汽車側門沖壓防撞桿高效斷面優化研究

劉禹呈，周杰，沈雁東

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201)

0 引言

側撞法規是汽車被動安全的重要部分，在車輛使用過程中，側方安全對保護駕駛員和乘客的人身安全十分重要。隨著社會生活品質的提高和汽車工業的發展，為駕駛員和乘客提供安全的駕乘環境成為車輛重要的基本性能之一，對車輛使用者提供保護的安全性能也成為各汽車廠商比拼和角逐的重要方面[1]。

目前，國內主要對側撞性能的評估是C-NCAP(China-New Car Assessment Program)的星級評價，一定質量的壁障以一定速度對車輛的側面測試位置進行沖擊，檢測車內假人的狀態，從而得到量化的側撞性能結果，對側撞性能進行一星到五星的星級評價[2]。C-NCAP的星級評價已經成為消費者在買車過程中重要的參考指標。最新的2018 C-NCAP工況示意如圖1所示，其更貼近目前汽車交通的發展狀態，對壁障和假人等都進行了調整，工況更加嚴苛，對汽車側面安全性能的設計提出更高的要求[2]。另一方面，在節能環保的大趨勢下及新能源汽車的發展，汽車的輕量化變得愈發重要，因此在更嚴苛的側撞安全性能要求下，較高質量高效率地提高車身結構強度是研究的方向和重點[3-4]。

現在一般的汽車車身結構設計中，側門防撞桿在側門鈑金中具有最高強度，是最重要的鈑金組成零件。而沖壓側門防撞桿(如圖2所示)是各廠商應用的主要防撞桿類型，一般采用高強鋼進行冷沖壓或者熱沖壓工藝。沖壓防撞桿的中間及主要部分結構，可抽象為一定形式的幾字形斷面梁，而斷面決定了防撞桿的強度。文中對該幾字形斷面進行正交優化，從而得到高強度、高質量、高效率的側門防撞桿[5]。

圖1 2018 C-NCAP工況示意圖

圖2 沖壓側門防撞桿示意圖

1 正交試驗優化和分析

1.1 側門防撞桿正交優化模型及有限元分析

如上文所述，研究的沖壓防撞桿強度主要由其中間主體部分的橫截斷面來決定。而不同車型，其尺寸、造型等方面都有較大差異，不同車型側門防撞桿的整體輪廓和大小都有一定差異，因此對中間區域的橫截面研究具有較好的普適性，如圖3所示。另一方面，為了更貼近防撞梁的變形和強度狀態，將斷面拉伸為1 000 mm的等截面橫梁，如圖4所示，并結合GB 15743-1995《轎車側門強度》和FMVSS 214的準靜態要求，對拉伸梁準靜態三點彎曲(如圖5所示)，之后對150 mm距離的平均應力進行CAE模擬計算，CAE軟件為LS-DYNA[6-8]。

圖3 沖壓側門防撞桿主體橫截面

圖4 側門防撞桿斷面1 000 mm拉伸梁示意圖

圖5 準靜態三點彎曲工況示意圖

主體斷面尺寸參數化如圖6所示，其中為保證受力均衡兩特征峰寬度均為a，同時沖壓成型效果最佳時，特征谷寬度b=a；圓角半徑R，對于斷面整體尺寸影響不大且相對獨立，基于截面梁變形規律和開發經驗，較小的R有利于斷面強度提升，但考慮成型因素，令R=6 mm；立壁拔模角α對沖壓件的成型性影響較大，且對防撞桿擠壓變形有一定影響，從而影響防撞桿擠壓強度，綜合考慮拔模角固定為8°。固定圓角和拔模角后，經過幾何推導可近似得X=3a+0.15Y+20的幾何關系。斷面特征谷深度Z用斷面總深度Y乘以特征深度系數k，即Z=kY，k的取值為0～1。

圖6 主斷面尺寸參數化示意圖

如圖6所示，a表示特征峰寬度(mm)；b表示特征谷寬度(mm)；f表示法蘭邊寬度(mm)；R表示圓角半徑(mm)；X表示斷面總寬度(mm)；Y表示斷面總深度(mm)；Z表示特征谷深度(mm)。

1.2 側門防撞桿斷面拉伸梁三點準靜態擠壓仿真正交試驗設計

利用已推導斷面幾何關系X=3a+0.15Y+20，將特征谷深度Z=kY，斷面正交優化選定3個控制因子(A，B，C)分別為特征峰寬度a、斷面總深度Y和特征深度系數k，結合側門防撞桿的一般尺寸，分別選定3個水平，如表 1所示。而側門防撞桿作為鈑金零件，料厚會存在一定的工差，正交試驗的噪聲選定為零件料厚波動的兩個水平，如表1所示。

表1 側門防撞桿斷面正交優化控制因子和噪聲

根據正交優化方法，3因子3水平，選用L9的正交優化工具，并利用LS-DYNA對斷面的1 000 mm拉伸梁準靜態擠壓試驗進行有限元分析，正交試驗設計和結果如表2所示。對表2的試驗結果進行優化分析，如圖7所示，根據圖7(a)中平均應力的望大特性，A1、B3、C3是優化方向，與圖7(b)中的信噪比優化結果一致。

表2 側門防撞桿斷面正交優化試驗結果

圖7 側門防撞桿斷面正交試驗結果優化

在優化平均強度的同時，需要考慮提升平均強度的效率，因此引入類似比強度的概念，即用150 mm的平均強度除以1 000 mm拉伸桿的質量，得到如表3所示的正交試驗結果，對表3的試驗結果進行優化分析，如圖8所示。根據圖8(a)中平均應力的望大特性，A1、B3、C3是優化方向，與圖8(b)的信噪比優化結果一致，并與圖7的平均應力優化分析結果相一致。

表3 側門防撞桿斷面效率正交優化試驗結果

圖8 側門防撞桿斷面效率正交試驗結果優化分析

1.3 優化結果及改善效果

根據上述優化分析，A1、B3、C3為最優解，其中C的優化效果最為明顯，A和B相對優化效果較小。故文中研究所得的相應參數范圍的最優解為A1、B3、C3，即特征峰寬度為20 mm、斷面總深度為45 mm、特征深度系數為1，其優化結果及收益如表4所示。在實際應用和設計過程中，可根據實際設計要求選取相應參數范圍。

表4 側門防撞桿斷面正交優化結果及獲益

2 結論

以正交優化分析方法為基礎，對沖壓防撞桿主體斷面進行建模優化，使用LS-DYNA作為模擬計算軟件，對沖壓防撞桿主體斷面建模的靜態三點抗彎性能和抗彎效率進行優化研究：

(1)最優解為A1、B3、C3，即特征峰寬度為20 mm、斷面總深度為45 mm、特征深度系數為1。

(2)在文中研究的范圍內，3個主要影響因素中，特征深度系數對防撞桿強度影響最大，斷面總深度次之，特征峰寬度影響較小。

(3)在考慮質量效率的情況下，3個主要影響因素中，特征深度系數對防撞桿強度效率影響最大，特征峰寬度和斷面總深度次之。