基于有限元分析的高強鋼B柱零件的應用研究論文
1 前言
汽車(chē)B柱又稱(chēng)中柱，位于前門(mén)和后門(mén)之間，是重要的承力構件。其作用是保證汽車(chē)在承受一定撞擊的情況下，前車(chē)門(mén)能夠打開(kāi)、不產(chǎn)生嚴重的破壞和殘余變形。因此，必須具有足夠的剛度和強度。作為整車(chē)重要的側面結構，B柱侵入速度和變形模式與乘員的損傷有直接關(guān)系，對整車(chē)側碰性能有重要影響。目前，高強鋼零件在車(chē)身上的應用比例普遍不高，汽車(chē) B 柱是應用開(kāi)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，結合CAD工程設計和材料成型工藝，以某經(jīng)過(guò)試驗仿真對標后的車(chē)型為研究對象，研究了 B 柱基礎模型的結構，并對高強鋼零件替換模型的結構進(jìn)行了優(yōu)化。經(jīng)分析驗證，高強鋼零件的應用方案在實(shí)現減重的同時(shí)，滿(mǎn)足了結構性能的目標要求。
3 基礎模型的結構性能分析
B 柱的基礎模型由以點(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，其中強度最高的加強板下段零件的屈服強度為549 MPa，其余零件的屈服強度均低于340 MPa。B柱承受的主要載荷是來(lái)自于側面的撞擊。下面從靜力分析和碰撞性能兩方面研究B柱的結構性能。
3.1 靜力分析
汽車(chē)B柱靜力分析內容主要包括彎曲工況下的剛度和強度，在分析過(guò)程中將 B 柱簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁來(lái)計算。
約束B(niǎo)柱上、下端與車(chē)身焊接處的所有平動(dòng)自由度和轉動(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(chē) B 柱碰撞性能分析主要考慮側面撞擊的工況。建立半徑為 100 mm的柱體，并設定其為剛體；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 高強鋼零件替換模型性能分析
4.1 高強鋼零件替換方案
高強鋼零件材料的屈服強度高達936 MPa，可以代替普通鋼板零件以實(shí)現減重目標。本文將車(chē)身 B 柱的上、下加強板和頂梁加強板替換為高強鋼零件，并進(jìn)行減薄，在此基礎上去除B柱內部加強件。B柱總成共有7個(gè)零件采用該方案，減重1.45 kg。
4.2 靜力分析結果對比
B 柱整體結構的最大應力位置相同，最大應力值降低14.6%；但高強鋼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(chē)身剛度靈敏度較高的零件，由于高強鋼零件的替換不利于白車(chē)身剛度性能水平的提高，因此需要通過(guò)結構優(yōu)化設計彌補性能損失。
5 高強鋼零件替換模型的結構優(yōu)化
為彌補高強鋼零件替換后B柱的結構剛度和碰撞性能的損失，在與基礎模型相同的靜力分析工況下，通過(guò)B 柱總成拓撲優(yōu)化、加強板形貌優(yōu)化及加強筋設計、加強板尺寸優(yōu)化及設計，對B柱高強鋼零件替換模型的結構進(jìn)行優(yōu)化，在實(shí)現減重的同時(shí)，充分發(fā)揮高強鋼零件的使用性能，使優(yōu)化模型結構性能得以提升。
5.1 B柱總成拓撲優(yōu)化及設計
拓撲優(yōu)化是在給定的設計空間內尋求最佳的`材料分布。其優(yōu)化結果不涉及結構尺寸設計，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域，以便在最優(yōu)的材料分布情況下開(kāi)展優(yōu)化設計。
5.2 加強板形貌優(yōu)化及加強筋設計
形貌優(yōu)化是在板型結構中尋找最優(yōu)的加強筋分布的概念設計方法，用來(lái)設計薄壁結構的強化壓痕，在不增加結構質(zhì)量的前提下，提高結構的剛度。
6 優(yōu)化模型的結構性能驗證
綜合拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化及尺寸優(yōu)化的優(yōu)化設計方案，建立 B 柱總成高強鋼零件替換優(yōu)化模型。該優(yōu)化模型由 7 個(gè)零件組成，比基礎模型減重 0.47 kg，B 柱的外加強板和頂梁加強板為高強鋼零件，其余均為普通冷沖壓零部件。下面對優(yōu)化模型的B柱整體結構剛度和碰撞性能進(jìn)行分析驗證。
7 結論
a.通過(guò)研究B 柱基礎模型的結構、性能，建立了B柱總成與整車(chē)的性能關(guān)系，確定了能夠反映B柱總成結構和性能的典型模擬工況，評估了基礎模型的結構剛度、應力大小和碰撞性能水平。
b.對高強鋼零件替換模型采取拓撲優(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，零件數目減少、結構剛度達到基礎模型水平、碰撞性能明顯提升。達到了預期研究目的。
c.本文中的高強鋼零件應用及結構優(yōu)化是CAE 有限元分析、CAD 工程設計和材料工藝分析等多學(xué)科的綜合應用，形成了一套可行的結構優(yōu)化流程及性能研究方法，對汽車(chē)其他新材料和新工藝的應用開(kāi)發(fā)具有重要的參考價(jià)值。
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