李勇俊，雷 飛，劉啟明，王 瓊

考慮結(jié)構(gòu)、材料和工藝要求的復(fù)合材料B柱優(yōu)化?

李勇俊，雷 飛，劉啟明，王 瓊

(湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082)

為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，提高汽車耐撞性，并考慮汽車B柱結(jié)構(gòu)形式和材料特性，采用了一種復(fù)合材料B柱削層結(jié)構(gòu)。利用復(fù)合材料可通過(guò)削層工藝方便地實(shí)現(xiàn)變截面厚度的特性，分兩步對(duì)復(fù)合材料B柱削層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多目標(biāo)的優(yōu)化。首先，通過(guò)分析B柱結(jié)構(gòu)形式確定削層區(qū)域，以輕量化為目標(biāo)，構(gòu)建代理模型并采用多島遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，得到各個(gè)子層區(qū)域的鋪層層數(shù)。然后，綜合考慮削層結(jié)構(gòu)的工藝和性能特點(diǎn)，研究不同鋪層角度和鋪層順序?qū)δ妥残缘挠绊懀_定了鋪層最佳方案。最終結(jié)果表明，在滿足工藝要求的條件下，復(fù)合材料B柱結(jié)構(gòu)的質(zhì)量減輕了61.4%，并提升了整車在頂壓和側(cè)面碰撞中的耐撞性。

B柱；復(fù)合材料削層結(jié)構(gòu)；輕量化；耐撞性；多目標(biāo)優(yōu)化

前言

隨著對(duì)汽車輕量化研究的逐步加深，材料和結(jié)構(gòu)上的輕量化手段層出不窮[1－2]，如何在充分利用現(xiàn)有材料和工藝的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法最大限度地實(shí)現(xiàn)汽車輕量化是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。目前，減輕車身質(zhì)量的主要途徑包括車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和使用輕量化材料。隨著對(duì)復(fù)合材料的研究日趨成熟，復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用取得了很大進(jìn)展[3－5]。應(yīng)用輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料被認(rèn)為是目前輕量化最有前景的手段之一。但目前復(fù)合材料在汽車承載結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用還不多見。

汽車B柱是組成車身骨架的重要結(jié)構(gòu)件。在側(cè)面碰撞中，合理的B柱結(jié)構(gòu)和變形模式對(duì)提高側(cè)面結(jié)構(gòu)的耐撞性至關(guān)重要，其侵入速度、侵入量和侵入形態(tài)是直接關(guān)系乘員安全的主要因素[6]。在汽車側(cè)翻事故中，車頂壓潰強(qiáng)度也與B柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度息息相關(guān)[7]。為滿足不同工況下的耐撞性要求，傳統(tǒng)的車身B柱結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜，其輕量化潛力較大。目前，已有大量的針對(duì)金屬材料B柱結(jié)構(gòu)的輕量化研究。文獻(xiàn)[8]中采用拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化相結(jié)合的方法對(duì)B柱內(nèi)板進(jìn)行了優(yōu)化，減輕了碰撞時(shí)對(duì)乘員胸部的傷害。文獻(xiàn)[9]中在臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了對(duì)轎車B柱設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化的方法，使B柱質(zhì)量減輕了18.6%，并提升了側(cè)面碰撞的耐撞性。

除對(duì)傳統(tǒng)金屬材料B柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)外，在汽車B柱結(jié)構(gòu)應(yīng)用復(fù)合材料也能取得理想的輕量化效果。文獻(xiàn)[10]中對(duì)復(fù)合材料汽車B柱進(jìn)行有限元分析表明，復(fù)合材料B柱結(jié)構(gòu)相比鋼結(jié)構(gòu)B柱有更好的吸能特性。文獻(xiàn)[11]中設(shè)計(jì)了一種肋形的復(fù)合材料汽車B柱結(jié)構(gòu)，提升了汽車在ENCAP和IIHS中的側(cè)面碰撞性能，同時(shí)B柱質(zhì)量減輕了35%。文獻(xiàn)[12]中根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)的思路，分析了影響復(fù)合材料B柱性能的主要參數(shù)及其影響趨勢(shì)，為車身框架結(jié)構(gòu)件進(jìn)行復(fù)合材料替換提供了參考。

從已有的文獻(xiàn)來(lái)看，對(duì)金屬材料B柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化大部分集中在截面參數(shù)和截面形狀上，其輕量化效果比采用復(fù)合材料小。而在對(duì)復(fù)合材料B柱輕量化的研究中，只著眼于復(fù)合材料良好的強(qiáng)度和比吸能，而沒(méi)有將B柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)合材料本身工藝特點(diǎn)很好地結(jié)合起來(lái)。關(guān)于復(fù)合材料B柱的鋪層厚度和鋪層角度對(duì)耐撞性的影響也幾乎沒(méi)有研究。而考慮到汽車B柱在側(cè)面碰撞中其下半部分需要與臺(tái)車直接碰撞并通過(guò)材料潰縮參與吸能，因此剛度不能太大，往往將B柱做成“上強(qiáng)下弱”的結(jié)構(gòu)[13]。傳統(tǒng)B柱結(jié)構(gòu)只能通過(guò)在上端增加加強(qiáng)板的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這無(wú)形中增加了制造和裝配難度。而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件一般采用層合板的形式，在鋪層的過(guò)程中增減鋪層數(shù)即可得到不同的結(jié)構(gòu)厚度，從而滿足不同部位的不同力學(xué)性能要求。這種通過(guò)在鋪層過(guò)程增減鋪層數(shù)形成的結(jié)構(gòu)稱為復(fù)合材料削層結(jié)構(gòu)[14]。在航天航空中的應(yīng)用已很普遍，例如機(jī)翼和直升機(jī)的旋翼等，這類結(jié)構(gòu)根部厚而尖部薄，可通過(guò)削層結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[15]中將復(fù)合材料變截面結(jié)構(gòu)應(yīng)用在汽車前防撞梁中，同時(shí)提升了汽車在低速角度和對(duì)中碰撞兩種工況下的耐撞性，使復(fù)合材料前防撞梁的質(zhì)量分布更為合理，更好地實(shí)現(xiàn)了輕量化。

因此，本文中綜合考慮材料、結(jié)構(gòu)和工藝的耦合作用，將碳纖維復(fù)合材料削層結(jié)構(gòu)引入汽車B柱結(jié)構(gòu)中，通過(guò)復(fù)合材料削層將B柱內(nèi)外板分成上下不同厚度的變截面形式，并取消原來(lái)的B柱加強(qiáng)板。根據(jù)B柱結(jié)構(gòu)在頂壓和側(cè)面碰撞中的不同力學(xué)性能要求，對(duì)各個(gè)子層區(qū)域的鋪層數(shù)、鋪層角度和鋪層順序進(jìn)行多目標(biāo)多工況的優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)提升車輛耐撞性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝

1.1 考慮性能和工藝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

以某轎車B柱作為研究對(duì)象，其鋼結(jié)構(gòu)B柱由B柱外板、B柱內(nèi)板和B柱加強(qiáng)板組成，如圖1所示。

圖1 初始模型B柱結(jié)構(gòu)

采用碳纖維/環(huán)氧樹脂(T700/2510)復(fù)合材料削層結(jié)構(gòu)將B柱內(nèi)外板通過(guò)復(fù)合材料削層設(shè)計(jì)成上厚下薄的兩部分，以滿足不同部位的力學(xué)性能要求。在對(duì)變厚度B柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行削層分區(qū)時(shí)，首先需要確定削層區(qū)域分界線。考慮到削層區(qū)域可能有一定的應(yīng)力集中，同時(shí)汽車B柱結(jié)構(gòu)的下半部分直接參與側(cè)面碰撞，削層區(qū)域要避開側(cè)撞時(shí)臺(tái)車的直接碰撞，以避免削層區(qū)域直接與側(cè)碰臺(tái)車發(fā)生撞擊，導(dǎo)致分界線區(qū)域提前發(fā)生層離失效，影響B(tài)柱耐撞性。因此，削層區(qū)域分界線的高度位置應(yīng)等于或大于側(cè)面碰撞中可變形移動(dòng)壁障的上表面高度位置。其次，削層區(qū)域分界線應(yīng)該位于幾何形狀較簡(jiǎn)單的部位，避免由于幾何形狀的突變加劇應(yīng)力的集中。另外，削層區(qū)域還應(yīng)留出各個(gè)削層之間要求的削層距離。綜合考慮性能和工藝要求，將削層區(qū)域分界線設(shè)置在原來(lái)的B柱內(nèi)部加強(qiáng)板下端位置。B柱外板削層區(qū)域分界線距離B柱外板上、下端的垂向距離分別為461和645mm，B柱內(nèi)板削層區(qū)域分界線距離B柱內(nèi)板上、下端的垂向距離為575和437mm，如圖2所示。

圖2 復(fù)合材料B柱削層結(jié)構(gòu)

1.2 B柱削層結(jié)構(gòu)制造工藝

與傳統(tǒng)金屬材料不同，復(fù)合材料在設(shè)計(jì)初期即可按照設(shè)計(jì)需求對(duì)復(fù)合材料鋪層進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到更好的性能要求。變截面B柱結(jié)構(gòu)即考慮在B柱要求“較硬”的上半部分鋪設(shè)更多的復(fù)合材料單層，在下半部分遞減其鋪層，形成不同的截面厚度。這種變截面厚度的設(shè)計(jì)類似于激光拼焊板，所不同的是，削層結(jié)構(gòu)不需要額外的焊接工藝而是一次成型，從而減少工序，降低成本。復(fù)合材料削層處形成的不連續(xù)的臺(tái)階可通過(guò)樹脂填充的方式實(shí)現(xiàn)光滑過(guò)渡。但文獻(xiàn)[16]中的研究表明，削層結(jié)構(gòu)的引入對(duì)結(jié)構(gòu)整體性造成了一定的破壞，使結(jié)構(gòu)中原來(lái)均勻分布的應(yīng)變和應(yīng)力變成不均勻，這會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很多危險(xiǎn)點(diǎn)，降低了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。不過(guò)這種破壞是相對(duì)的，根據(jù)文獻(xiàn)[17]中的研究，通過(guò)遵從一定的削層規(guī)律，可盡量減少由削層引起的結(jié)構(gòu)提前失效。在對(duì)B柱復(fù)合材料削層制造的過(guò)程中需要滿足以下要求:

(1)鋪層遞減后形成的薄區(qū)層合板要滿足對(duì)稱性、連續(xù)性和平衡性要求；

(2)表面層不能參與削層，以便在表面形成覆蓋層，避免在削層區(qū)域由表面層引起的層離失效；

(3)由遞減鋪層形成的層合板整體削層角度不能超過(guò)7°，削層間隔距離至少是單層厚度的8倍；另外削層應(yīng)盡量交替地出現(xiàn)在層合板之中，避免在中間某層附近同時(shí)出現(xiàn)大量削層，如圖3所示。

圖3 削層區(qū)域鋪層示意圖

2 有限元模型

2.1 復(fù)合材料有限元模型

碳纖維/環(huán)氧樹脂(T700/2510)復(fù)合材料B柱采用單向預(yù)浸料層合復(fù)合材料，通過(guò)熱壓罐工藝成型。材料參數(shù)如表1所示。采用層合板結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料B柱，其剛度可利用經(jīng)典層合板理論進(jìn)行計(jì)算。由于B柱結(jié)構(gòu)在側(cè)面碰撞中參與碰撞吸能，其能否準(zhǔn)確通過(guò)有限元模擬其失效表現(xiàn)至關(guān)重要。在實(shí)際情況下，復(fù)合材料層合板的失效形式多種多樣且相互影響，強(qiáng)度是隨著損傷的積累而逐漸減弱，Chang＿Chang強(qiáng)度準(zhǔn)則中引入了非線性剪切應(yīng)力應(yīng)變影響系數(shù)，在某種程度上考慮了復(fù)合材料多種失效耦合效果。文獻(xiàn)[18]中的研究表明，利用Chang＿Chang強(qiáng)度準(zhǔn)則可較好地模擬復(fù)合材料在受到較大沖擊時(shí)的失效過(guò)程。Chang＿Chang強(qiáng)度準(zhǔn)則包含了4種失效形式:纖維拉伸破壞、纖維壓縮破壞、基體開裂和基體擠壓。本文中采用LS-DYNA中的MAT54作為復(fù)合材料B柱結(jié)構(gòu)的材料模型，它自帶Chang＿Chang失效準(zhǔn)則。通過(guò)定義殼單元厚度方向的積分點(diǎn)個(gè)數(shù)來(lái)模擬鋪層層數(shù)，一個(gè)積分點(diǎn)代表一層碳纖維布，每個(gè)積分點(diǎn)處的材料坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角度代表單層碳纖維布的鋪層方向[19]。使用整車坐標(biāo)系Z方向在B柱結(jié)構(gòu)的投影方向作為纖維縱向。單層碳纖維布厚度為0.125mm。

表1 碳纖維/環(huán)氧樹脂(T700/2510)材料參數(shù)

在仿真過(guò)程中，為提高仿真精度，考慮了漸進(jìn)失效模式，即復(fù)合材料結(jié)構(gòu)滿足失效條件時(shí)失效單元會(huì)被刪除，與失效部位相鄰區(qū)域的復(fù)合材料會(huì)根據(jù)失效參數(shù)自動(dòng)降低自身的強(qiáng)度。這種漸進(jìn)失效模式需要通過(guò)控制材料卡片中的漸進(jìn)失效參數(shù)來(lái)控制，而失效參數(shù)只能根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果反復(fù)修改試錯(cuò)得到，文獻(xiàn)[20]中給出了失效參數(shù)的范圍和調(diào)整方法。根據(jù)這一方法，得到了經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)校核精確的失效參數(shù)，如表2所示。為便于通過(guò)有限元模擬來(lái)對(duì)各個(gè)子層進(jìn)行鋪層數(shù)量和鋪層角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，B柱內(nèi)外板的削層過(guò)渡區(qū)域采用共節(jié)點(diǎn)的方式連接。

表2 漸進(jìn)失效參數(shù)[15]

2.2 兩種工況有限元模型

以某轎車作為研究對(duì)象，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中按照相關(guān)法規(guī)的要求建立了整車側(cè)面碰撞有限元模型和車頂頂壓分析的有限元模型，并根據(jù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)有限元模型精度進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2.1 頂壓模型的建立與驗(yàn)證

根據(jù)美國(guó)車頂靜態(tài)壓潰強(qiáng)度法規(guī)FMVSS216的要求，建立整車車頂強(qiáng)度分析的有限元模型，如圖4所示。

圖4 整車車頂強(qiáng)度分析有限元模型

在整車頂壓仿真的過(guò)程中，動(dòng)能基本轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，沙漏能也控制在5%有效范圍內(nèi)。整車車頂壓潰力與壓潰位移曲線如圖5所示，由圖可知，仿真與實(shí)驗(yàn)曲線趨勢(shì)基本一致，誤差較小，驗(yàn)證了整車車頂強(qiáng)度分析有限元模型的準(zhǔn)確性，模型可用于后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，實(shí)驗(yàn)曲線引自文獻(xiàn)[21]。

圖5 車頂作用力與壓潰位移曲線的實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比

2.2.2 側(cè)撞模型的建立與驗(yàn)證

根據(jù)美國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程US-NCAP的側(cè)面碰撞實(shí)驗(yàn)要求，建立整車側(cè)面碰撞的有限元模型，如圖6所示。

圖6 側(cè)面碰撞有限元模型

對(duì)側(cè)面碰撞模型進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真結(jié)果能較好地與實(shí)驗(yàn)變形結(jié)果相吻合，并且側(cè)面碰撞仿真中的整車質(zhì)心速度曲線與實(shí)驗(yàn)曲線的趨勢(shì)基本一致，如圖7所示。其中，實(shí)驗(yàn)曲線引自文獻(xiàn)[22]。所建模型和仿真計(jì)算精度都已達(dá)到了工程實(shí)用的要求，模型可用于進(jìn)一步研究。

圖7 實(shí)驗(yàn)與仿真的整車質(zhì)心速度對(duì)比

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

為避免由于變量過(guò)多導(dǎo)致優(yōu)化問(wèn)題變得極為復(fù)雜甚至不可解，復(fù)合材料變截面B柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，分兩個(gè)步驟。

在第一步中，以對(duì)稱層合板[0/90]ns鋪層作為初始鋪層方案，以整車耐撞性為約束，結(jié)構(gòu)輕量化為目標(biāo)建立優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)拉丁超立方抽樣構(gòu)建徑向基(RBF)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型，采用多島遺傳算法(MIGA)進(jìn)行優(yōu)化，得到各個(gè)子層區(qū)域的最優(yōu)鋪層數(shù)。

在第二步中，以第一步得到的鋪層數(shù)作為基本方案，根據(jù)力學(xué)性能和工藝條件，參照經(jīng)典鋪層設(shè)計(jì)了12種不同的鋪層方式，通過(guò)對(duì)這12種不同的鋪層方式進(jìn)行耐撞性能的對(duì)比，得到滿足工藝要求的鋪層方式。在這一步我們考慮復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)過(guò)程中的具體工藝要求，并將其應(yīng)用到鋪層角度設(shè)計(jì)過(guò)程中去。整個(gè)復(fù)合材料B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖8 復(fù)合材料B柱削層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)與結(jié)果

4.1 優(yōu)化目標(biāo)與約束

由于復(fù)合材料本身?yè)碛泻芎玫谋葟?qiáng)度和比吸能性，復(fù)合材料B柱輕量化潛力比鋼結(jié)構(gòu)大，本文中將減輕50%的B柱質(zhì)量作為輕量化目標(biāo)。

根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車輛安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS216的要求，對(duì)車頂強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)是以壓頂力與車質(zhì)量的比值來(lái)確定車頂抗靜壓的能力。該標(biāo)準(zhǔn)要求車頂最大承載力應(yīng)達(dá)到車輛整備質(zhì)量的2.5倍，該車型整備質(zhì)量為1 512kg，故頂壓工況下的車頂最大承載力約束指標(biāo)為37.044kN。

在側(cè)面碰撞中，碰撞側(cè)B柱入侵速度和侵入量是關(guān)系乘員生存空間和車輛承擔(dān)碰撞擠壓力的重要參數(shù)[23]。在本研究中取B柱中部最大變形速度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其值應(yīng)不大于11m/s。同時(shí)，文獻(xiàn)[24]中根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)乘員損傷AIS最大均值與侵入量的關(guān)系進(jìn)行了二次多項(xiàng)式擬合，得到乘員損傷AIS最大均值與侵入量的關(guān)系，當(dāng)乘員最大AIS均值為等級(jí)3時(shí)，侵入量為355mm。因此，將側(cè)撞中B柱總體侵入量作為側(cè)撞的約束條件，其值應(yīng)不大于355mm。

4.2 各子層鋪層數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在根據(jù)B柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能要求對(duì)B柱內(nèi)、外板劃分了削層區(qū)域后，為滿足B柱結(jié)構(gòu)在側(cè)面碰撞和頂壓中的耐撞性要求，須對(duì)各個(gè)區(qū)域子層鋪層厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以[0/90]ns鋪層作為初始鋪層方案。優(yōu)化對(duì)象為復(fù)合材料B柱內(nèi)板和B柱外板的各個(gè)子層的鋪層厚度，但由于子層鋪層厚度由鋪層層數(shù)決定，故以B柱內(nèi)外板上下部的鋪層層數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，分別以x1，x2，x3，x4表示。

根據(jù)前面確定的優(yōu)化目標(biāo)和變量，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為

式中:Mass為B柱結(jié)構(gòu)總質(zhì)量；F為在頂壓過(guò)程中汽車最大承載力；LB為在側(cè)撞過(guò)程中B柱結(jié)構(gòu)侵入量；vB為在側(cè)撞過(guò)程中B柱結(jié)構(gòu)侵入速度。

考慮到選取樣本的代表性和均勻性，采用最優(yōu)拉丁方實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采樣，選取40個(gè)樣本點(diǎn)，并通過(guò)有限元計(jì)算得到各性能參數(shù)的響應(yīng)值，如表3所示。

表3 設(shè)計(jì)樣本點(diǎn)與響應(yīng)值

由于碰撞模型具有高度非線性的特點(diǎn)，而徑向基人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)擬合非線性空間具有較好的優(yōu)勢(shì)[25]。選取徑向基人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造代理模型，并對(duì)代理模型精度進(jìn)行驗(yàn)算，得到符合精度要求的代理模型。再利用多島遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)置總種群數(shù)為100，子種群數(shù)為10，經(jīng)過(guò)5 000代遺傳算法迭代，得到了優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

其中仿真驗(yàn)證值是將4個(gè)設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化值賦予原始有限元模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，由表4可知，通過(guò)近似模型計(jì)算得到的設(shè)計(jì)目標(biāo)值與仿真驗(yàn)證值的相對(duì)誤差均小于2.5%，由此證明該優(yōu)化方法可行。

表4 優(yōu)化結(jié)果與對(duì)比

優(yōu)化后得到的結(jié)果表明:當(dāng)設(shè)計(jì)變量x1＝20，x2＝12，x3＝22，x4＝10時(shí)，復(fù)合材料B柱結(jié)構(gòu)質(zhì)量為2.042kg，比原來(lái)的鋼結(jié)構(gòu)B柱減輕了3.246kg，實(shí)現(xiàn)了減輕61.4%的效果，且各項(xiàng)耐撞性指標(biāo)均得到了相應(yīng)提高，并滿足約束要求。

下面在此鋪層數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)鋪層角度和順序進(jìn)行優(yōu)化。

4.3 鋪層角度和順序的優(yōu)化

在各區(qū)域鋪層層數(shù)確定后，考慮到B柱結(jié)構(gòu)在側(cè)撞時(shí)要承受剪切和沖擊載荷，須在鋪層中加入± 45°鋪層來(lái)分散沖擊載荷。而在層合板制造的過(guò)程中，鋪層角度也不能過(guò)多，以免鋪層成型工藝過(guò)于復(fù)雜。因此，鋪層角度選用常見的0°，90°和±45°3種。

在進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)過(guò)程中需要遵循以下工藝要求[26]:

(1)對(duì)稱性 為防止層合板成形過(guò)程中由復(fù)雜應(yīng)力引起的平面翹曲，層合板在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)保持對(duì)稱；

(2)連續(xù)性 為保證層合板結(jié)構(gòu)連續(xù)性和可制造性，層合板薄區(qū)出現(xiàn)的所有單層要在整個(gè)層合板中出現(xiàn)；

(3)平衡性 除了0°和90°鋪層之外，層合板中出現(xiàn)的其他＋θ和－θ鋪層數(shù)量必須相同；

(4)最多只能連續(xù)鋪設(shè)兩層角度相同的鋪層；

(5)為避免復(fù)合材料B柱在某個(gè)方向上存在薄弱環(huán)節(jié)，其中0°鋪層占20%～40%，±45°鋪層占40%～60%，90°鋪層占10%～30%。

(6)層合板表面要鋪設(shè)±45°鋪層，以便更好地傳遞載荷。

綜合考慮上述工藝要求和B柱結(jié)構(gòu)性能，選取經(jīng)典鋪層(±45/90/0)ns作為基礎(chǔ)鋪層，在此鋪層的基礎(chǔ)上對(duì)B柱外板設(shè)計(jì)了3種不同的鋪層方式，分別是[±45/90D/0/(±45)D/90/0D/±45]s用lay-upout1表示，[±45/90D/0/(±45)D/90/0D/90/0]s用layupout2表示，[±45/90D/0/(±45)D/90/0D/0/90]s用lay-upout3表示。下標(biāo)“D”表示該層為被削鋪層，該層只出現(xiàn)在上部厚子層，不出現(xiàn)在下部薄子層中。由于要滿足削層時(shí)錯(cuò)開削層和表面層不參與削層的要求，故一旦厚區(qū)鋪層確定后，削層方式也就確定。對(duì)B柱內(nèi)板設(shè)計(jì)了4種不同的鋪層方式，分別是

通過(guò)B柱內(nèi)外板的不同鋪層組成了12種不同的B柱結(jié)構(gòu)鋪層方案，如表5所示。這12種鋪層方案中前4種，中間4種和后4種有著相同的B柱外板鋪層。而從1號(hào)鋪層開始，每隔4種鋪層就有相同的B柱內(nèi)板鋪層。通過(guò)對(duì)這12種不同鋪層進(jìn)行有限元分析可得到B柱內(nèi)、外板兩種結(jié)構(gòu)不同的鋪層角度和順序?qū)柱結(jié)構(gòu)耐撞性的影響，結(jié)果如圖9所示。

由圖9(a)可知，對(duì)于側(cè)撞工況中的B柱侵入量來(lái)說(shuō)，當(dāng)B柱內(nèi)板鋪層方式相同時(shí)，對(duì)比1，5，9和2，6，10號(hào)鋪層等可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)B柱外板鋪層為layupout1，B柱侵入量最大，B柱外板鋪層為lay-upout2時(shí)次之，B柱外板鋪層為lay-upout3時(shí)，B柱侵入量最小。相對(duì)于B柱內(nèi)板來(lái)說(shuō)，B柱外板對(duì)于抵抗側(cè)撞侵入有著更高的靈敏度。由于B柱外板在表面鋪設(shè)了± 45°鋪層，能夠有效將撞擊載荷分散，因此可得到比初始的[0/90]ns鋪層更小的B柱侵入量。同時(shí)，由于lay-upout1鋪層相比其他兩種鋪層少了0°鋪層，承載能力降低，因此B柱侵入量更大。

表5 考慮工藝要求的12種鋪層方案

由圖9(b)可知，頂壓承載力F隨B柱外板鋪層方式的變化是不規(guī)律的，只要B柱外板鋪層方式相同，頂壓力的大小變化規(guī)律都是B柱內(nèi)板鋪層為lay-upinner4時(shí)，頂壓力最大，B柱內(nèi)板鋪層為layupinner1時(shí)頂壓力次之，B柱內(nèi)板鋪層為lay-upinner2時(shí)頂壓力最小。因此，在頂壓工況下，B柱內(nèi)板鋪層對(duì)頂壓力改變有著更高的靈敏度，這與B柱為鋼結(jié)構(gòu)時(shí)B柱內(nèi)板厚度具有更高靈敏度的結(jié)論是一樣的。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比這4種不同的B柱內(nèi)板鋪層能發(fā)現(xiàn)，更多的0°鋪層有利于提高B柱抗頂壓能力。

相同的，對(duì)比圖9(c)發(fā)現(xiàn)，B柱侵入速度這一耐撞性參數(shù)是同時(shí)受到B柱外板和B柱內(nèi)板的鋪層方式影響，可以直觀地得到1號(hào)、5號(hào)、8號(hào)和12號(hào)鋪層有著較小的B柱侵入速度。

圖9 12種不同鋪層方案的耐撞性結(jié)果

在頂壓工況中，頂壓承載力越大，越有利于抵抗翻滾過(guò)程中車體結(jié)構(gòu)的變形。在側(cè)撞工況中，B柱侵入量和B柱侵入速度越小，越有利于乘員保護(hù)。從圖9可知，8號(hào)和12號(hào)鋪層均有著較高的頂壓承載力和較低的B柱侵入量和侵入速度，8號(hào)鋪層有著更好的頂壓承載能力，而12號(hào)鋪層在側(cè)撞工況中有著更好的乘員保護(hù)能力?？紤]到側(cè)撞工況在實(shí)際交通事故中的高發(fā)概率，為了更好地在側(cè)撞工況中保護(hù)乘員，選取12號(hào)鋪層作為鋪層角度和順序優(yōu)化后的最優(yōu)鋪層。表6為鋪層角度和順序優(yōu)化后與之前[0/90]ns鋪層的性能對(duì)比。

表6 改變鋪層角度和順序后的耐撞性結(jié)果對(duì)比

4.4 優(yōu)化結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)以上兩步對(duì)各個(gè)子層鋪層數(shù)和鋪層角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，復(fù)合材料B柱相比原來(lái)的鋼結(jié)構(gòu)B柱質(zhì)量減輕了61.4%，頂壓工況下的車頂最大承載力提高了20.2%，側(cè)撞工況中的B柱侵入量和B柱侵入速度分別降低了9.4%和7.4%。通過(guò)對(duì)汽車B柱結(jié)構(gòu)結(jié)合復(fù)合材料工藝和材料性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅實(shí)現(xiàn)了B柱結(jié)構(gòu)的輕量化，還實(shí)現(xiàn)了多個(gè)工況下的B柱結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)化。

側(cè)面碰撞后的鋼結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料B柱變形云圖對(duì)比分析如圖10所示。

圖10 初始鋼結(jié)構(gòu)B柱與復(fù)合材料B柱側(cè)撞變形云圖對(duì)比

由圖10可知，原始的鋼結(jié)構(gòu)B柱模型在B柱中部發(fā)生了較大的彎曲變形，變形位置大約處于乘員胸部的高度，這個(gè)位置的變形量大會(huì)造成對(duì)乘員胸部的擠壓，對(duì)乘員的安全保護(hù)不利。優(yōu)化后的復(fù)合材料B柱的上部和中部的變形均相對(duì)較小，而下部位置的變形較大，由于乘員的胸部位于B柱中上部位置，其變形小有利于對(duì)乘員的保護(hù)，而下部變形稍大有利于吸收碰撞能，并推開乘員。復(fù)合材料B柱削層結(jié)構(gòu)剛度服從上強(qiáng)下弱的結(jié)構(gòu)形式。讓更多的變形發(fā)生在B柱下部，有利于保護(hù)乘員。

5 結(jié)論

針對(duì)汽車B柱在側(cè)撞和頂壓工況下的不同要求，通過(guò)研究不同汽車B柱結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，汽車B柱一般是通過(guò)在上部增加加強(qiáng)板實(shí)現(xiàn)上強(qiáng)下弱的結(jié)構(gòu)形式。于是根據(jù)復(fù)合材料的工藝特性，將復(fù)合材料削層結(jié)構(gòu)引入汽車B柱，提出一種新的復(fù)合材料B柱削層結(jié)構(gòu)。通過(guò)采用復(fù)合材料削層結(jié)構(gòu)可以取消B柱加強(qiáng)板，并利用復(fù)合材料高比強(qiáng)度和高比吸能的特性，在滿足B柱結(jié)構(gòu)原來(lái)的力學(xué)性能要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化。

首先從B柱結(jié)構(gòu)特性和復(fù)合材料削層工藝要求出發(fā)，對(duì)B柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了削層區(qū)域和位置的設(shè)計(jì)。其次以頂壓和側(cè)面碰撞中的耐撞性要求為約束，通過(guò)遺傳算法尋優(yōu)得到了B柱削層結(jié)構(gòu)各個(gè)子層的最優(yōu)鋪層數(shù)，并實(shí)現(xiàn)了61.4%的輕量化效果。最后，還研究12種不同的鋪層角度和順序?qū)攭汉蛡?cè)面碰撞中的耐撞性的影響，并得到了相比[0/90]ns更優(yōu)的鋪層方式。通過(guò)分步驟漸進(jìn)地對(duì)復(fù)合材料B柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了B柱結(jié)構(gòu)輕量化，提升了頂壓和側(cè)撞兩個(gè)工況下的耐撞性能。

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Optimization of Composite B-pillar with Considerations of Structures，Materials and Processes Requirements

Li Yongjun，Lei Fei，Liu Qiming＆Wang Qiong
Hunan University，State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle body，Changsha 410082

In order to achieve lightweighting and enhance the crashworthiness of vehicle，a ply drop-off structure for composite B-pillar is adopted with considerations on structural and material characteristics of B-pillar. By utilizing the feature of composite material of being able to easily obtain variable section thickness through ply drop-off process，a multi-objective optimization on the ply drop-off structure of composite B-pillar is performed with two steps.Firstly ply drop-off regions are determined by analyzing the structural form of B-pillar，surrogate model is constructed and a simulation is carried out with multi-island genetic algorithm with lightweighting as objective to determine the ply number of each sublaminate.Then with concurrent considerations of.characteristics of process and performance of ply drop-off structure，the effects of different ply angles and stacking-sequences on the crashworthiness of vehicle are analyzed with the optimal scheme of laminate determined.The final results show that on the premise of meeting process requirements，the mass of composite B-pillar structure reduces by 61.4%with the crashworthiness of vehicle in overturn and side crash enhanced.

B-pillar；composite ply drop-off structure；lightweighting；crashworthiness；multi-objective optimization

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.08.018

?國(guó)家自然科學(xué)基金(51575171)資助。

原稿收到日期為2016年9月14日，修改稿收到日期為2016年10月23日。

雷飛，講師，E-mail:lei＿fei＠hnu.edu.cn。