【技术实现步骤摘要】
一种轻量化混合材料汽车B柱结构的优化方法
[0001]本专利技术涉及汽车零部件轻量化设计领域，具体涉及一种轻量化混合材料汽车B柱结构的优化方法。
技术介绍
[0002]已知的，在正碰、侧碰、后碰、翻滚这四种碰撞事故中，侧面碰撞发生率为42.4％，且其死亡率高达34％。侧面碰撞事故发生时，汽车的侧面结构没有像其前、后部结构那样具有足够的变形吸能空间，故侧面碰撞对驾乘人员造成的伤害程度会更为严重。B柱作为重要的车身结构件，在汽车遭遇侧面碰撞时,可以减小其碰撞变形量,使驾驶员具有足够的生存空间，保证驾驶员的安全。另一方面，大量数据和试验显示，电动汽车质量每降10％，对应续航里程可增加5％～10％，节约15％～20％的电池成本以及20％的日常损耗成本。因此，对B柱进行设计时，要综合考虑其碰撞安全性和轻量化因素。
[0003]目前，高强度钢具有很大的屈服强度和拉伸强度，并且价格相对较低，高强度钢B柱可以在提升整车侧面碰撞安全性能的同时还降低了制造成本；但高强度钢有着密度高、重量大、变形困难、容易开裂等缺点，限制了高强度钢B柱的广泛应用。相对于高强度钢，铝合金的轻量化效果则更为显著，并且在吸能方面具备很大优势，通过采用铝合金代替钢制零部件，在同等受载情况下能够降低69％的重量和增加50％的吸能量，在吸能相同的情况下，铝合金薄壁件能够降低50％左右的重量；但铝合金可塑性过强，单一的铝合金B柱在发生碰撞事故时不能有效地保护车内人员的安全，很难满足侧碰安全性要求。
[0004]碳纤维作为车身最常用的轻量化材料，与铝合金...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种轻量化混合材料汽车B柱结构的优化方法，其特征是：所述方法具体包括如下步骤：第一步、将汽车B柱总成的几何模型导入Hypermesh软件中，采用Automesh将其进行网格划分并赋予材料和属性；第二步、将汽车B柱总成的有限元模型导入OptiStruct软件后建立三点弯曲、轴向拉伸和侧向弯曲工况，焊接方式用acm单元来模拟；第三步、在进行碳纤维铺层设计前，对汽车B柱总成进行结构改进、材料替换和连接方式更改，因为轻量化混合材料汽车B柱总成需要满足上部刚度大抗变形、下部刚度小吸能强的结构特点，删除增强汽车B柱上部区域刚度的金属B柱加强板A(2)和金属B柱加强板B(3)，通过设计碳纤维铺层来弥补删除掉金属B柱加强板A(2)和金属B柱加强板B(3)而损失的刚度；在侧碰试验中，碰车前端吸能块与车轮最低点的最高高度在800～900mm处，故以车轮最低点高800mm处为分界线将金属B柱加强板C(4)分成高强钢B柱加强板(7)和铝合金B柱加强板(8)，将高强钢B柱加强板(7)和铝合金B柱加强板(8)的长度各增加100mm，将长为200mm的重合区域作为连接区域；高强钢B柱加强板(7)的材质为Q460钢，铝合金B柱加强板(8)的材质为6016铝合金，金属B柱内板(1)更换为碳纤维复合材料B柱内板(6)，汽车B柱总成的连接方法为碳纤维复合材料B柱内板(6)与高强钢B柱加强板(7)和铝合金B柱加强板(8)采用胶接方式，使用“Adhesives+RBE3”单元来实现；铝合金B柱加强板(8)与高强钢B柱加强板(7)以及金属B柱外板(5)的连接方式暂定用“RBE2”单元将它们连接起来；第四步、将混合材料B柱模型导入Optistruct软件中，在connectors界面中选中area面板，在location处选中胶粘区域，在connect what处选择碳纤维复合材料B柱内板(6)、高强钢B柱加强板(7)和铝合金B柱加强板(8)，type设置为adhesives，然后点击create生成模拟胶粘连接的“Adhesives+RBE3”单元；在铺层设计阶段，高强钢B柱加强板(7)、铝合金B柱加强板(8)与金属B柱外板(5)的连接通过RBE2单元进行模拟，进行模拟时，在1D界面中选中rigid，在independent处选中主节点，在dependent处选中从节点，点击create生成将主从节点连接起来的RBE2单元；第五步、在OptiStruct软件中，采用自由尺寸优化、尺寸优化及铺层顺序优化多层次优化方法，确定铺层块形状、铺层数目及铺层顺序，确定碳纤维复合材料B柱内板的铺层方案，为简化概念设计阶段的初始变量，各个铺向角的厚度主要以集合的形式存在，即相同铺向角的铺层视为一个集合，称为超级层，针对采用壳单元建模地碳纤维复合材料内板，在自由尺寸阶段以超级层的厚度作为设计变量，对各超级层进行连续变量优化设计，即通过改变每一层的厚度和每个单元的纤维方向，层合板的总厚度在整个结构中持续变化；由于超级层是具有相同铺向角的单层板铺叠而成，为了确定各个单层板的铺块形状，需要将各个超级层解析为形状不同的铺层块，由于各个单层板的铺块形状和铺设位置不一定相同，导致超级层的整体厚度也是不均匀的，由此对碳纤维复合材料B柱内板进行等刚度变厚度设计，进而提高材料利用率；第六步、经过自由尺寸优化之后，得到每个超级层的厚度以及它的铺层裁剪形状，而每一个超级层具有4组不同的铺层块，这四个铺层块叠加在一起能表示一个超级层的优化结果，但由于优化得到的铺层块太过于理想，铺层块的形状往往是非常不规则的，不利于工业
下料裁剪，因此需要对自由优化后的铺层块进行规则化处理，即将铺层块不负责的孔洞修剪成方便裁剪的矩形孔，以方便工业铺层下料，在进行规则处理时，为了防止处理后的层合板性能下降，矩形孔的边界不能超过不规则孔洞的边界；为了防止轻量化效果减少，矩形孔的面积要尽可能大；除此以外，自由尺寸优化得到的每个铺层厚度是不同的，在实际生产制造时需要很高代价，为了使得到的结果有较好的经济性，因此引入单层厚度为0.3mm的制造性约束以获得厚度相同的单个铺层，在引入此制造性约束并进行尺寸优化后，便可获得每种形状的铺层块实际铺层数，实际铺层数为尺寸优化后得到的厚度尺寸T
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除以单层厚度0.3；第七步、通过连续变量厚度优化设计所获得的碳纤维复合材料B柱内板的优化方案满足了刚度性能的需求，但在工程制造中碳纤维复合材料B柱内板还须满足一定的工艺性约束、限制铺层顺序引起不利内力的约束以及限制纤维断开的连续性约束，除此以外，合理的铺层顺序可以进一步提高混合材料汽车B柱的抗冲击性能；第八步、将原金属汽车B柱和混合材料汽车B柱的白车身有限元模型导入OptiStruct软件中，根据试验工况建立白车身静态弯扭工况的有限元模型；在进行白车身自由模态分析时，则需要将白车身有限元模型导入到Nastran软件进行设置并求解；第九步、因为初定的碳纤维复合材料B柱内板仅考虑了汽车B柱总成的性能需求，而未考虑整车性能的需求，这使得碳纤维复合材料超级层的厚度未能与白车身其他部件达到最佳匹配，甚至可能会导致白车身静动态性能下降，故需将初定的碳纤维复合材料B柱内板代入白车身并进行静态弯扭刚度分析和自由模态分析；基于白车身静动态性能，对碳纤维复合材料B柱内板再一次进行尺寸优化和铺层顺序优化，这样的铺层设计不会使白车身的静动态性能下降并保证了混合材料汽车B柱的实际使用价值，由于白车身轻量化系数综合考虑了车身重量、投影面积以及扭转刚度性能指标，能够更好地综合其性能和轻量化设计，因此以白车身轻量化系数为优化目标，对碳纤维复合材料内板进行尺寸优化以及铺层顺序优化；第十步、考虑复合材料铺层工艺和制造过程，使用复合材料铺层设计软件FiberSIM来建立碳纤维复合材料B柱内板(6)的铺层模型，建模方法为将单铺层进行堆叠设计构成层合板结构，然后将各铺层的铺覆信息导入到有限元软件中，完成轻量化混合材料汽车B柱的建模；将使用沉头铆钉(10)、六角头螺栓(11)、胶粘和粘铆连接的轻量化混合材料汽车B柱分别代入白车身模型，进行白车身静态弯扭工况和自由模态的有限元分析，采用OptiStruct求解器进行求解，得到白车身静态弯扭工况和整体一阶弯扭模态振型时得到沉头铆钉(10)、六角头螺栓(11)和胶层(13)的受力情况，综合考虑所选材料的力学性能和成本，确定轻量化混合材料汽车B柱的最优连接方式；第十一步、按照C
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NCAP的侧面标准进行可变形移动壁障的侧面碰撞试验时，移动台车(15)前端放置可变形蜂窝铝结构，试验时移动壁障冲击试验车辆(14)的左侧即驾驶员侧，移动台车(15)的冲击方向与试验车辆(14)垂直，移动壁障的中心线位于试验车辆(14)的R点后方250mm处的位置，碰撞速度是同时要求移动台车(15)的纵向中垂面与车辆通过驾驶员座椅R点向后250mm处的横截垂面的间距在正负25mm内，在驾驶员位置和后排座椅的左侧处分别上放置一个WorldSID50th和SID
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IIs型假人以便模拟驾驶员和后排人员的
伤害情况；按照C
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NCAP的侧面柱碰试验方法为刚性固定圆柱(16)的直径为254mm且位于试验车辆左侧，试验车辆(14)撞向壁障的碰撞速度大小为碰撞速度方向为与车辆坐标系X轴成75
±3°
，试验车辆(14)前排驾驶员位置放置1个WorldSID50th假人，以便模拟驾驶员的伤害情况，固定刚性圆柱(16)的下端不能高于被测车辆撞击侧的车轮最低点之上102mm，上端必须超过试验车辆的最高点，圆柱的中心与假人头部中心的连线与速度方向一致；所述按照C
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NCAP的侧面碰撞试验和侧面柱碰试验方法，建立整车侧面碰撞模型和侧面柱碰模型，并在假人头部、胸部、腹部和骨盆对应B柱的位置处分别建立刚度为1
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N/mm的弹簧单元，将上述有限元模型以k文件格式导出，用LS
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DYNA求解器进行求解，根据弹簧单元的变形量得到假人头部、胸部、腹...
【专利技术属性】
技术研发人员：张帅，李瑞旭，徐立友，王鹏飞，李轶鹏，潘沣源，牛源，闫祥海，赵思夏，王其远，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：
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