基于有限元分析的高強(qiáng)鋼B柱零件的應(yīng)用研究論文
1 前言
汽車B柱又稱中柱，位于前門和后門之間，是重要的承力構(gòu)件。其作用是保證汽車在承受一定撞擊的情況下，前車門能夠打開、不產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞和殘余變形。因此，必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度。作為整車重要的側(cè)面結(jié)構(gòu)，B柱侵入速度和變形模式與乘員的損傷有直接關(guān)系，對(duì)整車側(cè)碰性能有重要影響。目前，高強(qiáng)鋼零件在車身上的應(yīng)用比例普遍不高，汽車 B 柱是應(yīng)用開發(fā)的重點(diǎn)之一。
2 研究思路
本文基于CAE有限元分析方法，結(jié)合CAD工程設(shè)計(jì)和材料成型工藝，以某經(jīng)過試驗(yàn)仿真對(duì)標(biāo)后的車型為研究對(duì)象，研究了 B 柱基礎(chǔ)模型的結(jié)構(gòu)，并對(duì)高強(qiáng)鋼零件替換模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。經(jīng)分析驗(yàn)證，高強(qiáng)鋼零件的應(yīng)用方案在實(shí)現(xiàn)減重的同時(shí)，滿足了結(jié)構(gòu)性能的目標(biāo)要求。
3 基礎(chǔ)模型的結(jié)構(gòu)性能分析
B 柱的基礎(chǔ)模型由以點(diǎn)焊形式連接的 9 個(gè)零件組成，質(zhì)量為11.76 kg。這9個(gè)零件均為普通冷沖壓零部件，其中強(qiáng)度最高的加強(qiáng)板下段零件的屈服強(qiáng)度為549 MPa，其余零件的屈服強(qiáng)度均低于340 MPa。B柱承受的主要載荷是來自于側(cè)面的撞擊。下面從靜力分析和碰撞性能兩方面研究B柱的結(jié)構(gòu)性能。
3.1 靜力分析
汽車B柱靜力分析內(nèi)容主要包括彎曲工況下的剛度和強(qiáng)度，在分析過程中將 B 柱簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁來計(jì)算。
約束B柱上、下端與車身焊接處的所有平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在B柱中部位置沿Y+向施加2 000 N的集中載荷。
3.2 碰撞性能
汽車 B 柱碰撞性能分析主要考慮側(cè)面撞擊的工況。建立半徑為 100 mm的柱體，并設(shè)定其為剛體；B 柱的上、下兩端約束所有的平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。剛性柱體質(zhì)量為 500 kg，沿 Y 向以 2 m/s 的初速度撞擊 B 柱中部。
4 高強(qiáng)鋼零件替換模型性能分析
4.1 高強(qiáng)鋼零件替換方案
高強(qiáng)鋼零件材料的屈服強(qiáng)度高達(dá)936 MPa，可以代替普通鋼板零件以實(shí)現(xiàn)減重目標(biāo)。本文將車身 B 柱的上、下加強(qiáng)板和頂梁加強(qiáng)板替換為高強(qiáng)鋼零件，并進(jìn)行減薄，在此基礎(chǔ)上去除B柱內(nèi)部加強(qiáng)件。B柱總成共有7個(gè)零件采用該方案，減重1.45 kg。
4.2 靜力分析結(jié)果對(duì)比
B 柱整體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力位置相同，最大應(yīng)力值降低14.6%；但高強(qiáng)鋼B柱整體的彎曲剛度降低14.9%，即剛度性能有所損失。B柱總成是白車身剛度靈敏度較高的零件，由于高強(qiáng)鋼零件的替換不利于白車身剛度性能水平的提高，因此需要通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)彌補(bǔ)性能損失。
5 高強(qiáng)鋼零件替換模型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
為彌補(bǔ)高強(qiáng)鋼零件替換后B柱的結(jié)構(gòu)剛度和碰撞性能的損失，在與基礎(chǔ)模型相同的靜力分析工況下，通過B 柱總成拓?fù)鋬?yōu)化、加強(qiáng)板形貌優(yōu)化及加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)、加強(qiáng)板尺寸優(yōu)化及設(shè)計(jì)，對(duì)B柱高強(qiáng)鋼零件替換模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)減重的同時(shí)，充分發(fā)揮高強(qiáng)鋼零件的使用性能，使優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)性能得以提升。
5.1 B柱總成拓?fù)鋬?yōu)化及設(shè)計(jì)
拓?fù)鋬?yōu)化是在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)尋求最佳的`材料分布。其優(yōu)化結(jié)果不涉及結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，而是展示靜力分析彎曲工況的載荷傳遞路徑和主要承載區(qū)域，以便在最優(yōu)的材料分布情況下開展優(yōu)化設(shè)計(jì)。
5.2 加強(qiáng)板形貌優(yōu)化及加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)
形貌優(yōu)化是在板型結(jié)構(gòu)中尋找最優(yōu)的加強(qiáng)筋分布的概念設(shè)計(jì)方法，用來設(shè)計(jì)薄壁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化壓痕，在不增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量的前提下，提高結(jié)構(gòu)的剛度。
6 優(yōu)化模型的結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證
綜合拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化及尺寸優(yōu)化的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，建立 B 柱總成高強(qiáng)鋼零件替換優(yōu)化模型。該優(yōu)化模型由 7 個(gè)零件組成，比基礎(chǔ)模型減重 0.47 kg，B 柱的外加強(qiáng)板和頂梁加強(qiáng)板為高強(qiáng)鋼零件，其余均為普通冷沖壓零部件。下面對(duì)優(yōu)化模型的B柱整體結(jié)構(gòu)剛度和碰撞性能進(jìn)行分析驗(yàn)證。
7 結(jié)論
a.通過研究B 柱基礎(chǔ)模型的結(jié)構(gòu)、性能，建立了B柱總成與整車的性能關(guān)系，確定了能夠反映B柱總成結(jié)構(gòu)和性能的典型模擬工況，評(píng)估了基礎(chǔ)模型的結(jié)構(gòu)剛度、應(yīng)力大小和碰撞性能水平。
b.對(duì)高強(qiáng)鋼零件替換模型采取拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化和尺寸優(yōu)化的綜合優(yōu)化方法，使優(yōu)化模型在質(zhì)量減少0.47 kg的情況下，零件數(shù)目減少、結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到基礎(chǔ)模型水平、碰撞性能明顯提升。達(dá)到了預(yù)期研究目的。
c.本文中的高強(qiáng)鋼零件應(yīng)用及結(jié)構(gòu)優(yōu)化是CAE 有限元分析、CAD 工程設(shè)計(jì)和材料工藝分析等多學(xué)科的綜合應(yīng)用，形成了一套可行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程及性能研究方法，對(duì)汽車其他新材料和新工藝的應(yīng)用開發(fā)具有重要的參考價(jià)值。
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