基于正交实验法汽车B柱侧面碰撞仿真分析

王帅，廉哲满

(延边大学工学院，吉林延吉133002)

摘要：汽车设计阶段需要对其结构进行优化并验证设计的有效性。文中基于中国新车安全评价规程(GB 20071-2009) 标准对某汽车厂已量产车型B 柱进行正交试验分析，采用Workbench 软件进行材料设置、网格划分、接触设置、给定速度等工作。将得出的K 文件导入LS -DYNA 进行计算，以B 柱侵入量和侵入速度为目标对其进行优化，并将最优化方案结果与原始结果对比。其结果表明：侵入量、侵入速度得以减少，达到预期目标。关键词：B 柱;LS - DYNA ；仿真分析；侵入量；侵入速度中图分类号:TG 308.2

文献标志码:A

文章编号：1002-2333(2018)03-0077-03

Simulation Analysis of Automobile B Column Side Based on Orthogonal Experiment WANGShuai , LIAN Zheman

(College of Engineering , Yanbian U niversity , Yanji 133002, China )

Abstract ： In the automotive design phase , its structure needs to be optimized and its effectiveness verified . Based on the

standard of China New Vehicle Safety Assessment (GB 20071-2009), the B-column of an automobile plant is tested by orthogonal test . Workbench software is used to set the material , mesh , contact setting and given speed . The resulting K - files are imported into LS-DYNA for calculation , which is optimized for B-column invasion and invasion rate , and the results of the optimization scheme are compared with the original ones . The results show that the intrusion rate and invasion rate can be reduced to achieve the expected goal .

Keywords ： B -column ; LS -DYNA ; simulation analysis ; invasion amount ; invasion rate

引言

随着人们生活水平的提高和对生活质量的需求，汽车的数量也在不断增加中，行车安全越来越重要。而在所有汽车事故当中，与碰撞有关的事故占70%以上W 。世界各国都在研究制定日趋严格的碰撞试验方法和标准，而

对于轿车来说，车体外围多以薄钢板焊接而成，是汽车车身中最为薄弱的地方，且一旦轿车与侧面物体发生碰撞，并由于侧围没有足够的溃缩空间而占用车内生存空间，车内驾乘人员就很容易受到侧围部件的冲击挤压而造成严重伤害[2]。许多学者研究发现侧面碰撞发生时,B 柱部件的侵入量及侵人速度是能够直接反映侧面碰撞对车内驾乘人员的伤害程度的指标[3]。因此通过研究B 柱的这两个安全性指标，开发一种对乘员安全性能起到最大保护作用的B 柱结构，对改善汽车侧面碰撞安全性能将具有重要的意义[2]。1

B 柱的结构和特点

B 柱位于前门和后门之间，是极为重要的承力构件，

其材质多为结构钢。其不仅要保证前车门在承受一定冲击下能够打开，同时作为前车门锁扣、后车门铰链及前排安全带卷收器和高度调节器的安装部位，必须具有较高的强度和刚度[4]。B 柱的整体形状必须呈曲面状态，与车身外形保持一致。常规B 柱总成是由2个B 柱加强板和1个内板和1个外板组成，外板与车整体结构为一体，如图1、

图2所示。

2基于Workbench 的汽车B 柱模型的建立

将某国产车B 柱模型导入Workbench ，整体最长处为 1257 mm ，最宽处为875 mm ，最高处为298 mm 。根据中国

图1 B 柱总成

图2各个零部件图

新车安全评价规程(GB 20071-2009)侧面碰撞H 要求，对

移动台车进行建模。系统包含了两种单元:B 柱和移动台车在实际中都是整体结构，选用实体单元&所有部件的连接以B 柱为载体，采用刚性约束与之连接，以获得一个刚性的整体，最后创建的模型如图3所示。

对本文B 柱与移动台车之间、移动台车与地面的接触设置为面与面接触，其中摩擦因数设置为0.3，对B 柱各

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个部件属性设置为刚体，移动台车属性设置为弹性体。根据零件自身的自由度及其结构的复杂程度，分别对其进行合适的网格化。最后创建的模型共有62 338个单元， 21 598个节点。根据中国新车安全评价规程(GB 20071- 2009)，在对移动滑块设置速度为-13 889 m m /s ，最后根据实际情况对B 柱进行固定面的设置，对其碰撞时间设置为120 ms [4]〇

3正交试验的参数设计

高尔夫r因素选择

由于B 柱有4个部件，每个部件分别有材料和厚度，选择的因素过多，本文借鉴史文艳等n 研究结果可知，只有B 柱内板材料、内板厚度和加强板材料[8]这几个因素对B 柱碰撞影响大。本文在此基础上加上B 柱碰撞面截面积一起对其进行正交试验分析[9]，选择的因素A 为内板材料、B 为加强板材料、C 为内板厚度、D 为B 柱碰撞点处截面积'其截面图具体如图4所示。

3.2因素水平选择

因为A 、B 为材料，其中B 柱的材料主要是要求对碰撞

的变形，即材料

的屈服强度。选择3种结构钢 (Q 215、

Q 235

和Q 345)。其密度、弹性模量、泊松比都一致，只有屈服强度不

同。内板厚度根据实际情况选择

为1.5 mm 、1.8 mm 、2 mm 。其截面积尺寸选择为在没有干涉条件下的最大对称情况，水平选择为10 916.74 mm 2、12 616.33 mm 2,14 223.23 mm 2〇对材料的选择如表1所示，因素水平表为表2所示。

正交试验设计及分析

由于本次试验有4个因素，每个因素包含3个水平，

表1材料的选择

材料

密度

/(kg_mm_3)弹性模量

/GPa

泊松比屈服强度

/GPa Q215

7.85E-062100.30.215Q2357.85E-062100.30.235Q345

7.85E-06

210

0.3

0.345

表2

因素水平表

因素代号

试验因素

1水平

2水平3水平

A 内板材料

Q215Q235Q345B 加强板材料

Q215Q235Q345C 内板厚度/mm 1.5 1.8 2.0D

截面积尺寸/mm210 916.7412 616.3314 223.23

所以根据正交实验表格选择L 9(34)来确定样本空间。根据不同的要求对B 柱模型进行不同的修改，完成实验表格的内容，选择出最适合的方案后，导人到LS -DYNA 软件里面完成仿真求解1使用LS -PROPOST 查看其侵入量以及侵入速度。正交实验表格如表3所示。

表3

正交试验表

样本试验

影响因影响因影响因影响因最大侵人量最大侵人速

素A 素B 素C

素D /mm 度 /(m -s_1)11111148.04 6.5621222142.46 6.1531333147.49 5.9442123141.85 5.9252231140.42 5.7262312145.47 5.7873132147.68 6.1383213142.39 5.919

3321152.43

无息贷款买车6.18

侵人量均值1/mm 145.99145.85145.30146.96侵人量均值2/mm 142.58141.75145.58145.20侵人量均值3/mm 147.50148.46145.19143.91侵人量极差/mm 4.92 6.700.38 3.05主次顺序

2143侵人速度均值

l/(m *s _1)

6.22

6.20

6.08

6.37

侵入速度均值

2/(m .s _1)

5.85

6.03 6.08 6.02

侵入速度均值 3/C m.s-1)

6.07 5.97 6.03 5.92

侵人速度极差/

(m *s_1)0.360.230.050.44

主次顺序

2341

根据以侵入量为目标可以看出其中影响因素为加强板材料> 内板材料> 截面面积>内板厚度，得出为a 2b 2c 3

d 3的优化方案。而根据以侵入速度为目标可以看出其中

51汽车影响因素为截面积 > 内板材料> 加强板材料 >内板厚度，得出A 2B 3C 3D 3的优化方案。其中A 、C 、D 因素的方案一致，只有B 因素为不同。所以本文选择正交试验多目标数据分析中的综合平衡法[1

()]对8因素进行选择，在材料选择上^和 83根据生产价格方面选择，因为在B 因素中只有屈服强度不同，而屈服强度越高则物体价格越贵，所以本文选择^ 为最优方案。最终选择方案为A 2B 2C 3D 3。5

优化方案验证

根据最优方案修改模型，将生成的K 文件导入LS - DYNA 中[11]计算，在LS -PROPOST 里面查看试验结果，并与原始方案对比。最大侵人量与时间和最大侵入速度与时间曲线图如图5、图6所示。

其中最大位移由原始的152.47 mm 降为140.39 mm ，减少了5.95%，侵入速度由原始的6.43 m /s 降为5.86 m /s ，减少了 8.86%，由此可知，优化后方案在侵入量和侵入速度上面全部减少，得到了预期效果。6结语

本文基于Workbench 和LS -DYNA 的思路，对某汽车厂已生成车型的B 柱几何模型进行网格划分，以及其他的对B 柱碰撞时所需要的定义，完成了对有限元思想的阐释和应用。在此基础上借鉴史文艳等研究成果确定了具体优化参数，在此基础上添加了 B 柱碰撞点处的截面积因

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5.86 m /s ，减小了 8.86%。

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(责任编辑张立明）

作者简介：王帅

(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为CAD\CAM 应用

及仿真技术；

廉哲满

(1964—)，男，博士，教授，硕士生导师，研究方向为 CAD\CAM 应用及仿真技术。

通信作者：廉哲满，zmlian@ybu.edu.收稿日期：2017-03-14

素。对需要优化的因素水平设计了正交试验，并对试验结

果做综合平衡法分析，最终确定最优的B 柱碰撞安全性方案并验证。通过上述的研究，本文提供了一种B 柱的优化方案:B 柱内板的材料A 为Q 235钢；加强板的材料B 为 (?345钢；8柱内板的厚度(]为2 111111；截面积大小0为 14 223.23 mm 2。其优化结果使得B 柱腰线处侵入量减小到140.26 mm ，比原来降低5.95%，腰线处侵入速度降到(上接第76页）

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作者简介：刘春(I960—)，男，博士，教授，硕士生导师，研究方向为数

字化制造技术、虚拟现实仿真技术和飞机制造工艺装备等。郭大鹏（1991—)，男，硕士研究生，研究方向为虚拟现实

仿真技术。收稿日期：2017-06-29

原始设计优化设计方案

0.02 0.04 0.06

0.08 0.10 0.12

时间

图5侵入量对比

原始方案优化设计方案

0.02

0.04

0.060.08

0.12

时间

图6侵入速度对比

o o o 0

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