劉禹呈，周杰，沈雁東

(泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

0 引言

側(cè)撞法規(guī)是汽車(chē)被動(dòng)安全的重要部分，在車(chē)輛使用過(guò)程中，側(cè)方安全對(duì)保護(hù)駕駛員和乘客的人身安全十分重要。隨著社會(huì)生活品質(zhì)的提高和汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，為駕駛員和乘客提供安全的駕乘環(huán)境成為車(chē)輛重要的基本性能之一，對(duì)車(chē)輛使用者提供保護(hù)的安全性能也成為各汽車(chē)廠商比拼和角逐的重要方面[1]。

目前，國(guó)內(nèi)主要對(duì)側(cè)撞性能的評(píng)估是C-NCAP(China-New Car Assessment Program)的星級(jí)評(píng)價(jià)，一定質(zhì)量的壁障以一定速度對(duì)車(chē)輛的側(cè)面測(cè)試位置進(jìn)行沖擊，檢測(cè)車(chē)內(nèi)假人的狀態(tài)，從而得到量化的側(cè)撞性能結(jié)果，對(duì)側(cè)撞性能進(jìn)行一星到五星的星級(jí)評(píng)價(jià)[2]。C-NCAP的星級(jí)評(píng)價(jià)已經(jīng)成為消費(fèi)者在買(mǎi)車(chē)過(guò)程中重要的參考指標(biāo)。最新的2018 C-NCAP工況示意如圖1所示，其更貼近目前汽車(chē)交通的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，對(duì)壁障和假人等都進(jìn)行了調(diào)整，工況更加嚴(yán)苛，對(duì)汽車(chē)側(cè)面安全性能的設(shè)計(jì)提出更高的要求[2]。另一方面，在節(jié)能環(huán)保的大趨勢(shì)下及新能源汽車(chē)的發(fā)展，汽車(chē)的輕量化變得愈發(fā)重要，因此在更嚴(yán)苛的側(cè)撞安全性能要求下，較高質(zhì)量高效率地提高車(chē)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是研究的方向和重點(diǎn)[3-4]。

現(xiàn)在一般的汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，側(cè)門(mén)防撞桿在側(cè)門(mén)鈑金中具有最高強(qiáng)度，是最重要的鈑金組成零件。而沖壓側(cè)門(mén)防撞桿(如圖2所示)是各廠商應(yīng)用的主要防撞桿類(lèi)型，一般采用高強(qiáng)鋼進(jìn)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(jié)構(gòu)，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(qiáng)度。文中對(duì)該幾字形斷面進(jìn)行正交優(yōu)化，從而得到高強(qiáng)度、高質(zhì)量、高效率的側(cè)門(mén)防撞桿[5]。

圖1 2018 C-NCAP工況示意圖

圖2 沖壓側(cè)門(mén)防撞桿示意圖

1 正交試驗(yàn)優(yōu)化和分析

1.1 側(cè)門(mén)防撞桿正交優(yōu)化模型及有限元分析

如上文所述，研究的沖壓防撞桿強(qiáng)度主要由其中間主體部分的橫截?cái)嗝鎭?lái)決定。而不同車(chē)型，其尺寸、造型等方面都有較大差異，不同車(chē)型側(cè)門(mén)防撞桿的整體輪廓和大小都有一定差異，因此對(duì)中間區(qū)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(qiáng)度狀態(tài)，將斷面拉伸為1 000 mm的等截面橫梁，如圖4所示，并結(jié)合GB 15743-1995《轎車(chē)側(cè)門(mén)強(qiáng)度》和FMVSS 214的準(zhǔn)靜態(tài)要求，對(duì)拉伸梁準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲(如圖5所示)，之后對(duì)150 mm距離的平均應(yīng)力進(jìn)行CAE模擬計(jì)算，CAE軟件為L(zhǎng)S-DYNA[6-8]。

圖3 沖壓側(cè)門(mén)防撞桿主體橫截面

圖4 側(cè)門(mén)防撞桿斷面1 000 mm拉伸梁示意圖

圖5 準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲工況示意圖

主體斷面尺寸參數(shù)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(shí)沖壓成型效果最佳時(shí)，特征谷寬度b=a；圓角半徑R，對(duì)于斷面整體尺寸影響不大且相對(duì)獨(dú)立，基于截面梁變形規(guī)律和開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，較小的R有利于斷面強(qiáng)度提升，但考慮成型因素，令R=6 mm；立壁拔模角α對(duì)沖壓件的成型性影響較大，且對(duì)防撞桿擠壓變形有一定影響，從而影響防撞桿擠壓強(qiáng)度，綜合考慮拔模角固定為8°。固定圓角和拔模角后，經(jīng)過(guò)幾何推導(dǎo)可近似得X=3a+0.15Y+20的幾何關(guān)系。斷面特征谷深度Z用斷面總深度Y乘以特征深度系數(shù)k，即Z=kY，k的取值為0～1。

圖6 主斷面尺寸參數(shù)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(cè)門(mén)防撞桿斷面拉伸梁三點(diǎn)準(zhǔn)靜態(tài)擠壓仿真正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用已推導(dǎo)斷面幾何關(guān)系X=3a+0.15Y+20，將特征谷深度Z=kY，斷面正交優(yōu)化選定3個(gè)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(shù)k，結(jié)合側(cè)門(mén)防撞桿的一般尺寸，分別選定3個(gè)水平，如表 1所示。而側(cè)門(mén)防撞桿作為鈑金零件，料厚會(huì)存在一定的工差，正交試驗(yàn)的噪聲選定為零件料厚波動(dòng)的兩個(gè)水平，如表1所示。

表1 側(cè)門(mén)防撞桿斷面正交優(yōu)化控制因子和噪聲

根據(jù)正交優(yōu)化方法，3因子3水平，選用L9的正交優(yōu)化工具，并利用LS-DYNA對(duì)斷面的1 000 mm拉伸梁準(zhǔn)靜態(tài)擠壓試驗(yàn)進(jìn)行有限元分析，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果如表2所示。對(duì)表2的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析，如圖7所示，根據(jù)圖7(a)中平均應(yīng)力的望大特性，A1、B3、C3是優(yōu)化方向，與圖7(b)中的信噪比優(yōu)化結(jié)果一致。

表2 側(cè)門(mén)防撞桿斷面正交優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

圖7 側(cè)門(mén)防撞桿斷面正交試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化

在優(yōu)化平均強(qiáng)度的同時(shí)，需要考慮提升平均強(qiáng)度的效率，因此引入類(lèi)似比強(qiáng)度的概念，即用150 mm的平均強(qiáng)度除以1 000 mm拉伸桿的質(zhì)量，得到如表3所示的正交試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)表3的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析，如圖8所示。根據(jù)圖8(a)中平均應(yīng)力的望大特性，A1、B3、C3是優(yōu)化方向，與圖8(b)的信噪比優(yōu)化結(jié)果一致，并與圖7的平均應(yīng)力優(yōu)化分析結(jié)果相一致。

表3 側(cè)門(mén)防撞桿斷面效率正交優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

圖8 側(cè)門(mén)防撞桿斷面效率正交試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化分析

1.3 優(yōu)化結(jié)果及改善效果

根據(jù)上述優(yōu)化分析，A1、B3、C3為最優(yōu)解，其中C的優(yōu)化效果最為明顯，A和B相對(duì)優(yōu)化效果較小。故文中研究所得的相應(yīng)參數(shù)范圍的最優(yōu)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(shù)為1，其優(yōu)化結(jié)果及收益如表4所示。在實(shí)際應(yīng)用和設(shè)計(jì)過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求選取相應(yīng)參數(shù)范圍。

表4 側(cè)門(mén)防撞桿斷面正交優(yōu)化結(jié)果及獲益

2 結(jié)論

以正交優(yōu)化分析方法為基礎(chǔ)，對(duì)沖壓防撞桿主體斷面進(jìn)行建模優(yōu)化，使用LS-DYNA作為模擬計(jì)算軟件，對(duì)沖壓防撞桿主體斷面建模的靜態(tài)三點(diǎn)抗彎性能和抗彎效率進(jìn)行優(yōu)化研究：

(1)最優(yōu)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(shù)為1。

(2)在文中研究的范圍內(nèi)，3個(gè)主要影響因素中，特征深度系數(shù)對(duì)防撞桿強(qiáng)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(zhì)量效率的情況下，3個(gè)主要影響因素中，特征深度系數(shù)對(duì)防撞桿強(qiáng)度效率影響最大，特征峰寬度和斷面總深度次之。