汽车侧门冲压防撞杆高效断面优化研究

刘禹呈，周杰，沈雁东

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201)

0 引言

侧撞法规是汽车被动安全的重要部分，在车辆使用过程中，侧方安全对保护驾驶员和乘客的人身安全十分重要。随着社会生活品质的提高和汽车工业的发展，为驾驶员和乘客提供安全的驾乘环境成为车辆重要的基本性能之一，对车辆使用者提供保护的安全性能也成为各汽车厂商比拼和角逐的重要方面[1]。

目前，国内主要对侧撞性能的评估是C-NCAP(China-New Car Assessment Program)的星级评价，一定质量的壁障以一定速度对车辆的侧面测试位置进行冲击，检测车内假人的状态，从而得到量化的侧撞性能结果，对侧撞性能进行一星到五星的星级评价[2]。C-NCAP的星级评价已经成为消费者在买车过程中重要的参考指标。最新的2018 C-NCAP工况示意如图1所示，其更贴近目前汽车交通的发展状态，对壁障和假人等都进行了调整，工况更加严苛，对汽车侧面安全性能的设计提出更高的要求[2]。另一方面，在节能环保的大趋势下及新能源汽车的发展，汽车的轻量化变得愈发重要，因此在更严苛的侧撞安全性能要求下，较高质量高效率地提高车身结构强度是研究的方向和重点[3-4]。

现在一般的汽车车身结构设计中，侧门防撞杆在侧门钣金中具有最高强度，是最重要的钣金组成零件。而冲压侧门防撞杆(如图2所示)是各厂商应用的主要防撞杆类型，一般采用高强钢进行冷冲压或者热冲压工艺。冲压防撞杆的中间及主要部分结构，可抽象为一定形式的几字形断面梁，而断面决定了防撞杆的强度。文中对该几字形断面进行正交优化，从而得到高强度、高质量、高效率的侧门防撞杆[5]。

图1 2018 C-NCAP工况示意图

图2 冲压侧门防撞杆示意图

1 正交试验优化和分析

1.1 侧门防撞杆正交优化模型及有限元分析

如上文所述，研究的冲压防撞杆强度主要由其中间主体部分的横截断面来决定。而不同车型，其尺寸、造型等方面都有较大差异，不同车型侧门防撞杆的整体轮廓和大小都有一定差异，因此对中间区域的横截面研究具有较好的普适性，如图3所示。另一方面，为了更贴近防撞梁的变形和强度状态，将断面拉伸为1 000 mm的等截面横梁，如图4所示，并结合GB 15743-1995《轿车侧门强度》和FMVSS 214的准静态要求，对拉伸梁准静态三点弯曲(如图5所示)，之后对150 mm距离的平均应力进行CAE模拟计算，CAE软件为LS-DYNA[6-8]。

图3 冲压侧门防撞杆主体横截面

图4 侧门防撞杆断面1 000 mm拉伸梁示意图

图5 准静态三点弯曲工况示意图

主体断面尺寸参数化如图6所示，其中为保证受力均衡两特征峰宽度均为a，同时冲压成型效果最佳时，特征谷宽度b=a；圆角半径R，对于断面整体尺寸影响不大且相对独立，基于截面梁变形规律和开发经验，较小的R有利于断面强度提升，但考虑成型因素，令R=6 mm；立壁拔模角α对冲压件的成型性影响较大，且对防撞杆挤压变形有一定影响，从而影响防撞杆挤压强度，综合考虑拔模角固定为8°。固定圆角和拔模角后，经过几何推导可近似得X=3a+0.15Y+20的几何关系。断面特征谷深度Z用断面总深度Y乘以特征深度系数k，即Z=kY，k的取值为0～1。

图6 主断面尺寸参数化示意图

如图6所示，a表示特征峰宽度(mm)；b表示特征谷宽度(mm)；f表示法兰边宽度(mm)；R表示圆角半径(mm)；X表示断面总宽度(mm)；Y表示断面总深度(mm)；Z表示特征谷深度(mm)。

1.2 侧门防撞杆断面拉伸梁三点准静态挤压仿真正交试验设计

利用已推导断面几何关系X=3a+0.15Y+20，将特征谷深度Z=kY，断面正交优化选定3个控制因子(A，B，C)分别为特征峰宽度a、断面总深度Y和特征深度系数k，结合侧门防撞杆的一般尺寸，分别选定3个水平，如表 1所示。而侧门防撞杆作为钣金零件，料厚会存在一定的工差，正交试验的噪声选定为零件料厚波动的两个水平，如表1所示。

表1 侧门防撞杆断面正交优化控制因子和噪声

根据正交优化方法，3因子3水平，选用L9的正交优化工具，并利用LS-DYNA对断面的1 000 mm拉伸梁准静态挤压试验进行有限元分析，正交试验设计和结果如表2所示。对表2的试验结果进行优化分析，如图7所示，根据图7(a)中平均应力的望大特性，A1、B3、C3是优化方向，与图7(b)中的信噪比优化结果一致。

表2 侧门防撞杆断面正交优化试验结果

图7 侧门防撞杆断面正交试验结果优化

在优化平均强度的同时，需要考虑提升平均强度的效率，因此引入类似比强度的概念，即用150 mm的平均强度除以1 000 mm拉伸杆的质量，得到如表3所示的正交试验结果，对表3的试验结果进行优化分析，如图8所示。根据图8(a)中平均应力的望大特性，A1、B3、C3是优化方向，与图8(b)的信噪比优化结果一致，并与图7的平均应力优化分析结果相一致。

表3 侧门防撞杆断面效率正交优化试验结果

图8 侧门防撞杆断面效率正交试验结果优化分析

1.3 优化结果及改善效果

根据上述优化分析，A1、B3、C3为最优解，其中C的优化效果最为明显，A和B相对优化效果较小。故文中研究所得的相应参数范围的最优解为A1、B3、C3，即特征峰宽度为20 mm、断面总深度为45 mm、特征深度系数为1，其优化结果及收益如表4所示。在实际应用和设计过程中，可根据实际设计要求选取相应参数范围。

表4 侧门防撞杆断面正交优化结果及获益

2 结论

以正交优化分析方法为基础，对冲压防撞杆主体断面进行建模优化，使用LS-DYNA作为模拟计算软件，对冲压防撞杆主体断面建模的静态三点抗弯性能和抗弯效率进行优化研究：

(1)最优解为A1、B3、C3，即特征峰宽度为20 mm、断面总深度为45 mm、特征深度系数为1。

(2)在文中研究的范围内，3个主要影响因素中，特征深度系数对防撞杆强度影响最大，断面总深度次之，特征峰宽度影响较小。

(3)在考虑质量效率的情况下，3个主要影响因素中，特征深度系数对防撞杆强度效率影响最大，特征峰宽度和断面总深度次之。