汽車車身結構安全部件材料及其匹配優化設計分析

尹志安

摘 要：時代發展迅速，汽車行業也由此獲得迅猛發展，因此對于汽車設計的需求開始攀升。促使相關學者在此類領域中研究變得越來越深入，相應的問題也隨之越加明顯。比如汽車車身結構安全部件材料的匹配優化設計當中，就存著非常明顯的材料選取的盲目性，對于其厚度的優化以及交互性等方面欠缺充分的考慮。本文為此進行深入分析，并推出匹配優化設計分析的具體措施以供參考。

關鍵詞：汽車車身結構；安全部件材料；匹配優化設計

近年來，隨著汽車安全事故發生率的上漲，人們的安全意識開始不斷提升，對汽車本身的安全性要求也開始不斷攀升。因此對汽車車身結構安全部件材料的優化設計就顯得異常重要，而我國目前對汽車結構優化設計的研究，大都只是對車身材料或者厚度實施優化，并沒有充分考慮到其兩者的交互性，在性能的提升方面相當有限。為此，文章針對車身材料的匹配優化設計方式進行探討。

一、汽車碰撞的安全性設計分析

（一）安全性設計原則

車輛產生正碰對車內的乘員造成嚴重的安全威脅，這就要車輛結構本身必須具備良好的吸能性，這樣才能在汽車發生碰撞時，迅速的將整車動能加以吸收，由此將極大的滿足車體本身的加速度和其入侵量控制的匹配性[1]。對于汽車正碰的安全性設計應符合以下兩個方面的標準：（1）乘員艙加速度降低，保證乘員不會受到強大的沖擊力。（2）應將汽車 的前圍板侵入量和轉向柱后移量控制在較小的范圍，不可減少乘員的活動空間，以此避免直接給乘員造成傷害。

（二）安全部件材料匹配優化設計方式

目前，國內對車身材料正碰的安全性設計工作時，大多都是主觀性的角度來選取所要設計的對象，而且實際的設計嚴重缺乏對材料和厚度間的交互性問題。為此，針對此材料和厚度的交互性問題，推出其匹配優化的設計方式。首先，這種方式，主要是通過傳力路徑和能量分析的方式初步選取相應設計部件。然后由此進行敏感性的分析，這樣才能更準確的找出最受影響的安全部件作為設計的對象，從而真正解決難以選取設計對象的問題。同時可針對所選取的設計對象，采用優選近似模型和多目標優化的方式對其厚度和材料實施匹配和優化，這樣就充分的利用了兩者的交互性，真正實現材料和厚度的變量混合。

二、汽車安全部件的選定分析

（一）分析汽車傳力路徑

主要針對其正碰當中的流動應力進行分析，可通過明確其車應力變化和部件截面展開分析。其傳力路徑具體表現在以下幾點（1）車輛本身和剛性壁障產生碰撞時，一旦其前保險杠產生變形，會將力直接傳遞至上縱梁，然后通過上縱梁傳遞至A柱上端位置，最后直接向后傳遞[2]。（2）當車輛和剛性壁障產生碰撞時，一旦其前保險杠產生扭曲，會直接將沖撞力轉移至前縱梁，然后直接傳輸至A柱下端、門檻梁以及底板縱梁等位置，最后向后傳遞。（3）一旦車輛和剛性壁障產生碰撞，汽車A柱下端將直接受到前輪胎的作用力，而前輪會將其真所受的沖撞力轉移至A柱下端位置，進而由此傳遞至門檻梁位置，最終由此向后傳遞。

（二）分析汽車能量分布

針對其傳力路徑安全部件的能量分析工作，主要是為了明確此類部件是否在傳力路徑上起到了相應的吸能作用，然后據此明確發生正碰時的具體部件。

（三）分析汽車材料敏感度

對于汽車車身材料的匹配優化，通常還需要對其敏感度進行分析，具體可采用正交試驗的方法進行敏感度分析。通過這種敏感度分析的方式，能夠對多種影響類因素的主次順序進行有效的判定。車身材料一般都是使用高強度鋼，而使用更高強度的剛強度鋼需要較高的成本。所以，就必須保證所選擇的部件材料，其碰撞性能獲得更好的改善，這樣才能極大的避免汽車本身車身材料和成本的浪費。

三、汽車安全部件材料的匹配優化設計

（一）材料匹配模型分析

具體需要結合正碰部件的敏感度分析結果來選取對材料造成明顯變化和影響的部件材料作為設計的對象。具體通過敏感度分析，并結合多種材料的碰撞特性來明確哪些部件屬于最適宜的強度等級，可直接從備選材料當中選取最適宜的材料作為其部件材料的取值范圍。一般正面碰撞中的安全部件材料優化的數學計算模型主要是以下表達形式：

式中，m為汽車安全部件的質量和，acc為乘員艙的加速度峰值，disp為前圍板的最大侵入量。

（二）材料匹配優化設計過程分析

針對汽車安全部件的材料匹配問題必須充分考慮到其部件的材料和厚度，這屬于離散混合變量多目標優化的問題。最常用的方式將離散變量直接當作是連續變量的形式，然后將最優點圓直接調整為相應的離散值。不過，這種方式只能獲得局部的優化，有時甚至在其可行域外。還有一種方式就是將連續變量實現離散化，一旦其離散的方式不正確，也將只能獲得局部的優化。

四、結語

綜上所述，對于汽車安全部件材料的匹配優化，需要采用傳力路徑和能量分布的形式來選擇其正碰相關部件，然后可直接通過敏感度分析的方式提取出其中的安全部件。再進行模型計算的方式，得出優化數據，最終運用于車身的設計當中，必然將有效提升汽車正碰耐撞性。

參考文獻：

[1]伍素珍，鄭剛，李光耀，田軒屹，劉勝.汽車車身結構安全部件材料匹配優化設計[J].鍛壓技術，2015，11：85-93.

[2]范子杰，桂良進，蘇瑞意.汽車輕量化技術的研究與進展[J].汽車安全與節能學報，2014，01：1-16.