汽車側面碰撞門檻加強梁的結構優化

王偉 賀海燕 袁陽

（1.重慶交通大學；2.重慶經濟貿易學校）

在側面碰撞中，側面結構首先開始變形，具體的變形模式則根據變形結構件的形狀和連接方式的不同而不同[1]。由于首先開始變形的結構件不可能將所有的碰撞能量都完全吸收，因此其余的碰撞能量是該結構件開始引導連接在其周圍的結構件發生變形吸能，隨著碰撞的持續進行，將會有越來越多的結構件參與碰撞吸能，而不同結構件的吸能方式和吸能效率又各不相同，因此使得整個側面結構在碰撞過程中的吸能變形是一個逐漸而又復雜的過程[2-4]。文章通過對汽車的碰撞仿真分析，得出門檻的變形比較大，不能夠有效地保證汽車側面碰撞的安全性。為了使門檻可以有效地保證汽車的碰撞安全性能，在車門門檻處加入門檻防撞梁，通過對門檻的加強梁進行形貌和尺寸優化，使得側面碰撞中，門檻的入侵距離減小，提高了車門側面的碰撞安全性能。

1 建立汽車側面碰撞門檻的有限元模型

通過對側面碰撞傳力路徑的分析可知，必須對汽車側面結構進行合理的設計，使其側面碰撞傳力路徑完整并且能夠引導相應結構件充分變形吸能[5]。這樣才能使得汽車結構在側面碰撞過程中合理充分的變形，吸能率高，更多吸收碰撞能量，從而使盡量少的能量傳遞到車內乘員的身體上，減少二次碰撞對車內乘員造成的接觸傷害。圖1示出汽車側面碰撞的傳力路徑模型圖。由圖1可以看出，在側面碰撞試驗中，B柱和門檻是2條主要的傳力路徑。其中B柱為垂向傳力路徑，向上傳遞至車頂縱梁，然后通過車頂支撐橫梁橫向傳遞；門檻為縱向傳遞路徑，向前傳遞至A柱，向后傳遞至C柱，同時也會通過地板橫梁向支撐梁橫向傳遞。

根據汽車側面碰撞的傳力路徑可以對汽車門檻的有限元模型進行簡化，發動機艙和汽車的行李箱對汽車側面碰撞的傳力路徑影響很小，因此在建立汽車側面碰撞門檻的有限元模型時可以去掉整車的前面部分和后面部分只保留汽車的乘員艙區。建立的汽車側面碰撞門檻的有限元模型，如圖2所示。

2 有限元模型的前處理

2.1 網格劃分和屬性的選擇

對建立好的模型進行網格的劃分，網格劃分質量的好壞直接關系到有限元仿真結果的精度[6]。網格劃分得太密會增加求解器的計算時間，因此，在側面碰撞接觸的區域劃分網格的大小為10 mm，與側面碰撞接觸較遠的區域網格的大小為20 mm。由于該模型的零部件都是由薄板沖壓而成，因此屬性可以選擇為Belytschko-Tsay殼單元。最后劃分好網格之后有限元模型的節點數有111 168個，單元數有106 655個。

2.2 汽車部件連接

由于汽車各部件間均為簡單的薄殼單元，所用的材料均為高強鋼或者普通鋼，因此在對模型進行連接時通過1D單元中的spotweld來連接，焊點單元通過一個位置點來定義或者可以通過零部件上的節點來定義，在定義焊點的時候考慮2個連接部件之間的容差，并且要定義搜尋直徑。文章的有限元模型容差取6 mm，搜尋直徑也是取6 mm。最后有限元模型的焊點，如圖3所示。

2.3 定義接觸及邊界條件

該有限元模型定義接觸時，各部分零部件之間定義為Single Surface單面接觸，而剛性柱和側壁的接觸定義為Automatic Surface toSurface。靜摩擦系數和動摩擦系數都取0.15。由于在碰撞過程中會出現大的穿透，可以通過增大接觸剛度，來減少碰撞過程中的穿透，軟件中默認的接觸剛度為0.1，本次仿真中接觸剛度的值設置為0.2。

由于本次仿真的碰撞是從汽車的左邊進行碰撞的，對于汽車的右邊變形很小，對仿真的結果影響不大，因此可以約束汽車右邊的側壁上各節點的6個自由度來作為邊界條件。

3 門檻加強梁的結構優化

3.1 門檻防撞梁的形貌優化

由于在側面碰撞仿真過程中發現汽車門檻的變形比較大，在發生側面碰撞事故時，會阻礙車門的打開，且不能保證車上乘員的安全，因此，可以在門檻和下邊梁之間加入一個門檻加強梁來提高汽車的碰撞安全性能。

運用Hypermesh軟件對門檻加強板進行結構優化。首先，建立門檻加強板的有限元模型，對門檻加強板的兩邊設置約束點，約束全部的6個自由度；然后，按照門檻受到撞擊時的受力情況，給門檻加強板施加應力分布[7]。對門檻加強板設置響應參數，一個參數是門檻加強板的體積，另一個參數是門檻加強板中央節點的位移。在進行優化之前，設置優化的邊界條件；門檻加強板的體積不變，設置優化的目標：加強板中央節點位移最小化。經過第5次迭代之后門檻加強板優化的形狀結果，如圖4所示。

結構優化程序只給出了門檻加強板的優化形式，根據實際門檻加強板的安裝情況，確定最終的門檻加強板結構形式及其截面，如圖5所示。中間凹槽呈斜梯形狀，便于制造，并且與周圍零件不產生干涉。

3.2 門檻加強梁的尺寸優化

將結構優化好的門檻加強梁運用Hypermesh軟件中的size面板進行尺寸優化[8]。鋁合金的吸能性好，在碰撞中的安全性方面有明顯的優勢，而且由于車身質量減輕，在碰撞時產生的動能減少，因此采用輕量化材料5182鋁合金作為門檻加強梁的材料，設計變量為門檻加強梁的厚度，給門檻加強梁的厚度一個初始厚度為1.5mm，設計其厚度變量的下限為0.8mm，上限為2mm。對門檻加強梁的兩邊設置約束點，約束全部的6個自由度，然后按照門檻受到撞擊時的受力情況.給門檻加強板施加應力分布。對門檻加強板設置響應參數，一個是加強梁的體積響應，另一個參數是門檻加強板中央節點的位移。在進行優化之前，設置優化的邊界條件；加強板中央節點位移不超過50 mm，設置優化的目標：加強板梁的體積最小。經過第2次迭代之后門檻加強板尺寸優化的厚度云圖，如圖6所示。

將優化后的門檻加強梁安裝到門檻和下邊梁之間，如圖7所示。其他條件和原車有限元模型一樣，將前處理好的有限元模型用LS-DYNA求解器進行求解，然后比較原車和加入門檻加強梁模型的計算仿真結果。

4 仿真的結果及分析

在汽車門檻上布置的輸出節點中，選取入侵距離最大的節點作為加入門檻加強梁前后碰撞安全性的相互比較的點，其中以門檻的最大入侵距離和最大入侵速度作為標準來衡量汽車的碰撞安全性，無門檻加強梁和有門檻加強梁門檻上節點的入侵距離和入侵速度隨時間變化的曲線，如圖8和圖9所示。

由圖8可以看出，無門檻加強梁的汽車門檻碰撞過程中在0.055 s時刻位移最大為193.64 mm，加入了門檻加強梁的汽車門檻碰撞過程中在0.045 s時刻最大位移為148.32 mm。由圖9可以得到無門檻加強梁的汽車門檻在0.025 s時刻速度達到最大值為11.95 m/s，采用了門檻加強梁的汽車門檻在0.015 s時速度最大值達到9.54 m/s。采用了門檻加強梁的汽車門檻比原車門檻的最大位移少了45.32 mm，速度降低了2.41 m/s。由此可以看出：采用門檻加強梁可以有效地提高車門的碰撞安全性能，為乘員的安全提供了更多的保障。

將有門檻加強梁的汽車門檻和原汽車門檻在碰撞時所產生的等效應力和等效塑性應變進行比較。汽車側壁與剛性柱碰撞時，最大時刻等效應力和等效應變，如圖10～13所示。原汽車門檻在0.045 s時的應力最大為2 109.75 MPa，采用門檻加強梁之后的門檻在0.037 5 s時的應力最大為1 464.58 MPa。比原來減小了645.17 MPa。加入汽車門檻加強梁前后汽車門檻的應變都很小，由圖10和圖11可以看出：加入汽車門檻加強梁之后的門檻所受的應力比原汽車門檻所受到的應力明顯減小。

在汽車側壁與剛性柱碰撞時，在0.037 5 s時汽車門檻加強梁所產生的等效應力和等效塑性應變，如圖14和圖15所示。

從圖14可以看出：門檻加強梁在側壁受到碰撞時，受到的等效應力最大值為769.224 MPa，沒有產生應力集中現象，這樣可以充分吸收側面碰撞時所產生的能量，可以降低門檻的入侵速度和減少門檻的入侵距離。

5 結論

文章建立了汽車門檻側面碰撞的有限元模型，對汽車門檻加強梁進行了形貌和尺寸優化，通過對加入門檻加強梁前后汽車門檻的仿真結果進行比較，可以看出加入了門檻加強梁之后，門檻的入侵速度和入侵距離明顯減少，加入汽車門檻加強梁后汽車門檻的碰撞安全性得到明顯提高。

文章選取5182鋁合金作為汽車門檻加強梁的材料，通過Hypermesh計算得到汽車門檻加強梁的質量為0.914 kg，相對于整車的質量來說增加的很少，并不影響汽車的輕量化設計，因此加入門檻加強梁的方法是可行的。

三人行，必有我師焉，擇其善者而從之，其不善者而改之。

——《論語》

人一能之，己百之；人十能之，己千之。

——《中庸》