汽车车身结构安全部件材料匹配优化设计

汽车车身结构安全部件材料匹配优化设计

张天成

浙江零跑科技股份有限公司，浙江杭州 310000

摘要：汽车车身结构的优化设计在过去一段时间里，始终是我国汽车产业研究的主要目标，然而因为安全部件材料所具有的特点与环境因素造成的影响，所以在安全性问题方面无法取得良好的成效，为此需要进一步提升车身结构安全部件材料匹配优化设计的质量，以此来提升其安全性能。

关键词：汽车，车身结构，安全部件，材料，优化设计

引言：在汽车制造过程中，零部件的处理是一项极为复杂的工作，在针对多个零部件材料进行选择与组合时，各种部件的可选材料数量将会随之提升，所以在部件数量增加的过程中，材料组合的方法也会愈发多元化。在当前的研究过程中，怎样选取最佳的材料组合方式是学者们需要解决的主要问题之一。

1.汽车车身结构安全部件材料匹配优化设计原则与方法

1.1设计原则

目前我国出现的许多交通事故绝大多数是汽车正面碰撞所引发的，因此为了保证汽车能够有效的防范这一问题所造成的损害，汽车厂商必须为汽车结构的吸能特性制定更高的标准。所以在进行安全部件材料匹配优化设计时应当贯彻以下几点原则：首先，应当把乘员舱的加速度参数进行有效的控制，使其能够稳定在规定的区间之内，以此来防止乘员因此而受到严重的冲击；其次，应当针对前围板的侵入量进行有效的控制，同时还需要保持转向柱后移量不会过高，通过这种方式能够有效的拓展成员的生存空间，以此来维护乘员的安全不受侵害。由于当前我国汽车在千家万户得到了普及，怎样减少尾气与燃油的排放量引发了社会各界的普遍重视，为此可以尝试减少汽车的重量。当前各国的车辆制造厂商都倾向于采取重量更轻的材料来降低汽车的重量，所以应当采取强度更高的钢材，实现更加优质的汽车耐碰撞性和轻量化设计。此外，由于人们安全意识的不断提升，消费者对于车辆的安全性提出了更高的需求。调查结果表明，当前我国发生的交通事故大部分属于正面碰撞，同时这也是最容易造成人员伤亡的事故，因此本文以车身结构安全部件的材料匹配着手，针对怎样提升汽车安全性开展了细致的研究。

1.2设计方式

在进行正面碰撞安全设计的过程中，设计对象的选择拥有较强的主观性，并且不同设计材料之间也没有足够的交互性。因此在开展车身结构安全部件材料匹配优化设计的过程中，应当针对汽车的传力路径开展研究，并以此为基础来选取对于汽车安全性影响较为严重的部件，这也有助于后续开展优化设计工作，并减少选择难度^[1]。

2.汽车重要部件安全分析及优化

2.1传力路径分析

在进行汽车重要部件开展研究的过程中，需要深入探究正面碰撞过程中的应力流动，以此来评估哪些部件会在发生正面碰撞时起到良好的效用。这一问题可以体现在以下几点：首先，在汽车与刚性障碍之间出现碰撞时，汽车前端的保险杠可能会发生挤压变形，以此来把力传递至车身后方。其次，在汽车发生正面碰撞的过程中，车身下端可能会受到前轮胎的影响，同时前轮会把作用力传递至车后方。

2.2能量分布分析

在针对传力路径方面的能量分布开展研究时，需要分析该部件在传力路径中的吸能性，通过这种方式来进行部件的选择。在出现正面碰撞问题的过程中，车身上端的吸能作用通常会低于下端，因此能发现，乘员舱中的吸能大多需要由汽车下端的传力路径承担。因此能依靠不同部件之间的能力比例来分析如何进行部件的选择。

2.3敏感度分析

在进行车身结构优化设计的过程中，应当使用正交试验的手段来开展深入研究，并深入开展敏感度分析，最后再以此来评估各种影响因素之间的主次关系。通常情况下在进行汽车结构的材料选择时大多会使用高强度钢材，但采取这样的高强度钢材会导致成本大幅提升，因此在进行材料匹配优化设计的过程中，需要确保材料结构在受到替代之后可以有效的提升车辆的安全性，以此来避免车身结构安全部件材料匹配优化设计中出现的成本浪费现象^[2]。因此需要针对不同部件材料的敏感度开展研究，并依据其取得的结果来选择敏感性较高的内部件。最后依据材料的厚度来进行多目标的优化处理措施。在完成了敏感度分析之后，便可以发现需要把车身结构设计材料的整体强度维持在特定的区间内，同时由于材料的强度过高，部件材料的变量便会随之降低。由此可以发现，在进行安全部件材料匹配优化设计时，设计人员不应当仅仅关注材料强度的提升。

2.4汽车车身结构材料配置优化设计方法

在进行材料配置的过程中，可以采取许多分析方式，为此通常会采取各种类型的数学模型来开展研究。然而，无论采取这样的方式，均需要深入探究材料与厚度间的交互性。其中最普遍的方法便是将离散变量视为连续变量，再通过这种方式来把最优点圆调整至对应的离散值，以此来完成局部的最优化处理。与此同时，还能够针对各种连续变量进行离散化处理，若离散化的方法出现差异，便能够通过这一手段来取得局部最优结果。最后，学者们还能够采取遗传算法来开展研究，该方法属于计算机编码的范畴，在一般情况下，学者需要处理的对象可以属于连续离散混合变量，同时也能够针对设计空间中的各个要点开展评估，因此这种方法拥有较强的全局搜索能力

^[3]。

3.汽车车身结构安全部件材料匹配优化设计

3.1构建正面碰撞近似模型

近似模型技术需要针对优化问题求解的范围开展管控，以此来确保计算效率可以不断提升，这种方式也是过去一段时间里我国学者最常使用的优化方法之一，举例而言，kriging近似模型与RSM近似模型等都受到了学者们的广泛运用，由于各种模型本身便拥有其独特的个性，所以如果采用单一的模型，便难以同时实现全部约束条件和目标函数，同时也会使得近似模型精度受到相应的影响，所以应当依据实际状况来建立目标函数以及约束条件的近似模型，同时依靠对各种近似模型进行比较的方式来选择最佳的近似模型，以此来保障其安全设计精度。针对实验结果进行研究可以发现，汽车部件的质量与厚度之间具有一定的正相关性，因此需要采取多项式来分析各种部件的质量，所以能够采取RSM近似模型来开展研究。

3.2材料匹配优化设计以及结果分析

在进行材料匹配的过程中应当分析材料以及厚度可能造成的影响，其中分别包括了离散变量以及连续变量，所以能够将其归类于多目标优化问题，在处理此类问题的过程中，较为常用的方式是把离散变量视为连续变量，以此来求得局部最优解，然而采取这种方式处理问题存在缺乏效率的弊端，若是把连续变量视为离散变量，也会出现效率不足的问题，所以当前我国大多数研究者倾向于使用遗传算法来进行研究，并通过该算法来针对近似模型进行改良，从而得出前沿曲线，在采用该方法进行研究的过程中，许多研究者发现质量目标响应与加速度峰值目标响应之间存在矛盾，若需要对前者进行优化，就必须选择舍弃后者，再使用最小距离选解法得到的最优解代入到有限元模型中，依靠计算来求出优化先后的设计变量，在完成了设计方案的改良之后，车身的承受正面碰撞的能力取得了大幅提升，同时各种安全部件的质量也发生了下降^[4]。

结束语：总而言之，在使用上述手段进行车身结构优化设计的过程中，设计人员能够有效的提升车辆承受正面碰撞的能力，同时还可以针对汽车的结构开展轻量化处理。上述方法均具备较高的精确度，并且切实有效的降低新产品开发所需的时间，同时这对于汽车结构的研究也拥有正面的引导作用。

参考文献

[1]曹媛媛.关于如何优化设计汽车车身结构安全部件材料的分析[J].时代汽车,2020,{4}(19):140-141.

[2]黄亮.汽车车身结构安全部件材料匹配优化设计[J].南方农机,2020,51(18):118-119.

[3]杜良.汽车车身结构安全部件材料的优化设计[J].内燃机与配件,2018,{4}(17):11-13.

[4]陈见敏.关于如何优化设计汽车车身结构安全部件材料的分析[J].中国高新区,2018,{4}(10):187.