馬軍偉，張渝，丁波

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

基于TRB結(jié)構(gòu)的汽車前縱梁輕量化設(shè)計(jì)

馬軍偉，張渝，丁波

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

以某汽車的前縱梁為例，參照我國C-NCAP中車輛正面碰撞測(cè)試要求，建立汽車前縱梁碰撞簡化模型作為有限元仿真模型，并通過正交試驗(yàn)采樣和多項(xiàng)式回歸法構(gòu)建響應(yīng)面近似模型，將連續(xù)變截面板技術(shù)應(yīng)用于前縱梁輕量化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：基于連續(xù)變截面板結(jié)構(gòu)的汽車前縱梁相對(duì)于等厚板前縱梁具有更好的耐撞性，并且具有明顯的減重效果，前縱梁質(zhì)量減少了3.85 kg，減重17.7%。

汽車前縱梁；有限元仿真；連續(xù)變截面板；耐撞性；輕量化

0 引言

隨著汽車保有量的不斷增加和車速的逐漸提高，交通事故所造成的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失近年來依然嚴(yán)峻。因此提高汽車在碰撞過程中的被動(dòng)安全性能，最大限度地避免或減輕乘員在汽車碰撞中的傷亡已經(jīng)成為我國汽車被動(dòng)安全研究的重要課題[1]。前縱梁作為汽車正面碰撞中的主要吸能部件，其耐撞性能的好壞直接決定著汽車正面碰撞性能的好壞。

目前關(guān)于汽車前縱梁的研究主要集中于通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和新型板材的應(yīng)用來提高前縱梁的耐撞性或減輕其質(zhì)量。施欲亮等[2]根據(jù)自重工況下的汽車前縱梁應(yīng)力分布云圖，將前縱梁分成了長度不等的3塊，以前縱梁的強(qiáng)度、彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度為約束條件，利用拼焊板對(duì)前縱梁進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，使前縱梁減重17.7%，并通過整車碰撞仿真驗(yàn)證了其耐撞性。蘭鳳崇等[3]通過正交試驗(yàn)采樣建立了前縱梁加速度和質(zhì)量的響應(yīng)面近似模型，以質(zhì)量為約束條件，加速度峰值最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)TRB(連續(xù)變截面板，Tailor Rolled Blank)結(jié)構(gòu)前縱梁的薄區(qū)厚度及長度、厚區(qū)厚度、過渡區(qū)長度這4個(gè)變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的TRB前縱梁相對(duì)于等厚板前縱梁，質(zhì)量減輕0.05 kg，加速度峰值減小1.63%。

連續(xù)變截面板技術(shù)是在激光拼焊板技術(shù)的基礎(chǔ)上通過柔性軋制技術(shù)發(fā)展起來的。由于TRB板截面形狀的變化是連續(xù)的，因此不存在焊縫失效等問題，便于成形，還可以根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)力分布情況來調(diào)整各部分厚度大小和長度，從而實(shí)現(xiàn)材料的最優(yōu)分布[4]。作者借鑒文獻(xiàn)[3]的研究，著重考慮了前縱梁的吸能特性對(duì)汽車安全性的影響，提出了利用連續(xù)變截面板(TRB)結(jié)構(gòu)對(duì)某汽車前縱梁進(jìn)行輕量化改進(jìn)的方法。

1 前縱梁簡化模型的建立

由于整車碰撞仿真分析具有耗時(shí)長、計(jì)算量大等問題，而文中采用的近似模型法需要經(jīng)過多次有限元仿真以構(gòu)建精確的響應(yīng)面近似模型，為了減少工作量，這里將前縱梁整體結(jié)構(gòu)從整車有限元模型中提取出來，并按照C-NCAP碰撞測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)建立了前縱梁與剛性墻碰撞的有限元模型，如圖 1所示。其中初始條件為：前縱梁以50 km/h的速度沿Y軸負(fù)方向撞擊剛性墻；約束剛性墻的所有自由度，使其完全固定；剛性墻距離前縱梁最前端為10 mm；終止時(shí)間設(shè)為100 ms；設(shè)置人工控制時(shí)間步長為1 μs[5]。

2 前縱梁TRB結(jié)構(gòu)模型的建立

文獻(xiàn)[2]中通過汽車自重工況下前縱梁的應(yīng)力云圖將前縱梁分成3塊來進(jìn)行拼焊板設(shè)計(jì)，作者借鑒文獻(xiàn)[2]的分塊方法并結(jié)合原始前縱梁加強(qiáng)板的位置，將前縱梁從前到后分成4段，實(shí)現(xiàn)其TRB設(shè)計(jì)。前縱梁的TRB結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，每段都具有不同的厚度屬性，分別記為a區(qū)、b區(qū)、c區(qū)和d區(qū)。其中，a區(qū)、b區(qū)、c區(qū)和d區(qū)的長度分別為157、271、291和131 mm，厚度分別用t1、t2、t3和t4來表示。

3 設(shè)計(jì)變量和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于前縱梁原始模型的加強(qiáng)板位置是固定的，即各區(qū)的長度是確定的，這里只考慮各區(qū)厚度對(duì)前縱梁的耐撞性能可能產(chǎn)生的影響，選取各區(qū)厚度t1、t2、t3和t4這4個(gè)因素為設(shè)計(jì)變量，各個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化范圍如表1所示。

表1設(shè)計(jì)變量取值范圍 mm

選取具有代表性的采樣點(diǎn)是建立精確模型的基礎(chǔ)，采樣點(diǎn)選取不合理，可能得不到近似模型。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)通過正交試驗(yàn)表來合理安排少量的試驗(yàn)從而獲得基本上能夠反映全面試驗(yàn)情況的分析信息，是研究和處理多因素試驗(yàn)常用的一種科學(xué)設(shè)計(jì)方法[6]。這里利用L16(45)正交表，刪除最后一列，即只考慮4個(gè)因素，來實(shí)現(xiàn)4因素4水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，獲取了16個(gè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)。

4 響應(yīng)面近似模型的建立

響應(yīng)面法是一種漸進(jìn)逼近非線性系統(tǒng)的優(yōu)化方法，其建模方法有：多項(xiàng)式回歸法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、Kriging函數(shù)法、徑向基函數(shù)法[7]。文中采用的多項(xiàng)式回歸法響應(yīng)面模型是用一個(gè)多項(xiàng)式函數(shù)來逼近非線性響應(yīng)系統(tǒng)的一種方法，對(duì)碰撞這種復(fù)雜的、高度非線性的問題具有較好的擬合效果[8]。

對(duì)防撞部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)必須考慮其在碰撞過程中的吸能特性，盡量減小碰撞力峰值，從而減少對(duì)乘員的沖擊，達(dá)到保護(hù)乘員安全的目的。因此，這里構(gòu)建了前縱梁總吸能E、質(zhì)量m和最大碰撞力Fmax的響應(yīng)面模型。其中，質(zhì)量響應(yīng)屬于線性響應(yīng)，采用一次多項(xiàng)式近似模型即可滿足擬合精度；而總吸能和最大碰撞力響應(yīng)屬于非線性響應(yīng)，需采用二階或更高階的多項(xiàng)式近似模型。最終構(gòu)造的各響應(yīng)的響應(yīng)面近似模型表達(dá)式為：

m=12.432 59+0.894 44t1+1.016 67t2+0.761 11t3+0.338 89t4

必須對(duì)構(gòu)造的近似模型進(jìn)行精度校驗(yàn)才能保證其應(yīng)用的準(zhǔn)確性，通過計(jì)算得到的表征響應(yīng)面近似模型精度的決定系數(shù)如表3所示。

表3 各響應(yīng)面模型的決定系數(shù)值

5 前縱梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)有3個(gè)要素，即設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。文中旨在通過改變前縱梁各段的厚度，在滿足正面碰撞安全性的條件下，實(shí)現(xiàn)其質(zhì)量最小化，即以前縱梁質(zhì)量最小為目標(biāo)，以總吸能不小于原始模型的總吸能和最大碰撞力不大于原始模型最大碰撞力為約束，以各段的厚度為設(shè)計(jì)變量。優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可表述為：

Minimize:m=f(t1,t2,t3,t4)

利用MATLAB優(yōu)化工具箱對(duì)上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化求解，經(jīng)過27次迭代，得到的TRB結(jié)構(gòu)前縱梁各段厚度依次為1.2、2.9、1.3和1.2 mm。取優(yōu)化后的各區(qū)厚度來修改整車模型中的前縱梁參數(shù)并進(jìn)行整車正面100%碰撞仿真分析。最后對(duì)比優(yōu)化前后前縱梁的整車碰撞仿真結(jié)果,如表4所示。

表4 優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比表明:TRB結(jié)構(gòu)前縱梁的材料分布更合理，對(duì)提高前縱梁的耐撞性和減輕其質(zhì)量都有顯著的效果。

6 結(jié)束語

為了節(jié)省時(shí)間、提高效率，在驗(yàn)證了整車正面碰撞有限元模型仿真精度的前提下，建立了前縱梁簡化碰撞模型。通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和多項(xiàng)式回歸法，構(gòu)建了TRB結(jié)構(gòu)前縱梁的總吸能、質(zhì)量和最大碰撞力的響應(yīng)面近似模型，并通過優(yōu)化模型的建立進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的前縱梁減重17.7%，最大碰撞力減小3.6%。隨著TRB技術(shù)的日趨成熟，將其應(yīng)用于車身零部件的制造來替換傳統(tǒng)板材對(duì)汽車安全性和輕量化的雙重目標(biāo)具有指導(dǎo)意義。

【1】胡遠(yuǎn)志,曾必強(qiáng),謝書港.基于LS-DYNA和Hyperworks的汽車安全仿真與分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011:1-2.

【2】施欲亮,朱平,沈利冰,等.汽車前縱梁的拼焊板輕量化設(shè)計(jì)研究[J].中國機(jī)械工程,2008,19(3):374-377.

【3】蘭鳳崇,李佳光,馬芳武,等.連續(xù)變截面板(TRB板)在汽車前縱梁中的應(yīng)用及優(yōu)化分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014(1):25-28.

【4】朱玉強(qiáng),王金輪.基于TRB結(jié)構(gòu)的某SUV車保險(xiǎn)杠耐撞性研究[J].現(xiàn)代制造工程,2013(4):53-56.

【5】吳廣發(fā),趙希祿.汽車前縱梁碰撞吸能特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2011,27(4):118-120.

【6】張勇.基于近似模型的汽車輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[D].長沙:湖南大學(xué),2009.

【7】李強(qiáng).基于響應(yīng)面法的車門抗撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].長春:吉林大學(xué),2011.

【8】MYERS Raymond H,MONTGOMERY Douglas C,ANDERSON-COOK Christine M. Response Surface Methodology:Process and Product Optimization Using Designed Experiments[M].Wiley,2008.

LightweightDesignofAutomotiveFrontRailBasedonTailorRolledBlankStructure

MA Junwei, ZHANG Yu, DING Bo

(Electromechanical and Automotive Engineering College,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China)

Taking one vehicle’s font rail as an example, according to the frontal collision test demand of C-NCAP, the simplified model of collision between front rail and rigid wall was built to make simulation analysis. The response surface approximation model was built by the method of orthogonal experimental design and polynomial regression, then the tailor rolled blank(TRB) technique was applied to the lightweight design of automotive front rail. The results showed that the front rail of TRB has the better crashworthiness than original design which is made of uniform thickness plates, and has obvious effect to lose weight. The quality of the front rail is reduced 3.85 kg by 17.7% down from original design.

Automotive front rail; Finite element simulation; Tailor rolled blank; Crashworthiness; Lightweigh

2015-01-03

重慶市科委自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (CSTC2012jjA70001)；重慶市科委科技攻關(guān)項(xiàng)目(CSTC2011GGC375)

馬軍偉(1989—)，男，碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)槠嚫采w件成形與車身制造技術(shù)。E-mail:majunwei20122012@163.com。