邢宇航

(吉林大學 珠海學院，廣東 珠海 519090)

隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車功能不斷完善，傳統(tǒng)的造車工藝在當前的需求下會帶來汽車質量的提升。汽車質量會對汽車的安全性與環(huán)保性帶來一定的影響，最直觀的體現(xiàn)就在于汽車的燃油經濟性。據(jù)預測，2020年時汽車消耗的石油資源將占全球石油總消耗量的64%[1]。研究表明，當汽車質量下降10%時，經濟型可提升6%～8%[2]。因此，汽車的輕質化設計是一個現(xiàn)實的需求。

由于汽車制造需要經歷復雜的流程，花費高昂的成本，因此在汽車輕質化的研究過程中，需要先建立汽車零部件的計算機模型，來對設計理念進行驗證。本文采用有限元建模方法對使用熱壓成型工藝的汽車零部件性能進行驗證。在驗證時，以我國的C-NCAP碰撞標準作為參照[3-6]。計算機仿真結果表明，本文所使用的由熱壓成型工藝制作的汽車零部件，在實現(xiàn)汽車輕質化的同時，還可以對汽車的安全性有一定程度的提升。

1 方法概述

1.1 有限元建模方法

汽車零部件結構性能分析對整車的被動安全、汽車結構優(yōu)化和改進有著重要意義。對于關鍵零部件的輕量化設計，需要有效的建模分析方法。本文使用的零部件建模分析方法的理論基礎是有限元分析法，其流程如圖1所示[7-8]。

網(wǎng)格劃分與檢查：在進行網(wǎng)格的劃分前，需要首先對CAD模型進行集合，進行孔洞、圓角、凸臺、包邊的處理。網(wǎng)格化分時，需要確定網(wǎng)格尺寸，本文定義的網(wǎng)格尺寸在8～10 mm。對于過大的孔洞，將其進行六邊形或八變形的分割。劃分后的網(wǎng)格需要滿足邊長比、雅可比、三角比、翹曲度等指標的要求。

定義材料屬性：網(wǎng)格化分完畢后，需要對有限元分析時的材料屬性進行定義，包括所用材料的板件厚度、材料材質、材料截面屬性。本文涉及的實驗驗證為針對零部件的模態(tài)、剛度等靜態(tài)特征的線性分析，主要涉及了碳鋼、焊點材料、粘膠材料的相關屬性。

零配件裝配檢查：材料屬性定義完畢后，需要將各個材料按照一定的裝配規(guī)則，裝配成汽車零部件。此時，需要定義材料間連接和穿透的關系。圖2給出了使用有限元方法建立的汽車側面碰撞模型，其將被用于后文的碰撞測試實驗中。

1.2 熱壓成型理論

在塑料加工工業(yè)中，熱壓成型法是一種應用廣泛的材料加工方法，其過程相對簡單，將材料加熱后把模型固定在加熱板上注入材料，調節(jié)溫度，使得材料硬化[9-10]。然而，對于汽車的B柱，現(xiàn)有的加工理論大多基于冷壓成型方法。該方法在碰撞中容易產生開裂、回彈等不安全現(xiàn)象。如圖3(a)所示，B柱包含上下兩個部分，為保證B柱的強度，又增加兩個加強件。圖3(b)是使用熱壓成型方法設計的B柱模型。各方法下模型的參數(shù)，如表1所示?？梢钥闯?，使用熱壓成型方法使汽車零部件的質量有了明顯下降，從而達到了輕量化設計的目的。

表1 不同工藝下的汽車B柱參數(shù)

2 仿真驗證

2.1 仿真環(huán)境

本文仿真環(huán)境的建立基于中國C-NCAP碰撞標準。根據(jù)該標準的規(guī)定，圖2中側面碰撞物的質量為950 kg，速度為50 km·h-1。由式(1)所示的動能理論可以得到碰撞物的總能量為91.6 kJ。

E=1/2mv2

(1)

根據(jù)能量守恒定律，可以得到仿真環(huán)境中各個能量隨時間的變化曲線。由于有限元仿真計算時，無法取到無窮大，因此有可能造成能量的泄露。而由圖4可看出，系統(tǒng)中的Hourglass Energy趨近于0。因此，本文建立的仿真環(huán)境及碰撞模型滿足能量守恒，可以用于汽車零部件的碰撞效果試驗。

2.2 仿真結果

圖5給出了碰撞發(fā)生40 ms后，使用熱壓/冷壓成型理論制造的B柱汽車的車身形變對比?？梢悦黠@的看出，圖5(b)中使用熱壓成型理論的汽車車身在遭受同等級別的撞擊時，其側面車身的形變程度(門板、防撞梁等部件)遠小于圖5(a)中的車身。為了定量地衡量不同工藝下的車身變形程度，本文還選取了駕駛員駕駛汽車時預估的頭部和中間肋骨在車內所處的位置進行了碰撞侵入的分析，結果如圖6所示。

圖6給出了碰撞后汽車的侵入情況。從圖6(a)和圖6(b)可以看出，原始的頭部參考點的最大形變距離為46.56 mm，輕量化設計后的最大形變距離為45.95 mm，優(yōu)化了1 mm。原始上肋部參考點的最大形變距離為116.89 mm，輕量化設計后的最大形變距離為109.89 mm，優(yōu)化了7 mm。從圖6(c)～圖6(d)可以看出，原始頭部參考點最大速度為5.61 m·s-1，輕量化設計后為5.44 m·s-1。原始上肋骨的參考點速度為6.63 m·s-1，輕量化設計后的速度為6.47 m·s-1。兩個部位參考點速度均降低了約1.7 m·s-1。在碰撞試驗中，參考點形變距離的大小可以表征碰撞對于駕駛員的擠壓狀況，速度的大小可以表征碰撞對于駕駛員沖擊的能量。從仿真結果可以看出，經過熱壓成型后在汽車車身在輕量化的同時，降低了碰撞的擠壓和沖擊力，從而可滿足汽車碰撞的安全性需求。

3 結束語

針對汽車環(huán)保及其輕質化設計目標，本文基于有限元理論，建立了熱壓成型工藝下的汽車B柱零件模型，并通過側面碰撞實驗驗證了該零件的安全性表現(xiàn)。實驗基于C-NCAP的碰撞標準進行。仿真結果表明，新方法不但使汽車零部件的質量降低了50%，也在一定程度上提升了汽車整體的安全性。