【技术帖】乘用车车门侧面柱碰撞性能最优耦合设计

在交通事故中,侧面碰撞占比仅次于正面碰撞,而且侧面碰撞是造成乘员伤亡率最高的事故形式,重伤和死亡率高达25%.GB/T 37337—2019《汽车侧面柱碰撞的乘员保护》[1]对车辆侧面碰撞安全提出了新的要求.侧面柱碰撞作为侧面碰撞中的一种,由于其缓冲吸能差,碰撞力集中,车门距离乘员较短,对乘员的人身安全造成更严重的威胁.学者对车辆侧面碰撞安全性的研究集中在B柱[2-6]、车门结构件[7-10]的优化,采用新材料(如热成型钢板、泡沫铝[11]、碳纤维[12-13]等材料)改善侧面抗撞性能.在汽车侧面柱碰撞方面,HUANG Z. G.等[14]对B级车侧面柱碰撞和侧面变形特性进行分析,结果表明,与可变形壁障碰撞相比,侧柱碰撞具有使乘客受伤更严重的安全风险,有必要增加车身侧面的局部强度以避免小面积重叠刚性碰撞. LONG C. R.等[15]运用乔治华盛顿大学国家碰撞分析中心开发的小客车模型,分析了侧面柱碰撞时车门防撞梁对冲击载荷的响应.郝琪等[16]考虑车门结构刚度、振动特性和侧面柱碰撞安全性能,对单排两座小型电动汽车车门进行多目标优化,有效提高车门刚度及侧面柱碰撞综合指标,并实现车门质量减少7.5%.林智桂等[17]分析了微型客车与轿车的质心、结构及总布置对能量传递和车体结构耐撞性的影响,进行了微型客车侧面柱碰撞分析和结构优化.

我国学者对车辆侧面碰撞安全的研究,多是围绕台车试验工况展开,对于具有刚性大、碰撞面积小、碰撞力集中等特点的侧面柱撞研究相对较少,且多是基于欧美侧面柱碰撞法规的试验要求对车辆安全性能进行优化.此外,对车辆侧面碰撞安全性能的研究大多以优化B柱或车门防撞梁等构件展开,优化对象单一.为此,笔者根据GB/T 37337—2019测试要求工况,考虑车门上多个构件在侧面柱碰撞中的刚度关系,结合多个构件的耦合作用,提高车辆的侧面柱碰撞安全性.

本研究的车辆长为3 915 mm,整车的质量为1 069.53 kg,驾驶员侧车门组件主要包括车门内外板、车门防撞梁、车窗加强板、车窗框架等起支撑和框架作用的主体结构,在车门系统中还有车窗玻璃、门腔内部必要机械与电子零部件等组件.车门内部防撞梁截面为圆形,材料屈服强度为750 MPa,布置形式呈斜置布置,两端通过弧焊与接头焊接,接头通过点焊与车门内板连接,梁的中间通过膨胀胶与车门外板胶接,车门内板由2块钢板拼接而成.车门内部结构如图1所示.

图1 车门内部结构

有限元模型材料和属性定义、部件连接按照实际情况进行设置.整车自身的接触采用单面自动接触;车辆与碰撞柱之间的接触采用表面与表面接触.以整车碰撞过程中变形较小的点作为整车运动的参考点,为了更好地体现碰撞过程中车辆与车内乘员的相应关系,以乘员舱内两座椅中间设置的加速度传感器响应作为整车运动表现参考点(编号为1998228).GB/T 37337—2019测试要求如下：碰撞刚性柱是一个垂直的不能变形的刚性金属结构,柱体直径为254 mm±6 mm,在碰撞瞬间,车辆的碰撞速度为32 km/h.当车辆与刚性柱发生接触时,平行于车辆碰撞速度矢量的垂直面与车辆纵向中心线之间应形成75°±3°的碰撞角度.据此,在本研究的碰撞模型中,车辆纵向中心线与系统坐标系x轴形成15°角,赋予整车所有节点系统坐标系y方向初始速度为-8 888.8 mm/s,在车辆模型驾驶员侧车门处建立直径为254 mm、材料为刚性材料的刚性柱,并约束刚性柱所有方向的自由度.建立的车辆侧面柱碰撞仿真模型如图2所示.

图2 车辆侧面柱碰撞仿真模型

2.1 仿真结果可靠性分析

2.1.1 能量守恒分析

车辆侧面柱碰撞0.20 s的能量变化如图3所示. 其中：E0为总能量;Ei为内能;Ek为动能;Eh为滑移能;Es为沙漏能;t为时间.

图3 系统能量变化曲线

从图3可以看出：各种能量曲线过渡平滑,未出现明显突变;初始时刻动能曲线与总能量持平,后呈现非线性下降,动能变化先慢、后快、再慢,最后趋于稳定;初始时刻内能为0,随动能的减小而逐渐增加,变化趋势与动能变化呈对称状态,与实际碰撞过程能量变化过程吻合;碰撞过程中总能量基本处于平稳状态,模型符合能量守恒定律.

2.1.2 质量守恒分析

质量增加值曲线如图4所示,其中Δm为质量增加值.从图4可以看出：在碰撞仿真过程质量增加了11.97 kg,而车辆模型总质量为1 069.53 kg,质量增加比例为1.12%,小于总质量的5.00%,符合设计要求,仿真模型质量守恒.综上可得,有限元建模中接触关系的确定和参数设置在合理范围内,此侧面柱碰撞模型可靠,可以用于本研究.

图4 质量增加值曲线

2.2 整车变形分析

车辆模型在碰撞0.09、0.12、0.15、0.18、0.21、0.24 s时的变形如图5所示.碰撞侧车门内部结构变形如图6所示,在发生碰撞后防撞梁局部发生明显的弯折,这是由于车门防撞梁刚度不足,未能较好地抵抗刚性柱的侵入.

图5 整车碰撞变形情况

图6 碰撞侧车门内部结构变形

2.3 车身吸能情况分析

在侧面柱碰撞工况下,车门结构作为直接接触部分,在吸收碰撞能量方面起着重要作用.整车及车身侧围部分零部件吸能情况如表1所示.

表1 整车及侧围部分零部件吸能情况

从表1可以看出：车门防撞梁吸收的能量排在第3位,考虑到防撞梁在发生碰撞时接触面积远小于其他吸能部件,参与变形体积有限,因此防撞梁的吸能效率优势明显;车门主要吸能零部件共吸收能量4.66 kJ,占总能量的12.76%,提高车门部分的吸能值对提高车身耐撞性具有显著的意义.

3.1 基于多目标优化的车门防撞梁结构设计

在发生侧面碰撞时,车门内部防撞梁是车辆安全的主要结构,其性能优劣直接影响整车的安全性能.提高防撞梁的性能可以显著提高车辆侧面耐撞性,需在防撞梁优化设计中考虑更多的变量,充分挖掘防撞梁的最大潜力.但是,随着变量的增加,所需的样本数据和仿真计算量也会呈现几何增长.因此,为了尽可能实现防撞梁最优设计的同时,减少不必要的计算成本,首先对梁结构进行单独设计优化,实现其性价比最优,在此基础上对车门安全零部件间的耦合作用进行研究.

3.1.1 多目标优化模型的建立

将侵入量L最小和吸能值E最大作为2个优化目标.结构形状和材料属性是影响防撞梁安全性能的重要因素,自变量的设计应从这2个角度考虑.已有研究表明：矩形防撞梁的吸能值和低阶模态频率均劣于梯形防撞梁,且梯形防撞梁在梁侧壁倾角为100°时吸能性能最佳.因此,截面形状选择圆形与梯形2个设计变量.在材料方面,采用4种防撞梁材料作为设计变量,具体性能参数如表2所示.防撞梁的截面面积与其强度有直接关系,因此,将其直径d作为设计变量之一.受车门内腔空间限制,梁的直径不宜过大,将其设定为31.000～33.650 mm.

表2 可选材料性能参数

多目标优化问题力求所有优化目标最小,因此将最大吸能值E乘以-1,σ为屈服强度,于是防撞梁的多目标优化问题可描述为

(1)

3.1.2 模型的简化

主要研究对象为车门结构,在保持各个零部件的材料属性、连接方式及各项相关参数不变的前提下,从整车模型中导出直接参与碰撞的车门结构,并删除车窗玻璃、车窗升降机等影响较小的零部件.简化后的模型包括车门内外板、车门防撞梁和车窗加强板等结构.车门简化模型如图7所示,虽然简化后的模型质量远小于整车质量,质心位置发生改变,但车门通过铰链和门锁与车身固定,在碰撞过程中,车门将一部分力传递至门槛梁、地板.

图7 车门简化模型

A柱、B柱等未直接发生碰撞的部分,车门外围的运动情况受车身其他结构的限制,为了使简化后的模型运动情况与整车保持一致,在简化模型与其他车门接触部分设置运动约束.导出整车碰撞过程中具有代表性的车门约束节点在x、y、z轴的位移与时间关系曲线,定义简化模型的边界条件.

整车模型与简化模型位移云图对比如图8所示,其中s为位移.整车模型与简化模型车门防撞梁内能变化对比如图9所示.模型简化前、后具有较好的一致性,可以使用该简化模型进行后续研究.

图8 整车模型与简化模型位移云图对比

图9 整车模型与简化模型车门防撞梁内能变化对比

3.1.3 拉丁方试验设计

本次设计共有3个变量,拟合二阶响应面至少需要10个样本点数据,根据拉丁方试验设计,在空间内随机生成16个样本点,并通过有限元仿真求解各样本点的输出响应值.防撞梁拉丁方试验设计样本数据如表3所示.

表3 防撞梁试验设计样本数据

3.1.4 响应面模型的建立

由拉丁方试验结果可见,不同截面形状车门防撞梁的侵入量指标相差不大,同一水平的梯形截面梁最大吸能值均劣于圆形截面梁,因此,确定防撞梁的截面为圆形方案.为简化响应面模型的数学建模,不再将梁的截面形状纳入变量中.基于8组圆形截面梁的拉丁方试验结果,建立吸能值E和侵入量L关于直径d和材料屈服强度σ的二阶响应面模型,实际计算值与模型预测值之差为模型的复相系数,考虑模型中自变量的数量,通过调整复相系数得到模型的修正复相系数,复相系数分别为0.997和0.987.修正的复相系数分别为0.994和0.992,复相系数接近1.000,表明代理模型的精度较高,可以代替仿真模型进行后续优化设计.

3.1.5 多目标优化求解

运用NSGA-Ⅱ遗传算法进行多目标求解.经过计算,共得到60组Pareto最优前沿解,如图10所示.根据实际需求保留了11组合适的Pareto前沿解.11组Pareto最优前沿解的计算结果如表4所示,其中比吸能为材料单位质量吸收的能量.综合比较,选第7组作为最终解,即直径为33.473 mm,材料为SPCN118Y的防撞梁作为优化方案.

表4 11组Pareto最优前沿解

图10 60组Pareto最优前沿解

3.2 基于多目标优化的车门设计

3.2.1 多目标优化模型的建立

在车辆碰撞安全性能的优化设计中,不仅要考虑侵入量L及吸能值E指标,还需考虑瞬时碰撞力F的峰值,因此,将L、F最小和E最大作为优化目标.为体现“增效不增本”的优化思想,以原简化车门模型质量28.590 kg作为质量m约束.将对车门强度影响最显著的4个零部件厚度作为设计对象,即车门内板厚度δ1、外板厚度δ2、防撞梁厚度δ3和车窗加强板厚度δ4.试验变量取值如表5所示.

表5 设计变量取值 mm

基于以上研究,多目标问题描述为

(2)

3.2.2 拉丁方试验设计

将以上设计变量作为输入响应来设计拉丁方试验.本次试验共有4个变量,拟合二阶多项式响应面至少需要15组样本,依据拉丁方试验规则设计20组样本,并通过有限元求解输出总吸能值E0、峰值碰撞力Fmax、最大侵入量Lmax及车门总质量m.在仿真计算前,需对整车模型进行简化处理.试验样本数据如表6所示.

表6 试验样本数据

3.2.3 响应面模型的建立

基于以上样本数据及输出响应建立响应面模型.吸能值响应面模型为

E=-9.249+7.513δ1-1.532δ2+2.688δ3+1.871δ4+
1.781δ1δ2-0.989 1δ1δ3-0.224δ1δ4+0.902δ2δ3-

(3)吸能值响应面模型的复相系数为0.992,修正复相系数为0.987,精度较高.最大侵入量响应面模型为

L=-1 531.677+1 166.883δ1+74.072δ2+241.428δ3+
166.492δ4+96.103δ1δ2-134.932δ1δ3-86.885δ1δ4+

(4)最大侵入量响应面模型的复相系数为0.933,修正复相系数为0.984,因为个别样本数据偏离较大,导致整体复相系数略小,但是总体满足精度要求.

峰值碰撞力响应面模型为

F=-6 523.77+88 215δ1-2 802.6δ2+119.623δ3+
5 425.7δ4+93 587.3δ1δ2-18 211.1δ1δ3+2 816.7δ1δ4+

(5)峰值碰撞力响应面模型的复相系数为0.987,修正复相系数为0.992,精度较高.以上构建的代理模型均有较高的精度,可以代替仿真模型进行后续优化设计.

3.2.4 多目标优化求解

运用前述的NSGA-Ⅱ遗传算法对式(2)进行求解.共得120组Pareto最优前沿解,如图11所示.

图11 120组Pareto最优前沿解

比较所有的最优解组合发现,内板厚度均靠近设计变量的上限,外板厚度均靠近设计变量的下限;通过车辆侧围结构厚度的匹配,可以改变吸能值、车身变形侵入量、冲击载荷等被动安全指标的数值,改变零部件厚度是改善车辆安全性能的简捷方法.为直观地表现3个优化目标之间的关系,将优化结果分别投影到3个平面上,如图12所示.

图12 优化结果的三平面投影

从图12可以看出：车门侵入量优化结果分布在320.000 mm到375.000 mm之间,离散值为0.172,分布范围较集中;峰值碰撞力和吸能值分布范围较广,可选择空间更充足,若针对某一指标进行单目标优化,可以预期其性能将会有显著改善.从图12a可以看出,吸能值和侵入量之间存在一定的支配关系,但这是3目标优化结果对二维平面的投影,忽略了峰值碰撞力的变化情况,彼此之间也是非劣关系,即没有任何一组设计变量点在优化目标的数值上均优于其他设计点.从图12b、c可以看出,峰值碰撞力与吸能值和侵入量存在一定矛盾关系,优化单一目标要以牺牲其他目标为代价.

通过理想解相似偏好排序法对比前述的120组Pareto解集的欧式距离,确定最终优化方案,优化前、后防撞梁材料分别为SPCN980Y和SPCN118Y,车门优化参数如表7所示.优化后单个车门的质量为28.241 kg,质量减少了0.350 kg,相较于优化前,车门质量减少了1.22%.车门外板厚度达到设计变量的下限值,内板厚度接近设计变量的上限值.

表7 车门优化设计参数 mm

优化前后整车变形对比如图13所示.优化前后车门位移云图如图14所示.优化前后,车辆变形模式未发生改变,仍呈V形侵入,但是优化后的车门变形量最大部分面积略小于初始状态,变小的部分对应防撞梁的布置位置,防撞梁抗侵入能力提高;优化后浅蓝色区域面积更大,说明结构受力更均匀,远离碰撞接触区域的车门边缘变形量也有差异,说明优化后车辆刚度提高,侵入量减少.

图13 整车变形对比图

图14 车门位移云图对比

优化前后最大变形量节点侵入量对比如图15所示.优化前后车门侵入量趋势一致,但是优化后侵入量为317.530 mm,减少了36.390 mm,即减少了10.28%,车辆侧围刚度明显改善.

图15 最大变形量节点侵入量对比

车门主要吸能部件优化前后吸能情况对比如表8所示.改变车门结构后整车在侧面柱碰撞中总的吸能值为36.680 kJ,相比优化前的36.530 kJ略有增加.

表8 车门主要吸能部件优化前后吸能情况对比

优化后车门主要吸能部件吸能值占整车吸收能量的14.82%,相比优化前的12.76%,提高了16.14%.车门外板厚度减少,吸能值增加,说明优化后充分利用了车门外板与车门主体之间的间隙,在不影响车辆整体安全性能前提下,增加了车门外板的变形量,进而增加了吸能值,抵消了因厚度减小导致吸能值的损失.车门内板厚度增加29.23%,吸能值增加35.96%.

优化前后车门加速度与时间的关系曲线对比如图16所示,其中：a为加速度;g为重力加速度.优化前后曲线波动趋势一致,优化后曲线整体波动相比优化前略有推迟,但相差甚微,说明仅改变车门刚度并不能推迟加速度峰值出现的时间;优化后加速度曲线的4次显著波峰值分别为54.01g、33.80g、11.01g、17.43g,比优化前分别变化-7.58%、9.67%、-3.52%、5.51%,在第1次波峰,车门因变形产生的加速度峰值降低4.43g,说明优后车门的刚度提高,变形速率减慢,使乘员约束系统有更多的缓冲时间.

图16 优化前后车门加速度与时间的关系曲线对比

优化前后整车加速度与时间的关系曲线对比如图17所示.

图17 优化前后整车加速度与时间的关系曲线对比

从图17可以看出：优化前后曲线波动趋势一致;本研究建立的加速度响应面模型为最大波峰值的响应,即第3波峰的响应,优化后其数值明显降低,致使优化后的加速度最大值受第2波峰数值支配,相比优化前,优化后加速度最大值减少了4.33g,减少了16.37%.通过改善各零部件间的刚度耦合关系,使优化后的加速度曲线4次显著波峰均小于优化前,整体加速度波动更加平滑,更有利于车身被动安全系统与乘员约束系统配合,乘员受到的二次冲击得到改善.

1) 以某乘用车驾驶员侧车门为例,根据GB/T 37337—2019《汽车侧面柱碰撞的乘员保护》的测试要求,建立了侧面柱碰撞仿真环境,设计拉丁方试验,得到了试验样本,建立了数学模型,基于NSGA-Ⅱ算法对数学模型进行多目标优化求解,采用熵-TOPSIS法计算了Pareto前沿解的欧式距离,确定了最终优化方案.

2) 通过车门外板厚度的减少控制了整体质量变化,增加车门内板厚度使其吸能值改善,增加防撞梁的刚性以减少侵入量.改善车门内部各零部件之间的刚度关系,使车身整体受力更平滑.

3) 对车门防撞梁的直径、材料和厚度,车门内外板的厚度,车窗加强板的厚度进行最优策略设计,提高了每个零部件对车辆碰撞安全性的贡献度,在车门质量减少了0.350 kg的前提下,车辆的侧面柱碰撞安全性能得到了提高,车门侵入量减少了10.28%,车门安全零部件的吸能值有所提高,吸能占比提高了16.14%,车门加速度峰值降低了7.58%,整车加速度峰值减小了16.37%,使整车侧面被动安全性能得到了提高,实现车身侵入“增效不增本”的效果,证明了提出的优化方法的有效性.