李杉+吳濤+賓小龍

摘 要：汽車在側(cè)面碰撞中，B柱作為非常重要的側(cè)面結(jié)構(gòu)，它是承受側(cè)面碰撞力的主要部件。它的侵入量、侵入速度和變形模式對乘員的損傷有著直接的關(guān)系，所以良好的B柱變形能減輕駕駛員的損傷。本文主要是參考原有車型捷達(dá)的側(cè)圍數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，然后對側(cè)圍結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且做出兩個側(cè)圍模型進(jìn)行對比，然后對這些側(cè)圍結(jié)構(gòu)進(jìn)行ANSYS受力分析，達(dá)到對側(cè)圍結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

關(guān)鍵詞：汽車；側(cè)圍；優(yōu)化；B柱

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.201

0 引言

汽車的側(cè)面是整車中強(qiáng)度比較薄弱的地方。對于在汽車中數(shù)量最多的轎車，因其側(cè)面的車門強(qiáng)度更加薄弱，所以研究側(cè)面的抗碰撞能力尤為的重要。對于轎車的側(cè)部，在發(fā)生側(cè)面碰撞的時候，由于緩沖區(qū)較小，沒有它的前部和后部那樣有足夠大的空間來發(fā)生結(jié)構(gòu)變形去吸收碰撞的能量。并且車輛被撞的地方與乘員的距離較近，一旦受到來自側(cè)面的撞擊，乘員將會受到強(qiáng)烈貫入的沖擊載荷作用，輕則重傷，嚴(yán)重時會危及生命。

1 車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集與建模

1.1 車身側(cè)圍數(shù)據(jù)采集

本次數(shù)據(jù)采集使用的是三坐標(biāo)測量機(jī)，首先先找一個點(diǎn)來設(shè)置為零點(diǎn)，然后通過操縱三坐標(biāo)測量儀使三坐標(biāo)測量儀的探針移動，這樣就會使三坐標(biāo)探頭和零點(diǎn)有一個相對位置。通過記錄當(dāng)三坐標(biāo)探針移動后產(chǎn)生的相對位置的坐標(biāo)X、Y、Z，就可以得到捷達(dá)車的側(cè)圍點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.2 三維模型的建立過程

本次設(shè)計(jì)使用的是逆向工程（RE：Reverse Engineering）設(shè)計(jì)方法，并以此進(jìn)行捷達(dá)車身側(cè)圍的逆向工程設(shè)計(jì)，將捷達(dá)車身側(cè)圍實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M的電子三維模型，實(shí)現(xiàn)高逼真度的仿真模擬。通過前期測量的車身側(cè)圍點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在CATIA中將測量的點(diǎn)輸入，由點(diǎn)構(gòu)線，由線構(gòu)面，最后生成所需要的CAD模型。其基本順序?yàn)椋合冉?cè)圍外板模型，再建立車門內(nèi)板模型，最后將其進(jìn)行裝配。建模完成后使用CATIA中的自由式分析中的箭狀曲率分析對曲面的光順性進(jìn)行檢查，經(jīng)檢測后發(fā)現(xiàn)曲面的光順性良好。裝配模型如圖1所示。

2 改進(jìn)前車身側(cè)圍有限元分析

2.1 前處理

此處填入二將CATIA中的側(cè)圍的三維模型打開，在側(cè)圍的三維模型上加7根橫梁，加7根橫梁的目的是在ANSYS做分析時施加約束。啟動workbench的explicit dynamics模塊，首先，點(diǎn)擊engineering data模塊定義材料模型，然后在DesignModeler模塊下將側(cè)圍模型和碰撞塊導(dǎo)入進(jìn)來。然后點(diǎn)擊generate 生成模型。點(diǎn)擊Explicit dynamics模塊設(shè)置初始條件，在這里選擇的是initial 中的速度velocity。先選擇碰撞塊，然后設(shè)置碰撞速度，在這里設(shè)置的碰撞速度是54km/h，碰撞方向是沿著y軸的負(fù)方向。

其次，點(diǎn)擊Explicit dynamics模塊下的analysis settings 設(shè)置碰撞結(jié)束時間，這里選擇的是0.01s。接下來，在該模塊中插入固定約束。將固定約束加在了7根橫梁的端面上。

最后，點(diǎn)擊solution 模塊，在該模塊中插入，總變形結(jié)果，方向變形結(jié)果，等效應(yīng)力結(jié)果、應(yīng)變結(jié)果，接下來點(diǎn)擊solve，workbench就開始計(jì)算分析。CAE模型如圖2所示。

2.2 后處理

此處觀察workbench的結(jié)果圖，選擇Mechannical界面左側(cè)分析樹中的Solution選項(xiàng)，并選擇Solution工具欄中總變形和等效應(yīng)力（Equivalent Stress）選項(xiàng)，然后觀察總變形的結(jié)果，這里主要是看B柱的變形量。如圖3所示。

從結(jié)果圖3中可以看出，這里的最大變形量為129.1mm，可見B柱的侵入量為129.1mm。于是通過優(yōu)化模型改變B柱的侵入量，提高側(cè)圍的碰撞性能。

3 側(cè)圍結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

第一種方案是：考慮到提高汽車的輕量化，通過改變材料的類型來提高汽車側(cè)圍的抗撞性能。為了使汽車的重量降低，強(qiáng)度增加，汽車的車身多采用高強(qiáng)度鋼，因此本文將側(cè)圍材料設(shè)置為高強(qiáng)度鋼。

第二種方案是：考慮到人工工程學(xué)，并且考慮到乘客上下車的方便性，通過改變B柱的結(jié)構(gòu)，在B柱中加入加強(qiáng)板。改變后的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 改進(jìn)后模型的有限元分析

在workbench中分析上述改進(jìn)后的模型，具體前處理方式與上述一致，這里不再贅述。按照方案1，將材料更換為高強(qiáng)度鋼。其分析結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，最大變形量為124.24mm相比第一次的分析，可見侵入量有改變。比第一次的分析結(jié)果少了4.86mm。按照方案2，通過在B柱中加入加強(qiáng)板來提高B柱的強(qiáng)度和硬度，提高碰撞性能。在新的側(cè)圍外板中，加入了2塊加強(qiáng)板。由于側(cè)圍內(nèi)板基本上保持不變，就使用原有的側(cè)圍內(nèi)板模型。其分析結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，這里的最大變形量為102.47mm。因此，B柱的侵入量就是102.47mm。相比之前減少了26.63mm。

4 結(jié)論

在發(fā)生側(cè)面碰撞的時候，由于緩沖區(qū)較小，沒有它的前部和后部那樣有足夠大的空間來發(fā)生結(jié)構(gòu)變形去吸收碰撞的能量。因此提高汽車側(cè)圍的強(qiáng)度對于乘員安全至關(guān)重要。汽車側(cè)圍的強(qiáng)度可以從材料和結(jié)構(gòu)兩方面著手，本文通過使用合理的材料，改進(jìn)合理的結(jié)構(gòu)，使汽車在發(fā)生側(cè)面碰撞時側(cè)圍的侵入量大大減小，對保護(hù)駕駛?cè)藛T以及乘客的人身安全起了至關(guān)重要的作用。

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