考虑顶压与侧碰安全性的轿车车身B柱结构优化设计

雷 飞 陈 新 陈国栋 官凤娇

湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙，410082

0 引言

车身侧面结构的局限性及碰撞类型的多样性导致侧面碰撞比其他类型碰撞引起的乘员损伤更为严重。车辆在斜坡上或转弯时发生的侧面碰撞，极有可能导致翻滚事故，而翻滚事故是一种危害性较大的单车事故，虽然其发生概率较低，但死亡率高达33%［1］。在车顶挤压和侧面碰撞事故中，B柱结构对保护乘员安全和提高车身车顶及侧面结构的耐撞性能起到了重要的作用。B柱与A柱、上边梁构成侧围框架结构，一起抵抗挤压时车顶发生的大变形，可以有效地保证乘员生存空间。B柱与侧围、前后车门及车门防撞杆一起构成了车身侧围的安全防护体系，保护乘员安全。

在侧面碰撞中，合理的B柱结构及变形模式对提高侧面结构的耐撞性至关重要。龙海靖等［2］对两辆轿车B柱结构改进前后的侧面碰撞乘员损伤情况进行了研究，研究表明，合理的B柱结构可以降低乘员损伤指标。在车顶挤压中，B柱结构刚度对车顶强度有着重要的影响。潘锋等［3］研究了某轿车车顶结构的耐撞性，并进行了全局灵敏度分析，结果表明，B柱结构对车顶强度的贡献度最大。因此，B柱结构的优化设计对提高车顶强度和侧面碰撞安全性具有重要意义。

由于B柱在车顶强度和侧面碰撞安全性中的重要性，国内外学者开展了一些关于B柱结构件的厚度、材料及截面形状的优化研究工作［4-6］。同时，随着高强度钢和拼焊技术在汽车耐撞性领域的逐步应用，部分学者也将其引入到B柱结构的设计中。谭耀武等［7］采用拼焊板结构对B柱进行优化设计，提高了车辆侧碰安全性，同时达到轻量化的要求。潘锋等［8］对车顶结构进行耐撞性研究，将高强度钢应用到车身侧围结构的优化设计中，提高了车顶强度。这些研究工作对B柱结构在单种工况下进行优化设计，均取得了一定的优化。综合考虑B柱结构起主要承载作用的多种整车安全性能工况，能优化设计出更为合理的B柱结构。目前仅针对B柱结构进行耐撞性优化设计的相关研究相对较少。

本文以某轿车为例，综合考虑车顶强度和侧面碰撞的安全性能，通过采用高强度钢结构和拼焊板技术，对B柱结构进行优化设计。在材料成本基本不变的情况下，有效地降低了B柱结构总质量，提高了车顶强度和侧面碰撞的安全性能。

1 B柱结构耐撞性优化设计的整体思路

1.1 B柱结构耐撞性优化设计思路

由于B柱结构在顶压和侧面碰撞中起主承载作用，故对B柱结构进行优化设计。本文对B柱结构设计的整体流程如图1所示。

图1 B柱结构耐撞性设计的整体流程

首先，根据美国FMVSS216车顶强度标准和US-NCAP的侧面碰撞标准建立某轿车的车顶强度和侧面碰撞的有限元模型，并将仿真结果与试验结果对比，验证两种工况下有限元模型的准确性。然后，对该车型的车顶强度和侧面耐撞性能进行分析，确定B柱结构耐撞性优化的必要性。综合考虑车顶强度和侧面碰撞的安全性能，采用高强度钢结构和拼焊板技术对B柱结构进行耐撞性优化设计。最后，将优化后的整车车顶强度和侧面碰撞安全性与优化前的整车模型进行对比分析。

1.2 B柱结构优化方法

考虑顶压与侧面碰撞安全性，对车身B柱结构进行优化设计，具体流程如图2所示。首先，确定优化问题的设计目标、约束及设计变量。然后，通过拉丁超立方试验设计获得样本点，基于这些样本点采用移动最小二乘法构造近似模型。最后，采用遗传算法对近似模型进行优化获得优化解，并对优化解进行仿真验证。若优化解的近似模型与仿真验证值的误差超出许可要求，则需要添加新的样本点，重新构造近似模型，再进行优化求解，直至误差满足要求。

图2 B柱结构优化设计方法流程图

2 有限元模型的建立及验证

以某轿车作为研究对象，综合考虑到车顶强度和整车侧面碰撞安全性能，分别建立车顶强度和侧面碰撞的有限元模型，并将仿真结果与试验结果对比，验证模型的准确性。其中，采用HyperMesh软件建立两种分析工况下的有限元模型，并使用LS-DYNA软件对模型进行仿真分析。

2.1 车顶强度分析工况

根据美国联邦机动车辆安全标准FMVSS216建立整车车顶强度分析的有限元模型，如图3所示。在车辆底部施加全约束以模拟试验中车身底梁的固定约束。创建762mm×1829mm的刚性墙对车顶结构加载，刚性墙的滚翻角为25°、俯仰角为5°。刚性试验装置的前缘中心位于车顶外表面最前点的前方254mm处。同时，刚性墙正好与车顶表面发生接触，且其纵向中心线经过与车顶的接触点。根据试验要求的速度13mm／s进行仿真，会耗费巨大的计算成本。为了减少计算时间，可以通过增大刚性墙的加载速度进行车顶强度仿真。Mao等［9］认为在控制模型的动能与内能比值的情况下，加载速度为2235.2mm／s的仿真也能较合理地模拟试验结果。故本文刚性墙以2235.2mm／s的速度对车顶进行加载。

图3 整车车顶强度分析的有限元模型

从图4所示的车顶作用力与压溃位移曲线可知，仿真结果与试验曲线趋势基本吻合，最大车顶作用力对应的压溃位移也基本一致，其中，试验曲线引用自文献［10］。试验曲线的峰值为32.152kN，仿真曲线的峰值为31.898kN。因此，仿真验证了整车车顶强度分析模型的准确性。

图4 车顶作用力与压溃位移曲线

2.2 侧面碰撞工况

根据美国新车评价规程US-NCAP的侧面碰撞试验要求建立整车侧面碰撞的有限元模型，如图5所示。移动壁障的初始碰撞速度为62km／h，其方向与试验车辆的纵向中心线成63°，撞击时壁障的纵向中心线与试验车辆的纵向中心线要保证垂直。碰撞基准线位于轴距中分线之前940mm的横向截面。

图5 整车侧面碰撞的有限元模型

图6为侧面碰撞试验结果与仿真变形对比图，其中碰撞后的试验照片引用自文献［11］。实车碰撞试验结果与仿真变形对比可知，车辆前后车门、B柱和门槛等侧面结构都发生了较严重的变形，顶盖上边梁中部位置也都发生了向内侧凹陷变形。故仿真变形结果能较好地与试验变形结果相吻合。

图6 侧面碰撞试验结果与仿真变形对比

图7所示为侧面碰撞试验与仿真的整车质心速度曲线，仿真曲线与试验曲线的趋势一致，试验曲线的峰值为6.522m／s，仿真曲线的峰值为6.703m／s。图8所示为侧面碰撞B柱中部侵入速度曲线，两曲线整体趋势一致，峰值的大小与时刻基本相等，试验曲线的峰值为11.669m／s，仿真曲线的峰值为11.626m／s。其中，试验曲线均引用自文献［12］。因此，仿真验证了整车侧面碰撞模型的准确性。

图7 试验与仿真的整车质心速度对比

3 车身B柱结构耐撞性优化设计

3.1 设计变量

选择B柱结构作为研究对象，采用拼焊技术将B柱内板和B柱外板分成上下两部分进行焊接。同时，去除原有的B柱加强板，如图9所示。

图8 试验与仿真的B柱中部侵入速度对比

图9 B柱结构设计变量的选定

拼焊焊缝的高度位置与侧面碰撞中可变形移动壁障的上表面高度位置平齐，以保证侧围结构具有足够的刚度抵抗变形。Min等［13］的研究表明，拼焊焊缝基本不影响板件的应力应变特性。因此，有限元模型中焊接板的连接采用节点重合的方式。

优化对象为B柱内板和B柱外板的上下部分等4块板件的厚度及材料，厚度离散设计变量和材料离散设计变量如表1所示。

表1 优化设计变量

3.2 优化目标及约束

顶压和侧面碰撞两种工况下的评价方法不同，故优化设计中的约束条件也不同。在整车车顶结构耐撞性分析中，将车顶结构最大承载力作为车顶强度优化设计的约束条件。在侧面碰撞安全性分析中，选取侧面碰撞中B柱侵入量与B柱侵入速度为侧碰安全性优化设计的约束条件。

在B柱结构总质量和材料成本控制的前提下，通过高强度钢材料的选型及厚度优化对该车型B柱结构进行耐撞性设计，以提高整车顶部强度及侧面碰撞安全性。因此，将B柱结构件的总质量作为优化设计目标，同时将结构件的材料成本作为约束条件。

3.2.1 总质量及材料成本

在满足车辆碰撞安全性能要求的同时，轻量化是实现燃油经济性的重要措施。因此汽车碰撞安全优化时都应该考虑到部件的总质量。本文将部件的总质量作为优化目标。

采用高强度钢对车身结构进行优化，同时考虑到材料成本的控制，这将更加具有实际工程意义。将部件相对成本（部件质量与所选高强度钢的相对成本的乘积之和）作为约束条件。材料相对成本见表2［14］，原始材料的牌号为IF140／270。本文控制B柱结构件相对成本不超过部件原始相对成本。激光拼焊与传统点焊工艺相比，可大大简化生产工序，从而降低生产成本［15］。因此，本文将材料成本作为约束条件，未考虑工艺成本。

表2 材料相对成本［14］

3.2.2 车顶结构最大承载力

本文根据美国NHTSA制定的标准要求对车顶强度进行评价，该标准要求车顶最大承载作用力应达到车辆整备重量的2.5倍。车顶最大承载作用力为

其中，k为最大承载作用力与整车整备重量的比；m为整车整备质量，该车型为1539kg；g为重力加速度，9.8m／s2。

由式（1）可知，此时车顶最大承载作用力应达到37.706kN。因此，将车顶最大承载作用力作为约束条件，其值不小于37.706kN。

3.2.3 B柱侵入量

在本研究中，B柱各个测点位置为试验车辆在侧面碰撞过程中的5个测量水平级位置［16］。B柱侵入量取B柱结构上第1、3、4水平级所对应测点（车辆门槛位置、车门中间位置和车窗下边框水平位置）的最大侵入变形量的平均值。

唐友名等［11］根据相关统计数据对驾驶员侧乘员损伤最大AIS均值与变形侵入量的关系进行二次多项式拟合。当乘员最大AIS均值为等级3时，侵入量为355mm。将B柱侵入量作为约束条件，其值取不大于350mm。

3.2.4 B柱侵入速度

在侧面碰撞分析中，B柱侵入速度也是一个重要的指标。在我国侧面碰撞试验中，可变形移动壁障的质量为950kg，试验速度为50m／s。整车侧面结构的侵入速度可接受的范围一般在7～10m／s之间。文献［17］研究表明，控制侧面结构的侵入速度在8m／s以下能够较好地满足侧面碰撞乘员安全性的要求。

文中的整车侧面碰撞分析根据美国USNCAP的侧面碰撞试验要求，可变形移动壁障的质量为1365kg，试验速度为62m／s。为更加严格对整车侧面结构的耐撞性能要求，选取B柱侵入速度不大于11m／s作为约束条件。

3.3 优化数学模型的建立

考虑到高强度钢板的厚度选取范围［18］并结合车身结构的板厚，厚度设计变量的值可选用1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.5mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm。 材 料 设 计 变 量 可 选 择HSLA350、DP590、DP780、DP980和 Boron1550等5种高强度钢［19］。

优化问题的数学模型可定义为

其中，mass为B柱拼焊内板与外板的总质量，B柱结构的原始总质量约为5.288kg；cost为部件相对成本，部件原始相对成本约为6.822；force为顶压工况中车顶承载的最大作用力；B-intrusion为侧碰工况中B柱侵入量；B-velocity为侧碰工况中B柱侵入速度；i为板件厚度选取范围；j为高强度钢材料曲线ID，如表2所示。

采用拉丁超立方试验设计选取36个样本点，并计算相应的响应值。采用移动最小二乘构造近似模型，其精度在很大程度上取决于权函数。采用的高斯权函数为

式中，di为任意点与第i采样点之间的距离；θ为拟合参数，θ＝10。

基于移动最小二乘构造的近似模型，采用遗传算法进行优化，以获得优化解。选择种群数为50，经过100代遗传算法迭代。

3.4 优化结果分析

通过遗传算法对近似模型进行优化获得最优设计变量及设计目标值。各个设计变量的初始值和优化值如表3所示。

表3 设计变量优化结果

各个设计目标的优化前后结果及改进效果如表4所示，其中，仿真验证值是将8个设计变量的优化值赋予原始有限元模型进行计算的结果。由表4可知，通过近似模型计算得到的设计目标值与仿真验证值的相对误差均小于2.5%。由此证明该优化方法是可行的。同时，表4给出了设计变量优化后的整车车顶强度和侧面碰撞安全性各评价指标的改进效果。

表4 设计目标优化结果

考虑B柱结构变化对白车身刚度及模态可能产生的影响，对比分析了优化前后白车身刚度及模态性能，结果表明，使用本文优化方案对两者性能影响较小。

图10为优化前后侧面碰撞中B柱变形云图。由图10可知，原始模型在B柱中部发生了较大的弯曲变形，变形位置大约处于乘员胸部的高度。该B柱的变形模式对乘员的安全保护不利。优化后B柱的上部和中部的变形均相对较小，而下部位置的变形较大。由于上部变形小有利于对乘员的保护，而下部变形稍大有利于吸收碰撞能力并推开乘员，即B柱结构刚度服从上强下弱的分布形式，让更多的变形发生在B柱下部，有利于乘员保护。

4 结语

本文综合考虑车顶强度和整车侧面碰撞安全性能，通过采用高强度钢结构和拼焊板技术，对B柱结构的材料和厚度进行优化设计，实现了B柱结构的轻量化并提高了整车车顶和侧面结构的耐撞性能。同时为高强度钢和拼焊技术应用于B柱结构耐撞性优化设计提供了一种参考思路。

图10 优化前后侧面碰撞中B柱变形云图对比

针对B柱结构起主要承载作用的两种整车安全性能，本文提出了B柱结构耐撞性优化设计的整体思路，确定了两种安全性能的设计目标及约束，建立了B柱结构耐撞性优化的数学模型。结合移动最小二乘法和遗传算法对B柱结构进行优化设计，最终获得优化解。同时考虑到高强度钢材料成本的控制及离散拼焊板件厚度优化，因此该方法具有一定的实际工程意义。

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