浅析汽车车身结构安全部件材料匹配优化设计

许宝星　王靖博

摘 要：虽然汽车产业取得了迅速发展，汽车逐渐普及，设计水平也有显著提升，但是从汽车车身结构安全部件材料匹配的设计现状来看，还存在很多问题，其中表现最突出的就是安全部件的选择具有较大的盲目性，在优化设计的过程中，对材料的厚度和交互性没有进行充分考虑。为了解决这些问题，提高汽车车身结构安全部件的设计水平，本文从碰撞安全性、关键安全部件的选择等方面进行了讨论和分析。

关键词：汽车车身结构安；安全部件；材料匹配；优化设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.187

0 引言

随着汽车的普及，如何降低其燃油量和尾气的排放量开始引起社会的广泛关注，其中减轻汽车的重量，实现汽车的轻量化是一种非常重要的方式。目前，国际上主要采用轻量化的材料来达到减汽车重量的目标，因此，选择高强度钢材在汽车耐碰撞性和轻量化设计中具有重要意义。同时，随着人们安全意识的逐渐增强，人们对汽车的安全性能提出了更高的要求。有相关的调查数据显示，正面碰撞的发生率在交通安全事故中居于首位，伤亡的严重程度也最高，所以本文从汽车车身结构安全部件的材料匹配方面对如何提高汽车设计的安全性进行了论述。

1 汽车碰撞的安全性设计原则

在正面碰撞中，要保障汽车的安全性，对汽车结构的吸能特性提出了较高的要求。这样，在车辆碰撞的过程中，如果汽车具有良好的吸收动能，就可以满足车体的加速度和入侵控制的良好匹配。

正因如此，所以在汽车正面碰撞的安全设计需要坚持如下原则：第一，将乘员舱的加速度参数控制在较小的范围内，避免乘员受到较大的冲击；第二，将前围板的侵入量设置为较低的数值，同样保持较低的转向柱后移量，用来增加成员的生存空间，保护乘坐人员的生命安全。

2 汽车车身结构安全部件材料匹配优化设计的主要方法

由于汽车正面碰撞设计的对象具有较大的随意性，而且没有充分考虑到材料的厚度和交互性影响。所以为了提高设计方案的完整性，我们对汽车车身结构中具有重要作用的安全部件材料的优化匹配设计进行了讨论分析。这种设计方法的具体步骤如下：

第一，选择相关的安全设计部件。在选择安全部件之前，需要先计算出传力路径，对能量分布进行分析，然后才能通过的敏感度的评价分析，提高设计的准确性，确定在汽车的正面碰撞中，会对其安全性产生较大影响的部件，并将其作为主要的设计对象。通过上述方法，就可以有效解决设计对象难以确定的问题。

第二，根据已经确定的设计对象，建立比较相近的模型来择优选择，同时对多个目标材料的厚度和交互性进行优化，这样就能够实现材料厚度的离散以及连续变量的混合优化。

3 汽车车身结构关键安全部件的选择

3.1 建立汽车正面碰撞的仿真模型

我们将Ford Taurus轿车的整车模型作为整车碰撞的有限元模型。为了对这一仿真模型的有效性进行验证，我们将某型号的汽车作为对象，进行了正面碰撞实验。本次实验是由美国的国家碰撞中心安排的，具有较高的可信度。

将本次实验的结果和仿真后左右后座椅的平均加速度曲线进行比较，结合碰撞之后的汽车变形情况。

汽车碰撞实验得到的结果和仿真的结果具有较高的一致性。因此可以证明，利用仿真模型进行计算，可以保障计算的精确性，可以用来代替真实的实验，为相关研究提供方便。

3.2 分析传力路径

主要的传力路径主要有3种，具体如下：第一，如果汽车和正前方汽车的刚性壁障发生碰撞，那么就会导致汽车的前保险杠发生变形。此时，汽车受力就会传递到上纵梁，然后再传到A柱的上端，最后向后。第二，当汽车和前面的刚性壁障发生碰撞时，前保险杠会变形。此时，汽车所受到的力就会经过前纵梁，传导到A柱的下端、地板纵梁和门槛梁等部位，然后继续向后传递。第三，在碰撞发生后，前轮胎会对A柱的下端产生作用力，这样前轮受到的力就会直接传递到A柱的下端，然后再到门槛梁，接着向后传递。

3.3 分析能量分布

通过对传力路径上主要部件的能量分析，确定哪些部件在传力路径上起到了主要的吸能作用 ，进而确定正碰过程中的相关部件。A柱上端的吸能明显小于A柱下端，因此可以判断在乘员舱部分的吸能主要由车辆下部传力路径承担，同时通过各部件能量占比可以进一步确定正碰过程中的主要相关部件。

4 结束语

综上所述，在汽车车身结构安全部件的匹配设计中，本文采用的方法具有显著优势，不仅可以大幅度提升汽车正面的耐碰撞性能，而且有助于减轻车身整体结构的重量，优化性能。由此看来，汽车车身结构安全部件的匹配优化设计方法具有准确性和有效性的特点，可以有效地指导汽车的车身设计，缩短汽车产品的研发周期，提高汽车车身设计的安全性。

参考文献：

[1]姚宙，李光耀，李方义.基于遗传算法与仿真的偏置碰撞安全结构改进研究[J].中国机械工程，2010，06（22）：2755-2760.

[2]张友根.基于新常态战略的汽车塑料工程绿塑创新驱动的分析研究[J].橡塑技术与装备，2015，14（20）：20-50.

[3]王金轮，兰凤崇，陈吉清.考虑材料变形路径及应变率的车身前端吸能结构优化[J].汽车工程，2013，10（03）：265-271.

[4]周成軍，沈嵘枫，周新年等.电动汽车车身结构轻量化研究进展[J].林业机械与木工设备，2012，20（11）：14-18.