（光学工程专业论文）基于轿车b柱轻量化设计的耐撞性优化分析.pdf

基本轿车b 柱轻量化设计的耐掩性优化分析摘要近年来，随着石油危机和环境污染问题日益严重，轻量化成为汽车工业的一个热点研究课题。研究数据表明当汽车质量减少1 0 ，汽油的消耗可以相应的降低6 8 。而汽车的车身质量占了汽车总质量的大约4 0 ，所以减少车身重量是节能环保的有效方法。同时，现在的法规也越来越重视汽车的安全性，汽车轻量化不可以盲目地减重，应该在确保汽车安全性能不受影响的前提下，最大限度地减小汽车部件的质量。因此，汽车在轻量化设计时不应该忽略其安全性。本文首先对轻量化设计和耐撞性分析做了大量的文献研究，阐述了当今汽车工业常用的几种轻量化设计方法，介绍了一种新的轻量化技术，连续变截面轧制技术，又称为t r b ( t a i l o rr o l l e db l a n k s ) 技术。同时介绍了汽车耐撞性的国内外研究现状。概括了汽车碰撞有限元方法，并且对几种常用的试验设计方法、代理模型和优化算法也进行了简单的介绍。按照中国新车评价法规要求建立起侧面碰撞有限元模型，并且把实车试验和仿真结果做对比，验证了模型的可靠性。接着对侧面碰撞的仿真结果进行评价和分析，根据仿真结果，选择了汽车的车门、门槛、b 柱和地板对侧面碰撞结果进行灵敏度分析，结果显示b 柱是在侧面碰撞发生时对b 柱的侵入量和侵入速度影响最大的部件。然后按照f m v s s 2 1 6 法规建立起汽车的顶压仿真模型，也分析和评价了顶压仿真结果，选取了a 柱、b 柱、c 柱和顶盖横梁对顶压结果进行灵敏度分析，分析显示b 柱也是对车顶抗压强度贡献最大的部件。因此，对b柱进行轻量化设计的时候要考虑到其对侧面碰撞耐撞性和车顶抗压强度的影响。将有限元数值模拟与均匀设计、k r i g i n g 代理模型方法结合，并利用遗传算法提出了解决汽车碰撞安全性的有效优化方法。把t r b 技术应用到b 柱的轻量化设计中。以b 柱的质量最小为目标，将b 柱侵入量、侵入速度以及车顶作用力作为约束，选取b 柱的5 个区域的厚度作为设计变量，得到了两种不同厚度分布的b 柱结构。结果表明，t r bi 和t r bi i 皆满足耐撞性，轻量化效果分别达到了3 6 4 3 和3 1 5 7 。t r bi 轻量化效果最佳，而t r bi i 的结构由于过渡平滑，可靠性较好，更适合于工程实践中。研究结果表明：通过正交试验设计的灵敏度分析，得出b 柱既是影响侧面碰撞耐撞性最大的部件，也是对车顶抗压强度贡献最大的部件：结合有限元方法、均匀试验设计、k r i g i n g 代理模型和遗传算法的优化方法在汽车碰撞问题中能够取得较好的效果；此外，使用t r b 结构的b 柱能够达到轻量化目标的同时满足耐撞性要求。关键词：轻量化设计：耐撞性；侧面碰撞；顶压；优化设计h硕：l ：学位论文掌皇葛暑鲁毒鲁! 詈皇詈詈詈鼍皇詈皇皇暑皇詈= 皇! 皇害墨皇置皇置詈詈鼍暑詈皇皇詈詈詈皇= 暑詈皇= 暑暑詈暑詈詈皇皇詈皇詈皇皇詈! 詈自暑詈暑詈詈喜暑= 葛暑昌皇= 暑鲁皇皇昌暑暑喜詈皇墨皇鲁詈葛暑暑葛皇昌皇i i i l l , i 皇皇= 皇皇詈篁暑皇a bs t r a c ti np r e s e n t d a ys o c i e t y ，l i g h t w e i g h th a sb e c o m eah o tr e s e a r c ht o p i ci na u t o m o t i v ei n d u s t r yd u et ot h es e v e r ep r o b l e mo ff u e lc r i s i sa n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n t h es t a t i s t i c ss h o wt h a tp e t r o lc o n s u m p t i o nm a yd e c r e a s e6 - 8 i ft h el i g h t w e i g h te f f e c to ff u l lv e h i c l er e a c h e s10 a st h ea u t o m o t i v es t r u c t u r ep o s s e s s e sa b o u t4 0 w e i g h to ff u l lv e h i c l e ，t h ew e i g h tr e d u c t i o ni nb o d ys t r u c t u r ei so n ek e yw a yt oa c h i e v er u e le f f i c i e n c y , h a r m f u le m i s s i o n sr e d u c t i o na n dr a wm a t e r i a l ss a v i n g a tt h es a m et i m e ，t h e r eh a v eb e e ng r o w i n gc o n c e r n so v e rv e h i c l es a f e t yc a s e sb yi n c r e a s i n gl e g a la n dm a r k e td e m a n d s t h u s ，l i g h t w e i g h ta n dc r a s h w o r t h i n e s sa r et w oc r u c i a la s p e c t so fa u t o m o b i l ed e s i g n t h el i g h t w e i g h td e s i g ns h o u l dn o tc o m p r o m i s et h es a f e t yo ft h ec a ro c c u p a n t al o to fl i t e r a t u r er e s e a r c ho nl i g h t w e i g h td e s i g na n dc r a s h w o r t h i n c s sh a sb e e nd o n ef i r s t l yi nt h ep a p e r w ea l s od e s c r i b e ds e v e r a ll i g h t w e i g h td e s i g nt e c h n o l o g i e si n c l u d i n gt a i l o rr o l le db l a n k s t h e nt h er e s e a r c hs t a t u so fv e h i c l ec r a s h w o r t h i n e s sa n dt h er e l e v a n tc o l l i s i o nr e g u l a t i o n sw e r ei n t r o d u c e d t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o du s e di nc o l l i s i o ns i m u l a t i o nw a sp r e s e n t e d s o m ee x p e r i m e n t a ld e s i g nm e t h o d ，m a t h e m a t i cs u r r o g a t em o d e la n do p t i m i z a t i o na l g o r i t h mw e r es u m m a r i z e db r i e f l y t h ef u l ls i d ei m p a c tc a rm o d e l ，i n c l u d i n gs i d ei m p a c tb a r r i e rw a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ec h i n an e wc a ra s s e s s m e n tp r o g r a m ( c n c a p ) ar e a lc a rs i d ei m p a c te x p e r i m e n th a sb e e na l r e a d yd o n e ，b yc o m p a r i n gt h et i m eh i s t o r yo fa c c e l e r a t i o no ft h ec a rb o d ya n dd e f o r m a t i o nm o d e so fk e yp a r t s ，t h es i m u l a t i o ng i v e sar e a s o n a b l ef i ti n t ot h ee x p e r i m e n tr e s u l t s t h e nw ee v a l u a t e da n da n a l y z e dt h es i m u l a t i o nr e s u l to fs i d ei m p a c t b a s eo nt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，s o m ec o m p o n e n t si n c l u d i n gt h ed o o r ，t h et h r e s h o l d ，t h eb p i l l a ra n dt h ef l o o rw e r es e l e c t e dt om a k eas e n s i t i v i t ya n a l y s i s t h er e s u l to fs e n s i t i v i t ya n a l y s i ss h o w st h a tt h eb p i l l a ri st h em o s tk e yf a c t o ri n f l u e n c i n gt h eo c c u p a n ts a f e t yi ns i d ei m p a c t t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no fr o o fc r u s hi sb a s e do nt h et e s to ff m v s s216 a n o t h e rs e n s i t i v i t ya n a l y s i so nr o o fc r u s hw a sa l s ob e e nd o n e c o m p a r e dw i t ht h ea p i l l a r ，c p i l l a ra n dt h er o o f - r a i l ，b p i l l a ri sa l s oo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t st h a tm a i n l ya f f e c tt h er o o fs t r e n g t h a ni n t e g r a t e da p p r o a c hi sa p p l i e du s i n gu n i f o r md e s i g n ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，k r i g i n ga p p r o x i m a t i o na n dg e n e t i ca l g o r i t h m o p t i m i z a t i o no ft h eb p i l l a ri sp r o p o s e db yu s i n gt a i l o rr o l l e db l a n k s ( t r b ) c o n c e p tu n d e rt h ec o n s t r a i n to fv e h i c l es i d ei m p a c ta n dr o o fc r u s h t h 6w e i g h t ，i n t r u s i o n ，i n t r u s i o nv e l o c i t ya tt h em i d d l ep o i n to fb p i l l a ra n dt h er e s i s t a n tf o r c eo fr o o fc r u s hw e r ec h o s e na st h el l io p t i m i z a t i o no b j e c t s ，a n dt h et h i c k n e s so f5s e g m e n t so ft h eb p i l l a rw e r ec h o s e na st h ed e s i g nv a r i a b l e s a f t e ro p t i m i z a t i o n ，t w ot y p e so ft r bs t r u c t u r e ( t r bia n dt r bi i ) a r ep r o p o s e di nt h ep a p e r i ti ss h o w nt h a tt h ew e i g h to ft h eb - p i l l a rc a nb er e d u c e db y3 6 4 3 a n d31 5 7 ，r e s p e c t i v e l y , w i t h o u tt h el o s so fs a f e t yb yt r bs t r u c t u r e c o m p a r e dw i t ht w ot r bs t r u c t u r e ，t r bii st h eb e s ti nw e i g h tr e d u c t i o n w h i l et r bi ii sm o r er e l i a b l ea n dm o r es u i t a b l ef o re n g i n e e r i n gd u et os m o o t ht r a n s i t i o n t h er e s u l to ft h i ss t u d ys h o w st h a t ：t h r o u g ht h es e n s i t i v i t ya n a l y s i s ，w ef o u n dt h a tb p i l l a ri st h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n tt h a ta f f e c t ss i d ec o l l i s i o nc r a s h w o r t h i n e s sa n dr o o fs t r e n g t h i td e m o n s t r a t e st h a tt h eo p t i m i z a t i o nm e t h o db vc o m b i n a t i o no fu n i f o r md e s i g n ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，k r i g i n ga p p r o x i m a t i o na n dg e n e t i ca l g o r i t h mi sa v a i l a b l ei nl i g h t w e i g h td e s i g no fb p i l l a r m o r e o v e r ，t r bc a nb ep o t e n t i a l l yu s e dt od e s i g nb - p i l l a rt or e d u c ew e i g h t ，w i t h o u tl o s ss a f e t y k e yw o r d s ：l i g h t w e i g h t ，c r a s h w o r t h i n e s s ，s i d ei m p a c t ，r o o fc r u s h ，o p t i m i z a t i o ni v硕士学位论文第一章绪论1 1 课题的研究背景及意义近几年来随着经济的发展，世界汽车保有量也相应地大幅度提高，2 0 1 0 年全球的汽车保有量已经超过l0 亿辆，汽车已成为人们工作和生活不可或缺的交通工具，汽车正改变着人类的工作与生活。然而，这伴随而来的能源短缺和环境污染问题也日渐突出。汽车的使用将会消耗大量的燃油，同时汽车排放的尾气对大气环境尤其是对人们身体健康的危害越来越严重。另一方面，当今汽车市场的消费者对动力性、安全性和舒适性的要求越来越高，车上的设备也越来越豪华，像空调、导航仪、冰箱、按摩座椅、电视机等电子设备已经开始广泛地应用在轿车上。但这必然会使汽车的重量增加，导致油耗增加，不利于燃油经济性。面对着石油资源短缺以及国际石油价格的逐年攀升，提高汽车燃油经济性和减少污染物的排放已经成为当今汽车工业亟待解决的问题。从长远来看，汽车产业必须研发新的技术，走可持续发展的道路。为了实现上面所说的目的，现在的汽车制造厂商一方面加大投入研制新能源或混合动力的汽车，另一方面从汽车轻量化上面着手。自从2 0 0 4 年丰田公司的混合动力汽车普锐斯进入中国市场之后，人们开始关注新能源汽车和混合动力汽车，国家也纷纷颁布相关法规扶持该行业的发展，到目前为止，国内的几大汽车制造厂如一汽，上汽，广汽等都有自己研发的新能源或混合动力汽车。但是，由于技术不成熟以及相关配套设施的制约，新能源汽车一直没有得到广泛的使用。相对而言，汽车轻量化技术起步较早，技术也比较成熟，一些汽车厂商已经在技术上取得了突破，大大地减轻了汽车的重量。据统计，当汽车减重1 0 时，可使油耗减少6 8 t ，对于轿车而言，车身重量减少1 0 ，油耗可降低8 1 0 ，而对于1 6 2 0 吨的重卡，每减重1 0 0 0 k g ，油耗可减少6 7 。可见，减少汽车的重量对降低油耗和减少环境污染有重大的作用和意义。此外，质量轻的汽车在加速、制动和爬坡的时候都更有优势，可以说，现在质量轻的汽车也越来越受到消费者的青睐。汽车总成一般由车身、底盘和电子设配组成，车身的制作是汽车生产的一个重要环节。据统计，生产车身所投入的成本占整车生产的大概6 0 ，车身上的覆盖件大多数都是冲压件，其质量占整车质量的3 0 4 0 ，所以车身的轻量化对整车的轻量化起着重要的作用。图1 1 为消费者购买汽车时所考虑的因素，从图中可知，除了价格之外，安全和油耗是消费者购车的主要考虑因素。怎么平衡安全和油耗这两者的关系，是当今汽车工业的一大难题，可以说，车身的安全性是约束轻量化设计的最大因素。基本轿车b 柱轻量化设计的耐掩性优化分析1 饷一雁 售；蓉穴|；5 份安油晶井动后磐摄像靠颤5 内箕，倍全牦觯疆：力藏歪控彝空色馋绝i；l | i 引| 善翊| |蔓臻苎置黧黛磐璺嬲警竺s 懋黧蠛熙翌黑艘鳜图1 1 消费者购车时考虑的因素汽车工程师设计车身时，应使其满足以下功能【2 】：当车辆发生碰撞时，车身上的主要吸能部件要有足够的强度和刚度，以保证乘员舱的完整性，避免部件的侵入威胁到乘员的生存空间；此外，还要防止车内乘员与车内部件发生二次碰撞所造成的损伤，这就要依靠车身结构的变形来吸能和传递碰撞的能量，从而达到缓冲吸能的目的。因此，汽车在轻量化的时候，不能盲目地减重，不能牺牲其安全性。应该通过检验车辆在碰撞时的加速度、侵入量、侵入速度等参数来确定轻量化方案是否可行。综上所述，汽车轻量化技术已经发展成为汽车工业的一个重要课题。对于国家，轻量化关系到其资源安全和环境污染问题；对于企业，轻量化关系到其在同行业中的竞争力与技术创新问题；对于消费者，轻量化是影响其购车的主要因素。同时，轻量化也受到其他方面的技术指标约束，本文主要从安全耐撞性的角度进行分析。1 2 国内外轻量化研究现状汽车轻量化技术最早是应用在赛车运动中，由于车身的重量直接影响着赛车的加速和制动性能，所以早在二十世纪初期，赛车运动协会就提出了限制参赛车辆的重量的规定。这一规定为以后轻量化的快速发展奠定了基础，从此之后，车身上的结构件开始用冲压钣金件代替原来笨重的圆管材料，发动机，变速箱和悬架等零件尺寸也渐渐减小，轻量化的铸造件和车身覆盖件也逐渐普遍使用。到了二十世纪中期，德国的大众汽车公司把大量的轻量化技术运用到汽车设计和制造中，比较有代表性的是当时的“甲壳虫刀车型，它是首款把镁合金材料运用到发动机和变速箱的车型，这一突破即使是在当今的汽车工业也具有重大的使用价值和历史意义。直到二十世纪7 0 年代之前，人们还没有开始意识到汽车轻量化的重要性，特别是在第二次世界大战之后，以美国为首的西方国家根本没有节能减排的意识，汽车是“以大为美一，当时的轿车一般都在1 5 0 0 k g 以上【3 1 。随着石油危机的2硕十学位论文爆发以及汽车技术的发展，人们才开始意识到汽车轻量化的重要性，且开始逐渐把新材料和新技术运用到汽车上，汽车的重量才开始有减少的趋势。据统计，美国中型轿车的平均重量从19 8 5 年的l5 2 0 k g 降到了19 9 5 年的l2 3 0 k g 。到了二十一世纪，德国、日本和美国等汽车制造强国研发出了百公里油耗仅为3 l 的汽车，这类汽车的重量一般都控制在8 0 0 k g 以下，比现在市场上的车轻大约4 0 。比如德国大众公司在l9 9 8 年发布了一款质量仅为8 0 0 k g ，名为路博的汽车，该车的百公里油耗只有3 l 。奥迪公司在轻量化技术上一直处于领先位置，它推出的a 2 系列轿车，采用了全铝车身打造，其总质量只有9 0 0 k g 。轻量化技术除了在轿车上运用之外，在商用车上也开始普及，如依维柯商用车的驾驶室质量只有9 6 0 k g 。相比西方发达国家，我国汽车工业起步较晚，轻量化技术发展也比较缓慢。目前，汽车轻量化正促使着我国汽车制造业在成形方法和连接技术上的不断创新，我国汽车轻量化材料也正在不断发展当中。我国“十一五 汽车产业发展规划中就提出“扩大新材料和轻量化技术应用范围 。产业结构调整指导目录也将“轻量化车身材料 列为鼓励项目。在科技部9 7 3 项目的大力支持下，中国钢研科技集团公司与太原钢铁公司合作，已成功在工业生产流程上开发出第三代汽车钢热轧板卷和冷轧板，强塑积均超过了3 0 g p a ，标志着我国率先在国际上研发出第三代汽车钢产品的工业生产技术。我国一汽的新车型已经采用了中国钢研所研制的1 5 0 0 m p a 级热成型钢，实现了轻量化与安全性的有效结合。此外，我国的高校也参与了汽车轻量化技术的研究领域，比如湖南大学与上汽五菱合作开展的薄板冲压件研究项引引，北京航空航天大学开展的客车轻量化项目。1 3 汽车轻量化的实施途径实现汽车的轻量化有多种方法，概括起来可以分为三个主要途径【5 】：1 使用新型材料；2 优化汽车结构3 使用轻量化工艺。具体如图1 2 所示。1 3 1 使用新型材料( 1 ) 铝合金图1 2 轻量化的实施途径铝合金高强度钢碳纤维复合材料形状优化尺寸优化等等拼焊板连续变截面等等基本轿车b 柱轻量化设计的耐撞性优化分析铝合金的密度为2 7 9 c m 3 ，仅为钢密度的三分之一。作为一种轻质材料，铝合金越来越多地应用在汽车上。目前，大约有1 2 一15 0 的铝合金材料是用在汽车上，据统计，2 0 0 6 年德国、美国和日本等汽车强国的平均每辆中型轿车上使用1 2 7 k g 铝合金。欧洲铝协预测到了2 0 1 5 年，欧洲汽车上铝的使用量没达到每辆3 0 0 k g 以上。铝合金除了轻以外，还具有以下特点【6 】：易加工；导热性好；比强度高、弹性好；耐磨、耐腐蚀：回收率高等。由于铝合金具有上述的良好物理特性和化学特性，所以它基本都适用于加工制造中的冲压、锻造和铸造等工艺中，它也是少数几种可适用于多种铸造工艺的材料。把铝合金用作汽车车身的覆盖件减重效果明显，奥迪a 8 豪华轿车采用全铝合金车身，质量减轻了3 0 5 0 。捷豹x j 的车身也是采用全铝合金设计，在保证了强度的同时减轻了车身的重量。可以看出，铝合金为汽车轻量化提供了良好的市场前景，它很有可能成为取代钢作为汽车覆盖件的材料。( 2 ) 高强度钢高强度钢由于屈服强度比普通钢高，价格又比铝合金低，所以它成为当今车身结构的主流材料。把高强度钢用在车身上有如下的优点【7 8 】：1 强度高，冲压件质量小，同时有良好的塑性延展性；2 具有良好的连接和保形性能；3 回收利用方便；4 价格低。使用高强度钢在车身部件上可以提高部件的抗变形能力，使部件在碰撞中吸收更多的能量，它可以通过减薄车身上零件的厚度来达到轻量化的目的。国外汽车上用高强度钢做车身结构件已经相当普遍，并且使用量也逐年增加，现在的使用量大约为5 0 。而我国汽车目前的高强度钢比例还不算高，大约为2 0 ，我国汽车工业计划5 年后高强度钢的使用量能达到4 0 以上。图1 3 为国内某款轿车上高强度钢的使用情况。图1 3 汽车和高强度钢的使用情况( 3 ) 碳纤维复合材料碳纤维复合材料是一种力学性能优异的新材料，它的密度不到钢材料的四分之一【9 1 。它有如下的优势【1 0 】：1 质量轻：2 具有足够高的强度和刚度；3 碰撞时吸收的能量多；4 耐腐蚀性能强。但是，碳纤维由于其价格过高导致一直没在汽车领域广泛使用。4硕士学位论文碳纤维是适用于汽车车身和底盘上最轻的材料，可使汽车的重量减少4 0 一6 0 。现在碳纤维复合材料已经运用在赛车和混合动力车的各种零部件上。德国、美国和日本也正在研究低成本的碳纤维生产工艺方法。雷克萨斯的l f a款跑车采用了全碳纤维车身设计，使得其达到了相当于铝合金车身4 倍的强度，并且达到了轻量化的目的。1 3 2 优化汽车结构汽车的结构优化是指在满足各种性能条件的前提下对部件的尺寸厚度和结构形状进行的优化。它的优点是投入的成本少，研发周期短，并且能达到较好的轻量化目的。随着c a d c a e c a m 一体化技术的发展，结构优化在轻量化技术中具有更好的应用前景。利用c a d 技术，可以减少设计时的误差，得到更精确的车身实体模型，并且能够很方便地实现模型形状，板材厚度的更改，简化了数模的开发流程。把有限元方法和优化设计结合，可以对部件的力学性能进行分析和改性。对于车身的结构设计，常用的优化方法有两种：拓扑优化和尺寸优化。拓扑优化一般用在产品设计初期的概念设计阶段，它的基本思路是把寻找结构的最优拓扑问题转变为在指定的设计空间内寻找物体的最佳材料分配问题。目前较为常用的拓扑优化方法有【l l 】：均匀化方法、变密度方法和渐进结构优化方法。图1 4 为德国大众公司对发动机架进行的拓扑优化，可以看出利用拓扑优化可以成功地实现部件结构的减重。刁疆2 3 图1 4 拓扑优化效果由于拓扑优化现在只能解决静态的线性问题，不可以汽车碰撞这种非线性动态问题。所以本文对b 柱的结构优化就要通过有限元软件与优化设计结合的方法，使其达到轻量化的目的。1 - 3 3 轻量化工艺( 1 ) 拼焊板激光拼焊技术最早是运用在轿车中，早在1 9 8 5 年，奥迪公司就生产出了全球第一块拼焊板。拼焊板是把若干块不同材料、不同厚度、不同涂层的钢材焊接成一块整体板，以满足零部件各个位置的性能要求，用最轻的重量、最优的结构5基奉轿车b 柱轻量化设计的酎撞性优化分析以及最佳性能实现轻量化的目的。拼焊板的优势在于：1 减轻重量，降低材料损耗；2 减少部件数量，减少生产工序，降低组装成本；3 提高机械强度和耐撞性；4 减少搭接。激光拼焊技术最早是运用在轿车中，早在1 9 8 5 年，奥迪公司就生产出了全球第一块拼焊板。目前激光拼焊板技术已经在汽车领域中得到了广泛的应用，大众的高尔夫4 上一共应用了1 9 块得激光平焊板，雷诺的拉古娜车型激光拼焊板的重量达到了l0 0 k g 。图1 5 为激光拼焊板在车身上的应用情况。如图所示，激光拼焊技术已经成功地应用到前纵梁、保险杠、b 柱、车门、侧围地板、行李箱等部件上，它已成为汽车制造业中新的标准工艺【1 2 j4 1 。图1 5 激光拼焊板技术在车身上的应用( 2 ) 连续变截面辊轧板技术介绍由于拼焊板是把不同厚度的钢板焊接在一起，焊缝的存在使得在冲压过程中回弹量难以预测，而且焊缝处容易引起硬化现象，影响外观，这限制了拼焊板在汽车覆盖件上的使用。到了二十世纪九十年代，一种新的连续变截面柔性轧制钢板技术( t a i l o rr o l l e db l a n k s ，简称t r b ) 诞生。该技术是德国亚琛工业大学的r k o p p 教授发明的，它的工作过程如图1 6 所示。钢板在轧制的过程中，工程师通过电脑实时控制和改变两个轧辊之间的距离，使得钢板的厚度能够按照预先设计的方案连续地变化。这一技术突破具有巨大的价值，把连续变截面板应用到汽车的零部件上，可以达到更好的轻量化效果，使部件有更好的承载能力。k t t ，山t i 舭p r n f i i图1 6t r b 技术工作过程6一鸯硕士学位论文传统工业中的钢板轧制工艺都是把原来厚的钢板变成薄钢板，在轧制的过程中两个轧辊的距离保持不变，所以得到的钢板厚度也是恒定的，这种方法工序简单，对生产人员的技术和设备的要求比较低，所以从发明到现在还一直被广泛采用。与传统的轧制方式相比，可变截面技术显得灵活多变，在变截面轧制过程中，轧辊的间距是随着时间或钢板的移动而连续变化的，所以该技术可以弥补拼焊板焊缝存在的不足，为汽车轻量化开辟一条新的道路。与传统的金属板件相比，t r b 技术有以下的优势：1 可以无限地变厚度，如图1 7 所示；2 节省原材料；3 避免了焊缝区的应力集中，机械性能好。目前，美国福特公司已经把t r b 技术运用到实际的生产当中，如图1 8 所示。但该技术在中国还没有汽车企业采用，所以对其研究和应用有重大的学术价值和经济效益【l5 1 。本文将t r b 结构应用到b 柱的轻量化设计中。图1 7 连续变厚度的t r b 结构图1 8t r b 结构在车身中的应用1 4 汽车耐撞性的研究现状汽车的耐撞性研究在美国、日本和欧洲开展得比较早：从上个世纪3 0 年代开始，美国就进行了简单的实车碰撞试验：到了5 0 年代，日本颁布了道路交通车辆法，这是日本最早的汽车安全法规；6 0 年代，解析法开始应用到汽车的耐撞性分析与改进中，用来计算整车或者某个部件的碰撞力和能力吸收情况；7 0年代开始，多刚体动力学方法也被应用到耐撞性研究中，该方法以荷兰国家科学研究院研究开发的m a d y m o 软件为代表，进行碰撞中乘员的运动和动力学响应计算和分析。到了8 0 年代之后，汽车耐撞性分析的有限元方法逐步发展和完善起来，与实车碰撞试验不同，有限元分析是一种数值方法，从建模、计算到分析都在计算机上完成，它的优点是方便且成本低。目前，有限元分析方法与多刚体7霉垂基本轿车b 柱轻量化设计的耐掩性优化分析方法结合已经成为汽车耐撞性的研究趋势。据统计，现在每年由于交通事故所造成的死亡人数超过1 0 0 万人，伤残人数达到数千万，我国的车祸死亡人数虽然有逐年下降的趋势，但每年也超过6 5 0 0 0人，致伤者有数百万。汽车交通事故造成的损失带来了一系列的社会和经济问题，汽车安全必须要高度重视。在汽车工业中，耐撞性是衡量汽车安全的一个重要指标。它是评价在碰撞过程中汽车部件吸收能量和变形情况的标准。耐撞性的目的是优化车身结构，使其吸收碰撞能量的同时给车内乘员提供足够的生存空间。汽车的耐撞性应该满足以下要求：1 在正面碰撞中，汽车的前部结构，如保险杠和前纵梁要有足够的强度和刚度，并且能吸收和缓冲足够多的能量，以防止车身部件侵入乘员舱。2 合理地设计侧围结构，尽量减少侧围部件的侵入量，车门不能由于承受载荷太大而打开。3 在追尾碰撞中，汽车的后部结构能维持后排乘员舱的完整性，并且能保护油箱不破裂。4 足够强的车顶结构能在翻滚事故中提供保护。研究汽车耐撞性的方法有很多种：深入的事故调查、台车部件实验、整车碰撞实验、计算机数值仿真技术。事故调查是研究汽车碰撞安全的基础，所有法规的制定和碰撞实验的设计都在以此为根据，对大量的交通事故进行统计分析，可以知道碰撞过程中车身的变形规律，有利于对车身进行针对性的改进。台车实验可以只对某个单一部件进行，一般采用于车身的关键结构件，如保险杠和前纵梁，由于台车实验具有成本低和操作简单的特点，在部件的设计初期发挥很大作用。整车碰撞实验是重现汽车碰撞事故的重要途径，通过车内假人的损伤情况来衡量其耐撞性，但其成本很高，一般来说一款车型的安全开发需要7 5 万美元【l 引，它并不能解决设计人员希望解决的所有安全问题。所以最好的方法是通过计算机仿真方法对实车碰撞进行分析，改进和优化车身结构随着计算机技术和方法的迅速发展，汽车碰撞的计算机仿真技术也应运而生，且具有巨大的作用和潜力。通过碰撞仿真分析和评估，设计者可以发现车身结构的不足之处，为下一步的修改提供依据。每一次仿真相当于做一次实车碰撞实验，而且采集的信息量比实验更多。更重要的是，它可以大大地缩短汽车安全的开发时间，节约成本，把汽车的安全性隐患消灭在设计阶段。目前，它已成为各大汽车企业高度关注的新技术。目前市场上已经有很多成熟的碰撞数值仿真软件，比较常用的包括多体动力学软件m a d y m o 1 7 】，有限元软件l s d y n a ”j 和p a m c r a s h l l9 1 。我国对汽车耐撞性的研究虽然起步比较晚，但经过这么多年得探索，已经取得了一些成果。2 0 0 6 年，天津汽车技术研究中心颁布了我国的新车评价法规c n c a p , 要求对市场上的新车型进行碰撞安全性能测试。同时，企业和高校也积极地参与到汽车安全的研究领域中，清华大学和湖南大学是两个最早建立起碰撞8硕十学位论文实验室的高校，在2 0 1 0 年建成的奇瑞汽车股份有限公司的碰撞安全实验室，该实验室可以满足欧美日等国家的相关法规要求。1 5 本课题的研究目的和内容本文旨在对b 柱进行轻量化设计，使b 柱达到质量最小的同时满足耐撞性的要求。具体的研究内容如下：1 作者首先做了大量的文献研究，提出了本文的研究背景及意义，阐述了轻量化研究的国内外现状，列举了常用的汽车轻量化实施途径，介绍了一种新的轻量化技术，连续变截面辊轧板技术。同时对汽车耐撞性的国内外研究现状做了分析。2 介绍了汽车碰撞安全数值仿真的有限元方法，列举了几种常用的试验设计、代理模型和优化算法。3 按照c n c a p 的法规要求建立起侧面碰撞有限元模型，并且把实车试验和仿真结果做对比，验证了模型的可靠性。由于接下来分析的需要，还按照f m v s s 2 1 6 法规建立起汽车的顶压有限元模型。4 分别对侧面碰撞和顶压的仿真结果进行评价和灵敏度分析，从而得到b柱对这两种事故形态的影响情况。5 把有限元方法、试验设计、代理模型结合的优化方法运用到b 柱的设计中。在满足侧面碰撞和顶压耐撞性的前提下，以b 柱的质量最小为目标，得到b 柱的最优轻量化方案。9基本轿车b 柱轻量化设计的耐掩性优化分析第二章汽车碰撞仿真分析和优化方法2 1 汽车碰撞有限元方法汽车碰撞是一个在极短时间内完成的复杂动态响应过程，它包含大位移、大变形和大应变的非线性问题1 2 ，而且它牵涉到多个学科与领域，主要包括显式有限元理论、材料力学、传热学、弹塑性力学、数值分析方法，计算力学等，这些科学的仿真理论是碰撞仿真建模必不可少的条件。有限元理论的基本思想是：首先把一个连续的系统分割成数量有限的单元，单元之间以节点连接在一起，以此构成一个单元组来替代原来的连续系统。在节点处加上等效于原来系统载荷。接着根据力学或函数关系，对每个单元建立求解未知量与节点作用力之间的联系。最后加上边界条件，得到一组用节点变量作未知量的代数方程组，对方程组求解，结果就是节点处的待求变量。因此，有限元方法的本质是把具有无限多自由度的连续系统分成有限个自由度的单元集合，把连续问题转化为离散问题，以此模拟结构变形问题。有限元方法的应用使得现代工业的设计水平有了质的飞跃，尤其在汽车安全领域占有重要的地位。跟实车碰撞实验相同，碰撞有限元方法的应用也非常普遍，它可以开展整车的碰撞安全分析，部件的台车碰撞分析，安全带、安全囊和假人的运动分析等等。它求解的内容可以包括多个方面：汽车车身结构的变形、吸能、和受力情况；假人的动态响应以及损伤程度等。求解得到的结果可以直接用来评价汽车耐撞性的优劣，以帮助对车身结构的改进和优化设计。碰撞有限元方法具有许多优势，总结起来可以分为以下几个方面：1 成本小、花费低。即一个有限元碰撞模型可以反复使用，进行无数次碰撞。2 缩短开发流程。在部件的概念设计阶段经常会更改其结构形状，在模型中只需修改其相关参数就可以实现不同的碰撞分析，相比重新制造、安全、做碰撞试验节省好多时间。3 能获得更全面的碰撞信息。由于在仿真模型中不需要任何测量器，所以可以完全按照设计者的需要输出碰撞信息，如加速度、位移、作用力、应力分布情况等，这些结果在实验中是不可能测出来的。4 可以重复地再现碰撞时部件结构的变形过程，有助于设计者观察和分析其结构缺陷。值得注意的是，因为有限元方法受人为因素的影响较大，例如模型的质量好坏，仿真参数设置的合理与否，都与分析人员的水平有关。所以即使碰撞有限元方法具有强大的优势，但它也不能够脱离实验而单独存在，一般而言，仿真模型需要通过实验的验证才能保证其准确性。1 0硕： ：学位论文目前市场上已经出现了大量的结构分析软件，可以将其大致分为两类：隐式结构分析和显式非线性结构分析。其中常用的隐式结构分析软件有：a b a q u s 、a n s y s 、n a s t r a n 等，它们一般用于结构件的静力学分析中。常用的显式结构分析软件有l s d y n a 、p a m c r a s h 、r a d i o s s 、d y t r a n 等，它们可以用于碰撞、冲击、爆破和冲压成型等分析中。本研究的仿真有限元模型是采用l s d y n a 软件建立的。2 2 试验设计方法试验设计也称为实验设计。它是一种以数据统计与概率论作为理论依据，研究如何合理地安排试验的应用技术。其主要内容是研究如何经济科学地安排试验，有效地获得实验数据，接着对数据进行综合的分析，从而得到最优的试验方案。试验设计起源于2 0 世纪2 0 年代【2 2 1 ，它的发展可以分为三个阶段：早期的单因素以及多因素方差分析方法，传统的正交实验方法，近代发展迅速的调优设计方法。试验设计的最终目的是减少试验次数的同时能保证其精度，帮助试验设计人员能够得到无偏差的处理结果。为了尽可能地避免各种外界干扰所造成的误差，试验设计的过程中应该要遵循以下3 个原则：( 1 ) 重复性原则，假如只做一次试验就下结论，其结果的可信度就不高。通常我们采用的是多次重复试验的方法。由于每次试验都会存在波动，而总体波动的平均值会较小，重复试验做的次数越多，试验误差越少，试验的精度就越高。所以应该在条件允许的情况下尽量增加试验次数。( 2 ) 随机性原则，即在试验过程中对顺序和步骤随机地安排。由于系统误差的存在，难以判断效应作用，这在数据处理中是不可以消除的，唯一的办法就是随机性地安排试验。( 3 ) 区域控制性原则，它是把试验单元按照某种分类标准来分组控制，使得同一个组内的环境因素受同样的影响，减小组内的变化，提高试验精度。随着计算机技术和仿真分析软件的迅速发展，计算机上的仿真实验设计开始取代传统的实验。与传统意义上的试验设计不同，计算机上的实验设计着重的是试验方案的空间探索性，这使得随机误差不再是影响精度的主要因素，单点的重复性试验在计算机仿真中会得到相同的结果，能够取代模型的误差，提高精度。下面简单介绍几种常用的试验设计方法：2 2 1 正交试验设计正交实验设计是一种用来研究多因素多水平的试验设计方法【2 3 1 ，在现代的工业和科学领域，往往要同时考虑多个因素对系统的影响，并且因素的水平也取得较多，如果按照传统的方法，各因素的各个水平都互相搭配开展实验，则需要做很多组试验。以一个4 因素5 水平的试验为例，做一次全面的试验，至少要做1 0 2 4 次试验。这是一个极其繁重的任务，如果是要用正交试验设计方法，只需基本轿车b 柱轻量化设计的耐掩件优化分析要做1 6 组的试验。正交设计既能既可以保持代表点均匀分散和整齐可比的特点，由可以大大地减少试验次数。正交试验设计是用已规格化的表格来安排实验的。正交表是正交试验设计的最基本工具，只要是按照正交表设计的试验，就能满足正交条件，它的表示符号是l n ( r m ) ，如l 6 ( 4 5 ) ，它表示这个正交表有5 个因素，其中每个因素取4 个水平，一共要进行1 6 组试验。2 2 2 均匀试验设计均匀实验设计方法是由方开泰教授和中科院学部委员王元在1 9 8 1 年首先创立的。它是最适合用来处理多因素多水平的试验设计，能够用较少的试验次数完成复杂而繁重的任务。均匀设计方法是按照均匀设计表的来进行试验安排的。与正交设计方法不同的是，它只考虑试验点在试验范围内均匀散布，而不再考虑数据整齐可比性。均匀设计方法在过去的3 0 多年里发展迅速，应用非常广泛，它是近几年来在应用统计领域中最有影响力的方法之一。目前它普遍地应用在计算机仿真中。均匀设计表是均匀设计的基础，与正交表相似，每一个均匀表都有一个代号，等水平均匀设计表的符合是u n ( r 1 ) 或u 1 1 ( r 1 ) ，其中u 是均匀设计表的代号；n 是需要做的实验次数；r 是因素水平数，跟n 相等；l 是均匀表纵列数。通常有“号的均匀设计表表明有更佳的均匀性，应该优先使用。每个均匀设计表都设有一个使用表，它可以指导使用者如何在均匀设计表中选取合适的列，并且评价由这些列组成的试验方案的均匀度。2 2 3 拉丁超立方试验设计拉丁超立方试验设计是一种约束随机生成的均匀抽样方法【2 4 1 ，它可以保证所有的采样空间都能被样本点所覆盖。最初的拉丁超立方试验设计是由m c k a y 和b e c k m a n 提出的，当时它只用于一维空间的设计。不久之后，k i e l b a s a 和k e r a m a t 【2 5 j 对拉丁超立方方法进行了改进了，使之能应用到多维的空间设计中。因为它在抽样的时候能够记住之前的操作，所以它可以防止抽取相同的样本点，提高抽样效率。它的特点是可以选择边界处的样本点，即使样本点较少也能得到较高的计算精度。拉丁超立方试验设计是一种首先对抽样点进行分层，然后在每一层中随机选