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龍圖騰網(wǎng)獲悉河南科技大學(xué)申請(qǐng)的專利一種輕量化混合材料汽車B柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法獲國家發(fā)明授權(quán)專利權(quán)，本發(fā)明授權(quán)專利權(quán)由國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授予，授權(quán)公告號(hào)為：CN115935522B 。

龍圖騰網(wǎng)通過國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局官網(wǎng)在2025-09-12發(fā)布的發(fā)明授權(quán)授權(quán)公告中獲悉：該發(fā)明授權(quán)的專利申請(qǐng)?zhí)?專利號(hào)為：202310036806.5，技術(shù)領(lǐng)域涉及：G06F30/15；該發(fā)明授權(quán)一種輕量化混合材料汽車B柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法是由張帥;李瑞旭;徐立友;王鵬飛;李軼鵬;潘灃源;牛源;閆祥海;趙思夏;王其遠(yuǎn)設(shè)計(jì)研發(fā)完成，并于2023-01-10向國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的專利申請(qǐng)。

本一種輕量化混合材料汽車B柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法在說明書摘要公布了：一種輕量化混合材料汽車B柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法，本發(fā)明有效的解決了單一材料B柱難以達(dá)到結(jié)構(gòu)性能、輕量化和成本控制之間的協(xié)調(diào)，根據(jù)B柱經(jīng)典工況和白車身靜動(dòng)態(tài)性能，確定碳纖維復(fù)合材料內(nèi)板的鋪層方案；通過螺栓、鉚釘和膠層在白車身工況中的受力情況，結(jié)合所選材料的力學(xué)性能和成本，確定混合材料B柱的最優(yōu)連接方式；根據(jù)C?NCAP試驗(yàn)方法建立整車側(cè)面碰撞和柱碰的有限元模型，以B柱侵入量和侵入速度作為性能指標(biāo)，將混合材料B柱和原金屬B柱進(jìn)行對(duì)比；以混合材料B柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，混合材料B柱的質(zhì)量、侵入量和侵入速度作為指標(biāo)，建立Kriging近似模型并采用NSGA?II算法對(duì)混合材料B柱進(jìn)行輕量化多目標(biāo)優(yōu)化等。

本發(fā)明授權(quán)一種輕量化混合材料汽車B柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法在權(quán)利要求書中公布了：1.一種輕量化混合材料汽車B柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法，其特征是：所述方法具體包括如下步驟： 第一步、將汽車B柱總成的幾何模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中，采用Automesh將其進(jìn)行網(wǎng)格劃分并賦予材料和屬性； 第二步、將汽車B柱總成的有限元模型導(dǎo)入OptiStruct軟件后建立三點(diǎn)彎曲、軸向拉伸和側(cè)向彎曲工況，焊接方式用acm單元來模擬； 第三步、在進(jìn)行碳纖維鋪層設(shè)計(jì)前，對(duì)汽車B柱總成進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)、材料替換和連接方式更改，因?yàn)檩p量化混合材料汽車B柱總成需要滿足上部剛度大抗變形、下部剛度小吸能強(qiáng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，刪除增強(qiáng)汽車B柱上部區(qū)域剛度的金屬B柱加強(qiáng)板A2和金屬B柱加強(qiáng)板B3，通過設(shè)計(jì)碳纖維鋪層來彌補(bǔ)刪除掉金屬B柱加強(qiáng)板A2和金屬B柱加強(qiáng)板B3而損失的剛度；在側(cè)碰試驗(yàn)中，碰車前端吸能塊與車輪最低點(diǎn)的最高高度在800～900mm處，故以車輪最低點(diǎn)高800mm處為分界線將金屬B柱加強(qiáng)板C4分成高強(qiáng)鋼B柱加強(qiáng)板7和鋁合金B(yǎng)柱加強(qiáng)板8，將高強(qiáng)鋼B柱加強(qiáng)板7和鋁合金B(yǎng)柱加強(qiáng)板8的長度各增加100mm，將長為200mm的重合區(qū)域作為連接區(qū)域； 高強(qiáng)鋼B柱加強(qiáng)板7的材質(zhì)為Q460鋼，鋁合金B(yǎng)柱加強(qiáng)板8的材質(zhì)為6016鋁合金，金屬B柱內(nèi)板1更換為碳纖維復(fù)合材料B柱內(nèi)板6，汽車B柱總成的連接方法為碳纖維復(fù)合材料B柱內(nèi)板6與高強(qiáng)鋼B柱加強(qiáng)板7和鋁合金B(yǎng)柱加強(qiáng)板8采用膠接方式，使用“Adhesives+RBE3”單元來實(shí)現(xiàn)；鋁合金B(yǎng)柱加強(qiáng)板8與高強(qiáng)鋼B柱加強(qiáng)板7以及金屬B柱外板5的連接方式暫定用“RBE2”單元將它們連接起來； 第四步、將混合材料B柱模型導(dǎo)入Optistruct軟件中，在connectors界面中選中area面板，在location處選中膠粘區(qū)域，在connectwhat處選擇碳纖維復(fù)合材料B柱內(nèi)板6、高強(qiáng)鋼B柱加強(qiáng)板7和鋁合金B(yǎng)柱加強(qiáng)板8，type設(shè)置為adhesives，然后點(diǎn)擊create生成模擬膠粘連接的“Adhesives+RBE3”單元； 在鋪層設(shè)計(jì)階段，高強(qiáng)鋼B柱加強(qiáng)板7、鋁合金B(yǎng)柱加強(qiáng)板8與金屬B柱外板5的連接通過RBE2單元進(jìn)行模擬，進(jìn)行模擬時(shí)，在1D界面中選中rigid，在independent處選中主節(jié)點(diǎn)，在dependent處選中從節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊create生成將主從節(jié)點(diǎn)連接起來的RBE2單元； 第五步、在OptiStruct軟件中，采用自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化及鋪層順序優(yōu)化多層次優(yōu)化方法，確定鋪層塊形狀、鋪層數(shù)目及鋪層順序，確定碳纖維復(fù)合材料B柱內(nèi)板的鋪層方案，為簡化概念設(shè)計(jì)階段的初始變量，各個(gè)鋪向角的厚度主要以集合的形式存在，即相同鋪向角的鋪層視為一個(gè)集合，稱為超級(jí)層，針對(duì)采用殼單元建模地碳纖維復(fù)合材料內(nèi)板，在自由尺寸階段以超級(jí)層的厚度作為設(shè)計(jì)變量，對(duì)各超級(jí)層進(jìn)行連續(xù)變量優(yōu)化設(shè)計(jì)，即通過改變每一層的厚度和每個(gè)單元的纖維方向，層合板的總厚度在整個(gè)結(jié)構(gòu)中持續(xù)變化； 由于超級(jí)層是具有相同鋪向角的單層板鋪疊而成，為了確定各個(gè)單層板的鋪塊形狀，需要將各個(gè)超級(jí)層解析為形狀不同的鋪層塊，由于各個(gè)單層板的鋪塊形狀和鋪設(shè)位置不一定相同，導(dǎo)致超級(jí)層的整體厚度也是不均勻的，由此對(duì)碳纖維復(fù)合材料B柱內(nèi)板進(jìn)行等剛度變厚度設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高材料利用率； 第六步、經(jīng)過自由尺寸優(yōu)化之后，得到每個(gè)超級(jí)層的厚度以及它的鋪層裁剪形狀，而每一個(gè)超級(jí)層具有4組不同的鋪層塊，這四個(gè)鋪層塊疊加在一起能表示一個(gè)超級(jí)層的優(yōu)化結(jié)果，但由于優(yōu)化得到的鋪層塊太過于理想，鋪層塊的形狀往往是非常不規(guī)則的，不利于工業(yè)下料裁剪，因此需要對(duì)自由優(yōu)化后的鋪層塊進(jìn)行規(guī)則化處理，即將鋪層塊不負(fù)責(zé)的孔洞修剪成方便裁剪的矩形孔，以方便工業(yè)鋪層下料，在進(jìn)行規(guī)則處理時(shí)，為了防止處理后的層合板性能下降，矩形孔的邊界不能超過不規(guī)則孔洞的邊界；為了防止輕量化效果減少，矩形孔的面積要盡可能大； 除此以外，自由尺寸優(yōu)化得到的每個(gè)鋪層厚度是不同的，在實(shí)際生產(chǎn)制造時(shí)需要很高代價(jià)，為了使得到的結(jié)果有較好的經(jīng)濟(jì)性，因此引入單層厚度為0.3mm的制造性約束以獲得厚度相同的單個(gè)鋪層，在引入此制造性約束并進(jìn)行尺寸優(yōu)化后，便可獲得每種形狀的鋪層塊實(shí)際鋪層數(shù)，實(shí)際鋪層數(shù)為尺寸優(yōu)化后得到的厚度尺寸Ti除以單層厚度0.3； 第七步、通過連續(xù)變量厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)所獲得的碳纖維復(fù)合材料B柱內(nèi)板的優(yōu)化方案滿足了剛度性能的需求，但在工程制造中碳纖維復(fù)合材料B柱內(nèi)板還須滿足一定的工藝性約束、限制鋪層順序引起不利內(nèi)力的約束以及限制纖維斷開的連續(xù)性約束，除此以外，合理的鋪層順序可以進(jìn)一步提高混合材料汽車B柱的抗沖擊性能； 第八步、將原金屬汽車B柱和混合材料汽車B柱的白車身有限元模型導(dǎo)入OptiStruct軟件中，根據(jù)試驗(yàn)工況建立白車身靜態(tài)彎扭工況的有限元模型；在進(jìn)行白車身自由模態(tài)分析時(shí)，則需要將白車身有限元模型導(dǎo)入到Nastran軟件進(jìn)行設(shè)置并求解； 第九步、因?yàn)槌醵ǖ奶祭w維復(fù)合材料B柱內(nèi)板僅考慮了汽車B柱總成的性能需求，而未考慮整車性能的需求，這使得碳纖維復(fù)合材料超級(jí)層的厚度未能與白車身其他部件達(dá)到最佳匹配，甚至可能會(huì)導(dǎo)致白車身靜動(dòng)態(tài)性能下降，故需將初定的碳纖維復(fù)合材料B柱內(nèi)板代入白車身并進(jìn)行靜態(tài)彎扭剛度分析和自由模態(tài)分析； 基于白車身靜動(dòng)態(tài)性能，對(duì)碳纖維復(fù)合材料B柱內(nèi)板再一次進(jìn)行尺寸優(yōu)化和鋪層順序優(yōu)化，這樣的鋪層設(shè)計(jì)不會(huì)使白車身的靜動(dòng)態(tài)性能下降并保證了混合材料汽車B柱的實(shí)際使用價(jià)值，由于白車身輕量化系數(shù)綜合考慮了車身重量、投影面積以及扭轉(zhuǎn)剛度性能指標(biāo)，能夠更好地綜合其性能和輕量化設(shè)計(jì)，因此以白車身輕量化系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)碳纖維復(fù)合材料內(nèi)板進(jìn)行尺寸優(yōu)化以及鋪層順序優(yōu)化； 第十步、考慮復(fù)合材料鋪層工藝和制造過程，使用復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)軟件FiberSIM來建立碳纖維復(fù)合材料B柱內(nèi)板6的鋪層模型，建模方法為將單鋪層進(jìn)行堆疊設(shè)計(jì)構(gòu)成層合板結(jié)構(gòu)，然后將各鋪層的鋪覆信息導(dǎo)入到有限元軟件中，完成輕量化混合材料汽車B柱的建模； 將使用沉頭鉚釘10、六角頭螺栓11、膠粘和粘鉚連接的輕量化混合材料汽車B柱分別代入白車身模型，進(jìn)行白車身靜態(tài)彎扭工況和自由模態(tài)的有限元分析，采用OptiStruct求解器進(jìn)行求解，得到白車身靜態(tài)彎扭工況和整體一階彎扭模態(tài)振型時(shí)得到沉頭鉚釘10、六角頭螺栓11和膠層13的受力情況，綜合考慮所選材料的力學(xué)性能和成本，確定輕量化混合材料汽車B柱的最優(yōu)連接方式； 第十一步、按照C-NCAP的側(cè)面標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行可變形移動(dòng)壁障的側(cè)面碰撞試驗(yàn)時(shí)，移動(dòng)臺(tái)車15前端放置可變形蜂窩鋁結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)時(shí)移動(dòng)壁障沖擊試驗(yàn)車輛14的左側(cè)即駕駛員側(cè)，移動(dòng)臺(tái)車15的沖擊方向與試驗(yàn)車輛14垂直，移動(dòng)壁障的中心線位于試驗(yàn)車輛14的R點(diǎn)后方250mm處的位置，碰撞速度是同時(shí)要求移動(dòng)臺(tái)車15的縱向中垂面與車輛通過駕駛員座椅R點(diǎn)向后250mm處的橫截垂面的間距在正負(fù)25mm內(nèi)，在駕駛員位置和后排座椅的左側(cè)處分別上放置一個(gè)WorldSID50th和SID-IIs型假人以便模擬駕駛員和后排人員的傷害情況； 按照C-NCAP的側(cè)面柱碰試驗(yàn)方法為剛性固定圓柱16的直徑為254mm且位于試驗(yàn)車輛左側(cè)，試驗(yàn)車輛14撞向壁障的碰撞速度大小為碰撞速度方向?yàn)榕c車輛坐標(biāo)系X軸成75±3°，試驗(yàn)車輛14前排駕駛員位置放置1個(gè)WorldSID50th假人，以便模擬駕駛員的傷害情況，固定剛性圓柱16的下端不能高于被測(cè)車輛撞擊側(cè)的車輪最低點(diǎn)之上102mm，上端必須超過試驗(yàn)車輛的最高點(diǎn)，圓柱的中心與假人頭部中心的連線與速度方向一致； 所述按照C-NCAP的側(cè)面碰撞試驗(yàn)和側(cè)面柱碰試驗(yàn)方法，建立整車側(cè)面碰撞模型和側(cè)面柱碰模型，并在假人頭部、胸部、腹部和骨盆對(duì)應(yīng)B柱的位置處分別建立剛度為1×10-10Nmm的彈簧單元，將上述有限元模型以k文件格式導(dǎo)出，用LS-DYNA求解器進(jìn)行求解，根據(jù)彈簧單元的變形量得到假人頭部、胸部、腹部和骨盆的侵入量以及侵入速度； 第十二步、將混合材料汽車B柱代入整車側(cè)碰模型并導(dǎo)入HyperStudy中進(jìn)行DOE設(shè)計(jì)，以碳纖維復(fù)合材料B柱內(nèi)板6、高強(qiáng)鋼B柱加強(qiáng)板7和鋁合金B(yǎng)柱加強(qiáng)板8的結(jié)構(gòu)參數(shù)創(chuàng)建變量，以混合材料汽車B柱質(zhì)量、侵入量和侵入速度作為性能響應(yīng)，碳纖維復(fù)合材料B柱內(nèi)板6的厚度采用離散取值方法，高強(qiáng)鋼B柱加強(qiáng)板7和鋁合金B(yǎng)柱加強(qiáng)板8的厚度和長度采用連續(xù)取值方法各設(shè)計(jì)變量取值范圍如下所示： 式中：x1、x2和x3分別為碳纖維復(fù)合材料B柱內(nèi)板6、高強(qiáng)鋼B柱加強(qiáng)板7和鋁合金B(yǎng)柱加強(qiáng)板8的厚度；x4和x5分別為高強(qiáng)鋼B柱加強(qiáng)板7和鋁合金B(yǎng)柱加強(qiáng)板8的長度； 采用最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)變量空間內(nèi)進(jìn)行采樣，共提取30個(gè)樣本點(diǎn)來擬合各性能響應(yīng)的Kriging近似模型，為檢驗(yàn)Kriging近似模型的精度，隨機(jī)挑選10個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行精度驗(yàn)證，利用確定系數(shù)R2來評(píng)估近似模型的精度，R2值越接近于1，則表明近似模型的整體預(yù)測(cè)精度越高，混合材料汽車B柱總成質(zhì)量、側(cè)碰胸部侵入量和側(cè)碰胸部侵入速度分別為0.9181、0.9287，0.9141，其它的性能指標(biāo)的決定系數(shù)也均大于0.9，滿足精度要求； 混合材料汽車B柱進(jìn)行輕量化多目標(biāo)優(yōu)化的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為： 式中：mx為混合材料汽車B柱總成質(zhì)量，單位為kg；Dshx、Dscx、Dsax和Dspx為在整車側(cè)面碰撞中，假人頭部、胸部、腹部和骨盆對(duì)應(yīng)混合材料B柱位置處的侵入量，單位為mm；Dsh0、Dsa0和Dsp0為在整車側(cè)面碰撞中，假人頭部、腹部和骨盆對(duì)應(yīng)原金屬B柱位置處的最大侵入量，單位為mm；Dchx、Dccx、Dcax和Dcpx為在整車側(cè)面碰撞中，假人頭部、胸部、腹部和骨盆對(duì)應(yīng)混合材料B柱位置處的侵入量，單位為mm；Dch0、Dcc0、Dca0和Dcp0為在整車側(cè)面柱碰中，假人頭部、胸部、腹部和骨盆對(duì)應(yīng)原金屬B柱位置處的最大侵入量，單位為mm；vshx、vscx、vsax和vspx為在整車側(cè)面碰撞中，假人頭部、胸部、腹部和骨盆對(duì)應(yīng)混合材料B柱位置處的侵入速度，單位為ms；vsh0x、vsa0x和vsp0x為在整車側(cè)面碰撞中，假人頭部、腹部和骨盆對(duì)應(yīng)原金屬B柱位置處的最大侵入速度，單位為ms；vchx、vccx、vax和vpx為在整車側(cè)面碰撞中，假人頭部、胸部、腹部和骨盆對(duì)應(yīng)混合材料B柱位置處的侵入速度，單位為ms；vch0、vcc0、vca0和vcp0為在整車側(cè)面柱碰中，假人頭部、胸部、腹部和骨盆對(duì)應(yīng)原金屬B柱位置處的最大侵入速度，單位為ms； 將NSGA-II優(yōu)化算法的通過設(shè)置種群規(guī)模為40，進(jìn)化代數(shù)為30，交叉概率為0.9，經(jīng)過80次迭代計(jì)算，得到多目標(biāo)優(yōu)化Pareto解集，在Pareto前沿中選取一個(gè)妥協(xié)解17并將其設(shè)計(jì)變量值取上圓整，根據(jù)圓整后的設(shè)計(jì)變量，重新建立輕量化混合材料汽車B柱模型并進(jìn)行整車側(cè)碰分析來驗(yàn)證妥協(xié)解17的準(zhǔn)確性。

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