摘 要：为实现汽车设计的耐撞性和轻量化，将高强度钢拼焊板 （TWB）结构运用到保险杠横梁，结合多目标离散优化方法，进行优化设计。运用Hypermesh软件，建立了原保险杠模型和拼焊板保险杠模型，并用LS-DYNA软件进行验证。横梁内、外板均由厚度不同的5块高强度钢板焊接而成。以提高保险杠横梁的吸能量，控制质量增加为优化目标，进行横梁三点静压仿真试验，对板材的材料和厚度参数进行迭代优化。结果表明：优化后的拼焊板保险杠横梁吸能量提高81.66%，质量只增加8.96%；从而满足了耐撞性和轻量化的要求，并具有更好的变形模式和碰撞载荷特性。
关键词：汽车安全；耐撞性；保险杠横梁；拼焊板（TWB）；离散优化；三点静压试验
正面碰撞是当今交通事故中最主要的事故形式，在导致严重损伤和死亡的事故中，正面碰撞分别占到70%和50%以上[1]，而汽车前保险杠对整车的正面碰撞安全性能有重要的意义：在低速碰撞中发生弹性变形吸收碰撞能量，以保护其后的重要结构、有效降低修复成本；在高速碰撞时能将撞击力合理地传递、分配给整个车身结构，避免局部严重变形，从而保证乘员有足够的生存空间[2]。提高保险杠的耐撞性能够减少正面碰撞中的人员伤亡和车辆损坏。另一方面，随着石油危机和环境污染问题的日益严重，轻量化已成为汽车工业的重要课题。研究数据表明，当汽车质量减少10%，燃油消耗可以相应降低6%～8%[3]。因而，研究者在进行保险杠设计时，应综合考虑其耐撞性和轻量化因素。
保险杠的耐撞性和轻量化研究中已出现许多成果，尤其是镁、铝合金在车身轻量化中的应用。文献[4]开发了一款铝合金保险杠，通过试验仿真，表明铝合金保险杠横梁的单位质量吸能量优于原保险杠。文献[5]通过拉伸和弯曲试验比较发现，铝、镁合金的变形模式和吸能量优于普通钢材。然而，这些轻金属合金材料的保险杠普遍存在生产成本高，加工复杂的缺点；相比之下，钢作为汽车工业的主要用材，具有更高的性价比和更成熟的加工经验。尤其近年来，高强度钢（例如DP双相钢和低合金TRIP钢[6，7]研究的日益成熟，积极提升了钢材在车身轻量化中的作用。拼焊板（tailor welded blanks, TWB）技术的出现为高强度钢的应用开辟了新的途径。这种新型材料加工技术可以根据不同强度、刚度需求，把不同厚度、不同镀层，甚至不同原材料的金属薄板焊接在一起，然后再冲压成所需的零部件[8]。这种拼焊板的最大优点在于合理分配材料和厚度，既能提高部件的性能，又能控制部件的质量增加。
本文选取保险杠横梁为优化对象，采用高强度钢拼焊板结构，利用多目标离散优化设计方法，综合考虑保险杠横梁的耐撞性及轻量化因素，对拼焊板横梁的材料和厚度进行优化设计，以期提高横梁的耐撞性并控制质量增加。
1 保险杠横梁模型
1.1 初始模型和试验验证
本文所用的某保险杠模型由保险杠横梁、吸能盒构成，如图1。横梁外板厚1.2 mm，内板厚1 mm；吸能盒内、外板均厚1.6 mm。保险杠横梁的弯曲半径为1 490 mm，长度为1 155 mm，截面外廓尺寸为42 mm×95 mm,吸能盒内侧之间的距离为924 mm。横梁的内、外板均为B410LA钢板。
图1 保险杠几何形状
通过Hypermesh软件建立相应的保险杠有限元模型，网格平均尺度为5 mm×5 mm，共包含21 735个壳单元，三角形单元占2%，网格质量良好。
为检验建立的保险杠横梁模型的准确性，对横梁试件进行三点静压试验。在试验中，试件与刚性平台刚性固定，压头半径R=152 mm，压头初始位置与横梁中部位置刚好接触，如图2。压头加载速度为1 mm/s，若无明显破坏，则当加载距离达到100 mm时停止。
参照试验工况，建立如图3仿真模型，压头与横梁之间采用自动面面接触，保险杠自身采用自动单面接触，静摩擦系数为0.3，动摩擦系数为0.2。由于静态求解所需时间过长，本文采取人为提高速度的方法减少求解时间[9]。文献[10]的研究结果表明，人为提高速度后，若仿真过程中动能与内能之比小于2%，则能保证仿真计算仍然可靠。本文将加载速度提高至1 m/s，动能与内能之比大约为1.8%，因而认为本文提高速度后的仿真结果依然准确。
图2 保险杠横梁试件三点静压试验
图3 保险杠横梁三点静压试验仿真
由试验和仿真分析得出的静压力-位移曲线如图4，两条曲线变化趋势一致，峰值出现的时间也较吻合，最大误差仅6.15%，因而认为建立的保险杠有限元模型准确性较高，可用于下一步的优化设计。
图4 试验和仿真中的静压力-位移曲线
1.2 激光拼焊保险杠模型
优化过程中，保险杠横梁内、外板由材料不同、厚度不同的高强度钢板拼焊而成。由于同材料的拼焊板与单一钢板的抗拉强度几乎相同[11]，因此本文中的保险杠横梁模型不考虑焊接过程对耐撞性的影响，板件之间以共节点的方式连接。考虑到保险杠横梁的结构和受力变形具有对称性，将横梁内、外板分别划分为左右对称、长度大致相等的5段板材，如图5所示。对称位置的板材材料和厚度相同，具体的材料及厚度选用将在优化设计部分说明。
图5 拼焊板保险杠横梁仿真模型
2 保险杠横梁的优化设计
在拼焊板的结构设计过程中，每块板材的材料和厚度均为离散变量。但传统的基于近似模型的优化方法在需要一个离散值时，需要圆整到离最优点最近的离散值[12]，可能会导致优化结果不理想。为更好地体现拼焊板结构的优势，本文采用多目标离散优化方法进行优化。
2.1 优化过程
1）优化目标为增加保险杠横梁的吸能量并且控制质量的增加，因此拼焊板横梁优化问题描述为：
其中：m代表拼焊板保险杠横梁的质量（mi代表第i次试验得到的横梁质量，m0代表原横梁的质量）；E代表拼焊板保险杠横梁的吸能量。当横梁压缩量达到100 mm时，取横梁的内能之和作为总吸能量E。
优化问题涉及拼焊板的材料及厚度选择，共12个设计变量，其涵义如表1所示。
2）建立三水平正交表。在第1个迭代步，取原横梁的设计参数作为各个变量的水平2，水平1和水平3分别为其相邻备选值。因此第一个迭代步因素水平表如表2所示。由于设计变量总共有12个，因此选择L27(313)正交表中的前12列进行正交设计。
表1 设计变量涵义
表2 第1次迭代因素水平表
从第2个迭代步开始，初始设计为前一个迭代获得的最优设计结果。
3）获取各样本点的响应值和综合评分值。本文希望增加吸能量、控制质量，因而各样本的综合评分值Yi的计算公式为：
其中：Ei、mi、Yi分别为第i次试验中保险杠横梁的吸能量、质量和综合评分值；E0，m0分别为原横梁的吸能量和质量。
由于原横梁吸能较少，本文更着重提高保险杠横梁的吸能量，因此给与吸能量更多的权重，权重值bE=0.75, bm=0.25。将因素x1～x12的3个水平进行27组正交试验，得到第一次迭代中各个水平组合的综合评分值。
采用均值分析（analysis of means，ANOM）方法[13]计算各因素的1、2、3水平对应的试验综合评分值之和的平均值如表3。
在表3中选取各因素平均值最大的水平作为该因素的优水平，并将优水平组合试验结果与正交试验的结果进行比较，选取综合评价值最大的组合作为该迭代步最优设计组合，即下一迭代步的初始设计，如表4所示。
表3 第一次迭代的ANOM计算结果
表4 第1次迭代的最优设计
4) 判定优化过程收敛。经过12个迭代步，得到12个优化结果。
从图6中可以看出，从第7个迭代步后连续5个迭代步的综合评分值并不大于第7个迭代步，并且迭代步数已达到设计变量个数的2倍，因此认为迭代收敛[14]，得到最终设计结果即第7个迭代步的最优设计结果。
图6 离散优化迭代曲线
得到最终优化设计结果即第7个迭代步的最优设计结果如表5。
表5 最终优化结果
2.2 优化结果分析
表6为初始设计与优化设计的保险杠横梁对比情况。可以看出，优化后的拼焊板横梁与原横梁相比，吸能量增加81.66%，质量仅上升8.96%，比吸能（speci fi c energy absorption, SEA)大幅度提高。
表6 优化设计与初始设计的计算结果对比
1) 如图7，由原保险杠横梁和拼焊板横梁的变形情况可知：原横梁的变形集中在中部，为局部弯折变形模式，参与变形的材料少，吸能量少；优化的拼焊板横梁的变形范围向两侧延伸，变形区域增大，变形模式得到改善，参与变形吸能的材料增加，有利于增加横梁吸收的能量。
图7 原保险杠横梁和拼焊板横梁的变形结果对比
图8 优化前后的静压力-位移曲线
2) 如图8，优化后的拼焊板横梁静压力峰值增加，说明优化后的横梁承受弯曲载荷的能力增强。同时，原横梁的静力达到峰值之后，有明显减小的趋势，载荷承受能力下降；而拼焊板横梁的静压力达到了峰值之后，依旧保持在与峰值相近的水平。说明拼焊板横梁具有持续承受载荷的能力，能够更加平稳的向后传递载荷。
优化后，拼焊板横梁的吸能量大幅度提高，质量增加得到控制，达到了优化目的。
3 结 论
1）本文建立了某保险杠的有限元模型，并通过三点弯曲静压试验验证了模型的可靠性；依据该模型对高强度钢拼焊板横梁进行了耐撞性离散优化。
2）经过12步迭代，最终得到收敛后的优化结果：横梁吸能量提高81.66%，质量仅增加8.96%，完成了优化目标。
3）拼焊板横梁更容易获得较好的三点弯曲静压变形模式，可以避免局部弯折变形模式，增加了变形吸能的材料，从而提高了横梁的吸能能力；具有更强和更持续的承受载荷的能力，能够平稳的向后传递碰撞载荷。
因本文尚未考虑其他部件，如纵梁等对拼焊板横梁吸能量造成的影响，为得到更好的优化设计结果，可进行有关拼焊板横梁的整车碰撞试验以改进本文的优化结果。
