸；設(shè)置剛性墻和地面，并將地面與車(chē)輪所有節(jié)點(diǎn)設(shè)置接觸；設(shè)置重力場(chǎng)和碰撞的初始速度；將需要測(cè)量的位置添加傳感器輸出，測(cè)量位置根據(jù)試驗(yàn)中給定的后地板上的兩個(gè)大致位置確定，如圖3.7所示；最后，設(shè)置好控制卡片后，生成K文件，導(dǎo)入LS-DYNA中進(jìn)行整車(chē)正面碰撞的計(jì)算。圖3.7加速度傳感器安裝位置示意圖Fig3.7Schematicdiagramofaccelerationsensorinstallationposition3.2.1系統(tǒng)能量曲線(xiàn)整車(chē)正面碰撞仿真結(jié)果的系統(tǒng)能量變化情況如下圖3.8曲線(xiàn)所示。圖3.8整車(chē)正碰系統(tǒng)能量曲線(xiàn)Fig3.8Vehiclefrontalcrashsystemenergycurve23 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文由圖可以看出，系統(tǒng)的能量構(gòu)成比較合理，總能量守恒，各曲線(xiàn)變化平穩(wěn)，滑移界面能占總能量的3.9%、沙漏能占總能量的0.7%，質(zhì)量增加比1.1%，都控制在5%以下，初步證明了模型的正確性。3.2.2車(chē)體變形對(duì)比仿真模型和實(shí)車(chē)模型在正面碰撞過(guò)程中車(chē)體的變形情況分別從汽車(chē)側(cè)面和底部?jī)蓚€(gè)方向進(jìn)行對(duì)比觀(guān)察，其不同時(shí)間段變形對(duì)比圖如下圖3.9、圖3.10所示。（20ms）（60ms）（100ms）圖3.9不同時(shí)間段側(cè)面視角變形對(duì)比Fig3.9Deformationcomparisonofdifferenttimeperiod24 3整車(chē)仿真模型的建立及有效性驗(yàn)證（20ms）（60ms）（100ms）圖3.10不同時(shí)間段底部視角變形對(duì)比Fig3.10Comparisonofdeformationindifferenttimeperiod由圖3.9和圖3.10可以看出，車(chē)體的各個(gè)的時(shí)刻變形情況雖然在細(xì)節(jié)上有所不25 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文同，但是變形點(diǎn)和變形程度大體相當(dāng)，引擎蓋和翼子板的變形，車(chē)輪的位置都大致與試驗(yàn)中的相符，可以認(rèn)為兩者碰撞變形基本相符，仿真結(jié)果在可接受的范圍內(nèi)，由此證明整車(chē)有限元模型的一定可靠性。3.2.3測(cè)量點(diǎn)傳感器輸出曲線(xiàn)對(duì)比將模型后地板左右兩側(cè)傳感器數(shù)據(jù)與實(shí)車(chē)正面碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，加速度、速度和位移結(jié)果如下所示。圖3.11模型后地板左右兩側(cè)傳感器與實(shí)車(chē)正面碰撞試驗(yàn)加速度數(shù)據(jù)對(duì)比Fig3.11Theaccelerationcomparisonoftherightandleftsideswithfrontalcrashtestbetweenthemodelandtherealvehicle從測(cè)點(diǎn)的加速度曲線(xiàn)看出，試驗(yàn)與仿真得到的加速度曲線(xiàn)走勢(shì)大體一致，峰值相差5%，在可接受的誤差范圍內(nèi),可以認(rèn)為兩者對(duì)比良好。圖3.12模型后地板左右兩側(cè)傳感器與實(shí)車(chē)正面碰撞試驗(yàn)速度數(shù)據(jù)對(duì)比Fig3.12Thespeedcomparisonoftherightandleftsideswithfrontalcrashtestbetweenthemodelandtherealvehicle由速度曲線(xiàn)可以看到，仿真與試驗(yàn)速度曲線(xiàn)走勢(shì)一致，數(shù)值上相差7%，曲線(xiàn)吻合良好。26 3整車(chē)仿真模型的建立及有效性驗(yàn)證圖3.13模型后地板左右兩側(cè)傳感器與實(shí)車(chē)正面碰撞試驗(yàn)位移數(shù)據(jù)對(duì)比Fig3.13Thedisplacementcomparisonoftherightandleftsideswithfrontalcrashtestbetweenthemodelandtherealvehicle由位移曲線(xiàn)看出，后地板左側(cè)測(cè)點(diǎn)的仿真曲線(xiàn)與試驗(yàn)曲線(xiàn)有一定差距，但是與試驗(yàn)中備用傳感器的曲線(xiàn)較為接近，兩者走勢(shì)一致，峰值相差4%；右側(cè)測(cè)點(diǎn)曲線(xiàn)吻合良好，兩者走勢(shì)一致，峰值相差3%。3.2.4仿真與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)論由前述能量曲線(xiàn)、車(chē)體變形情況對(duì)比、測(cè)點(diǎn)曲線(xiàn)對(duì)比可得出結(jié)論：此仿真有限元模型與實(shí)車(chē)模型吻合度良好，變形相似，數(shù)據(jù)誤差控制在了15%以?xún)?nèi)，可以認(rèn)為此有限元模型有效，可以以此模型作為原始模型，并進(jìn)行后續(xù)的模擬分析。3.3本章小結(jié)有限元仿真分析技術(shù)是現(xiàn)階段進(jìn)行汽車(chē)研發(fā)改進(jìn)工作的重要的手段之一。其低廉的成本，良好的可靠性受到各個(gè)汽車(chē)公司的青睞。采用有限元仿真必然和實(shí)車(chē)試驗(yàn)存在差距，誤差的產(chǎn)生不可避免，但是誤差在允許的范圍內(nèi)并不會(huì)給結(jié)果造成很大的影響。要得到一個(gè)可靠的仿真結(jié)果必然依賴(lài)于一個(gè)準(zhǔn)確而可靠的有限元模型。本章就此展開(kāi)，簡(jiǎn)單的介紹了整車(chē)有限元模型建立的一些關(guān)鍵步驟并對(duì)本文使用的整車(chē)仿真模型進(jìn)行了有效性驗(yàn)證，通過(guò)仿真結(jié)果與實(shí)車(chē)試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)的一系列對(duì)比，得出了此模型具有可靠性和有效性的結(jié)論，為后續(xù)章節(jié)的整車(chē)側(cè)面碰撞和簡(jiǎn)化模型的建立提供了基礎(chǔ)。27 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文28 4整車(chē)側(cè)面碰撞簡(jiǎn)化模型的建立及驗(yàn)證4整車(chē)側(cè)面碰撞簡(jiǎn)化模型的建立及驗(yàn)證基于上一章得到的可靠有效的汽車(chē)整車(chē)模型，按照中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)法規(guī)要求，建立起側(cè)面碰撞有限元模型，由于整車(chē)側(cè)碰模型計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、需要存儲(chǔ)的空間也大，所以建立整車(chē)側(cè)碰的簡(jiǎn)化模型就變得尤為必要。側(cè)碰的簡(jiǎn)化模型雖然能大大減少計(jì)算的時(shí)間和空間，但是其計(jì)算的結(jié)果是否能真實(shí)的反應(yīng)到整車(chē)側(cè)碰中去，就成了整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，因此建立了兩種不同邊界約束條件的簡(jiǎn)化模型，并對(duì)其進(jìn)行厚度靈敏度分析，以得到利于優(yōu)化設(shè)計(jì)的更為準(zhǔn)確的簡(jiǎn)化模型。4.1整車(chē)側(cè)面碰撞模型4.1.1移動(dòng)可變形壁障（MDB）實(shí)車(chē)側(cè)面碰撞試驗(yàn)需要一個(gè)移動(dòng)可變形壁障來(lái)近似的模擬被測(cè)汽車(chē)側(cè)面受到50km/h的實(shí)車(chē)撞擊，所以在仿真分析中也需要建立一個(gè)側(cè)碰的移動(dòng)可變形壁障的有限元模型，并且此移動(dòng)可變形壁障有限元模型必須比較準(zhǔn)確的模擬實(shí)際的移動(dòng)可變形壁障在側(cè)碰過(guò)程中的響應(yīng)，以此來(lái)確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。本文使用一個(gè)已經(jīng)經(jīng)過(guò)標(biāo)定和驗(yàn)證過(guò)有效性的移動(dòng)可變形壁障有限元模型，如下圖4.1所示。圖4.1側(cè)碰移動(dòng)可變形壁障模型Fig4.1Sidecollisionmovingdeformablebarriermodel4.1.2整車(chē)側(cè)面碰撞仿真模型的建立本文按照C-NCAP試驗(yàn)要求，建立了整車(chē)側(cè)面碰撞仿真模型，如圖4.2所示。移動(dòng)變形壁障以50km/h的速度垂直撞擊靜止車(chē)輛的側(cè)面，它的中垂線(xiàn)通過(guò)車(chē)輛碰撞側(cè)前排座椅R點(diǎn)，模擬時(shí)間設(shè)為0.1s。側(cè)面碰撞模型質(zhì)量如表4.1所示。通過(guò)側(cè)碰仿真過(guò)程的能量變化情況來(lái)確認(rèn)側(cè)面碰撞仿真模型計(jì)算的各參數(shù)設(shè)置是否合理，系統(tǒng)能量的變化情況如圖4.3。29 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文圖4.2整車(chē)側(cè)面碰撞仿真模型Fig4.2Vehiclesideimpactsimulationmodel表4.1原始模型側(cè)面碰撞模型質(zhì)量Tab4.1Sideimpactmodelqualityoftheoriginalmodel質(zhì)量項(xiàng)原始模型前排駕駛員側(cè)假人質(zhì)量（Kg）77后排駕駛員側(cè)假人質(zhì)量（Kg）46整車(chē)整備質(zhì)量（Kg）1470整車(chē)模型總質(zhì)量（Kg）1593臺(tái)車(chē)總質(zhì)量（Kg）950圖4.3整車(chē)側(cè)碰系統(tǒng)能量曲線(xiàn)Fig4.3Energycurveofvehiclesideimpactsystem30 4整車(chē)側(cè)面碰撞簡(jiǎn)化模型的建立及驗(yàn)證從圖4.3中看出模型系統(tǒng)能量的構(gòu)成比較合理，總能量守恒，滑移界面能和沙漏能保持很小的正值，并且不超過(guò)總能量的5%，由此可以說(shuō)明在建模過(guò)程中，有限元網(wǎng)格的標(biāo)準(zhǔn)、模型的連接以及各種求解卡片的設(shè)置都是合理的。4.2側(cè)碰簡(jiǎn)化模型的建立研究表明，部件單獨(dú)從整車(chē)上取下來(lái)和保留在整車(chē)上這兩種情況下，部件的[54]碰撞特性并不相同，但二者的趨勢(shì)仍是一致的。眾所周知，影響側(cè)面碰撞性能的主要的承力部件是B柱和門(mén)檻，所建的簡(jiǎn)化模型主要包括了：側(cè)圍、B柱加強(qiáng)板、B柱中間加強(qiáng)版、安全帶安裝板、B柱內(nèi)板、上鉸鏈安裝板、門(mén)檻加強(qiáng)件和門(mén)檻內(nèi)板以及臺(tái)車(chē)模型等。簡(jiǎn)化模型和整車(chē)模型具有相同的材料和連接關(guān)系簡(jiǎn)化模型中臺(tái)車(chē)碰撞位置與整車(chē)側(cè)碰中臺(tái)車(chē)相對(duì)位置保持一致。具體如下圖4.4所示。圖4.4側(cè)面碰撞簡(jiǎn)化模型Fig4.4SimplifiedmodelofSideimpact4.2.1簡(jiǎn)化模型約束條件簡(jiǎn)化模型和原模型有相同的材料、連接關(guān)系，其中邊界約束都直接取自整車(chē)側(cè)碰仿真計(jì)算中的邊界條件，以保證簡(jiǎn)化模型具有和整車(chē)側(cè)碰中相同的運(yùn)動(dòng)條件。為考慮模型的分析精度，分別基于兩種邊界輸入條件建立了側(cè)碰簡(jiǎn)化模型，如圖4.5所示。①base1：半約束模式，約束側(cè)碰簡(jiǎn)化模型的上下兩端節(jié)點(diǎn)的位移，節(jié)點(diǎn)位移-時(shí)間曲線(xiàn)直接取自整車(chē)模型。②base2：全約束模式，在base1基礎(chǔ)上，增加B柱上端橫梁和下端門(mén)檻梁與整車(chē)相接處的節(jié)點(diǎn)的位移約束，節(jié)點(diǎn)位移-時(shí)間曲線(xiàn)也直接取自整車(chē)模型。31 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文a)base1b)base2圖4.5側(cè)碰簡(jiǎn)化模型邊界約束Fig4.5Boundaryconstraintsofsimplifiedsidecollisionmodel兩種側(cè)碰簡(jiǎn)化模型的移動(dòng)可變形壁障邊界約束直接取自整車(chē)側(cè)碰中臺(tái)車(chē)的位移-時(shí)間曲線(xiàn)。4.2.2簡(jiǎn)化模型測(cè)量項(xiàng)參照原始模型型整車(chē)側(cè)面碰撞分析模型，選取B柱對(duì)應(yīng)假人較易損傷的頭部、胸部、腹部位置的侵入速度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其對(duì)應(yīng)位置如圖4.6所示。圖4.6側(cè)碰簡(jiǎn)化模型測(cè)量項(xiàng)Fig4.6Measurementsofsimplifiedsidecollisionmodel4.3兩種簡(jiǎn)化模型的驗(yàn)證分析結(jié)合整車(chē)和簡(jiǎn)化模型分析結(jié)果，對(duì)比側(cè)碰碰撞評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)上述兩種簡(jiǎn)化模型進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)其變化靈敏度進(jìn)行分析對(duì)比，從而確定更準(zhǔn)確有效的側(cè)碰簡(jiǎn)化模型。4.3.1側(cè)碰簡(jiǎn)化模型有效性驗(yàn)證32 4整車(chē)側(cè)面碰撞簡(jiǎn)化模型的建立及驗(yàn)證a)原始模型b)base1模型c)base2模型圖4.7原始模型和兩種簡(jiǎn)化模型B柱變形情況對(duì)比Fig4.7ThedeformationComparisonofthefoundationvehicleandthetwosimplifiedmodelsofBcolumn從圖4.7中B柱變形可以看出，b)中圖示位置的B柱上端的變形存在一定差異，c)B柱變形與整車(chē)中的變形基本一致。分析差異原因主要在于，在base1的側(cè)碰簡(jiǎn)化模型邊界輸入時(shí)，僅對(duì)其上下兩端的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束，而忽略了B柱上部橫梁和下部門(mén)檻與整車(chē)相接處部位的節(jié)點(diǎn)的影響，造成其與整車(chē)中的約束條件存在差異。表4.2表示了整車(chē)模型和簡(jiǎn)化模型側(cè)面碰撞分析結(jié)果對(duì)比。表4.2原始模型整車(chē)模型和簡(jiǎn)化模型B柱結(jié)果對(duì)比Tab4.2Comparisonoftheresultsofthevehiclemodelandthesimplifiedmodel原始模base1base2評(píng)價(jià)指標(biāo)型計(jì)算數(shù)值誤差%計(jì)算數(shù)值誤差%頭部侵入速度峰值（m/s）5.725.29-7.5%5.28-7.7%胸部侵入速度峰值（m/s）8.827.75-12.1%8.44-4.3%腹部侵入速度峰值（m/s）9.548.61-9.7%9.08-4.8%33 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文a)B柱對(duì)應(yīng)假人頭部位置b)B柱對(duì)應(yīng)假人胸部位置c)B柱對(duì)應(yīng)假人腹部位置圖4.8原始模型和兩種簡(jiǎn)化模型B柱侵入速度對(duì)比Fig4.8ThespeedcomparisonoftheOriginalmodelandthetwokindsofsimplifiedmodels從分析結(jié)果可以看出，兩種簡(jiǎn)化模型各各測(cè)點(diǎn)的曲線(xiàn)變化趨勢(shì)和峰值與整車(chē)相比雖略有差別，但基本一致，但是base1模型計(jì)算結(jié)果與整車(chē)結(jié)果存在較大誤差，誤差最大值為12.1%（B柱對(duì)應(yīng)假人胸部位置），在15%的范圍內(nèi)，可以接受。base2模型的計(jì)算結(jié)果與整車(chē)結(jié)果誤差較小。表明了所建的兩種整車(chē)側(cè)面簡(jiǎn)化模型都能有效的反應(yīng)了實(shí)際整車(chē)的側(cè)面碰撞情況。4.3.2側(cè)碰簡(jiǎn)化模型靈敏度分析在對(duì)B柱和門(mén)檻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，其材料、厚度或結(jié)構(gòu)變化會(huì)對(duì)碰撞性能產(chǎn)生影響。為了能夠準(zhǔn)確反應(yīng)出側(cè)碰簡(jiǎn)化模型靈敏特性，需要對(duì)兩種側(cè)碰簡(jiǎn)化模型以部件厚度的減薄和加厚為變化量，進(jìn)行碰撞性能的靈敏度分析，其中側(cè)碰碰撞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括侵入量、侵入速度。靈敏度指各方案在對(duì)應(yīng)原始模型上的變化百分比。側(cè)碰模型中優(yōu)化部件名稱(chēng)及編號(hào)分別為：門(mén)檻前板ID179，門(mén)檻后板ID178，B柱中間加強(qiáng)板ID198，B柱內(nèi)板ID116。本文中對(duì)優(yōu)化部件的減薄和加厚方式如下表4.3所示：34 4整車(chē)側(cè)面碰撞簡(jiǎn)化模型的建立及驗(yàn)證表4.3簡(jiǎn)化模型靈敏度驗(yàn)證方案Tab4.3Simplifiedmodelsensitivityverificationscheme零件整車(chē)減薄加厚零件圖示編號(hào)厚度(mm)厚度(mm)厚度(mm)1791.20.91.51781.651.252.051981.851.452.251161.61.22.0①侵入量靈敏度分析在測(cè)量侵入量數(shù)值時(shí)，因?yàn)楹?jiǎn)化模型的不完整性，導(dǎo)致其侵入量的測(cè)量方法與整車(chē)中侵入量的測(cè)量方法不一樣，但卻并不影響其靈敏度的分析。整車(chē)與簡(jiǎn)化模型假人所對(duì)應(yīng)位置（頭部、胸部、腹部）侵入量測(cè)量方法及節(jié)點(diǎn)號(hào)如圖4.9所示：a）整車(chē)b）簡(jiǎn)化模型圖4.9整車(chē)與簡(jiǎn)化模型測(cè)量點(diǎn)示意圖Fig4.9Measurementpointsofthevehicleandsimplifiedmodel在整車(chē)的側(cè)碰分析中，通過(guò)測(cè)量左右B柱相應(yīng)位置在側(cè)碰變形過(guò)程中的相對(duì)變化量即為其侵入量的數(shù)值。而簡(jiǎn)化模型中，選取兩側(cè)約束端的其中某個(gè)節(jié)點(diǎn)（本文選著348205節(jié)點(diǎn)）作為測(cè)量基點(diǎn)，在側(cè)碰變形過(guò)程中，選取與整車(chē)相對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量其與基點(diǎn)間的相對(duì)變化量作為侵入量，本文稱(chēng)為相對(duì)侵入量。通過(guò)整車(chē)和簡(jiǎn)化模型仿真計(jì)算，分別測(cè)得原始厚度、減薄和加厚后3種情況下的侵入量，如下表4.3所示：35 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文表4.3原始模型、Base1和Base2模型各測(cè)點(diǎn)的侵入量數(shù)據(jù)Tab4.3ThemeasurementpointsofintrusiondatawithOriginalmodel,Base1andBase2侵入量原始模型Base1簡(jiǎn)化模型Base2簡(jiǎn)化模型（mm）整車(chē)減薄加厚Base1減薄加厚減薄加厚減薄頭部9910795121124118125125122胸部201227187262274256267278262腹部218246204286299281292299288從上表可以看出，減薄方案中各個(gè)測(cè)點(diǎn)侵入量都隨著厚度的減薄而增加；加厚方案中各個(gè)測(cè)點(diǎn)侵入量都隨著厚度的加厚而降低，簡(jiǎn)化模型碰撞趨勢(shì)與整車(chē)一致。對(duì)上表進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算，分別得到兩種簡(jiǎn)化模型減薄和加厚下的侵入量靈敏度值，如表4.4所示：表4.4原始模型、Base1和Base2模型各測(cè)點(diǎn)的侵入量靈敏度對(duì)比Tab4.4Comparisonofthesensitivityoftheoriginalmodel,theBase1andtheBase2侵入量靈敏度原始模型Base1簡(jiǎn)化模型Base2簡(jiǎn)化模型（%）減薄加厚減薄加厚減薄加厚頭部8.1%-4%2.5%-2.5%0%-2.4%胸部12.9%-7%4.6%-2.3%4.1%-1.9%腹部12.8%-6.4%4.5%-1.7%2.4%-1.4%對(duì)表中兩種簡(jiǎn)化模型方案侵入量靈敏度與整車(chē)進(jìn)行相比分析可知，Base1與Base2簡(jiǎn)化模型減薄與加厚的兩種方式中侵入量的變化趨勢(shì)有較好的相似性，但是從靈敏度數(shù)值大小來(lái)看，Base1簡(jiǎn)化模型的侵入量靈敏度更高。②侵入速度靈敏度分析側(cè)碰模型中侵入速度的3處測(cè)點(diǎn)ID與侵入量的一致，并采用SAE-60濾波方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。通過(guò)仿真計(jì)算，并進(jìn)行后處理，分別得到相應(yīng)的整車(chē)、Base1和Base2的3處測(cè)點(diǎn)侵入速度圖，如下圖4.10、圖4.11、圖4.12所示。36 4整車(chē)側(cè)面碰撞簡(jiǎn)化模型的建立及驗(yàn)證a)B柱對(duì)應(yīng)假人頭部位置b)B柱對(duì)應(yīng)假人胸部位置c)B柱對(duì)應(yīng)假人腹部位置圖4.10整車(chē)及其減薄、加厚方式的B柱侵入速度Fig4.10Intrusionvelocityofvehicle,itsreductionandthickeningoftheBcolumna)B柱對(duì)應(yīng)假人頭部位置b)B柱對(duì)應(yīng)假人胸部位置37 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文c)B柱對(duì)應(yīng)假人腹部位置圖4.11base1及其減薄、加厚B柱侵入速度Fig4.11BcolumninvasionvelocityofBase1,itsthinningandthickeninga)B柱對(duì)應(yīng)假人頭部位置b)B柱對(duì)應(yīng)假人胸部位置c)B柱對(duì)應(yīng)假人腹部位置圖4.12base2及其減薄、加厚B柱侵入速度Fig4.12BcolumninvasionvelocityofBase2,itsthinningandthickening從上圖4.10、圖4.11、圖4.12中，提取各測(cè)點(diǎn)侵入速度峰值，列下表所示：38 4整車(chē)側(cè)面碰撞簡(jiǎn)化模型的建立及驗(yàn)證表4.5驗(yàn)證方案與原模型分析結(jié)果Tab4.5Theresultsoftheoriginalmodelandverificationscheme侵入速原始模型base1簡(jiǎn)化模型base2簡(jiǎn)化模型度峰值整車(chē)減薄加厚base1減薄加厚base2減薄加厚（m/s）頭部5.725.6365.285.25.365.295.425.42胸部8.828.989.028.448.558.267.758.227.84腹部9.549.899.79.089.299.188.619.268.67對(duì)上表4.5進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算，分別得到兩種簡(jiǎn)化模型減薄和加厚下的侵入速度靈敏度值，如表所示：表4.6簡(jiǎn)化模型靈敏度分析Tab4.6Simplifiedmodelsensitivityanalysis侵入速度靈敏原始模型base1簡(jiǎn)化模型base2簡(jiǎn)化模型度值（%）減薄加厚減薄加厚減薄加厚頭部-1.6%4.9%-1.5%1.5%2.5%2.5%胸部1.8%-1.2%1.3%-2.1%6.1%1.2%腹部3.7%1.7%2.3%1.1%7.5%0.7%表4.6中對(duì)兩種簡(jiǎn)化模型的侵入速度靈敏度進(jìn)行了分析。從分析結(jié)果可以看出，base1的靈敏度值較小，但是與整車(chē)變化趨勢(shì)很一致；base2的靈敏度值雖然較大，但是其各測(cè)點(diǎn)的趨勢(shì)都是增加，與整車(chē)明顯不符，不利于后期優(yōu)化設(shè)計(jì)。分析其造成的原因?yàn)椋琤ase2中增加了B柱上端橫梁和下端門(mén)檻梁與整車(chē)相接處節(jié)點(diǎn)的約束，使得該點(diǎn)在各方案的碰撞過(guò)程中位移固定，約束了附近其它節(jié)點(diǎn)在厚度變化時(shí)的變形模式，從而造成當(dāng)部件厚度發(fā)生改變時(shí)，其簡(jiǎn)化模型的靈敏度下降，變化趨勢(shì)與整車(chē)的變化趨勢(shì)一致性較差。所以base1可作為原始模型型的側(cè)碰簡(jiǎn)化模型。39 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文4.4小結(jié)依據(jù)原始模型型側(cè)面碰撞分析結(jié)果，建立了兩種B柱側(cè)碰簡(jiǎn)化模型（base1和base2），并對(duì)其進(jìn)行有效性驗(yàn)證和靈敏度分析。結(jié)果表明：Base1與Base2簡(jiǎn)化模型都具有有效性，從侵入量和侵入速度靈敏度上分析，Base1簡(jiǎn)化模型的變形趨勢(shì)與整車(chē)側(cè)碰模型的變形趨勢(shì)更一致，靈敏度更高，更能準(zhǔn)確的反映出整車(chē)的碰撞特性，因此采用base1側(cè)碰簡(jiǎn)化模型進(jìn)行后期的正交優(yōu)化設(shè)計(jì)。40 5側(cè)碰簡(jiǎn)化模型正交設(shè)計(jì)及最優(yōu)方案驗(yàn)證5側(cè)碰簡(jiǎn)化模型正交設(shè)計(jì)及最優(yōu)方案驗(yàn)證以影響側(cè)碰安全性能的典型結(jié)構(gòu)件為輕量化研究對(duì)象，在Base1側(cè)碰簡(jiǎn)化模型中進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)模擬計(jì)算，利用綜合平衡方法得到滿(mǎn)足汽車(chē)結(jié)構(gòu)安全性能的最優(yōu)材料分配方案，并將最優(yōu)方案帶入到整車(chē)側(cè)碰模型中，以驗(yàn)證最優(yōu)方案的有效性。5.1側(cè)碰簡(jiǎn)化模型正交優(yōu)化設(shè)計(jì)5.1.1簡(jiǎn)化模型的改進(jìn)在進(jìn)行正交設(shè)計(jì)前，針對(duì)整車(chē)原始模型簡(jiǎn)單的進(jìn)行了兩個(gè)方面的改進(jìn)。第一個(gè)改進(jìn)：由于本文中所涉及的輕量化優(yōu)化部件都用更高強(qiáng)度的鋼來(lái)進(jìn)行替換，因此刪除掉多余的B柱內(nèi)板加強(qiáng)板ID184；第二個(gè)改進(jìn)：基于制造工藝和成本等多方面考慮，目前市場(chǎng)上大多數(shù)車(chē)型的門(mén)檻件都做成一體的，由于整車(chē)模型中前門(mén)檻件和后門(mén)檻件厚度不一致，因此改進(jìn)后的門(mén)檻件統(tǒng)一取為1.2mm。改進(jìn)方案如圖5.1所示，圖中側(cè)碰安全結(jié)構(gòu)件各零件材料信息如表5.1所示：圖5.1改進(jìn)方案Fig5.1Improvementscheme41 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文表5.1側(cè)碰安全結(jié)構(gòu)件各零件材料信息Tab5.1Materialinformationofsideimpactsafetystructureparts零件名稱(chēng)零件編號(hào)ID材料屈服強(qiáng)度（Mpa）材料厚度（mm）B柱加強(qiáng)板1744501.5B柱中間加強(qiáng)板1985001.85B柱內(nèi)板1163601.6B柱內(nèi)板加強(qiáng)板1843601.75前門(mén)檻梁1794001.2后門(mén)檻梁1785001.655.1.2簡(jiǎn)化模型的正交優(yōu)化設(shè)計(jì)國(guó)外的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，側(cè)面碰撞時(shí)，人體胸部的傷害值(肋骨變形指數(shù)[55]RDC)與B柱腰帶（約B柱高度坐標(biāo)660mm處)撞擊假人的速度成正比。同時(shí)，在實(shí)際試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，B柱在變形過(guò)程中，腰帶處的變形速度最大，B柱腰帶位置如圖5.2所示；又由于傾入速度和侵入量都是側(cè)面碰撞性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。所以，合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)盡量降低B柱腰帶處的變形速度和變形量，以減小碰撞造成的乘員胸部損傷。圖5.2B柱腰帶位置Fig5.2Bpillarbeltposition根據(jù)所建立的整車(chē)側(cè)面簡(jiǎn)化模型，結(jié)合實(shí)際制造工藝，由于B柱加強(qiáng)板的厚度已經(jīng)確定，針對(duì)門(mén)檻件材料和厚度、B柱中間加強(qiáng)板材料和厚度、B柱內(nèi)板材料42 5側(cè)碰簡(jiǎn)化模型正交設(shè)計(jì)及最優(yōu)方案驗(yàn)證和厚度以及B柱加強(qiáng)板的材料等7個(gè)參數(shù)（分別以字母A、B、C、D、E、F、G來(lái)表示）作為正交試驗(yàn)因素；以B柱腰線(xiàn)侵入速度峰值和相對(duì)侵入量最大值作為分析優(yōu)化指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)因素及其實(shí)驗(yàn)水平見(jiàn)表5.2所列。表5.2實(shí)驗(yàn)因素水平Tab5.2Experimentalfactorlevel因素水門(mén)檻件門(mén)檻件厚中間加強(qiáng)中間加強(qiáng)板內(nèi)板材料內(nèi)板厚度加強(qiáng)板平材料A度B(mm)板材料C厚度D（mm）EF（mm）材料G1TRIP7801.4TRIP7801.7TRIP7801.5TRIP7802DP7801.2DP7801.5DP7801.4DP7803DP9801DP9801.4DP9801.2DP980注：替換材料TRIP780、DP780、DP980屈服強(qiáng)度分別為：530Mpa、580Mpa、722Mpa。7在分析中不考慮各因素之間的交互作用，選用L18(3)正交表安排模擬實(shí)驗(yàn)分析，以侵入速度峰值為優(yōu)化指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表5.3。表5.3.正交設(shè)計(jì)方案及結(jié)果分析Tab5.3Orthogonaldesignschemeandresultanalysis因素侵入速度峰實(shí)驗(yàn)號(hào)值A(chǔ)BCDEFG實(shí)驗(yàn)1TRIP7801.4TRIP7801.7TRIP7801.5TRIP7807.49實(shí)驗(yàn)2TRIP7801.2DP7801.5DP7801.4DP7807.42實(shí)驗(yàn)3TRIP7801DP9801.4DP9801.2DP9807.46實(shí)驗(yàn)4DP7801.4TRIP7801.5DP7801.2DP9807.43實(shí)驗(yàn)5DP7801.2DP7801.4DP9801.5TRIP7807.62實(shí)驗(yàn)6DP7801DP9801.7TRIP7801.4DP7807.48實(shí)驗(yàn)7DP9801.4DP7801.7DP9801.4DP9807.29實(shí)驗(yàn)8DP9801.2DP9801.5TRIP7801.2TRIP7807.64實(shí)驗(yàn)9DP9801TRIP7801.4DP7801.5DP7807.5實(shí)驗(yàn)10TRIP7801.4DP9801.4DP7801.4TRIP7807.3143 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文續(xù)表5.3：因素侵入速度峰實(shí)驗(yàn)號(hào)值A(chǔ)BCDEFG實(shí)驗(yàn)11TRIP7801.2TRIP7801.7DP9801.2DP7807.66實(shí)驗(yàn)12TRIP7801DP7801.5TRIP7801.5DP9807.59實(shí)驗(yàn)13DP7801.4DP7801.4TRIP7801.2DP7807.47實(shí)驗(yàn)14DP7801.2DP9801.7DP7801.5DP9807.45實(shí)驗(yàn)15DP7801TRIP7801.5DP9801.4TRIP7807.3實(shí)驗(yàn)16DP9801.4DP9801.5DP9801.5DP7807.68實(shí)驗(yàn)17DP9801.2TRIP7801.4TRIP7801.4DP9807.34實(shí)驗(yàn)18DP9801DP7801.7DP7801.2TRIP7807.44均值17.4887.4457.4537.4687.5027.5557.467均值27.4587.5227.4727.517.4257.3577.535均值37.4827.4627.5037.457.5027.5177.427極差0.030.0770.050.060.0770.1980.108通過(guò)上表2，由極差的大小可以獲得這七個(gè)因素的顯著性程度從大到小依次為：內(nèi)板厚度→加強(qiáng)板材料→門(mén)檻件厚度→內(nèi)板材料→中間加強(qiáng)板厚度→中間加強(qiáng)板材料→門(mén)檻件材料。7在分析中不考慮各因素之間的交互作用，選用L18(3)正交表安排模擬實(shí)驗(yàn)分析，以相對(duì)侵入量為優(yōu)化指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表5.4（相對(duì)侵入量定義及測(cè)量方法見(jiàn)4.3.2節(jié)）。44 5側(cè)碰簡(jiǎn)化模型正交設(shè)計(jì)及最優(yōu)方案驗(yàn)證表5.4正交設(shè)計(jì)方案及結(jié)果分析Tab5.4Orthogonaldesignschemeandresultanalysis因素相對(duì)侵實(shí)驗(yàn)號(hào)ABCDEFG入量實(shí)驗(yàn)1TRIP7801.4TRIP7801.7TRIP7801.5TRIP780212實(shí)驗(yàn)2TRIP7801.2DP7801.5DP7801.4DP780212實(shí)驗(yàn)3TRIP7801DP9801.4DP9801.2DP980210實(shí)驗(yàn)4DP7801.4TRIP7801.5DP7801.2DP980207實(shí)驗(yàn)5DP7801.2DP7801.4DP9801.5TRIP780212實(shí)驗(yàn)6DP7801DP9801.7TRIP7801.4DP780217實(shí)驗(yàn)7DP9801.4DP7801.7DP9801.4DP980204實(shí)驗(yàn)8DP9801.2DP9801.5TRIP7801.2TRIP780214實(shí)驗(yàn)9DP9801TRIP7801.4DP7801.5DP780214實(shí)驗(yàn)10TRIP7801.4DP9801.4DP7801.4TRIP780212實(shí)驗(yàn)11TRIP7801.2TRIP7801.7DP9801.2DP780216實(shí)驗(yàn)12TRIP7801DP7801.5TRIP7801.5DP980207實(shí)驗(yàn)13DP7801.4DP7801.4TRIP7801.2DP780214實(shí)驗(yàn)14DP7801.2DP9801.7DP7801.5DP980204實(shí)驗(yàn)15DP7801TRIP7801.5DP9801.4TRIP780216實(shí)驗(yàn)16DP9801.4DP9801.5DP9801.5DP780210實(shí)驗(yàn)17DP9801.2TRIP7801.4TRIP7801.4DP980205實(shí)驗(yàn)18DP9801DP7801.7DP7801.2TRIP780217均值1211.5209.833211.667211.667211.5209.833213.833均值2211.667210.5211211211211213.833均值3210.667213.5211.167211.167211.33213206.167極差13.3370.6670.6670.53.1677.6665.1.3多因素權(quán)重優(yōu)化方法[56]多因素權(quán)重優(yōu)化方法是一種基于正交試驗(yàn)的多指標(biāo)優(yōu)化方法,通過(guò)對(duì)各影響因素權(quán)重的分析,為最優(yōu)方案的選擇提供數(shù)據(jù)依據(jù)。這種方法是以矩陣為模型進(jìn)行分析,首先根據(jù)正交試驗(yàn)中涉及的設(shè)計(jì)目標(biāo)、試驗(yàn)因素及因素水平等按下表5.5的形式列出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。45 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文表5.5正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Tab5.5Datastructureoforthogonaltest然后根據(jù)表中各層的數(shù)據(jù)，建立正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的試驗(yàn)考察指標(biāo)層矩陣：正交試驗(yàn)中有m個(gè)因素,每個(gè)因素有n個(gè)水平,因素Ai第j個(gè)水平上的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的平均值為Kij。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果以大值為優(yōu)時(shí),Kij=kij;當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果以小值為優(yōu)時(shí),Kij=1/kij。建立如下的矩陣1：n建立因素層的矩陣:令Fi=1/?Kij，建立如下的矩陣2j?1m建立水平層的矩陣:ri表示的是試驗(yàn)中的每個(gè)因素的極差,令Ri=ri/?ri,建立的i?1矩陣即下面所示的矩陣3通過(guò)上面建立的三個(gè)矩陣,可以求得試驗(yàn)時(shí)每個(gè)因素各個(gè)水平對(duì)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)影響46 5側(cè)碰簡(jiǎn)化模型正交設(shè)計(jì)及最優(yōu)方案驗(yàn)證T的權(quán)重矩陣:W=UFR,W=[W1W2┅Wn]nn上式得到的結(jié)果中W1=K11F1R1=（K11/?Kij）R1，K11/?Kij為因素A1的第j?1j?1m—個(gè)水平下的試驗(yàn)結(jié)果占該因素下所有水平的試驗(yàn)結(jié)果的總和的比,R1=r1/?ri為i?1因素A1的極差占所有因素的極差之和的比。可見(jiàn)二者的乘積既可以反映A1的第一個(gè)水平對(duì)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的影響程度,還可以反映因素A1極差的大小。對(duì)其他的因素和水平來(lái)說(shuō)也是這樣。因此,該計(jì)算結(jié)果可以表示各因素各水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的權(quán)重,根據(jù)各因素各水平權(quán)重大小的對(duì)比就可以得出試驗(yàn)的最優(yōu)方案及各影響因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的主次。根據(jù)5.1.2節(jié)正交試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)excel按照上述計(jì)算方法分別得到B柱的腰線(xiàn)處的侵入速度以及侵入量這兩個(gè)考察指標(biāo)的權(quán)重矩陣，由于權(quán)重矩陣過(guò)大，因此用列表方式來(lái)顯示各因素的權(quán)重，侵入速度權(quán)重如表5.6，侵入量權(quán)重如表5.7所示。（注：對(duì)于兩個(gè)考察指標(biāo)來(lái)說(shuō)都是試驗(yàn)結(jié)果越小越好,以小值為優(yōu),因此Kij=1/kij）。表5.6B柱腰線(xiàn)處的侵入速度權(quán)重W侵入速度Tab5.6IntrusionvelocityproportionoftheBcolumnwaistABCDEFG0.016640.0429570.0278670.0333690.042630.108840.0600730.0167070.0425170.0277850.0331820.0430730.1117690.0595310.0166530.0428590.0276810.0334490.042630.109390.060396表5.7B柱腰線(xiàn)處的侵入量權(quán)重W侵入量Tab5.7IntrusionquantityproportionoftheBcolumnwaistABCDEFG0.019210.0709980.0128030.0128030.0096050.0613180.1456130.0191950.0707730.0128430.0128430.0096280.0609790.1456130.0192860.0697790.0128330.0128330.0096120.0604070.151027由上表B柱腰線(xiàn)處的侵入速度權(quán)重W侵入速度和侵入量權(quán)重W侵入量，通過(guò)公式，計(jì)算得出比較權(quán)重W平均，如下表5.8所示：47 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文表5.8B柱腰線(xiàn)處的比較權(quán)重W平均Tab5.8ComparisonproportionoftheBcolumnwaistABCDEFG0.0179250.0569770.0203350.0230860.0261180.0850790.1028430.0179510.0566450.0203140.0230130.026350.0863740.1025720.0179690.0563190.0202570.0231410.0261210.0848990.105712從表5.8比較權(quán)重W平均中可以分析出不同因素對(duì)于試驗(yàn)指標(biāo)影響的大小,七個(gè)考察因素對(duì)B柱腰線(xiàn)處侵入量和侵入速度影響的主次順序?yàn)?G>F>B>E>D>C>A,因素G3、F2、B1、E2、D3、C1、A3的權(quán)重最大。最優(yōu)方案為即門(mén)檻件的材料選擇DP980、厚度選擇1.4mm;B柱中間加強(qiáng)板的材料選擇TRIP780、厚度選擇1.4mm;B柱內(nèi)板的材料選擇DP780、厚度選擇1.4mm；B柱加強(qiáng)板的材料選擇DP980。5.2整車(chē)下優(yōu)化方案的性能驗(yàn)證5.2.1優(yōu)化方案的碰撞安全性能驗(yàn)證根據(jù)上一節(jié)中側(cè)碰簡(jiǎn)化模型得出的最優(yōu)方案的組合,即門(mén)檻件的材料選擇DP980、厚度選擇1.4mm;B柱中間加強(qiáng)板的材料選擇TRIP780、厚度選擇1.4mm;B柱內(nèi)板的材料選擇DP780、厚度選擇1.4；B柱加強(qiáng)板的材料選擇DP980。對(duì)4.1.2節(jié)中整車(chē)側(cè)面碰撞有限元模型中的門(mén)檻、B柱加強(qiáng)板、B柱內(nèi)加強(qiáng)板和B柱內(nèi)板的厚度和材料參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,即可得到優(yōu)化后的有限元模型。將優(yōu)化模型導(dǎo)入LS-DYNA求解器求解,得到仿真結(jié)果，優(yōu)化前后整車(chē)側(cè)碰變形圖如下圖5.3所示。將優(yōu)化前后整車(chē)B柱處頭部、胸部、腹部3個(gè)關(guān)鍵處評(píng)價(jià)指標(biāo)的侵入量和侵入速度進(jìn)行對(duì)比,其各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)峰值如下表5.9所示。a)優(yōu)化前b）優(yōu)化后圖5.3優(yōu)化前后整車(chē)側(cè)碰變形圖Fig5.3Vehiclesideimpactdeformationmapbeforeandafteroptimization48 5側(cè)碰簡(jiǎn)化模型正交設(shè)計(jì)及最優(yōu)方案驗(yàn)證表5.9優(yōu)化前后B柱測(cè)點(diǎn)侵入量和侵入速度峰值：Tab5.9ThepeakvalueoftheintrusionvelocityandquantityoftheBmeasurementpointsbeforeandafteroptimization優(yōu)化前優(yōu)化后測(cè)量項(xiàng)侵入速度峰值侵入速度峰值侵入量(mm)侵入量(mm)(m/s)(m/s)頭部995.721197.4B柱胸部2018.822019.2腹部2189.542129.4從上圖5.3可以看出，優(yōu)化前后整車(chē)側(cè)碰的變形情況基本一致，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變化，證明了優(yōu)化方案的合理性；但是從表中的數(shù)據(jù)分析，B柱的頭部測(cè)點(diǎn)優(yōu)化前后無(wú)論是侵入量還是侵入速度峰值都有較大的差距，侵入量增大了20%、侵入速度峰值增大了29%，雖然一般的乘用車(chē)中頭部測(cè)點(diǎn)都會(huì)留有較大的余量，但是頭部是乘員傷害評(píng)價(jià)中重要的一環(huán)，且侵入量與侵入速度峰值增加較大，超過(guò)了安全范圍，因此不得不對(duì)現(xiàn)有的優(yōu)化方案結(jié)合理論和實(shí)際進(jìn)行改進(jìn)。從上表5.9中優(yōu)化方案導(dǎo)致的頭部傷害較大，而胸部和腹部的傷害較優(yōu)化前都有一定改善，得出優(yōu)化方案使得整車(chē)側(cè)碰區(qū)域表現(xiàn)出B柱上部強(qiáng)度較弱，B柱下部及門(mén)檻位置強(qiáng)度較大，由汽車(chē)碰撞安全我們知道適當(dāng)降低門(mén)檻件的剛度，使B柱下部變形加大，上部的變形速度減少，這樣在整車(chē)上的影響即為假人中上部肋壓縮量不變或者減小，而下肋骨的壓縮量會(huì)有所升高，這樣的結(jié)果有利于提高整車(chē)的耐撞性能。因此針對(duì)以上的分析及各因素的比較權(quán)重對(duì)各優(yōu)化部件的參數(shù)進(jìn)行部分更改，得出更改后的方案，即方案一：門(mén)檻件的材料選擇TRIP780、厚度選擇1.2mm;B柱中間加強(qiáng)板的材料選擇DP980、厚度選擇1.4mm;B柱內(nèi)板的材料選擇DP780、厚度選擇1.4mm；B柱加強(qiáng)板的材料選擇TRIP780。通過(guò)仿真計(jì)算得到方案一與優(yōu)化前后整車(chē)的仿真結(jié)果，如下表5.10所示：通過(guò)對(duì)表5.10的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出基于優(yōu)化方案進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)后的方案一碰撞安全性能更好，頭部、胸部和腹部各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)與原整車(chē)相比變化不大，其中頭部侵入量6%、侵入速度峰值增大了8%，雖均有所增加但均小于10%，都在可接受范圍內(nèi)。且方案一中最大傾入速度為9.7m/s，在8m/s～10m/s之間，表[57]明其已具有較好的抗側(cè)撞剛度。所以方案一能夠滿(mǎn)足汽車(chē)輕量化后的碰撞安全性能。49 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文表5.10方案一與優(yōu)化前后的侵入量和侵入速度峰值Tab5.10Thepeakvalueoftheintrusionvelocityandquantityoftheschemeoneandbeforeandafteroptimization優(yōu)化前優(yōu)化后方案一測(cè)量項(xiàng)侵入量侵入速度峰侵入量侵入速度侵入量侵入速度(mm)值(m/s)(mm)峰值(m/s)(mm)峰值(m/s)頭部995.721197.41056.2B胸部2018.822019.22059.2柱腹部2189.542129.42199.75.2.2方案一的結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證整車(chē)結(jié)構(gòu)性能分析主要包括：剛度、強(qiáng)度和模態(tài)分析。針對(duì)整車(chē)的結(jié)構(gòu)性能，本文僅做剛度方面的分析。整車(chē)剛度分析分為扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度，扭轉(zhuǎn)剛度是指樣件在外部扭矩作用下抵抗變形的能力。彎曲剛度是指樣件在外部彎曲作用下抵抗變形的能力。轎車(chē)車(chē)身大多數(shù)采用全承載式結(jié)構(gòu)，承載式轎車(chē)車(chē)身幾乎承載了轎車(chē)使用過(guò)程中的全部載荷，研究表明，白車(chē)身對(duì)整車(chē)剛度的貢獻(xiàn)高達(dá)60%以上，其結(jié)構(gòu)剛度特性具有舉足輕重的作用，如圖5.4所示。（a）對(duì)彎曲剛度的貢獻(xiàn)（%）（b）對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)（%）圖5.4白車(chē)身對(duì)整車(chē)剛度貢獻(xiàn)率Fig5.4Thecontributionrateofwhitebodytovehiclestiffness因此本文以整車(chē)白車(chē)身模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行單元的屬性賦予和材料參數(shù)定義，并根據(jù)實(shí)際連接關(guān)系進(jìn)行模型裝配，建立剛度分析有限元模型，如圖5.5所示。該模型主要由四節(jié)點(diǎn)和三節(jié)點(diǎn)的殼單元構(gòu)成，焊點(diǎn)采用CWELD(GA-GBELEMD)單元模擬，部分結(jié)構(gòu)涂膠采用膠粘單元模擬。該模型共有940732個(gè)節(jié)點(diǎn)，921084個(gè)單元。三角形單元46083(占4.9%)，計(jì)算得白車(chē)身總質(zhì)量為346kg。50 5側(cè)碰簡(jiǎn)化模型正交設(shè)計(jì)及最優(yōu)方案驗(yàn)證圖5.5白車(chē)身有限元模型Fig5.5Whitebodyfiniteelementmodel①?gòu)澢鷦偠确治龈鶕?jù)白車(chē)身剛度試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的布置原則，在車(chē)身底部間隔300~500mm均勻布置30個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置如下圖5.6所示，圖5.6白車(chē)身剛度分析測(cè)點(diǎn)示意圖Fig5.6Aschematicdiagramofthemeasurementpointsofthewhitebodystiffnessanalysis彎曲工況的約束和載荷條件為：約束后減震塔支撐位置處X，Y，Z，3個(gè)方向的平動(dòng)自由度，約束前減震塔X、Y方向的自由度；并在每個(gè)模擬座椅位置處施加平均載荷，以總載荷735N、1470N、2205N、2940N、3675N逐步進(jìn)行正式彎曲加載。彎曲工況下模型的載荷與約束，如圖5.7所示。51 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文圖5.7彎曲工況模型載荷與約束圖Fig5.7Bendingmodeloadandconstraintgraph白車(chē)身彎曲剛度可以看作是車(chē)身在垂直力作用下的車(chē)身縱向張力，是表示車(chē)身?yè)锨潭鹊牧?，可以用?chē)身縱梁在鉛垂載荷作用下產(chǎn)生的撓度大小來(lái)描述。假定車(chē)身張力一樣并且車(chē)身整體是一根具有均勻彎曲剛度的簡(jiǎn)支梁，如圖5.8所示。根據(jù)材料力學(xué)中計(jì)算簡(jiǎn)支梁的彎曲剛度的方法，車(chē)身彎曲剛度K可通過(guò)式5-1中車(chē)身載荷F與門(mén)檻或縱梁處最大彎曲撓度Zmax的比值來(lái)衡量。圖5.8車(chē)身彎曲剛度計(jì)算示意圖Fig5.8Calculationofbendingrigidityofthebody（5.1）式中：F為車(chē)身彎曲集中載荷；Zmax為縱梁最大彎曲撓度。白車(chē)身有限元模型導(dǎo)成.fem格式，用HyperWorks自帶求解器OptiStruct進(jìn)行彎曲剛度求解，得到白車(chē)身的Z向彎曲變形圖如圖5.9，和各各測(cè)點(diǎn)Z向的變形量即彎曲撓度，如表5.11和表5.12所示。52 5側(cè)碰簡(jiǎn)化模型正交設(shè)計(jì)及最優(yōu)方案驗(yàn)證圖5.9白車(chē)身模型在Z向的彎曲變形圖Fig.5.9BendingdeformationmapofthewhitebodymodelinZ表5.11左前縱梁測(cè)點(diǎn)Z向的變形量Tab5.11ThedeformationofleftfrontlongitudinalmeasurementpointsinZZ向變形量（mm）載荷左前縱梁測(cè)點(diǎn)（至前軸X向距離mm）（N）1點(diǎn)（-774）2點(diǎn)（-470）3點(diǎn)（-160）4點(diǎn)（130）5點(diǎn)（462）7350.0040.0020.0010.0050.01714700.0080.0040.0010.010.03422050.0120.0060.0020.0160.05129400.0160.0080.0030.0210.06836750.020.0110.0040.0260.086載荷左門(mén)檻梁測(cè)點(diǎn)（至前軸X向距離mm）（N）6點(diǎn)（423）7點(diǎn)（737）8點(diǎn)（1045）9點(diǎn)（1351）10點(diǎn)（1662）11點(diǎn)（2034）7350.0080.0150.0230.0260.0280.02214700.0160.0290.0460.0530.0570.04422050.0250.0440.0690.0790.0850.06729400.0330.0580.0920.1060.1140.08936750.0410.0730.1150.1320.1420.111載荷左后縱梁測(cè)點(diǎn)（至前軸X向距離mm）（N）12點(diǎn)（2327）13點(diǎn)（2618）14點(diǎn)（2981）15點(diǎn)（3337）7350.0380.0220.0010.01714700.0760.0440.0020.03322050.1140.0660.0030.0529400.1520.0880.0040.06736750.1900.110.0050.08353 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文表5.12右前縱梁測(cè)點(diǎn)Z向的變形量Tab5.12ThedeformationofrightfrontlongitudinalmeasurementpointsinZ變形（mm）載荷右前縱梁測(cè)點(diǎn)（至前軸X向距離mm）（N）1點(diǎn)（-774）2點(diǎn)（-470）3點(diǎn)（-160）4點(diǎn)（130）5點(diǎn)（462）7350.0050.0020.0010.0060.0214700.0090.0050.0020.0120.0422050.0140.0070.0040.0190.05929400.0190.0090.0050.0250.07936750.0230.0120.0060.0310.099載荷右門(mén)檻梁測(cè)點(diǎn)（至前軸X向距離mm）（N）6點(diǎn)（423）7點(diǎn)（737）8點(diǎn)（1045）9點(diǎn)（1351）10點(diǎn)（1662）11點(diǎn)（2034）7350.010.0180.0280.0310.0340.0314700.020.0350.0560.0630.0670.0622050.030.0530.0830.0940.1010.0929400.040.070.1110.1260.1340.1236750.050.0880.1390.1570.1680.15載荷右后縱梁測(cè)點(diǎn)（至前軸X向距離mm）（N）12點(diǎn)（2327）13點(diǎn)（2618）14點(diǎn)（2981）15點(diǎn)（3337）7350.0490.0290.010.01814700.0980.0580.0030.03622050.1480.0870.0040.05329400.1970.1170.0060.07136750.2460.1460.0070.089從上表5.11和表5.12可以分析得出，30個(gè)測(cè)點(diǎn)中的左右第12個(gè)測(cè)點(diǎn)的彎曲變形量最大，剛度最弱，因此根據(jù)公式：得到優(yōu)化前原始模型在載荷735N、1470N、2205N、2940N、3675N彎曲工況下的各白車(chē)身彎曲剛度分別為16897N/mm、16896N/mm、16832N/mm、16848N/mm、16858N/mm。為了安全起見(jiàn)，取5中彎曲工況下的最小彎曲剛度作為方案一的白車(chē)身彎曲剛度，即為16832N/mm。將原始模型按照方案一進(jìn)行各參數(shù)設(shè)置后，根據(jù)上面的分析方法，同理得到54 5側(cè)碰簡(jiǎn)化模型正交設(shè)計(jì)及最優(yōu)方案驗(yàn)證方案一的白車(chē)身彎曲剛度為16333N/mm。由于方案一的白車(chē)身彎曲剛度比優(yōu)化前原始模型的彎曲剛度下降499N/mm，占比3%，下降幅度可忽略不計(jì)，且其還高于國(guó)外同類(lèi)車(chē)型的一般設(shè)計(jì)參考值12200N/mm。因此，方案一滿(mǎn)足彎曲剛度需求。②扭轉(zhuǎn)剛度分析扭轉(zhuǎn)工況的約束和載荷條件為：約束后減震塔支撐位置處的全部6個(gè)自由度，扭矩載荷通過(guò)在前軸加載梁兩端分別施加大小相等方向相反的力來(lái)實(shí)現(xiàn)，所施加載荷分別為2000N·m、4000N·m、6000N·m。由于前后風(fēng)擋玻璃作為白車(chē)身上永久緊固件，對(duì)白車(chē)身的抗扭剛度有很大影響，因此本文中計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)，去掉了前后風(fēng)擋玻璃。扭轉(zhuǎn)工況下模型的載荷與約束，如圖5.10所示。圖5.10扭轉(zhuǎn)工況模型載荷與約束圖Fig5.10Torsionmodeloadandconstraintgraph當(dāng)車(chē)身上作用有反對(duì)稱(chēng)垂直載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)處于扭轉(zhuǎn)工況，左右載荷將使車(chē)身產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。扭轉(zhuǎn)剛度（GJ）用來(lái)表征車(chē)身在凹凸不平路面上抵抗斜對(duì)稱(chēng)扭轉(zhuǎn)變形的能力，可用式5.2計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度。（5.2）式中：D為軸距，單位為m；F為扭力，單位為N；θ為軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，單位為度。圖5.11為軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角示意圖，扭轉(zhuǎn)角計(jì)算方法如式5.3。圖5.11軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角示意圖Fig5.11Sketchmapofrelativetorsionangleofaxis55 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文（5.3）式中：θ為軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，單位為度；UZ1為左側(cè)縱梁測(cè)點(diǎn)的撓度，單位為mm；UZ2為右側(cè)縱梁測(cè)點(diǎn)的撓度，單位為mm；D為左、右縱梁中心線(xiàn)（傳感器）的距離，單位為mm。通過(guò)OptiStruct求解器進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度求解，得到白車(chē)身的扭轉(zhuǎn)變形圖如圖5.12，通過(guò)公式計(jì)算得到扭轉(zhuǎn)工況下原始模型和方案一的扭轉(zhuǎn)剛度結(jié)果，如表5.13所示圖5.12白車(chē)身模型扭轉(zhuǎn)變形圖Fig5.12Orsiondeformationmapofwhitebodymodelt表5.13原始模型和方案一的扭轉(zhuǎn)剛度Tab5.13Torsionalrigidityoftheoriginalmodelandschemeone扭轉(zhuǎn)剛度（N·m）/（°）扭矩原始模型方案一2000N·m12121119044000N·m12084119406000N·m1209611952從上表中可以看出，方案一的扭轉(zhuǎn)剛度雖然有所下降，下降幅度為2%左右，影響不大，且其與國(guó)外同類(lèi)車(chē)型設(shè)計(jì)參考值12500（N·m）/（°）相差不大。因此可以認(rèn)為，方案一的扭轉(zhuǎn)剛度滿(mǎn)足要求。5.3本章小結(jié)本章通過(guò)對(duì)側(cè)碰簡(jiǎn)化模型進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并使用多因素權(quán)重優(yōu)化方法，得到正交設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，由于正交設(shè)計(jì)中只考慮了B柱腰帶處的侵入量和侵入速56 5側(cè)碰簡(jiǎn)化模型正交設(shè)計(jì)及最優(yōu)方案驗(yàn)證度，導(dǎo)致正交設(shè)計(jì)得到的優(yōu)化方案在整車(chē)側(cè)碰安全性能中頭部傷害較大，由此基于經(jīng)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的方案即為方案一：門(mén)檻件的材料選擇TRIP780、厚度選擇1.2mm;B柱中間加強(qiáng)板的材料選擇DP980、厚度選擇1.4mm;B柱內(nèi)板的材料選擇DP780、厚度選擇1.4mm；B柱加強(qiáng)板的材料選擇TRIP780。通過(guò)對(duì)方案一進(jìn)行碰撞和剛度模擬，并與原始模型的碰撞和剛度性能進(jìn)行對(duì)比分析，得出：方案一的汽車(chē)結(jié)構(gòu)安全性能夠滿(mǎn)足要求。57 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文58 6基于方案一的熱沖壓激光拼焊的應(yīng)用6基于方案一的熱沖壓激光拼焊的應(yīng)用6.1熱沖壓及激光拼焊的基本知識(shí)B柱是側(cè)面碰撞中的主要受力部件，其侵入量、侵入速度的高低，變形模型的好壞在整車(chē)碰撞過(guò)程中至關(guān)重要，而B(niǎo)柱中的B柱加強(qiáng)板在抵抗向車(chē)內(nèi)彎曲變形上起著非常重要的作用，要求其彎曲剛度和強(qiáng)度足夠大，這大大增加了超高強(qiáng)度鋼在B柱上的應(yīng)用。然而目前的冷沖壓工藝在對(duì)超高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行成形的方面存在著明顯的不足，無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求，但是熱沖壓工藝卻可以彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，因此熱沖壓技術(shù)在國(guó)內(nèi)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。熱沖壓技術(shù)通過(guò)高溫加熱，實(shí)現(xiàn)材料組織轉(zhuǎn)變與零件成型同步，解決了超高強(qiáng)度鋼成型問(wèn)題，控制回彈，提高了零件尺寸精度，熱成型也可以提高焊接性、表面硬度、抗凹性和耐腐蝕性。同時(shí)高溫時(shí)材料屈服強(qiáng)度降低，對(duì)沖壓所需壓機(jī)噸位的要求也相應(yīng)降低。激光拼焊是采用激光能源，將若干不同材質(zhì)、不同厚度的拼焊材料進(jìn)行自動(dòng)拼合和焊接而形成一塊整體板材、型材等，以滿(mǎn)足零部件對(duì)材料性能的不同要求，激光拼焊板已廣泛運(yùn)用于汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)中，采用激光拼焊板可以減少加強(qiáng)件的數(shù)量，簡(jiǎn)化裝配步驟，同時(shí)使車(chē)輛的碰撞性能，沖壓成型率提高。由于熱成型鋼和激光拼焊在汽車(chē)輕量化中有著明顯的優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)熱沖壓激光拼焊B柱進(jìn)行碰撞分析及方案研究具有一定工程實(shí)用價(jià)值。6.2整車(chē)下方案二的性能驗(yàn)證6.2.1方案二的參數(shù)設(shè)定基于5.2.1節(jié)中方案一的碰撞模型，利用熱沖壓激光拼焊B柱對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，得到新的方案，即方案二。我們知道方案一主要更改參數(shù)為：門(mén)檻件的材料選擇TRIP780、厚度選擇1.2mm;B柱中間加強(qiáng)板的材料選擇DP980、厚度選擇1.4mm;B柱內(nèi)板的材料選擇DP780、厚度選擇1.4mm；B柱加強(qiáng)板的材料選擇TRIP780。在方案一的基礎(chǔ)上，由于方案二將采用超高強(qiáng)度鋼，因此我們刪除掉B柱中間加強(qiáng)板；采用激光拼焊板技術(shù)，將B柱加強(qiáng)板上部分和下部分拼焊起來(lái)，其中上部分材料選用熱沖壓成型鋼B1500HS（屈服強(qiáng)度1200Mpa，抗拉強(qiáng)度1500Mpa），下部分材料選用DP780，上下部分的厚度不變，焊縫位置位于加強(qiáng)板底部上方310mm處。B柱加強(qiáng)板拼焊方式與方案一中加強(qiáng)板對(duì)比如圖6.1所示：59 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文a）方案一b）方案二圖6.1方案一與方案二中B柱加強(qiáng)板示意圖Fig6.1BcolumnreinforcingplateschematicdiagramoftheSchemeoneandtwo方案二為：門(mén)檻件的材料選擇TRIP780、厚度選擇1.2mm;刪除B柱中間加強(qiáng)板DP980;B柱內(nèi)板的材料選擇DP780、厚度選擇1.4mm；B柱加強(qiáng)板上部分材料選擇B1500HS、下部分材料選擇為DP780。6.2.2整車(chē)下方案二的性能驗(yàn)證①碰撞安全性分析將整車(chē)模型按照方案二進(jìn)行修改后，提交計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與原始模型和方案一進(jìn)行對(duì)比，仿真對(duì)比結(jié)果如下表6.1所示：表6.1原始模型、方案一和方案二各測(cè)點(diǎn)侵入量和侵入速度峰值表Tab6.1ThepeakvaluewithintrusionquantityandvelocityofOriginalmodel,schemeoneandtwo原始模型方案一方案二測(cè)量項(xiàng)侵入量侵入速度侵入量侵入速度侵入量侵入速度(mm)峰值(m/s)(mm)峰值(m/s)(mm)峰值(m/s)頭部995.721056.21035.9B中肋骨2018.822059.22069.1柱腹部2189.542199.72209.8從上表6.1中我們可以看出方案二的侵入量與侵入速度峰值與方案一相比差距很小，甚至在頭部上的傷害比方案一的更小，整體來(lái)說(shuō)方案二的碰撞性能要優(yōu)于方案一，整個(gè)B柱測(cè)點(diǎn)的碰撞性能分布得也更加合理。各測(cè)點(diǎn)仿真侵入速度曲線(xiàn)對(duì)比圖如下圖6.2所示：60 6基于方案一的熱沖壓激光拼焊的應(yīng)用a）頭部侵入速度曲線(xiàn)b）中肋骨侵入速度曲線(xiàn)C）腹部侵入速度曲線(xiàn)圖6.2原始模型、方案一和方案二各測(cè)點(diǎn)侵入速度曲線(xiàn)對(duì)比圖Fig6.2Velocitycurvecomparisonchartoftheeachmeasuringpointoftheoriginalmodel,schemeoneandtwo從上圖中可以分析得出，原始模型、方案一和方案二的仿真侵入速度曲線(xiàn)趨勢(shì)都基本一致，各各峰值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)都是一樣的，且傾入速度峰值都相差不大，因此，方案二的側(cè)面碰撞安全性能與原始模型整車(chē)的側(cè)碰性能基本保持一致。②優(yōu)化部件吸能量分析在評(píng)價(jià)側(cè)面碰撞的安全性能時(shí)，除了考察侵入量和侵入速度這兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)外，還有一個(gè)重要的參考指標(biāo)就是關(guān)鍵零部件的能量吸收情況，因?yàn)樵谂鲎仓?，零件吸收的能量越多，那傳遞到乘員的能量就會(huì)相應(yīng)減少，對(duì)乘員造成的傷害就會(huì)有所降低。因此本為也考察了各方案優(yōu)化部件能量吸收的情況，如下表6.2所示：61 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文表6.2各方案優(yōu)化部件能量吸收量Tab6.2Energyabsorptioncapacityoftheoptimizedcomponentsofeachscheme吸能量(KJ)測(cè)量項(xiàng)原始模型方案一方案二B柱加強(qiáng)板1.571.471.5B柱中間加強(qiáng)板0.030.08——B柱內(nèi)板0.450.410.35前、后門(mén)檻梁件1.942.632.59優(yōu)化部件總吸能3.994.594.44整車(chē)車(chē)體吸能27.427.127.2從上表中可以分析得到，原始模型、方案一和方案二的整車(chē)車(chē)體吸能量一致，而方案一優(yōu)化部件總吸能為4.59KJ，方案二為4.44KJ，卻皆大于原始模型相應(yīng)部件的總吸能量3.99KJ，吸能量分別提高了15%和11%，這說(shuō)明改進(jìn)后的方案一、和方案二吸能性都有所提高，這為降低乘員側(cè)碰造成的傷害有著重要作用，這也間接的佐證了更高強(qiáng)度的鋼有著更好的吸能特性。③剛度分析方案二中由于僅對(duì)B柱加強(qiáng)板的材料進(jìn)行了修改，并未改變其厚度；且只刪除了非結(jié)構(gòu)件（B柱中間加強(qiáng)板），因此在使用OptiStruct軟件進(jìn)行白車(chē)身剛度分析時(shí)，其彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度皆與方案一中的基本一致，變化不大。因此也能認(rèn)為方案二的剛度能夠滿(mǎn)足汽車(chē)結(jié)構(gòu)性能要求。6.3方案一與方案二的輕量化減重比例方案一和方案二的結(jié)構(gòu)安全性能都已滿(mǎn)足要求，那各方案中優(yōu)化部件的質(zhì)量與原始模型中相應(yīng)部件的質(zhì)量情況如下表6.3所示。從表中可以看出，原始模型中所有相關(guān)優(yōu)化部件的總質(zhì)量為13.03Kg，進(jìn)行改進(jìn)后的方案一為10.77Kg、方案二為9.69Kg，將方案中減重部分的質(zhì)量除以原總質(zhì)量便得到輕量化減重比例，即方案一、方案二的減重比例分別為17.3%、25.6%。因此，可以認(rèn)為優(yōu)化改進(jìn)后的方案一和方案二達(dá)到了在保證安全性能不降低的情況下實(shí)現(xiàn)了輕量化的目的。62 6基于方案一的熱沖壓激光拼焊的應(yīng)用表6.3模型中所有相關(guān)優(yōu)化部件的質(zhì)量表Tab6.3Qualitylistofallrelevantoptimizationcomponentsinthemodel質(zhì)量（KG）測(cè)量項(xiàng)原始模型方案一方案二B柱加強(qiáng)板3.773.763.76B柱中間加強(qiáng)板1.421.08——B柱內(nèi)板2.472.152.15B柱內(nèi)板加強(qiáng)板0.9————前門(mén)檻梁2.913.773.77后門(mén)檻梁1.56總和13.0310.779.696.4本章小結(jié)通過(guò)對(duì)原始模型、方案一和方案二進(jìn)行整車(chē)側(cè)面碰撞、白車(chē)身剛度模擬分析，得出方案一和方案二在滿(mǎn)足汽車(chē)結(jié)構(gòu)安全性能的條件下獲得了較好的減重效果，其輕量化減重比例分別達(dá)到17.3%、25.6%。63 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文64 7結(jié)論7結(jié)論本文以汽車(chē)輕量化優(yōu)化方法為導(dǎo)線(xiàn)，通過(guò)對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行整車(chē)側(cè)面碰撞、白車(chē)身剛度模擬分析，來(lái)確保其在滿(mǎn)足汽車(chē)結(jié)構(gòu)安全性能的條件下，最大限度的實(shí)現(xiàn)減重的目的?；诖耍疚闹饕隽艘韵鹿ぷ鳎?）首先研究國(guó)內(nèi)外汽車(chē)側(cè)面碰撞安全法規(guī)及汽車(chē)輕量化優(yōu)化方法、途徑；2）對(duì)2012ToyotaCamry車(chē)型的有限元整車(chē)模型進(jìn)行了有效性驗(yàn)證，證明了原始模型的有效性，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)；3）在有效模型的基礎(chǔ)上建立了兩種不同約束下的側(cè)碰簡(jiǎn)化模型，并對(duì)其進(jìn)行了靈敏度分析，得到更為準(zhǔn)確可靠的簡(jiǎn)化模型；4）然后對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行正交優(yōu)化設(shè)計(jì)并通過(guò)權(quán)重優(yōu)化方法得到合理的材料分配方案，結(jié)合整車(chē)側(cè)碰模擬結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)分配方案進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，最終得到滿(mǎn)足性能要求的優(yōu)化方案一；5）在方案一的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用熱沖壓激光拼焊技術(shù)，對(duì)B柱加強(qiáng)板進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)性能驗(yàn)證，最終得到滿(mǎn)足要求的優(yōu)化方案二。本文的研究工作對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)安全性能的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值和借鑒意義。論文研究成果和結(jié)論如下：①本文所建立的兩種不同邊界約束下的側(cè)碰簡(jiǎn)化模型——base1為半約束，base2為全約束。通過(guò)對(duì)這兩種簡(jiǎn)化模型進(jìn)行厚度靈敏度分析，確定了base1半約束簡(jiǎn)化模型對(duì)后期的優(yōu)化設(shè)計(jì)更具有有效性和準(zhǔn)確性。②對(duì)側(cè)碰簡(jiǎn)化模型進(jìn)行的正交設(shè)計(jì)和權(quán)重優(yōu)化方法所得到的材料分配方案并非是最優(yōu)方案，還需分析模擬結(jié)果并結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，才能得到理想的優(yōu)化方案。③方案一：通過(guò)碰撞和剛度仿真分析，驗(yàn)證了方案一在滿(mǎn)足汽車(chē)結(jié)構(gòu)安全性能的條件下實(shí)現(xiàn)優(yōu)化部件減重17.3%。④方案二：通過(guò)使用熱沖壓激光拼焊技術(shù)，使得其在滿(mǎn)足汽車(chē)結(jié)構(gòu)安全性能的條件下，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化部件減重25.6%。⑤從方案二與方案一的對(duì)比中不難看出，新型材料和先進(jìn)成型技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠提高汽車(chē)的耐撞性能，還能最大限度的實(shí)現(xiàn)減重。65 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文66 致謝致謝本論文的研究工作是在校內(nèi)和企業(yè)雙導(dǎo)師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的，在這畢業(yè)之際，我向校內(nèi)導(dǎo)師龍思遠(yuǎn)、企業(yè)導(dǎo)師范體強(qiáng)表示由衷的感謝！感謝龍老師為我創(chuàng)造了一個(gè)輕松、自由的科研與學(xué)習(xí)平臺(tái)，讓我能夠靜心的完成我碩士研究生的學(xué)業(yè)，讓我能夠順利的完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，追求嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，淵博的學(xué)術(shù)知識(shí)，誨人不倦的敬業(yè)精神以及寬容的待人風(fēng)范，都深深地感染和激勵(lì)著我。這里也要重點(diǎn)感謝范體強(qiáng)老師，在他的耐心幫助、精心培養(yǎng)和嚴(yán)格要求下，我快速的掌握了相關(guān)軟件和相關(guān)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，并達(dá)到了熟練使用軟件進(jìn)行碰撞分析的能力；不僅如此，在我實(shí)習(xí)期間對(duì)我工作中不好的地方及時(shí)地進(jìn)行了批評(píng)和指正，并予以了最大的理解和寬容，這有利于提高我的職業(yè)素養(yǎng)，對(duì)我今后踏上社會(huì)正式工作有著積極的影響。要是沒(méi)有兩位老師的悉心幫助，我的論文也不會(huì)這么順利的完成，在此謹(jǐn)向龍老師、范老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。當(dāng)然，也要感謝三年來(lái)陪我一起走過(guò)來(lái)的同門(mén)師兄弟們，感謝竇韶旭、黃顏顏、朱姝晴、王甜、吳星宇、楊懷德等師兄師姐對(duì)我的指導(dǎo)，也感謝曾仁勇、楊承志、王鵬、劉青、雷雨涵等師兄弟們對(duì)我生活和學(xué)生上的幫助和支持。同時(shí)還要感謝我所實(shí)習(xí)的單位中國(guó)汽車(chē)工程研究院輕量化中心部門(mén)的所有同事，特別感謝李陽(yáng)、趙清江、王鋒、張文敬、王彬花、方剛、李金偉、陳曉、楊林之等對(duì)我實(shí)習(xí)工作中的指導(dǎo)和幫助。非常感謝我的父母、親戚朋友們對(duì)我研究生學(xué)習(xí)的認(rèn)可，和生活上的無(wú)私幫助。最后，由衷感謝在百忙中評(píng)閱論文和參加答辯的各位專(zhuān)家和教授。王林二O一五年十一月于重慶67 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文68 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]黃虎,常健,何稚樺等.汽車(chē)側(cè)面碰撞試驗(yàn)探討.上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,16(2):105-109[2]王智文.汽車(chē)輕量化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀初探[J].汽車(chē)工藝與材料,2009(2):1-5.[3]廖琪梅,李卓森.汽車(chē)安全性的歷史和現(xiàn)狀[J].汽車(chē)技術(shù).1998(3):1-4.[4]徐增密.基于側(cè)面碰撞和新型板材的B柱輕量化優(yōu)化[D].大連:大連理工大學(xué),2012.[5]林逸,郭九大,王望予.汽車(chē)被動(dòng)安全性研究綜述[J].汽車(chē)工程.199820(1):1-9.[6]LesariD,RametM,Herry-MartinD.Injurymechanismsinsideimpact[C].SAEWorldCongress,USA,1978.[7]HamPtonCG,KennerlyD,BrianNFetal.Sideimpactinjuryriskforbeltedfarsidepassengervehicleoccupants[C].SAEWorldCongress,USA,2005.[8]JunH,HironobuK,MasahiroA.RobustdesignofsideimpactsimulationusingFEMbasedonVCMconcept[C].SAEWorldCongress,USA,2005.[9]WatanabeK,TachibanaM,WiemannM,etal.Vehiclesidestructureconceptusingultrahighstrengthsteelandrollformingtechnology[C].SAEWorldCongress,USA,2006.[10]黃世霖等.汽車(chē)被動(dòng)安全性試驗(yàn)研究[J].汽車(chē)工程.1992,14(4):193-199.[11]唐友名,曹立波,MohanPradeep等.乘用車(chē)兩車(chē)側(cè)面碰撞變形侵入量影響因素研究[J].中國(guó)機(jī)械工程.200920(24):3013-3018.[12]張學(xué)榮,蘇清祖.側(cè)面碰撞乘員損傷影響因素分析[J].汽車(chē)工程.200830(2):146-150.[13]張維剛,鄒正寬,王祥.側(cè)面碰撞中B柱侵入速度及變形模式對(duì)乘員損傷影響的研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.200936(8):28-32.[14]張學(xué)偉.采用新式高強(qiáng)板的轎車(chē)B柱輕量化和強(qiáng)度優(yōu)化[D].大連：大連理工大學(xué),2010.[15]K.S.Lee,K.H.Im,I.Y.Yang.Experimentalevaluationofthecrashworthinessforlightweightcompositestructuralmember[J].ThinSolidFilms,2010,518(20):563775641.[16]P.0,Marklundand,L'Nilsson,Optimizationofacarbodycomponentsubjectedtosideimpact[J].StructuralandMultidisciplinaryOptimization,2001,21(5):3837392.[17]BodyULSA.ULSAB-AVCOverviewReport[R].WashingtonDC：AmericanIronandSteelInstitute,2002：5-6.[18]陳小復(fù).從PNGV到FreedomCAR——看美國(guó)的新一代汽車(chē)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目[J].上海汽車(chē)，2002（7）：36-40.[19]孫宏圖,申國(guó)哲,胡平,等.考慮碰撞安全性的汽車(chē)車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2010.29(3):379—382.[20]張勇.基于近似模型的汽車(chē)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[D].:湖南大學(xué),2009..69 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文[21]陳一龍．汽車(chē)輕量化技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及展望[J]．汽車(chē)工藝與材料，2012（1）：1-4，21．[22]U.S.DEPARTMENTOFTRANSPORTAIONNATIONALHIGHWAYTRAFFICSAFETYADMINISTRATIONLABORATORYTESTPROCEDUREFORFMVSS214“DYNAMIC”SIDEIMPACTPROTECTION,2003.1[23]ECER95:UNIFORMPROVISIONSCONCERNINGTHEAPPROVALOFVEHICLESWITHREGARDTOTHEPROTECTIONOFTHEOCCUPANTSINTHEEVENTOFALATERALCOLLISION,2000.11[24]《機(jī)動(dòng)車(chē)側(cè)碰乘員防護(hù)認(rèn)證規(guī)定》（CMVDR295），2005[25]法律之星-國(guó)家立法動(dòng)態(tài).http://www.law-star.com/cac/10443.htm,2006-02-20[26]羊軍,汪侃磊.上汽自主品牌汽車(chē)車(chē)身輕量化現(xiàn)狀及展望[J].汽車(chē)工藝與材料,2011(01):6-10.[27]王利,楊雄飛,陸匠心?汽車(chē)輕量化用高強(qiáng)度鋼板的發(fā)展[J].鋼鐵,2006,9(41):1-8.[28]陳曉斌．基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和提高整車(chē)碰撞安全性的車(chē)身輕量化研究[D]．長(zhǎng)春：吉林大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，2011．[29]高永生，楊兵．未來(lái)鋼質(zhì)汽車(chē)輕量化的有效途徑[J]．汽車(chē)工藝與材料，2012（1）：5-11．[30]寧文祥?在可持續(xù)發(fā)展運(yùn)輸中鋁的優(yōu)勢(shì)[J].專(zhuān)用汽車(chē),2011(4):36-37.[31]智淑亞.汽車(chē)車(chē)身輕量化材料的應(yīng)用及發(fā)展[A].南京:中國(guó)制造業(yè)信息化,2012,9.[32]敖炳秋.輕量化汽車(chē)材料技術(shù)的最新動(dòng)態(tài)[J].汽車(chē)工藝與材料,2002,9(8):5-7.[33]燕來(lái)榮.工程塑料開(kāi)創(chuàng)汽車(chē)塑化新時(shí)代[J].汽車(chē)工程師,2009(2):45-47.[34]ParetoV,CoursD.Economies(volume1andvolume2).Lausanne:RougeF,1896.[35]KoopmansTC.Analysisofproductionasanefficientcombinationofactivities.NewYork:Wiley,1951.[36]M.Abbasi,AliGhafari-Nazari,S.Reddy,M.Fard.AnewapproachforoptimizingautomotivecrashworthinessconcurrentusageofANFISandTaguchimethod[J].StructMultidiscOptim,2013(10):1007-1021.[37]S.Hunkeler,F.Duddeck,M.Rayamajhi,H.Zimmer.Shapeoptimisationforcrashworthinessfollowedbyarobustnessanalysiswithrespecttoshapevariables[J].StructMultidiscOptim,2013(48):367-378.[38]崔新濤．多材料結(jié)構(gòu)汽車(chē)車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)方法研究[D]．天津：天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2007．[39]L.W.Cheah.Carsondiet:thematerialandenergyimpactsofpassengervehicleweightreductionintheU.S.[D].Massachuseets:MassachusettsInstituteofTechnology,2010.[40]周云郊．鋼鋁混合材料車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題與應(yīng)用研究[D]．廣州：華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，2011．70 參考文獻(xiàn)[41]朱劍峰，林逸，陳瀟凱，施國(guó)標(biāo)．汽車(chē)變速箱殼體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J]．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2013，43（3）：584-589．[42]周偉．基于拓?fù)鋬?yōu)化與靈敏度分析的客車(chē)車(chē)身輕量化研究[J]．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，36（40）：406-409．[43]G.W.Jang,M.S.Yoon,J.H.Park.Lightweightflatbedtrailerdesignbyusingtopologyandthicknessoptimization[J].StructMultidiscOptim,2010(41):295-307.[44]湯旭東，徐平．汽車(chē)車(chē)身制造的激光焊接應(yīng)用[J]．聚焦汽車(chē)，2013（2）：48-51．[45]J.W.Choi,H.H.Bok,F.Barlat,etal.Experimentalandnumericalanalysisofhotstampedpartswithtailoredproperties[J].ISIJInternational,2013,53(6):1047-1056.[46]李超.采用拼焊結(jié)構(gòu)的汽車(chē)車(chē)門(mén)輕量化設(shè)計(jì)方法研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2011[47]杜繼濤,甘屹,齊從謙等.TRB及其軋制應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)[J].汽車(chē)技術(shù),2007(7):45-48.[48]鐘志華,張維鋼,何文.汽車(chē)碰撞安全技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社,2003[49]FEModelof2012ToyotaCamry.ReportoffrontalNCAPtestNO.7520.NationalCrashAnalysisCenter.TheGeorgeWashingtonUniversity,2014.7[50]賈宏波,黃金陵,谷安濤等.汽車(chē)車(chē)身碰撞建模影響因素的研究.汽車(chē)技術(shù),1998(1):12-15[51]金晶,吳新躍.有限元網(wǎng)格劃分相關(guān)問(wèn)題分析研究.計(jì)算機(jī)輔助工程,2005,14(2):75-78[52]LS-DYNAKEYWORDUSER’SMANUAL.April2003Version970.LivemoreSoftwareTechnologyCorporation,2003[53]王維平,朱一凡.仿真模型有效性確認(rèn)與驗(yàn)證.國(guó)防科技大學(xué)出版社,1998[54]{MalkussonRoger,KarlssonPeter,SimulationMethodforEstablishingandSatisfyingSideImpactDesignRequirements[J].SAE931977,1993}[55]陳曉東，朱西產(chǎn)，等.汽車(chē)側(cè)面碰撞安全性的評(píng)價(jià)與改善[C]．北京:中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)2003年學(xué)術(shù)年會(huì)，2003．[56]魏效玲,薛冰軍,趙強(qiáng).基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的多指標(biāo)優(yōu)化方法研究[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,27(003):95-99.[57]KaluUduma，JiapingWu，SukbhirBilkhu，MarkGielowDoor.InteriorTrimSafetyEnhancementStrategiesfortheSID-IIsDummy.SAEpaper,2005-01-028471
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