基于TRB結構的汽車前縱梁輕量化設計

馬軍偉，張渝，丁波

(重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶 400074)

基于TRB結構的汽車前縱梁輕量化設計

馬軍偉，張渝，丁波

(重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶 400074)

以某汽車的前縱梁為例，參照我國C-NCAP中車輛正面碰撞測試要求，建立汽車前縱梁碰撞簡化模型作為有限元仿真模型，并通過正交試驗采樣和多項式回歸法構建響應面近似模型，將連續變截面板技術應用于前縱梁輕量化設計。結果表明：基于連續變截面板結構的汽車前縱梁相對于等厚板前縱梁具有更好的耐撞性，并且具有明顯的減重效果，前縱梁質量減少了3.85 kg，減重17.7%。

汽車前縱梁；有限元仿真；連續變截面板；耐撞性；輕量化

0 引言

隨著汽車保有量的不斷增加和車速的逐漸提高，交通事故所造成的人員傷亡與財產損失近年來依然嚴峻。因此提高汽車在碰撞過程中的被動安全性能，最大限度地避免或減輕乘員在汽車碰撞中的傷亡已經成為我國汽車被動安全研究的重要課題[1]。前縱梁作為汽車正面碰撞中的主要吸能部件，其耐撞性能的好壞直接決定著汽車正面碰撞性能的好壞。

目前關于汽車前縱梁的研究主要集中于通過結構優化和新型板材的應用來提高前縱梁的耐撞性或減輕其質量。施欲亮等[2]根據自重工況下的汽車前縱梁應力分布云圖，將前縱梁分成了長度不等的3塊，以前縱梁的強度、彎曲剛度和扭轉剛度為約束條件，利用拼焊板對前縱梁進行了輕量化設計，使前縱梁減重17.7%，并通過整車碰撞仿真驗證了其耐撞性。蘭鳳崇等[3]通過正交試驗采樣建立了前縱梁加速度和質量的響應面近似模型，以質量為約束條件，加速度峰值最小為優化目標，對TRB(連續變截面板，Tailor Rolled Blank)結構前縱梁的薄區厚度及長度、厚區厚度、過渡區長度這4個變量進行優化設計，優化后的TRB前縱梁相對于等厚板前縱梁，質量減輕0.05 kg，加速度峰值減小1.63%。

連續變截面板技術是在激光拼焊板技術的基礎上通過柔性軋制技術發展起來的。由于TRB板截面形狀的變化是連續的，因此不存在焊縫失效等問題，便于成形，還可以根據結構實際應力分布情況來調整各部分厚度大小和長度，從而實現材料的最優分布[4]。作者借鑒文獻[3]的研究，著重考慮了前縱梁的吸能特性對汽車安全性的影響，提出了利用連續變截面板(TRB)結構對某汽車前縱梁進行輕量化改進的方法。

1 前縱梁簡化模型的建立

由于整車碰撞仿真分析具有耗時長、計算量大等問題，而文中采用的近似模型法需要經過多次有限元仿真以構建精確的響應面近似模型，為了減少工作量，這里將前縱梁整體結構從整車有限元模型中提取出來，并按照C-NCAP碰撞測試標準建立了前縱梁與剛性墻碰撞的有限元模型，如圖 1所示。其中初始條件為：前縱梁以50 km/h的速度沿Y軸負方向撞擊剛性墻；約束剛性墻的所有自由度，使其完全固定；剛性墻距離前縱梁最前端為10 mm；終止時間設為100 ms；設置人工控制時間步長為1 μs[5]。

2 前縱梁TRB結構模型的建立

文獻[2]中通過汽車自重工況下前縱梁的應力云圖將前縱梁分成3塊來進行拼焊板設計，作者借鑒文獻[2]的分塊方法并結合原始前縱梁加強板的位置，將前縱梁從前到后分成4段，實現其TRB設計。前縱梁的TRB結構模型如圖2所示，每段都具有不同的厚度屬性，分別記為a區、b區、c區和d區。其中，a區、b區、c區和d區的長度分別為157、271、291和131 mm，厚度分別用t1、t2、t3和t4來表示。

3 設計變量和試驗設計

由于前縱梁原始模型的加強板位置是固定的，即各區的長度是確定的，這里只考慮各區厚度對前縱梁的耐撞性能可能產生的影響，選取各區厚度t1、t2、t3和t4這4個因素為設計變量，各個設計變量的變化范圍如表1所示。

表1設計變量取值范圍 mm

選取具有代表性的采樣點是建立精確模型的基礎，采樣點選取不合理，可能得不到近似模型。正交試驗設計通過正交試驗表來合理安排少量的試驗從而獲得基本上能夠反映全面試驗情況的分析信息，是研究和處理多因素試驗常用的一種科學設計方法[6]。這里利用L16(45)正交表，刪除最后一列，即只考慮4個因素，來實現4因素4水平的正交試驗設計表，獲取了16個試驗設計點。

4 響應面近似模型的建立

響應面法是一種漸進逼近非線性系統的優化方法，其建模方法有：多項式回歸法、人工神經網絡法、Kriging函數法、徑向基函數法[7]。文中采用的多項式回歸法響應面模型是用一個多項式函數來逼近非線性響應系統的一種方法，對碰撞這種復雜的、高度非線性的問題具有較好的擬合效果[8]。

對防撞部件進行輕量化設計的同時必須考慮其在碰撞過程中的吸能特性，盡量減小碰撞力峰值，從而減少對乘員的沖擊，達到保護乘員安全的目的。因此，這里構建了前縱梁總吸能E、質量m和最大碰撞力Fmax的響應面模型。其中，質量響應屬于線性響應，采用一次多項式近似模型即可滿足擬合精度；而總吸能和最大碰撞力響應屬于非線性響應，需采用二階或更高階的多項式近似模型。最終構造的各響應的響應面近似模型表達式為：

m=12.432 59+0.894 44t1+1.016 67t2+0.761 11t3+0.338 89t4

必須對構造的近似模型進行精度校驗才能保證其應用的準確性，通過計算得到的表征響應面近似模型精度的決定系數如表3所示。

表3 各響應面模型的決定系數值

5 前縱梁的優化設計

優化設計有3個要素，即設計變量、目標函數和約束條件。文中旨在通過改變前縱梁各段的厚度，在滿足正面碰撞安全性的條件下，實現其質量最小化，即以前縱梁質量最小為目標，以總吸能不小于原始模型的總吸能和最大碰撞力不大于原始模型最大碰撞力為約束，以各段的厚度為設計變量。優化數學模型可表述為：

Minimize:m=f(t1,t2,t3,t4)

利用MATLAB優化工具箱對上述數學模型進行優化求解，經過27次迭代，得到的TRB結構前縱梁各段厚度依次為1.2、2.9、1.3和1.2 mm。取優化后的各區厚度來修改整車模型中的前縱梁參數并進行整車正面100%碰撞仿真分析。最后對比優化前后前縱梁的整車碰撞仿真結果,如表4所示。

表4 優化前后結果對比

優化前后結果對比表明:TRB結構前縱梁的材料分布更合理，對提高前縱梁的耐撞性和減輕其質量都有顯著的效果。

6 結束語

為了節省時間、提高效率，在驗證了整車正面碰撞有限元模型仿真精度的前提下，建立了前縱梁簡化碰撞模型。通過正交試驗設計和多項式回歸法，構建了TRB結構前縱梁的總吸能、質量和最大碰撞力的響應面近似模型，并通過優化模型的建立進行了輕量化設計，優化后的前縱梁減重17.7%，最大碰撞力減小3.6%。隨著TRB技術的日趨成熟，將其應用于車身零部件的制造來替換傳統板材對汽車安全性和輕量化的雙重目標具有指導意義。

【1】胡遠志,曾必強,謝書港.基于LS-DYNA和Hyperworks的汽車安全仿真與分析[M].北京:清華大學出版社,2011:1-2.

【2】施欲亮,朱平,沈利冰,等.汽車前縱梁的拼焊板輕量化設計研究[J].中國機械工程,2008,19(3):374-377.

【3】蘭鳳崇,李佳光,馬芳武,等.連續變截面板(TRB板)在汽車前縱梁中的應用及優化分析[J].機械設計與制造,2014(1):25-28.

【4】朱玉強,王金輪.基于TRB結構的某SUV車保險杠耐撞性研究[J].現代制造工程,2013(4):53-56.

【5】吳廣發,趙希祿.汽車前縱梁碰撞吸能特性的優化設計[J].機械設計與研究,2011,27(4):118-120.

【6】張勇.基于近似模型的汽車輕量化優化設計方法[D].長沙:湖南大學,2009.

【7】李強.基于響應面法的車門抗撞性優化設計[D].長春:吉林大學,2011.

【8】MYERS Raymond H,MONTGOMERY Douglas C,ANDERSON-COOK Christine M. Response Surface Methodology:Process and Product Optimization Using Designed Experiments[M].Wiley,2008.

LightweightDesignofAutomotiveFrontRailBasedonTailorRolledBlankStructure

MA Junwei, ZHANG Yu, DING Bo

(Electromechanical and Automotive Engineering College,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China)

Taking one vehicle’s font rail as an example, according to the frontal collision test demand of C-NCAP, the simplified model of collision between front rail and rigid wall was built to make simulation analysis. The response surface approximation model was built by the method of orthogonal experimental design and polynomial regression, then the tailor rolled blank(TRB) technique was applied to the lightweight design of automotive front rail. The results showed that the front rail of TRB has the better crashworthiness than original design which is made of uniform thickness plates, and has obvious effect to lose weight. The quality of the front rail is reduced 3.85 kg by 17.7% down from original design.

Automotive front rail; Finite element simulation; Tailor rolled blank; Crashworthiness; Lightweigh

2015-01-03

重慶市科委自然科學基金項目 (CSTC2012jjA70001)；重慶市科委科技攻關項目(CSTC2011GGC375)

馬軍偉(1989—)，男，碩士研究生，研究領域為汽車覆蓋件成形與車身制造技術。E-mail:majunwei20122012@163.com。