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摘 要： 隨著汽車市場競爭的日益激烈，全面提升產品性能已成為各汽車廠商的必然選擇，不斷提高汽車的被動安全性就是其中的一個重要課題。文章是一篇 車輛管理論文 范文，主要論述了帽形截面薄壁焊接結構軸向耐撞性的優化設計方法。 摘 要：以帽形截面薄壁梁為例，研
隨著汽車市場競爭的日益激烈，全面提升產品性能已成為各汽車廠商的必然選擇，不斷提高汽車的被動安全性就是其中的一個重要課題。文章是一篇車輛管理論文范文，主要論述了帽形截面薄壁焊接結構軸向耐撞性的優化設計方法。
摘 要：以帽形截面薄壁梁為例，研究了焊點布局對薄壁梁結構軸向耐撞性的影響。建立了精度較高的用于分析薄壁梁結構軸向耐撞性的有限元模型，提出了考慮焊點影響的帽形截面薄壁梁在軸向沖擊載荷作用下的平均碰撞力的解析解，并以薄壁梁結構的軸向平均碰撞力和彎曲剛度為約束條件，對一帽形截面薄壁梁進行了輕量化設計，大幅提高了優化設計的效率。討論了一些重要參數(如截面形狀、材料性能、載荷形式等)對薄壁梁結構軸向耐撞性能的影響。
關鍵詞：輕量化設計,薄壁梁,軸向耐撞性,平均碰撞力
Abstract：For crashworthiness design of thin-walled tubes， much attention has been given to the size and shape design of the cross-section， while limited studies have been performed to incorporate spot weld modeling into the design. This study focused on the influence of the spot weld layout on the axial crashworthiness of thin-walled tubes. a finite element model was constructed to analyze the thin-walled tube subject to an axial crushing force. a modified theoretical analysis was proposed for the lightweight design of the thin-walled tube with the constraints of the required mean crushing force and bending stiffness. some parameters influencing the axial crashworthiness were discussed.
Key words：lightweight design; thin-walled tube; axial crashworthiness; mean crushing force
在正面和尾部碰撞中，車身的管狀薄壁梁結構是主要的吸能結構。因此，研究其在軸向載荷下的吸能特性并對其進行優化設計就顯得十分必要。Alexander[1] 首先建立了圓柱形薄壁管在碰撞過程中的平均碰撞力和能量吸收的理論模型，Wierzbicki等人[2-4]對薄壁梁在軸向載荷作用下的變形模式及其耐撞性能的理論模型做了大量的研究工作。這些結論主要是基于塑性鉸理論得出的，并假設薄壁梁結構在壓潰變形過程中各基本碰撞單元具有相同的長度。
車身在碰撞過程中是一個高度非線性的動態變形過程，各種非線性因素的綜合使得用于仿真分析的整車模型單元數量及復雜程度不斷提高。并且，在對車身結構進行優化設計的迭代過程中，設計變量的變化可能導致單元質量下降和單元間穿透量增大，進而使有限元模型的質量無法控制。因此，很多的研究工作都通過建立一個與有限元分析結果相近的代理模型來解決上述困難。Avalle等人[5]通過響應面法(Response Surface Method，RSM)來優化車身及相關部件的耐撞性。Yamazaki和Han[6-7]利用RSM法對薄壁管的耐撞性進行了優化設計。張維剛等人[8]利用逐步回歸模型對RSM法中的基函數進行了篩選，并以車身的正面和側面碰撞安全性為優化目標對車身結構進行了優化設計。
對薄壁梁結構進行耐撞性優化設計，一般選擇薄壁梁的厚度、截面尺寸為設計變量，但是這些薄壁梁結構主要是通過焊點單元連接的。現有的許多研究工作主要集中在焊點模型的選擇和構建上[9-11]，而考慮焊點布置對薄壁梁結構耐撞性的影響并對其進行優化設計的研究工作則很少。Xiang等人[12]采用“響應面-列舉”法，以焊點單元數量和薄壁梁截面尺寸為設計變量對帽形截面薄壁梁進行了輕量化設計，但這種分析方法計算效率較低。
本文以閉口薄壁梁中比較典型的帽形截面薄壁梁為研究對象展開相關研究工作。首先，建立了精度較高的用于分析薄壁梁結構軸向耐撞性的有限元模型。White等人[13]提出了平均碰撞力指標來評價帽形截面薄壁梁結構在軸向沖擊載荷作用下的耐撞性，并提出了不考慮焊點影響的平均碰撞力理論模型。文中根據該理論模型和仿真分析結果，提出了考慮焊點影響的平均碰撞力修正解，在此基礎上以帽形截面薄壁梁結構的軸向平均碰撞力和彎曲剛度為約束條件，以焊點的布置、薄壁梁的截面參數為設計變量對帽形截面薄壁梁結構進行了輕量化設計。最后討論了薄壁梁結構的一些重要參數對其軸向耐撞性的影響。
1 薄壁梁軸向耐撞性的數值分析
為了詳細分析薄壁梁結構的軸向耐撞性，以便于對評價薄壁梁軸向耐撞性的平均碰撞力的解析解精度進行驗證，這里以White等人[14]介紹的帽形截面薄壁梁結構為例(圖1)，詳細介紹評價薄壁梁結構軸向耐撞性的有限元模型建模方法。薄壁梁結構用穩定性較好的Belytschko -Tsay殼單元進行模擬，運用梁單元模擬焊點模型，分別采用single surface和surface to surface接觸模型模擬梁結構之間的接觸及剛性墻與梁結構之間的接觸，建立的有限元模型如圖2所示。 White等人[14]對圖1所示的帽形截面薄壁梁(w=h=60 mm，t=1.2 mm，f=10 mm，長度L=250 mm)
的軸向耐撞性進行了詳細的試驗分析。試驗工況如圖2所示，其中剛性墻的質量為150 kg，且初速度3.7 m/s 2 帽形截面薄壁梁結構的優化設計
2.1 優化設計模型
車身上的前縱梁、B柱等主要承載結構的形狀與帽形截面薄壁梁相似。該類結構一般需要同時滿足耐撞性和剛度性能要求。因此，這里以圖1所示的帽形截面梁結構為例，以帽形截面薄壁梁結構的質量作為優化設計的極小化目標函數，選取軸向碰撞工況下薄壁梁結構的平均碰撞力Pm和截面彎曲剛度B為約束條件，對薄壁梁結構的截面尺寸x=(h，w，t)和單邊法蘭均勻分布的焊點數n進行設計分析。
優化設計過程中，薄壁梁結構的材料和長度保持不變，因此這里選用薄壁梁結構的截面積A為目標函數。
截面積A和截面彎曲剛度B可以表示成h，w，f和t的表達式：
式中，E為鋼材的彈性模量，一般為210 GPa;I為圖1中的薄壁梁結構繞截面橫軸X的慣性矩。
由于考慮焊點影響的帽形截面薄壁梁的軸向平均碰撞力pm沒有理論解，因此需要花費很多計算資源求解其在軸向碰撞過程中的平均碰撞力，巨大的計算需求阻止了直接利用優化算法的可能，而常用的代理模型法一般又不適用于離散變量。下面將詳細介紹解決上述問題的具體方法。
2.2 單帽形薄壁梁軸向平均碰撞力的修正解
White等人[13]提出的帽形截面薄壁梁在軸向動態載荷作用下的平均碰撞力如式(6)所示。
該問題中利用二次基函數的RSM法來分析焊點對平均碰撞力的影響，對式(6)進行修正后的平均碰撞力理論解如式(7)所示，文獻[12]指出在滿足平均碰撞力限值的前提下，焊點數量對截面抗彎系數的影響較小，因此對截面抗彎系數將不作修正。
。
2.3 輕量化設計過程和結果分析
某一經濟型轎車的前縱梁在正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗中吸收約28 kJ的能量。因此，這里設定140 kg的剛性墻以14 m/s的軸向初速度與薄壁梁發生碰撞為優化分析的工況。對該帽形薄壁梁進行輕量化設計的初值h、w、t分別取為100 mm、100 mm、2.0 mm，薄壁梁結構選用應力-應變關系如圖3所示的低碳鋼。優化過程中，設計變量的范圍及約束條件的限值為：80 mm≤h≤120 mm，80 mm≤w≤120 mm，0.7 mm≤t≤2.5 mm，4≤
n≤15，kN，(kN・m2)，f =15 mm。
為了求解平均碰撞力修正解中的待定系數a、b和c的值，這里采用試驗設計的方法對其進行求解，焊點數的取值方法見表2，可見焊點的密度對薄壁梁結構的軸向耐撞性具有較大的影響，因此White等人提出的平均碰撞力理論模型具有一定的局限性。將表2中的數據代入式(7)，并用最小二乘法得到系數a=-11 036.10 N ，b=3 037.35 N和c=
-118.91 N。進而優化設計問題中的截面面積A、截面彎曲剛度B和平均碰撞力Pm都可以由設計變量進行顯式表達。通過二次序列(Sequential Quadratic Programming，SQP)法對薄壁梁進行輕量化設計，求得最優解為h=97.7 mm，w=94.6 mm，t=1.9 mm，焊點個數為8.2，需對焊點個數進行整數解釋，具體結果見表3。因此對該帽形薄壁梁進行輕量化設計的結果為：h=97.7mm，w=94.6 mm，t=1.9 mm和n=9。通過式(7)計算得到的平均碰撞力(81.02 kN)與有限元計算結果(82.26 kN)基本一致。相比較初始值，優化后的薄壁梁質量比初始設計減輕了20%，而平均碰撞力只降低6.5%。
經過以上分析可以看出文中提出的關于帽形截面平均碰撞力的修正解具有較高的精度，并且簡化了問題的求解過程。與文獻[12]中介紹的“RSM-Enumeration”法及“Enumeration-RSM”法(圖4)相比，文中提出的方法具有很高的計算效率且有較好的適應性，如對焊點數n少于14的薄壁梁耐撞性問題進行優化，則各自需要的仿真分析次數見表4。
3 討論
薄壁梁結構在軸向碰撞過程中，影響其變形模式和吸能特性的因素是多方面的，下面將對一些重要的影響因素作簡單的探討。在不作特殊說明的情況下，以下討論中薄壁梁的邊界條件都如圖2所示，剛性墻的質量為140 kg，且沿薄壁梁的軸向初速度為14 m/s。
3.1 材料特性對薄壁梁軸向耐撞性的影響
車身結構一方面面臨輕量化的迫切需求，但又要不斷提升產品的耐撞性能。為了平衡這兩個相互沖突的目標，各廠商都在逐漸增大高強度鋼的使用比例。這里仍以單帽形截面薄壁梁結構為例，比較分析應力-應變關系如圖3所示的低碳鋼和TRIP350/600高強度鋼對薄壁梁結構軸向耐撞性的影響。兩種材料的薄壁梁結構幾何尺寸一致(h=100 mm，w=100 mm，t=2 mm，f=15 mm，L=200 mm，n=6)，分析得到兩種不同材料薄壁梁結構的軸向平均碰撞力如圖5所示�？梢钥闯�，以低碳鋼為代表的低強度鋼制成的薄壁梁結構在碰撞過程中的平均碰撞力遠小于高強度鋼薄壁梁，在本例中TRIP350/600薄壁梁的平均碰撞力為低碳鋼薄壁梁的1.6～2倍，說明高強度鋼有非常好的吸能特性，用高強度鋼替代低碳鋼等普通鋼材可以達到減輕重量和提高耐撞性的雙重目的，這也是高強度鋼在車身上逐漸得到廣泛應用的原因。 3.2 截面形狀對薄壁梁耐撞性能的影響
不同截面形狀薄壁梁結構的軸向耐撞性具有較大差異，許多研究人員在這方面做了一些深入的研究工作[15-16]，但這些工作的研究對象截面形狀基本為同一類型。本文試圖較全面地比較多種截面形狀的薄壁梁結構的軸向耐撞性。圖6列出了八種常見截面形狀的薄壁梁結構，且各截面有相同的周長，各薄壁梁的厚度和長度相同，且都由TRIP350/600高強度鋼制成，從而保證各種截面形狀的薄壁梁結構具有相等的質量。
具有相同質量的各種截面形狀的薄壁梁結構在軸向沖擊載荷作用下的平均碰撞力見表5，可以看出截面形狀對薄壁梁的耐撞性有較大的影響。一般規律為：對于帽形截面薄壁梁結構而言，當截面對稱時，其折疊變形更加均勻且充分，進而能吸收更多的能量，耐撞性較好;對于截面連續的薄壁梁結構，當截面形狀越接近于圓形，其吸能特性越好。
通過分析可以初步認為雙帽形截面薄壁梁比單帽形截面薄壁梁有更好的吸能特性。對于雙帽形截面薄壁梁而言，兩側法蘭邊的相對位置對其耐撞性的影響較大，當法蘭邊對角平行布置時其平均碰撞力較小，吸能特性較差，如圖7所示。
3.3 載荷形式對薄壁梁軸向耐撞性的影響
載荷的形式對薄壁梁結構的變形模式及吸能特性有較大的影響。因此，這里以圖6(b)所示的雙帽形截面薄壁梁結構為例，分別分析其在準靜態載荷(剛性墻以1 m/s的速度勻速壓潰薄壁梁)和動態載荷(質量為140 kg的剛性墻以14 m/s的軸向初速度與薄壁梁發生碰撞)作用下的平均碰撞力和變形模式，分析結果如圖8和圖9所示�？梢�，沖擊載荷作用下薄壁梁結構所受的平均碰撞力遠大于準靜態載荷下的平均碰撞力，說明TRIP350/600這種材料對應變率較為敏感。
4 結論
(1)詳細介紹了沖擊載荷作用下分析薄壁梁結構軸向耐撞性的有限元分析方法，并通過試驗驗證了模型的精度。
(2)在軸向沖擊載荷作用下，White等人提出了單帽形截面薄壁梁結構在碰撞過程中平均碰撞力的理論解，但該結果沒有考慮焊點對薄壁梁結構軸向耐撞性的影響，通過仿真分析也發現焊點布局對薄壁梁結構耐撞性的影響較大。針對這一問題，提出了單帽形截面薄壁梁結構在軸向沖擊載荷作用下平均碰撞力的修正解，并具有較高的分析精度。
(3)以軸向沖擊載荷作用下的帽形截面薄壁梁結構為研究對象，考慮在滿足薄壁梁截面彎曲剛度和軸向耐撞性的前提下，對其進行輕量化設計。優化后的薄壁梁結構比初始設計方案減輕了20%，但其耐撞性只降低了6.5%，且滿足薄壁梁結構耐撞性能的要求。
(4)利用單帽形薄壁梁結構在軸向沖擊載荷作用下平均碰撞力的修正解對其進行輕量化設計，相對于已有的兩種分析方法，分析效率得到了大幅提高。
(5)分別討論了高強度及低強度鋼、薄壁梁結構的截面形狀及載荷形式對薄壁梁結構軸向耐撞性能的影響，得出了一些較有意義的結論。
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車輛管理論文發表期刊推薦《工業工程與管理》（雙月刊）創刊于1996年，由上海交通大學主辦。應用性與學術性兼顧。致力于提高企業生產效率和產品質量，降低生產成本，加強企業對市場的快速響應能力，優化企業組織機構和運作管理方式，促成現代化企業的形成。介紹工業工程(IE)學科的基礎知識和國外最新研究成果，IE如何促進企業的發展和繁榮；IE在我國的研究狀況和對企業富有啟發性的研究成果，IE在各類企業中得到成功應用和推廣的實例：促進企業體制改革，為企業提高經濟效益、增強活力與競爭能力和建立現代企業制度獻計獻策：促進企業界、政府部門和學術界的交流利合作。榮獲1999年教育部優秀科技期刊。
