帽形截面薄壁焊接结构轴向耐撞性的优化设计方法研究

王超　王晨　吕振华

摘 要：以帽形截面薄壁梁为例，研究了焊点布局对薄壁梁结构轴向耐撞性的影响。建立了精度较高的用于分析薄壁梁结构轴向耐撞性的有限元模型，提出了考虑焊点影响的帽形截面薄壁梁在轴向冲击载荷作用下的平均碰撞力的解析解，并以薄壁梁结构的轴向平均碰撞力和弯曲刚度为约束条件，对一帽形截面薄壁梁进行了轻量化设计，大幅提高了优化设计的效率。讨论了一些重要参数（如截面形状、材料性能、载荷形式等）对薄壁梁结构轴向耐撞性能的影响。

关键词：轻量化设计；薄壁梁；轴向耐撞性；平均碰撞力

中图分类号：U463.83文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.06.01

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

随着汽车市场竞争的日益激烈，全面提升产品性能已成为各汽车厂商的必然选择，不断提高汽车的被动安全性就是其中的一个重要课题。在正面和尾部碰撞中，车身的管状薄壁梁结构是主要的吸能结构。因此，研究其在轴向载荷下的吸能特性并对其进行优化设计就显得十分必要。Alexander[1] 首先建立了圆柱形薄壁管在碰撞过程中的平均碰撞力和能量吸收的理论模型，Wierzbicki等人[2-4]对薄壁梁在轴向载荷作用下的变形模式及其耐撞性能的理论模型做了大量的研究工作。这些结论主要是基于塑性铰理论得出的，并假设薄壁梁结构在压溃变形过程中各基本碰撞单元具有相同的长度。

车身在碰撞过程中是一个高度非线性的动态变形过程，各种非线性因素的综合使得用于仿真分析的整车模型单元数量及复杂程度不断提高。并且，在对车身结构进行优化设计的迭代过程中，设计变量的变化可能导致单元质量下降和单元间穿透量增大，进而使有限元模型的质量无法控制。因此，很多的研究工作都通过建立一个与有限元分析结果相近的代理模型来解决上述困难。Avalle等人[5]通过响应面法（Response Surface Method，RSM）来优化车身及相关部件的耐撞性。Yamazaki和Han[6-7]利用RSM法对薄壁管的耐撞性进行了优化设计。张维刚等人[8]利用逐步回归模型对RSM法中的基函数进行了筛选，并以车身的正面和侧面碰撞安全性为优化目标对车身结构进行了优化设计。

对薄壁梁结构进行耐撞性优化设计，一般选择薄壁梁的厚度、截面尺寸为设计变量，但是这些薄壁梁结构主要是通过焊点单元连接的。现有的许多研究工作主要集中在焊点模型的选择和构建上[9-11]，而考虑焊点布置对薄壁梁结构耐撞性的影响并对其进行优化设计的研究工作则很少。Xiang等人[12]采用“响应面-列举”法，以焊点单元数量和薄壁梁截面尺寸为设计变量对帽形截面薄壁梁进行了轻量化设计，但这种分析方法计算效率较低。

本文以闭口薄壁梁中比较典型的帽形截面薄壁梁为研究对象展开相关研究工作。首先，建立了精度较高的用于分析薄壁梁结构轴向耐撞性的有限元模型。White等人[13]提出了平均碰撞力指标来评价帽形截面薄壁梁结构在轴向冲击载荷作用下的耐撞性，并提出了不考虑焊点影响的平均碰撞力理论模型。文中根据该理论模型和仿真分析结果，提出了考虑焊点影响的平均碰撞力修正解，在此基础上以帽形截面薄壁梁结构的轴向平均碰撞力和弯曲刚度为约束条件，以焊点的布置、薄壁梁的截面参数为设计变量对帽形截面薄壁梁结构进行了轻量化设计。最后讨论了薄壁梁结构的一些重要参数对其轴向耐撞性的影响。

1 薄壁梁轴向耐撞性的数值分析

为了详细分析薄壁梁结构的轴向耐撞性，以便于对评价薄壁梁轴向耐撞性的平均碰撞力的解析解精度进行验证，这里以White等人[14]介绍的帽形截面薄壁梁结构为例（图1），详细介绍评价薄壁梁结构轴向耐撞性的有限元模型建模方法。薄壁梁结构用稳定性较好的Belytschko -Tsay壳单元进行模拟，运用梁单元模拟焊点模型，分别采用single surface和surface to surface接触模型模拟梁结构之间的接触及刚性墙与梁结构之间的接触，建立的有限元模型如图2所示。