帽形截面薄壁焊接結構軸向耐撞性的優化設計方法研究

王超　王晨　呂振華

摘 要：以帽形截面薄壁梁為例，研究了焊點布局對薄壁梁結構軸向耐撞性的影響。建立了精度較高的用于分析薄壁梁結構軸向耐撞性的有限元模型，提出了考慮焊點影響的帽形截面薄壁梁在軸向沖擊載荷作用下的平均碰撞力的解析解，并以薄壁梁結構的軸向平均碰撞力和彎曲剛度為約束條件，對一帽形截面薄壁梁進行了輕量化設計，大幅提高了優化設計的效率。討論了一些重要參數（如截面形狀、材料性能、載荷形式等）對薄壁梁結構軸向耐撞性能的影響。

關鍵詞：輕量化設計；薄壁梁；軸向耐撞性；平均碰撞力

中圖分類號：U463.83文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.06.01

Abstract：For crashworthiness design of thin-walled tubes， much attention has been given to the size and shape design of the cross-section， while limited studies have been performed to incorporate spot weld modeling into the design. This study focused on the influence of the spot weld layout on the axial crashworthiness of thin-walled tubes. a finite element model was constructed to analyze the thin-walled tube subject to an axial crushing force. a modified theoretical analysis was proposed for the lightweight design of the thin-walled tube with the constraints of the required mean crushing force and bending stiffness. some parameters influencing the axial crashworthiness were discussed.

Key words：lightweight design； thin-walled tube； axial crashworthiness； mean crushing force

隨著汽車市場競爭的日益激烈，全面提升產品性能已成為各汽車廠商的必然選擇，不斷提高汽車的被動安全性就是其中的一個重要課題。在正面和尾部碰撞中，車身的管狀薄壁梁結構是主要的吸能結構。因此，研究其在軸向載荷下的吸能特性并對其進行優化設計就顯得十分必要。Alexander[1] 首先建立了圓柱形薄壁管在碰撞過程中的平均碰撞力和能量吸收的理論模型，Wierzbicki等人[2-4]對薄壁梁在軸向載荷作用下的變形模式及其耐撞性能的理論模型做了大量的研究工作。這些結論主要是基于塑性鉸理論得出的，并假設薄壁梁結構在壓潰變形過程中各基本碰撞單元具有相同的長度。

車身在碰撞過程中是一個高度非線性的動態變形過程，各種非線性因素的綜合使得用于仿真分析的整車模型單元數量及復雜程度不斷提高。并且，在對車身結構進行優化設計的迭代過程中，設計變量的變化可能導致單元質量下降和單元間穿透量增大，進而使有限元模型的質量無法控制。因此，很多的研究工作都通過建立一個與有限元分析結果相近的代理模型來解決上述困難。Avalle等人[5]通過響應面法（Response Surface Method，RSM）來優化車身及相關部件的耐撞性。Yamazaki和Han[6-7]利用RSM法對薄壁管的耐撞性進行了優化設計。張維剛等人[8]利用逐步回歸模型對RSM法中的基函數進行了篩選，并以車身的正面和側面碰撞安全性為優化目標對車身結構進行了優化設計。

對薄壁梁結構進行耐撞性優化設計，一般選擇薄壁梁的厚度、截面尺寸為設計變量，但是這些薄壁梁結構主要是通過焊點單元連接的。現有的許多研究工作主要集中在焊點模型的選擇和構建上[9-11]，而考慮焊點布置對薄壁梁結構耐撞性的影響并對其進行優化設計的研究工作則很少。Xiang等人[12]采用“響應面-列舉”法，以焊點單元數量和薄壁梁截面尺寸為設計變量對帽形截面薄壁梁進行了輕量化設計，但這種分析方法計算效率較低。

本文以閉口薄壁梁中比較典型的帽形截面薄壁梁為研究對象展開相關研究工作。首先，建立了精度較高的用于分析薄壁梁結構軸向耐撞性的有限元模型。White等人[13]提出了平均碰撞力指標來評價帽形截面薄壁梁結構在軸向沖擊載荷作用下的耐撞性，并提出了不考慮焊點影響的平均碰撞力理論模型。文中根據該理論模型和仿真分析結果，提出了考慮焊點影響的平均碰撞力修正解，在此基礎上以帽形截面薄壁梁結構的軸向平均碰撞力和彎曲剛度為約束條件，以焊點的布置、薄壁梁的截面參數為設計變量對帽形截面薄壁梁結構進行了輕量化設計。最后討論了薄壁梁結構的一些重要參數對其軸向耐撞性的影響。

1 薄壁梁軸向耐撞性的數值分析

為了詳細分析薄壁梁結構的軸向耐撞性，以便于對評價薄壁梁軸向耐撞性的平均碰撞力的解析解精度進行驗證，這里以White等人[14]介紹的帽形截面薄壁梁結構為例（圖1），詳細介紹評價薄壁梁結構軸向耐撞性的有限元模型建模方法。薄壁梁結構用穩定性較好的Belytschko -Tsay殼單元進行模擬，運用梁單元模擬焊點模型，分別采用single surface和surface to surface接觸模型模擬梁結構之間的接觸及剛性墻與梁結構之間的接觸，建立的有限元模型如圖2所示。