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应用多材料与泡沫填充的汽车车身前端结构的耐撞性与轻量化优化
摘要
汽车车身的前端结构，如保险杠和吸能盒，对于保护其他部件免于低速碰撞时的损坏而言具有至关重要的作用；同时，在保证碰撞性的前提下，还应达到优异的轻量化效果。本文结合了两种轻量化改进的方法，分别是结构优化和利用高强度、高质量效率的材料代替原材料，或采用加固材料进行保险杠、吸能盒与前纵梁的耐撞性优化。保险杠，吸能盒和前纵梁的原始材料分别由铝合金6060，TRIP800和DP800取代。泡沫铝填充在保险杠中以代替原来的增强板，并且填充在吸能盒中以增加能量吸收。从多材料设计和单一材料设计中进行选择。优化过程中，定义耐撞性标准为约束条件，利用响应面代理模型和精英策略遗传算法解决最小质量数学模型。在单一材料的优化中，优化结果已经实现了增加10.1%的能量吸收，峰值碰撞力和碰撞距离分别下降了11.1%和12.6%，总质量则减轻了11.1%。而对于多材料优化，优化结果获得了进一步的最佳值。结果显示，充气保险杠可以克服保险杠中端的缺点，导致承重保险杠失效，并且泡沫填充物也与吸能盒具有相互作用，通过这种方式，它获得了显著增长的能量吸收。多种材料设计的应用极大地扩展了耐撞性和轻量化优化的潜力。
关键词
前端结构，耐撞性，轻量化，替代模型，多种材料优化，泡沫填充
引言
如今，频繁发生的车辆碰撞事故已经成为对乘客和司机两者安全的重大威胁。车辆碰撞性能在汽车安全性能设计中占据了非常重要的地位。传统上，耐撞性总是取决于与结构设计，材料厚度，材料强度等级有直接关系的车身结构的强度。这是增厚和升级材料或改进结构设计的有效方法。汽车的前端结构，特别是保险杠和吸能盒，具有保护车身和乘客的作用。至于前纵梁，在低速碰撞时轻微的偏转是可以接受的，因为它也起到了保护作用。为了提高这些部件的耐撞性，通用方法是采用更多的材料或使用更合适的材料。但是，随着厚度的增加或材料的随机升级可能会导致车身的重量效率降低。据国际铝业协会报道，汽车减重10%，耗油量下降8%，排放量下降4%。日产首席技术官大久保伸夫也指出，车重下降10%，油耗降低8%至10%。一般来说，汽车重量的白车身（BIW）重量为30%-40%，因此白车身重量减轻的可能性很大。随着燃料能源的不足，节能和轻量化设计使车辆更加经济化已成为相当重要的趋势。目前，通过优化材料设计来减少车身重量有两种方法。（1）用低密度材料（如碳纤维，铝合金（AA）或泡沫填充剂）替换铁或钢。（2）采用高强度钢材减少板材厚度。
作为汽车车身的辅助设备，保险杠在轻量化材料选择的基础上开始越来越受到轻量化设计的关注。Wang和Li1基于有限元分析（FEA）对汽车碳纤维复合材料保险杠梁进行了设计和分析。胡2等人对碳纤维增强塑料保险杠梁进行了低速正面碰撞的研究 Michael3等人研究了保险杠系统的膨胀聚丙烯泡沫能量管理。关于汽车前端结构，Anindya4等人提出了汽车前端结构的高效设计优化。Bryan5等通过模拟和物理测试研究了前部吸能盒的质量效率。关于高性能材料的轻量化应用，Chen和Aleksy6讨论了先进高强钢（AHSS）零件几何特征对碰撞行为的影响。 Jacek和Ireneusz7将AHSS用于汽车车身零件的使用并模拟冲压过程。Huang8等将AHSS引入自动屋面强度应用中，并通过有限元分析模拟进行了研究，结果表明AHSS设计能够满足更严格的屋顶挤压要求。Yang9等研究了AA的动态行为和能量吸收效应。关于铝泡沫的理论研究，Deshpande和Fleck10提出了金属泡沫的各向同性本构模型。Veloso11等开发了一个数值模型来研究铝泡沫填料对钢管能量吸收器动态行为的影响。Li12等介绍了铝泡沫填充管在倾斜加载下的变形和能量吸收。Matteo13等描述了用于汽车用途的由铝泡沫填充管制成的防侵入杆，并比较了基于不同材料（如低碳钢和高强度钢）的试管尺寸和条件 Attia14等实现了功能梯度泡沫填充柱的非线性有限元分析。Ahmad15等研究了在倾斜冲击载荷作用下，填充泡沫的锥形管的动态能量吸收特性。
使用这些替代轻质材料可以使车身更轻; 一般而言，车身质量越轻，车身强度和耐撞性能越差。车身结构优化设计可实现轻量化，高刚度，高强度和耐撞性16。
为了平衡矛盾的设计目标作为轻量化和耐撞性，应该在实现轻量化设计的基础上进行优化研究，以满足耐撞性的前提。但碰撞过程中的结构优化，伴随着几何非线性，物理非线性，材料非线性，并且伴随着结构的大变形，是典型的动力学高度非线性优化问题17。为了解决这个复杂的碰撞优化问题，通常使用代理模型。例如，Sun18等人使用替代模型优化了功能梯度泡沫填充薄壁结构的耐撞性，最佳结果表明功能梯度泡沫填充结构优于均匀泡沫填充结构。此外，Song19等对具有多项式响应面（PRS），克立格（KRG），径向基函数（RBF）和支持向量的多替代模型进行了泡沫填充锥形薄壁结构的耐撞性优化 回归（SVR）。Acar20等还采用了PRS，KRG和RBF三种替代模型来完成锥形管的多目标碰撞优化，并评估了PRS，KRG和RBF的求解精度。此外，Kim21等提出了近年来解决碰撞优化问题的等效静态加载方法，建立了碰撞显式动态分析每个时间步长的静态线性优化模型，并采用序列优化方法解决动态碰撞问题。
在本文中，研究对象将低速正面碰撞中影响前端结构性能的保险杠，吸能盒和前纵梁大大集成在一起。以此组件为例，传统轻量化尺寸优化作为第一步，是在碰撞过程中使用单一低碳钢材料进行的。然后采用AA，AHSS和铝泡沫材料的多种材料分别用于保险杠，吸能盒和前纵梁以及保险杠加注件和吸能盒填充件 在相同条件下比较碰撞性能结果。最佳设计也是根据性能评估来选择的。接下来，考虑七个变量的耐撞性和轻量级优化在上述多材料设计方面同步实施。最后，对单一材料的尺寸优化与基于多种材料的组合结构设计的尺寸优化进行了比较。
耐撞性优化设计
由于碰撞过程中的非线性，要进行灵敏度分析以获得耐撞性优化的梯度信息是非常困难的。如果采用参数自动迭代优化方法，每次参数迭代都需要进行仿真计算，优化后的数千次迭代步骤严重限制了这种方法。然而，使用代理模型方法可将具有高非线性的复杂碰撞优化问题转化为更容易的近似模型优化。其步骤如下：首先，通过实验设计（DOE）取样，用非线性显式动态代码LS-DYNA计算测试值，建立近似模型，最后利用遗传算法对响应面进行优化得到最优解 精英战略（GA-ES）。 图1显示了优化流程图。
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图1.耐撞性优化流程图。 |
对象结构的描述
图2（a）描述了本文的研究对象。 在车辆低速正面碰撞中，该物体是车辆前端能量吸收和乘员保护的重要结构，它包含保险杠，保险杠后面的加强板，吸能盒内部和吸能盒外部，前部前纵梁内部 部分和前部前纵梁外部，固定前部前纵梁的端部约束的固定板以及连接前部前纵梁和碰撞吸能盒的连接板。此外，为了改进设计，保险杠和吸能盒内有几块泡沫填充物。出于重量效率的原因，加强板可能会被移除。移动的刚性屏障加载速度为20 km / h，适合模拟低速碰撞。
当车辆发生正面碰撞时，合理的能量传递路径应该是保险杠将能量分散到左右两侧的吸能盒中，使吸能盒发生压缩变形，从而将“力流”转移到前面 通过连接板前纵梁，如图2（b）所示。如果碰撞动能小于吸能盒的能量吸收极限，则前纵梁受到良好保护; 否则，前纵梁会因大挠度而损坏，并伴随着大的碰撞力传递到乘客舱。低速碰撞后，保险杠或吸能盒的更换成本相对较低，但前轨维修成本非常高。理想的前端结构应该在吸能盒被压碎后保护前端不受大变形的影响，而前端前纵梁应避免过大的侧向弯曲或偏转不稳定性，导致前端结构急剧变形和侵入乘员剩余空间。 前纵梁压缩变形应尽可能沿轴向。
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图2. 汽车的前端结构：（a）研究对象的组成部分和（b）力流图 |
结构耐撞性标准
基本上，定义耐撞性标准至关重要，以优化泡沫填充组件的性能，如预先设计的保险杠，吸能盒和前纵梁。迄今为止，已经建立了许多指标来评估能量吸收能力的耐撞性20,22。在这些指标中，比能吸收（SEA）和挤压力效率（CFE）可以系统地描述能量吸收的能力，并已被广泛用于结构设计和优化问题，以实现耐撞性和轻量化。但是，优异的能量吸收和缓冲能力并不能保证起皱距离满足安全要求。而且大的距离难以确保乘客有良好的剩余空间。因此，在这项研究中，纵向结构起皱距离被引入作为第三个指标来评估由组件的最大变形引起的驾驶室的入侵风险。换句话说，折皱距离有助于消除由前纵梁弯曲产生的异常皱褶样本。在异常弯曲情况下，如图3所示，皱褶值大于正常值（L.C）。消除这些不正确的样本确保了替代模型的准确性。
通常，汽车部件的能量吸收（EA）
测量在冲击过程中能量吸收的能力，可以确定数学上的
其中F（）表示瞬时冲击载荷并且是位移的函数。
SEA反映单个第i部分的单位质量吸收能量
对于部件号为j的整个结构，SEA可写为
Mi是第i部分的质量。因此，SEA揭示了研究对象的能量吸收效率。 SEA的价值越高，效率越高。
平均碰撞力Fmcf是第二个指标，定义为EA除以相应的变形位移为
CFE被构造为Fmcf除以Fpeak，这是全球影响过程中的最大力量，并且CFE被表示为
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图3.碰撞距离条件 |
对于单个零件，平均碰撞力和CFE如下
纵向结构皱折距离L等于变形位移，可以通过i的和来获得，为
以上所有指标都可以通过LS-DYNA的后处理软件LS-PREPOST从计算日期读取。
材料属性
AHSS。根据超轻型汽车车身先进车辆概念（ULSAB-AVC）的超轻型钢车研究，高强度钢定义为屈服强度范围为210—550N / mm2，屈服强度超过550N/平方毫米。根据不同的强化机理，高强度钢分为普通高强度钢和高强度钢。其
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图4.作为工程措施，绘制各种类别的高强度钢板的拉伸强度和伸长率的组合图23,24。 |
中普通高强度钢主要包括高强度无间隙（IF）钢，烘烤硬化（BH）钢，各向同性（ISO）钢，碳锰（CMn）钢和高强度低合金（HSLA）钢。AHSS主要由双相（DP）钢，多相（CP）钢，变形诱导塑性（TRIP）钢，贝氏体（BP）钢和马氏体（MART）钢组成。图4的图表显示了各种高强度钢板的强度和塑性之间的关系。从图上看，随着强度的增加，可塑性显着下降。虽然塑性随着强度的增加而降低，但由于不同的强化机制，塑性降低的程度不同。
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表1.DP800的材料性能参数 |
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图5. 低应力的真应力与真实塑性应变曲线25 |
TRIP和DP等结构强化可以实现结合高强度和优异塑性的综合特性。由于耐撞性和轻量化要求，BIW部件需要高强度和优异的可塑性。随着更好的应变分布特性，更高的应变硬化性能，更显着的耐撞性能，AHSS已成为白车身或零件厚度减小材料设计和优化的一个非常有前途的选择。
低碳钢和AHSS本构模型。在LS-DYNA中实现了由低碳钢或AHSS和AA制成的由保险杠，吸能盒和前纵梁组成的组件分析，以模拟其动态冲击过程。图5-7分别显示了低碳钢，DP800和TRIP800的真实应力与真实塑性曲线。为了数值表征材料行为，将有效屈服应力的本构方程作为有效塑性应变的函数sigma;拟合到以下公式26
其中sigma;0代表初始屈服应力，Qi和Ci代表应变硬化系数，ε0代表参考应变率，q代表材料常数。表1总结了DP800材料性能的案例研究。
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图6. DP800高强度钢在不同应变率下的真应力与塑性应变曲线26 |
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