李杉+吳濤+賓小龍

摘 要：汽車在側面碰撞中，B柱作為非常重要的側面結構，它是承受側面碰撞力的主要部件。它的侵入量、侵入速度和變形模式對乘員的損傷有著直接的關系，所以良好的B柱變形能減輕駕駛員的損傷。本文主要是參考原有車型捷達的側圍數(shù)據(jù)進行建模，然后對側圍結構進行優(yōu)化設計，并且做出兩個側圍模型進行對比，然后對這些側圍結構進行ANSYS受力分析，達到對側圍結構優(yōu)化設計的目的。

關鍵詞：汽車；側圍；優(yōu)化；B柱

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.201

0 引言

汽車的側面是整車中強度比較薄弱的地方。對于在汽車中數(shù)量最多的轎車，因其側面的車門強度更加薄弱，所以研究側面的抗碰撞能力尤為的重要。對于轎車的側部，在發(fā)生側面碰撞的時候，由于緩沖區(qū)較小，沒有它的前部和后部那樣有足夠大的空間來發(fā)生結構變形去吸收碰撞的能量。并且車輛被撞的地方與乘員的距離較近，一旦受到來自側面的撞擊，乘員將會受到強烈貫入的沖擊載荷作用，輕則重傷，嚴重時會危及生命。

1 車身側圍結構數(shù)據(jù)采集與建模

1.1 車身側圍數(shù)據(jù)采集

本次數(shù)據(jù)采集使用的是三坐標測量機，首先先找一個點來設置為零點，然后通過操縱三坐標測量儀使三坐標測量儀的探針移動，這樣就會使三坐標探頭和零點有一個相對位置。通過記錄當三坐標探針移動后產生的相對位置的坐標X、Y、Z，就可以得到捷達車的側圍點云數(shù)據(jù)。

1.2 三維模型的建立過程

本次設計使用的是逆向工程（RE：Reverse Engineering）設計方法，并以此進行捷達車身側圍的逆向工程設計，將捷達車身側圍實物轉變?yōu)樘摂M的電子三維模型，實現(xiàn)高逼真度的仿真模擬。通過前期測量的車身側圍點云數(shù)據(jù)，在CATIA中將測量的點輸入，由點構線，由線構面，最后生成所需要的CAD模型。其基本順序為：先建立側圍外板模型，再建立車門內板模型，最后將其進行裝配。建模完成后使用CATIA中的自由式分析中的箭狀曲率分析對曲面的光順性進行檢查，經檢測后發(fā)現(xiàn)曲面的光順性良好。裝配模型如圖1所示。

2 改進前車身側圍有限元分析

2.1 前處理

此處填入二將CATIA中的側圍的三維模型打開，在側圍的三維模型上加7根橫梁，加7根橫梁的目的是在ANSYS做分析時施加約束。啟動workbench的explicit dynamics模塊，首先，點擊engineering data模塊定義材料模型，然后在DesignModeler模塊下將側圍模型和碰撞塊導入進來。然后點擊generate 生成模型。點擊Explicit dynamics模塊設置初始條件，在這里選擇的是initial 中的速度velocity。先選擇碰撞塊，然后設置碰撞速度，在這里設置的碰撞速度是54km/h，碰撞方向是沿著y軸的負方向。

其次，點擊Explicit dynamics模塊下的analysis settings 設置碰撞結束時間，這里選擇的是0.01s。接下來，在該模塊中插入固定約束。將固定約束加在了7根橫梁的端面上。

最后，點擊solution 模塊，在該模塊中插入，總變形結果，方向變形結果，等效應力結果、應變結果，接下來點擊solve，workbench就開始計算分析。CAE模型如圖2所示。

2.2 后處理

此處觀察workbench的結果圖，選擇Mechannical界面左側分析樹中的Solution選項，并選擇Solution工具欄中總變形和等效應力（Equivalent Stress）選項，然后觀察總變形的結果，這里主要是看B柱的變形量。如圖3所示。

從結果圖3中可以看出，這里的最大變形量為129.1mm，可見B柱的侵入量為129.1mm。于是通過優(yōu)化模型改變B柱的侵入量，提高側圍的碰撞性能。

3 側圍結構優(yōu)化

3.1 設計優(yōu)化方案

第一種方案是：考慮到提高汽車的輕量化，通過改變材料的類型來提高汽車側圍的抗撞性能。為了使汽車的重量降低，強度增加，汽車的車身多采用高強度鋼，因此本文將側圍材料設置為高強度鋼。

第二種方案是：考慮到人工工程學，并且考慮到乘客上下車的方便性，通過改變B柱的結構，在B柱中加入加強板。改變后的結構如圖4所示。

3.2 改進后模型的有限元分析

在workbench中分析上述改進后的模型，具體前處理方式與上述一致，這里不再贅述。按照方案1，將材料更換為高強度鋼。其分析結果如圖5所示。

從圖5可以看出，最大變形量為124.24mm相比第一次的分析，可見侵入量有改變。比第一次的分析結果少了4.86mm。按照方案2，通過在B柱中加入加強板來提高B柱的強度和硬度，提高碰撞性能。在新的側圍外板中，加入了2塊加強板。由于側圍內板基本上保持不變，就使用原有的側圍內板模型。其分析結果如圖6所示。

從圖6中可以看出，這里的最大變形量為102.47mm。因此，B柱的侵入量就是102.47mm。相比之前減少了26.63mm。

4 結論

在發(fā)生側面碰撞的時候，由于緩沖區(qū)較小，沒有它的前部和后部那樣有足夠大的空間來發(fā)生結構變形去吸收碰撞的能量。因此提高汽車側圍的強度對于乘員安全至關重要。汽車側圍的強度可以從材料和結構兩方面著手，本文通過使用合理的材料，改進合理的結構，使汽車在發(fā)生側面碰撞時側圍的侵入量大大減小，對保護駕駛人員以及乘客的人身安全起了至關重要的作用。

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