應(yīng)對(duì)正面小偏置碰撞的某車型整體式熱沖壓門環(huán)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

農(nóng)天武，賈麗剛，張?bào)K超，陳正宇

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007；2.寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海 201900；3.澳汰爾工程軟件(上海)有限公司，上海 200436)

0 引言

汽車碰撞安全法規(guī)是車輛碰撞安全性能提升的重要推動(dòng)因素，各國(guó)政府制定的安全法規(guī)是對(duì)汽車產(chǎn)品安全性的最低要求。為了更科學(xué)地對(duì)車輛安全性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，美國(guó)、歐洲、中國(guó)等主要汽車市場(chǎng)都推行了“新車評(píng)價(jià)規(guī)程”(New Car Assessment Program,NCAP)。中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程C-NCAP自2006年7月全面啟動(dòng)實(shí)施以來，管理規(guī)則經(jīng)歷了4次升級(jí)，最新的C-NCAP(2018版)管理規(guī)則中涵蓋了正面100%剛性壁障碰撞、正面40%重疊可變性壁障碰撞、側(cè)面可變形移動(dòng)壁障碰撞、行人保護(hù)和主動(dòng)安全等多種評(píng)價(jià)工況，為我國(guó)汽車產(chǎn)品安全性能升級(jí)做出了重要貢獻(xiàn)。中國(guó)汽車保險(xiǎn)安全指數(shù)(China Insurance Automotive Safety Index,C-IASI)也在國(guó)內(nèi)率先引入了這一評(píng)價(jià)工況，目前已公布了23款車型測(cè)試結(jié)果，得到了國(guó)內(nèi)汽車生產(chǎn)商和消費(fèi)者的高度關(guān)注[1]。

現(xiàn)實(shí)發(fā)生的重大汽車碰撞事故中，正面小重疊偏置碰撞(碰撞時(shí)車身與碰撞物的重疊率不大于30%)類的事故死亡率約占正面碰撞事故死亡總數(shù)的22%，為此，美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)(Insurance Institute for Highway Safety,IIHS)在2012年首次提出了正面25%小重疊偏置碰撞試驗(yàn)規(guī)范[2]。SHERWOOD[3]在2009年就對(duì)小偏置碰撞的特點(diǎn)做出了概念性闡釋;在國(guó)內(nèi),崔淑娟和陳可明[4]也做了小偏置乘客艙等有關(guān)的優(yōu)化研究，并對(duì)不同的方案進(jìn)行分析與驗(yàn)證。

以國(guó)內(nèi)某SUV車型為研究對(duì)象，基于基礎(chǔ)模型的正面小重疊偏置碰撞試驗(yàn)和CAE仿真分析結(jié)果找到不足，利用Hyperstudy優(yōu)化軟件對(duì)門環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，門環(huán)的厚度對(duì)碰撞和各靜態(tài)剛度等各工況響應(yīng)的相關(guān)性；并進(jìn)行真實(shí)模型數(shù)學(xué)化擬合分析，此近似響應(yīng)分析避免了非線性極端不收斂問題；運(yùn)用Altair-MDO(Multi Disciplinary Optimization)多學(xué)科優(yōu)化平臺(tái)工具進(jìn)行優(yōu)化分析，得到整體式門環(huán)分段的厚度；試驗(yàn)驗(yàn)證可靠性，得到車體變形一致，總體結(jié)構(gòu)評(píng)分為GOOD。整體式熱沖壓門環(huán)設(shè)計(jì)降低了乘員艙侵入量，提高車輛結(jié)構(gòu)安全性能。

1 正面小偏置碰撞基礎(chǔ)模型

1.1 基礎(chǔ)模型正面小偏置碰撞試驗(yàn)評(píng)估

依照C-IASI正面25%偏置碰撞試驗(yàn)規(guī)程(2017版)，對(duì)某SUV車型進(jìn)行了碰撞試驗(yàn)，碰撞初始速度64 km/h，根據(jù)評(píng)價(jià)規(guī)程對(duì)試驗(yàn)后的車身侵入量進(jìn)行評(píng)價(jià)。小偏置碰撞試驗(yàn)和仿真整車變形結(jié)果，如圖1所示。

圖1 小偏置碰撞仿真分析及試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，該車型在上A柱出現(xiàn)折彎變形現(xiàn)象，同時(shí)由于輪胎侵入過大導(dǎo)致在下A柱出現(xiàn)嚴(yán)重折彎變形和斷裂現(xiàn)象。車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足導(dǎo)致乘員艙侵入量較大，最終導(dǎo)致該車型在車輛結(jié)構(gòu)等評(píng)定部分評(píng)價(jià)結(jié)果為較差(P)。

1.2 基礎(chǔ)模型CAE仿真建模與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)

根據(jù)研究需要，對(duì)該車型進(jìn)行有限元仿真建模。整車點(diǎn)焊采用Spring焊點(diǎn)來模擬，并設(shè)置力失效準(zhǔn)則；副車架區(qū)域根據(jù)試驗(yàn)車型實(shí)際情況設(shè)置襯套剛度與鉸鏈限位數(shù)據(jù)；各子系統(tǒng)按照實(shí)際情況進(jìn)行配重修正。最終基礎(chǔ)CAE模型整備質(zhì)量1 909 kg，節(jié)點(diǎn)總數(shù)約216萬個(gè)，單元總數(shù)230萬個(gè)。

采用RADIOSS求解器對(duì)基礎(chǔ)CAE模型進(jìn)行正面小偏置碰撞試驗(yàn)工況進(jìn)行模擬和對(duì)標(biāo)。CAE仿真分析結(jié)果表明,整車底盤、前機(jī)艙及側(cè)圍等關(guān)鍵區(qū)域變形模式與試驗(yàn)過程吻合，底盤及車身關(guān)鍵零部件失效模式與試驗(yàn)過程基本一致。乘員艙區(qū)域侵入量方面，除A柱下端斷裂導(dǎo)致偏差偏大以外，其余評(píng)價(jià)點(diǎn)仿真與試驗(yàn)相對(duì)誤差小于15%，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)區(qū)域侵入量的對(duì)比如圖2所示，表明有限元仿真模型與試驗(yàn)過程具有很好的相關(guān)性。以該CAE模型作為對(duì)象，開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

圖2 關(guān)鍵部件侵入量對(duì)比結(jié)果

2 整體式熱沖壓門環(huán)設(shè)計(jì)與評(píng)估

為提高該車型正面小偏置碰撞工況安全性能，采用整體式熱沖壓門環(huán)方案的修正基礎(chǔ)模型，同時(shí)對(duì)前車體、側(cè)圍及前副車架區(qū)域的傳力路徑和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化[5]。

2.1 整體式熱沖壓門環(huán)方案設(shè)計(jì)

在修正的基礎(chǔ)模型中，側(cè)圍門環(huán)加強(qiáng)件采用分體式點(diǎn)焊設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)方式及用材情況，如圖3所示，門環(huán)加強(qiáng)件單側(cè)質(zhì)量較大，存在輕量化的必要性。

圖3 改進(jìn)模型分體式門環(huán)設(shè)計(jì)方案

激光拼焊是一種先進(jìn)的材料加工技術(shù)，通過激光焊接方式預(yù)先將多片不同強(qiáng)度、不同厚度的板料連接，零件上不同區(qū)域的強(qiáng)度和厚度可以根據(jù)多種工況對(duì)車身該局部區(qū)域的要求而進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)。熱沖壓工藝在成形過程中通過模具對(duì)材料進(jìn)行淬火強(qiáng)化，成形后可以獲得抗拉強(qiáng)度在1 500 MPa左右的超高強(qiáng)鋼零件。與常規(guī)分體式門環(huán)設(shè)計(jì)方案相比，采用激光拼焊的整體式熱沖壓門環(huán)具有輕量化、結(jié)構(gòu)性能好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[6]。

門環(huán)區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)于正面小偏置碰撞乘員艙侵入量有重要影響。修正模型正面小偏置碰撞過程中分體式門環(huán)變形過程存在以下問題：

(1)A柱上傳力路徑強(qiáng)度不足，A柱上邊梁在碰撞過程中易發(fā)生折彎變形；

(2)A柱與Shotgun連接區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，A柱加強(qiáng)件易產(chǎn)生大的塑性變形而導(dǎo)致斷裂現(xiàn)象；

(3)A柱下側(cè)與門檻連接區(qū)域強(qiáng)度不足，分體式側(cè)圍加強(qiáng)環(huán)區(qū)變形如圖4所示。

圖4 分體式側(cè)圍加強(qiáng)環(huán)區(qū)域變形模式

2.2 沖壓門環(huán)多學(xué)科優(yōu)化思路

在設(shè)計(jì)整體式熱沖壓門環(huán)時(shí)，不僅需要考慮小偏置這一個(gè)碰撞工況的影響，還需要考慮側(cè)面碰撞、白車身彎曲剛度、白車身扭轉(zhuǎn)剛度、白車身一階彎曲模態(tài)、白車身一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的影響。這些多學(xué)科的工況相互影響，同時(shí)存在線性分析和非線性分析，非常復(fù)雜[7]。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方式下，一般是靠經(jīng)驗(yàn)或者局部的優(yōu)化分析，這樣的方法始終無法找到最優(yōu)解。多學(xué)科優(yōu)化的發(fā)展歷程，如圖5所示。

圖5 多學(xué)科優(yōu)化發(fā)展歷程

為改善分體式門環(huán)帶來的不良后果，設(shè)計(jì)采用整體式熱沖壓門環(huán)方案。整體式熱沖壓門環(huán)采用5道激光焊縫設(shè)計(jì)，材料采用熱成形鋼，其厚度和焊縫位置要綜合考慮正面小偏置碰撞工況變形模式以及熱沖壓成形可制造性、零件材料利用率等多方面的要求。

綜合考慮多工況下的全局優(yōu)化就顯得特別重要。澳汰爾公司的軟件HyperStudy可以進(jìn)行該多學(xué)科的優(yōu)化分析。

Hyperstudy是一款面向工程師和分析師的多學(xué)科設(shè)計(jì)探索工具，可以獲得一系列智能設(shè)計(jì)，自動(dòng)評(píng)估這些設(shè)計(jì)并且指導(dǎo)用戶獲取對(duì)數(shù)據(jù)更深入的理解。HyperStudy是基于數(shù)學(xué)的方法，例如試驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，同時(shí)MDO (Multi Disciplinary Optimization)是針對(duì)汽車行業(yè)而開發(fā)的專業(yè)多學(xué)科優(yōu)化工具，可快速提高效率，其應(yīng)用銜接如圖6所示。

圖6 多學(xué)科優(yōu)化平臺(tái)(MDO)應(yīng)用

2.3 整體式?jīng)_壓門環(huán)多學(xué)科優(yōu)化步驟

在HyperStudy中進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化，主要有創(chuàng)建響應(yīng)面、擬合響應(yīng)面、優(yōu)化、驗(yàn)證，如圖7所示。

圖7 Hyperstudy的多學(xué)科優(yōu)化步驟

文中的整體式?jīng)_壓門環(huán)多學(xué)科優(yōu)化綜合考慮了小偏置碰撞、側(cè)面碰撞、白車身彎扭剛度、白車身一階彎扭模態(tài)，設(shè)計(jì)變量為門環(huán)的5個(gè)厚度。門環(huán)的拼焊在工藝上有相應(yīng)的要求，如相鄰兩個(gè)件的厚度不能相差1倍等，這些制造的約束都加到優(yōu)化中[8]。

創(chuàng)建相應(yīng)面DOE(Design of Experiments)分析， DOE 用于揭示不同的因子/設(shè)計(jì)變量(X)對(duì)響應(yīng)(Y)的影響。DOE可以用于構(gòu)造一個(gè)近似模型，該模型可作為實(shí)際模型的替代模型，這將有效節(jié)省計(jì)算量。DOE的方法有Full Factorial全因子法、Fractional Factorial部分因子法、Central Composite (Ccd)中心復(fù)合法、Latin Hypercube拉丁超立法、Hammersley哈默斯利法、Method of Extensible Lattice Sequences (Mels)可擴(kuò)展的格柵序列法、D-Optimal最優(yōu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)法。方法較多，針對(duì)不同的優(yōu)化對(duì)象，需要選擇最合適的方法見表1。文中選擇的是Method of Extensible Lattice Sequences (Mels)可擴(kuò)展的格柵序列法，該方法是一種準(zhǔn)隨機(jī)序列、無差別序列的方法，該方法在空間內(nèi)均勻撒點(diǎn)，最小化團(tuán)塊與空白空間的出現(xiàn)，該方法具有可擴(kuò)展的能力，這意味著可以基于已有的點(diǎn)繼續(xù)向空間撒點(diǎn)，保證最終所有點(diǎn)的均勻性，試驗(yàn)次數(shù)由用戶指定，最小試驗(yàn)次數(shù)為1.1×((N+1)·(N+2))/2，其中N為因子個(gè)數(shù)。

表1 不同的研究方法應(yīng)用場(chǎng)合

通過DOE分析，可以得到門環(huán)厚度與各工況下響應(yīng)之間的靈敏度排序與正負(fù)相關(guān)性，如圖8所示。

圖8 DOE分析得到門環(huán)厚度和響應(yīng)的相關(guān)性

響應(yīng)面擬合即FIT分析。擬合就是使用數(shù)學(xué)模型替代真實(shí)模型。模擬計(jì)算資源昂貴，完全基于計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)研究就不切實(shí)際了。響應(yīng)是非線性時(shí)，優(yōu)化可能陷入局部最小值或最大值。使用近似響應(yīng)，用戶可以避免這個(gè)問題。當(dāng)使用擬合，必須權(quán)衡精度和效率問題。問題是如何擬合表示設(shè)計(jì)空間，同時(shí)保持足夠精確。

HyperStudy提供了4種擬合算法。最小二乘回歸(LSR)、滑動(dòng)最小二乘法(MLSM)、克里格法 (HK)、徑向基函數(shù)(Radial Basic Function)。通過MDO工具可自動(dòng)選擇最優(yōu)算法。文中采用的是MLSM方法進(jìn)行擬合。MLSM是傳統(tǒng)加權(quán)最小二乘法模型的通用形式。單個(gè)DOE抽樣點(diǎn)相關(guān)的加權(quán)系數(shù)不是一個(gè)常數(shù)，而是DOE抽樣點(diǎn)到評(píng)估出的擬合模型點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化距離的函數(shù)。對(duì)移動(dòng)最小二乘擬合，HyperStudy提供一階、二階和三階函數(shù)的選擇。適用于非線性/含噪聲的響應(yīng)，不同的方法對(duì)比情況如圖9所示。

圖9 4種擬合方法的對(duì)比

在擬合相應(yīng)面的過程中，需要通過后處理來對(duì)擬合精度進(jìn)行控制，如果精度不足，則需要在DOE中增加點(diǎn)，反復(fù)進(jìn)行迭代。只有當(dāng)擬合精度足夠，才能進(jìn)行下一步的優(yōu)化。

當(dāng)擬合響應(yīng)面精度足夠之后，可以進(jìn)行優(yōu)化分析。此優(yōu)化分析是在已經(jīng)擬合好的響應(yīng)面上進(jìn)行優(yōu)化，速度快，精度則完全取決于響應(yīng)面擬合的精度。如圖10所示，形成某響應(yīng)的擬合面。

2.4 優(yōu)化結(jié)果分析

分析采用全局逼近法(基于響應(yīng)面)，該方法是在處理有噪聲的非線性問題時(shí)首選，使用高階多項(xiàng)式來逼近多目標(biāo)的原始結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。尋找最優(yōu)問題就是尋找最優(yōu)解，即為圖11中灰色的部分。

圖11 最優(yōu)解求解可行域

Hyperstudy在給定的目標(biāo)值下，經(jīng)過逐漸的迭代找到最優(yōu)解。橫坐標(biāo)代表迭代步，縱坐標(biāo)代表目標(biāo)值，本次是以質(zhì)量作為目標(biāo)值，如圖12所示。

圖12 不同迭代步下目標(biāo)值的走勢(shì)

通過前面三步，得到了整體式熱沖壓門環(huán)的最優(yōu)厚度，需要進(jìn)行CAE驗(yàn)證，小偏置和側(cè)面碰撞在非線性求解器Radioss中進(jìn)行驗(yàn)證，剛度模態(tài)在線性求解器Optistruct中進(jìn)行驗(yàn)證[7]。

MDO后處理工具可將優(yōu)化與驗(yàn)證結(jié)果得到如圖13結(jié)果，圖中4條曲線分別表示：原設(shè)計(jì)門環(huán)厚度正則化到0.5，上下線分別為0與1(初始基準(zhǔn)值)；各工況下響應(yīng)的目標(biāo)值正則化到1(目標(biāo)值)；響應(yīng)面優(yōu)化得到的門環(huán)厚度與各工況下響應(yīng)(響應(yīng)面預(yù)測(cè)值)；將優(yōu)化得到的門環(huán)厚度進(jìn)行CAE驗(yàn)證得到的結(jié)果(實(shí)際驗(yàn)算值)；此圖可表示設(shè)計(jì)變量變化的程度是否到達(dá)上下限、各工況下響應(yīng)是否達(dá)到目標(biāo)以及響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果的差異。

圖13 優(yōu)化及其驗(yàn)證后結(jié)果

通過HyperStudy找到最優(yōu)解，匹配門環(huán)各部分厚度，同時(shí)提升結(jié)構(gòu)的輕量化，如圖14所示。

圖14 整體式熱沖壓門環(huán)設(shè)計(jì)方案及樣件

2.5 整體式熱沖壓門環(huán)小偏置碰撞性能評(píng)估

優(yōu)化后，首先進(jìn)行小偏置碰撞仿真分析，得到車身側(cè)圍區(qū)域碰撞變形模式，如圖15所示。與基礎(chǔ)車對(duì)比，門環(huán)變形量減少較多，說明優(yōu)化的可靠性。

圖15 整體式側(cè)圍加強(qiáng)環(huán)區(qū)域變形模式

同時(shí)，將A柱、門檻處的截面力輸出，改進(jìn)后的門環(huán)可抵住強(qiáng)大的沖擊力，截面力高于修正之前較多(總體高10%以上)，說明整體式門環(huán)設(shè)計(jì)起到了很好的支撐作用，如圖16所示。

圖16 碰撞后截面力輸出

2.6 整體式熱沖壓門環(huán)側(cè)面碰撞評(píng)估

原方案與優(yōu)化方案的位移對(duì)比，側(cè)碰結(jié)果見表2。從表中侵入量的結(jié)果看出，優(yōu)化方案基本可達(dá)到五星的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)給出了側(cè)碰的縮略圖，如圖17所示。

表2 側(cè)碰侵入量結(jié)果輸出 mm

圖17 整體式熱沖壓門環(huán)側(cè)面碰撞侵入量分析

3 整車小偏置碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證

基于仿真的結(jié)果，重新進(jìn)行小偏置碰撞試驗(yàn)。改進(jìn)的碰撞仿真結(jié)果得到GOOD的評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真預(yù)測(cè)的變形量及乘客艙的損壞程度幾乎一致，且試驗(yàn)結(jié)果也滿足C-IASI 正面小偏置碰撞車體結(jié)構(gòu)GOOD評(píng)級(jí)要求，如圖18所示。

圖18 試驗(yàn)&仿真變形與侵入量對(duì)比

4 結(jié)論

文中針對(duì)某SUV車型小偏置碰撞工況建立準(zhǔn)確的有限元仿真模型，在此基礎(chǔ)上研究整體式熱沖壓門環(huán)對(duì)于某車型正面小偏置碰撞性能的影響，并完成該零件的樣件開發(fā)和整車小偏置碰撞試驗(yàn)。結(jié)果顯示：

(1)與分體式門環(huán)方案相比，采用激光拼焊的整體式熱沖壓門環(huán)具有更好的接頭完整性，有效降低了乘員艙侵入量，在提高正面小偏置碰撞結(jié)構(gòu)安全性的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)零件的輕量化制造；

(2)用Hyperstudy通過響應(yīng)面擬合的方法到的優(yōu)化結(jié)果，不僅使碰撞結(jié)果等級(jí)提高，同時(shí)提高了輕量化性能，其精度高且有效;

(3)仿真的應(yīng)用驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的步伐，縮短了研發(fā)設(shè)計(jì)周期，同時(shí)滿足了多個(gè)工況的要求，證明了多工況優(yōu)化仿真的有效性。