汽车侧面碰撞门槛加强梁的结构优化

王伟 贺海燕 袁阳

（1.重庆交通大学；2.重庆经济贸易学校）

在侧面碰撞中，侧面结构首先开始变形，具体的变形模式则根据变形结构件的形状和连接方式的不同而不同[1]。由于首先开始变形的结构件不可能将所有的碰撞能量都完全吸收，因此其余的碰撞能量是该结构件开始引导连接在其周围的结构件发生变形吸能，随着碰撞的持续进行，将会有越来越多的结构件参与碰撞吸能，而不同结构件的吸能方式和吸能效率又各不相同，因此使得整个侧面结构在碰撞过程中的吸能变形是一个逐渐而又复杂的过程[2-4]。文章通过对汽车的碰撞仿真分析，得出门槛的变形比较大，不能够有效地保证汽车侧面碰撞的安全性。为了使门槛可以有效地保证汽车的碰撞安全性能，在车门门槛处加入门槛防撞梁，通过对门槛的加强梁进行形貌和尺寸优化，使得侧面碰撞中，门槛的入侵距离减小，提高了车门侧面的碰撞安全性能。

1 建立汽车侧面碰撞门槛的有限元模型

通过对侧面碰撞传力路径的分析可知，必须对汽车侧面结构进行合理的设计，使其侧面碰撞传力路径完整并且能够引导相应结构件充分变形吸能[5]。这样才能使得汽车结构在侧面碰撞过程中合理充分的变形，吸能率高，更多吸收碰撞能量，从而使尽量少的能量传递到车内乘员的身体上，减少二次碰撞对车内乘员造成的接触伤害。图1示出汽车侧面碰撞的传力路径模型图。由图1可以看出，在侧面碰撞试验中，B柱和门槛是2条主要的传力路径。其中B柱为垂向传力路径，向上传递至车顶纵梁，然后通过车顶支撑横梁横向传递；门槛为纵向传递路径，向前传递至A柱，向后传递至C柱，同时也会通过地板横梁向支撑梁横向传递。

根据汽车侧面碰撞的传力路径可以对汽车门槛的有限元模型进行简化，发动机舱和汽车的行李箱对汽车侧面碰撞的传力路径影响很小，因此在建立汽车侧面碰撞门槛的有限元模型时可以去掉整车的前面部分和后面部分只保留汽车的乘员舱区。建立的汽车侧面碰撞门槛的有限元模型，如图2所示。

2 有限元模型的前处理

2.1 网格划分和属性的选择

对建立好的模型进行网格的划分，网格划分质量的好坏直接关系到有限元仿真结果的精度[6]。网格划分得太密会增加求解器的计算时间，因此，在侧面碰撞接触的区域划分网格的大小为10 mm，与侧面碰撞接触较远的区域网格的大小为20 mm。由于该模型的零部件都是由薄板冲压而成，因此属性可以选择为Belytschko-Tsay壳单元。最后划分好网格之后有限元模型的节点数有111 168个，单元数有106 655个。

2.2 汽车部件连接

由于汽车各部件间均为简单的薄壳单元，所用的材料均为高强钢或者普通钢，因此在对模型进行连接时通过1D单元中的spotweld来连接，焊点单元通过一个位置点来定义或者可以通过零部件上的节点来定义，在定义焊点的时候考虑2个连接部件之间的容差，并且要定义搜寻直径。文章的有限元模型容差取6 mm，搜寻直径也是取6 mm。最后有限元模型的焊点，如图3所示。

2.3 定义接触及边界条件

该有限元模型定义接触时，各部分零部件之间定义为Single Surface单面接触，而刚性柱和侧壁的接触定义为Automatic Surface toSurface。静摩擦系数和动摩擦系数都取0.15。由于在碰撞过程中会出现大的穿透，可以通过增大接触刚度，来减少碰撞过程中的穿透，软件中默认的接触刚度为0.1，本次仿真中接触刚度的值设置为0.2。

由于本次仿真的碰撞是从汽车的左边进行碰撞的，对于汽车的右边变形很小，对仿真的结果影响不大，因此可以约束汽车右边的侧壁上各节点的6个自由度来作为边界条件。

3 门槛加强梁的结构优化

3.1 门槛防撞梁的形貌优化

由于在侧面碰撞仿真过程中发现汽车门槛的变形比较大，在发生侧面碰撞事故时，会阻碍车门的打开，且不能保证车上乘员的安全，因此，可以在门槛和下边梁之间加入一个门槛加强梁来提高汽车的碰撞安全性能。

运用Hypermesh软件对门槛加强板进行结构优化。首先，建立门槛加强板的有限元模型，对门槛加强板的两边设置约束点，约束全部的6个自由度；然后，按照门槛受到撞击时的受力情况，给门槛加强板施加应力分布[7]。对门槛加强板设置响应参数，一个参数是门槛加强板的体积，另一个参数是门槛加强板中央节点的位移。在进行优化之前，设置优化的边界条件；门槛加强板的体积不变，设置优化的目标：加强板中央节点位移最小化。经过第5次迭代之后门槛加强板优化的形状结果，如图4所示。

结构优化程序只给出了门槛加强板的优化形式，根据实际门槛加强板的安装情况，确定最终的门槛加强板结构形式及其截面，如图5所示。中间凹槽呈斜梯形状，便于制造，并且与周围零件不产生干涉。

3.2 门槛加强梁的尺寸优化

将结构优化好的门槛加强梁运用Hypermesh软件中的size面板进行尺寸优化[8]。铝合金的吸能性好，在碰撞中的安全性方面有明显的优势，而且由于车身质量减轻，在碰撞时产生的动能减少，因此采用轻量化材料5182铝合金作为门槛加强梁的材料，设计变量为门槛加强梁的厚度，给门槛加强梁的厚度一个初始厚度为1.5mm，设计其厚度变量的下限为0.8mm，上限为2mm。对门槛加强梁的两边设置约束点，约束全部的6个自由度，然后按照门槛受到撞击时的受力情况.给门槛加强板施加应力分布。对门槛加强板设置响应参数，一个是加强梁的体积响应，另一个参数是门槛加强板中央节点的位移。在进行优化之前，设置优化的边界条件；加强板中央节点位移不超过50 mm，设置优化的目标：加强板梁的体积最小。经过第2次迭代之后门槛加强板尺寸优化的厚度云图，如图6所示。

将优化后的门槛加强梁安装到门槛和下边梁之间，如图7所示。其他条件和原车有限元模型一样，将前处理好的有限元模型用LS-DYNA求解器进行求解，然后比较原车和加入门槛加强梁模型的计算仿真结果。

4 仿真的结果及分析

在汽车门槛上布置的输出节点中，选取入侵距离最大的节点作为加入门槛加强梁前后碰撞安全性的相互比较的点，其中以门槛的最大入侵距离和最大入侵速度作为标准来衡量汽车的碰撞安全性，无门槛加强梁和有门槛加强梁门槛上节点的入侵距离和入侵速度随时间变化的曲线，如图8和图9所示。

由图8可以看出，无门槛加强梁的汽车门槛碰撞过程中在0.055 s时刻位移最大为193.64 mm，加入了门槛加强梁的汽车门槛碰撞过程中在0.045 s时刻最大位移为148.32 mm。由图9可以得到无门槛加强梁的汽车门槛在0.025 s时刻速度达到最大值为11.95 m/s，采用了门槛加强梁的汽车门槛在0.015 s时速度最大值达到9.54 m/s。采用了门槛加强梁的汽车门槛比原车门槛的最大位移少了45.32 mm，速度降低了2.41 m/s。由此可以看出：采用门槛加强梁可以有效地提高车门的碰撞安全性能，为乘员的安全提供了更多的保障。

将有门槛加强梁的汽车门槛和原汽车门槛在碰撞时所产生的等效应力和等效塑性应变进行比较。汽车侧壁与刚性柱碰撞时，最大时刻等效应力和等效应变，如图10～13所示。原汽车门槛在0.045 s时的应力最大为2 109.75 MPa，采用门槛加强梁之后的门槛在0.037 5 s时的应力最大为1 464.58 MPa。比原来减小了645.17 MPa。加入汽车门槛加强梁前后汽车门槛的应变都很小，由图10和图11可以看出：加入汽车门槛加强梁之后的门槛所受的应力比原汽车门槛所受到的应力明显减小。

在汽车侧壁与刚性柱碰撞时，在0.037 5 s时汽车门槛加强梁所产生的等效应力和等效塑性应变，如图14和图15所示。

从图14可以看出：门槛加强梁在侧壁受到碰撞时，受到的等效应力最大值为769.224 MPa，没有产生应力集中现象，这样可以充分吸收侧面碰撞时所产生的能量，可以降低门槛的入侵速度和减少门槛的入侵距离。

5 结论

文章建立了汽车门槛侧面碰撞的有限元模型，对汽车门槛加强梁进行了形貌和尺寸优化，通过对加入门槛加强梁前后汽车门槛的仿真结果进行比较，可以看出加入了门槛加强梁之后，门槛的入侵速度和入侵距离明显减少，加入汽车门槛加强梁后汽车门槛的碰撞安全性得到明显提高。

文章选取5182铝合金作为汽车门槛加强梁的材料，通过Hypermesh计算得到汽车门槛加强梁的质量为0.914 kg，相对于整车的质量来说增加的很少，并不影响汽车的轻量化设计，因此加入门槛加强梁的方法是可行的。

三人行，必有我师焉，择其善者而从之，其不善者而改之。

——《论语》

人一能之，己百之；人十能之，己千之。

——《中庸》