淺析汽車車身結(jié)構(gòu)安全部件材料匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)

許寶星　王靖博

摘 要：雖然汽車產(chǎn)業(yè)取得了迅速發(fā)展，汽車逐漸普及，設(shè)計(jì)水平也有顯著提升，但是從汽車車身結(jié)構(gòu)安全部件材料匹配的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀來(lái)看，還存在很多問(wèn)題，其中表現(xiàn)最突出的就是安全部件的選擇具有較大的盲目性，在優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，對(duì)材料的厚度和交互性沒有進(jìn)行充分考慮。為了解決這些問(wèn)題，提高汽車車身結(jié)構(gòu)安全部件的設(shè)計(jì)水平，本文從碰撞安全性、關(guān)鍵安全部件的選擇等方面進(jìn)行了討論和分析。

關(guān)鍵詞：汽車車身結(jié)構(gòu)安；安全部件；材料匹配；優(yōu)化設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.187

0 引言

隨著汽車的普及，如何降低其燃油量和尾氣的排放量開始引起社會(huì)的廣泛關(guān)注，其中減輕汽車的重量，實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化是一種非常重要的方式。目前，國(guó)際上主要采用輕量化的材料來(lái)達(dá)到減汽車重量的目標(biāo)，因此，選擇高強(qiáng)度鋼材在汽車耐碰撞性和輕量化設(shè)計(jì)中具有重要意義。同時(shí)，隨著人們安全意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，人們對(duì)汽車的安全性能提出了更高的要求。有相關(guān)的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，正面碰撞的發(fā)生率在交通安全事故中居于首位，傷亡的嚴(yán)重程度也最高，所以本文從汽車車身結(jié)構(gòu)安全部件的材料匹配方面對(duì)如何提高汽車設(shè)計(jì)的安全性進(jìn)行了論述。

1 汽車碰撞的安全性設(shè)計(jì)原則

在正面碰撞中，要保障汽車的安全性，對(duì)汽車結(jié)構(gòu)的吸能特性提出了較高的要求。這樣，在車輛碰撞的過(guò)程中，如果汽車具有良好的吸收動(dòng)能，就可以滿足車體的加速度和入侵控制的良好匹配。

正因如此，所以在汽車正面碰撞的安全設(shè)計(jì)需要堅(jiān)持如下原則：第一，將乘員艙的加速度參數(shù)控制在較小的范圍內(nèi)，避免乘員受到較大的沖擊；第二，將前圍板的侵入量設(shè)置為較低的數(shù)值，同樣保持較低的轉(zhuǎn)向柱后移量，用來(lái)增加成員的生存空間，保護(hù)乘坐人員的生命安全。

2 汽車車身結(jié)構(gòu)安全部件材料匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要方法

由于汽車正面碰撞設(shè)計(jì)的對(duì)象具有較大的隨意性，而且沒有充分考慮到材料的厚度和交互性影響。所以為了提高設(shè)計(jì)方案的完整性，我們對(duì)汽車車身結(jié)構(gòu)中具有重要作用的安全部件材料的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論分析。這種設(shè)計(jì)方法的具體步驟如下：

第一，選擇相關(guān)的安全設(shè)計(jì)部件。在選擇安全部件之前，需要先計(jì)算出傳力路徑，對(duì)能量分布進(jìn)行分析，然后才能通過(guò)的敏感度的評(píng)價(jià)分析，提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，確定在汽車的正面碰撞中，會(huì)對(duì)其安全性產(chǎn)生較大影響的部件，并將其作為主要的設(shè)計(jì)對(duì)象。通過(guò)上述方法，就可以有效解決設(shè)計(jì)對(duì)象難以確定的問(wèn)題。

第二，根據(jù)已經(jīng)確定的設(shè)計(jì)對(duì)象，建立比較相近的模型來(lái)?yè)駜?yōu)選擇，同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)材料的厚度和交互性進(jìn)行優(yōu)化，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)材料厚度的離散以及連續(xù)變量的混合優(yōu)化。

3 汽車車身結(jié)構(gòu)關(guān)鍵安全部件的選擇

3.1 建立汽車正面碰撞的仿真模型

我們將Ford Taurus轎車的整車模型作為整車碰撞的有限元模型。為了對(duì)這一仿真模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，我們將某型號(hào)的汽車作為對(duì)象，進(jìn)行了正面碰撞實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)是由美國(guó)的國(guó)家碰撞中心安排的，具有較高的可信度。

將本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和仿真后左右后座椅的平均加速度曲線進(jìn)行比較，結(jié)合碰撞之后的汽車變形情況。

汽車碰撞實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果和仿真的結(jié)果具有較高的一致性。因此可以證明，利用仿真模型進(jìn)行計(jì)算，可以保障計(jì)算的精確性，可以用來(lái)代替真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，為相關(guān)研究提供方便。

3.2 分析傳力路徑

主要的傳力路徑主要有3種，具體如下：第一，如果汽車和正前方汽車的剛性壁障發(fā)生碰撞，那么就會(huì)導(dǎo)致汽車的前保險(xiǎn)杠發(fā)生變形。此時(shí)，汽車受力就會(huì)傳遞到上縱梁，然后再傳到A柱的上端，最后向后。第二，當(dāng)汽車和前面的剛性壁障發(fā)生碰撞時(shí)，前保險(xiǎn)杠會(huì)變形。此時(shí)，汽車所受到的力就會(huì)經(jīng)過(guò)前縱梁，傳導(dǎo)到A柱的下端、地板縱梁和門檻梁等部位，然后繼續(xù)向后傳遞。第三，在碰撞發(fā)生后，前輪胎會(huì)對(duì)A柱的下端產(chǎn)生作用力，這樣前輪受到的力就會(huì)直接傳遞到A柱的下端，然后再到門檻梁，接著向后傳遞。

3.3 分析能量分布

通過(guò)對(duì)傳力路徑上主要部件的能量分析，確定哪些部件在傳力路徑上起到了主要的吸能作用 ，進(jìn)而確定正碰過(guò)程中的相關(guān)部件。A柱上端的吸能明顯小于A柱下端，因此可以判斷在乘員艙部分的吸能主要由車輛下部傳力路徑承擔(dān)，同時(shí)通過(guò)各部件能量占比可以進(jìn)一步確定正碰過(guò)程中的主要相關(guān)部件。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在汽車車身結(jié)構(gòu)安全部件的匹配設(shè)計(jì)中，本文采用的方法具有顯著優(yōu)勢(shì)，不僅可以大幅度提升汽車正面的耐碰撞性能，而且有助于減輕車身整體結(jié)構(gòu)的重量，優(yōu)化性能。由此看來(lái)，汽車車身結(jié)構(gòu)安全部件的匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)方法具有準(zhǔn)確性和有效性的特點(diǎn)，可以有效地指導(dǎo)汽車的車身設(shè)計(jì)，縮短汽車產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高汽車車身設(shè)計(jì)的安全性。

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