某型轿车侧围结构设计与分析

某型轿车侧围结构设计与分析
汽车在侧面碰撞中，B柱作为非常重要的侧面结构，它是承受侧面碰撞力的主要部件。

它的侵入量、侵入速度和变形模式对乘员的损伤有着直接的关系，所以良好的B柱变形能减轻驾驶员的损伤。

本文主要是参考原有车型捷达的侧围数据进行建模，然后对侧围结构进行优化设计，并且做出两个侧围模型进行对比，然后对这些侧围结构进行ANSYS受力分析，达到对侧围结构优化设计的目的。

标签：汽车；侧围；优化；B柱
0 引言
汽车的侧面是整车中强度比较薄弱的地方。

对于在汽车中数量最多的轿车，因其侧面的车门强度更加薄弱，所以研究侧面的抗碰撞能力尤为的重要。

对于轿车的侧部，在发生侧面碰撞的时候，由于缓冲区较小，没有它的前部和后部那样有足够大的空间来发生结构变形去吸收碰撞的能量。

并且车辆被撞的地方与乘员的距离较近，一旦受到来自侧面的撞击，乘员将会受到强烈贯入的冲击载荷作用，轻则重伤，严重时会危及生命。

1 车身侧围结构数据采集与建模
1.1 车身侧围数据采集
本次数据采集使用的是三坐标测量机，首先先找一个点来设置为零点，然后通过操纵三坐标测量仪使三坐标测量仪的探针移动，这样就会使三坐标探头和零点有一个相对位置。

通过记录当三坐标探针移动后产生的相对位置的坐标X、Y、Z，就可以得到捷达车的侧围点云数据。

1.2 三维模型的建立过程
本次设计使用的是逆向工程（RE：Reverse Engineering）设计方法，并以此进行捷达车身侧围的逆向工程设计，将捷达车身侧围实物转变为虚拟的电子三维模型，实现高逼真度的仿真模拟。

通过前期测量的车身侧围点云数据，在CATIA 中将测量的点输入，由点构线，由线构面，最后生成所需要的CAD模型。

其基本顺序为：先建立侧围外板模型，再建立车门内板模型，最后将其进行装配。

建模完成后使用CATIA中的自由式分析中的箭状曲率分析对曲面的光顺性进行检查，经检测后发现曲面的光顺性良好。

装配模型如图1所示。

2 改进前车身側围有限元分析
2.1 前处理
此处填入二将CATIA中的侧围的三维模型打开，在侧围的三维模型上加7
根横梁，加7根横梁的目的是在ANSYS做分析时施加约束。

启动workbench的explicit dynamics模塊，首先，点击engineering data模块定义材料模型，然后在DesignModeler模块下将侧围模型和碰撞块导入进来。

然后点击generate 生成模型。

点击Explicit dynamics模块设置初始条件，在这里选择的是initial 中的速度velocity。

先选择碰撞块，然后设置碰撞速度，在这里设置的碰撞速度是54km/h，碰撞方向是沿着y轴的负方向。

其次，点击Explicit dynamics模块下的analysis settings 设置碰撞结束时间，这里选择的是0.01s。

接下来，在该模块中插入固定约束。

将固定约束加在了7根横梁的端面上。

最后，点击solution 模块，在该模块中插入，总变形结果，方向变形结果，等效应力结果、应变结果，接下来点击solve，workbench就开始计算分析。

CAE 模型如图2所示。

2.2 后处理
此处观察workbench的结果图，选择Mechannical界面左侧分析树中的Solution选项，并选择Solution工具栏中总变形和等效应力（Equivalent Stress）选项，然后观察总变形的结果，这里主要是看B柱的变形量。

如图3所示。

从结果图3中可以看出，这里的最大变形量为129.1mm，可见B柱的侵入量为129.1mm。

于是通过优化模型改变B柱的侵入量，提高侧围的碰撞性能。

3 侧围结构优化
3.1 设计优化方案
第一种方案是：考虑到提高汽车的轻量化，通过改变材料的类型来提高汽车侧围的抗撞性能。

为了使汽车的重量降低，强度增加，汽车的车身多采用高强度钢，因此本文将侧围材料设置为高强度钢。

第二种方案是：考虑到人工工程学，并且考虑到乘客上下车的方便性，通过改变B柱的结构，在B柱中加入加强板。

改变后的结构如图4所示。

3.2 改进后模型的有限元分析
在workbench中分析上述改进后的模型，具体前处理方式与上述一致，这里不再赘述。

按照方案1，将材料更换为高强度钢。

其分析结果如图5所示。

从图5可以看出，最大变形量为124.24mm相比第一次的分析，可见侵入量有改变。

比第一次的分析结果少了4.86mm。

按照方案2，通过在B柱中加入加强板来提高B柱的强度和硬度，提高碰撞性能。

在新的侧围外板中，加入了2块加强板。

由于侧围内板基本上保持不变，就使用原有的侧围内板模型。

其分析
结果如图6所示。

从图6中可以看出，这里的最大变形量为102.47mm。

因此，B柱的侵入量就是102.47mm。

相比之前减少了26.63mm。

4 结论
在发生侧面碰撞的时候，由于缓冲区较小，没有它的前部和后部那样有足够大的空间来发生结构变形去吸收碰撞的能量。

因此提高汽车侧围的强度对于乘员安全至关重要。

汽车侧围的强度可以从材料和结构两方面着手，本文通过使用合理的材料，改进合理的结构，使汽车在发生侧面碰撞时侧围的侵入量大大减小，对保护驾驶人员以及乘客的人身安全起了至关重要的作用。

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