本发明涉及汽车被动安全性研究领域中的一种设计方法，更确切地说，本发明涉及一种汽车b柱子结构解耦以及汽车b柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法。
背景技术：
：随着能源的紧缺以及新能源汽车的兴起，轻量化已经成为当前汽车行业中不可或缺的研究内容。现今主要乘用车轻量化设计方式包含：采用拓扑等方式对于车身部件进行结构设计、高强度钢的大量应用、轻质金属以及高分子材料、陶瓷材料和复合材料等非金属材料的使用。其中，碳纤维增强复合材料凭借其密度低、比强度高和工艺性好等优点，已经在复合材料车身结构中有初步使用，如bmwi7b柱在金属结构的关键部位局部附加碳纤维增强复合材料，构成复合结构的做法，既能充分发挥碳纤维增强复合材料的优势，同时可降低成本，减少用量，是目前自主品牌汽车中对于碳纤维增强复合材料的主要应用发展方向。为适应当前社会发展中所需的更高的抗撞性和轻量化要求，并且随着碳纤维增强复合材料成型技术的不断发展，碳纤维增强复合材料将会在汽车车身结构中有更为广泛的应用。然而当前于车身轻量化研究中大多只是对传统金属材料进行简单替换，对抗冲击性能不满足部位通常采用增加板厚等方式以满足要求。但这种方式没有充分利用复合材料可设计性能，并且轻量化效果不明显，有必要对碳纤维增强复合材料进行材料-结构一体化设计。b柱结构为汽车车身在侧面碰撞情况中的主要吸能和承力部件，也是垂直方向构成传力路径的部件，它可以将力向上传递给车顶盖纵梁，力再通过车顶支撑横梁进行横向传递。其抗撞性能是在侧面碰撞工况下决定对人体造成伤害大小的最为关键的因素，b柱所受到的变形情况将会对整个车辆的侧面方向结构都会产生一定量的影响。侧面碰撞时人体的伤害主要是由于头、胸、脊椎以及骨盆部位的冲击所造成的不可逆转的伤害。若其不具有足够的刚度，则将会造成较为严重的伤亡情况，综上所述，在侧面碰撞情况中，对于b柱结构的研究，具有很重要的意义。碳纤维增强复合材料b柱加强板优化目的在于充分利用纤维增强复合材料的比强度好、比模量高、耐腐蚀、抗疲劳等优点，其铺层厚度、角度以及顺序对于材料性能都具有至关重要的关系，现将拓扑优化、尺寸优化以及顺序优化应用到碳纤维增强复合材料b柱加强板优化中以达到汽车轻量化效果。另一方面，目前由于计算机性能的限制，整车碰撞模型计算时间过长，影响效率；而往往当前所存在的子结构解耦方法所实现的子结构模型与整车中的侵入量以及侵入速度曲线拟合程度低。本文所提出的解耦方法可以较为准确地将整车中的复杂碰撞情况进行简化，大大节约了计算时间，提高计算效率。通过进行国内外相关文献检索，未发现有类似的解耦及碳纤维增强复合材料b柱加强板参数优化分析方法。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的有限元整车碰撞模型计算时间过长及解决碳纤维增强复合材料铺层厚度、铺层角度和铺层顺序设计的问题，提供了一种汽车b柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法。为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的汽车b柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法的步骤如下：1)从整车有限元模型中解耦b柱子结构；2)碳纤维增强复合材料b柱加强板优化：(1)b柱加强板静态工况建立；(2)碳纤维增强复合材料b柱加强板静态工况铺层优化:a.拓扑优化；b.尺寸优化；c.顺序优化；(3)b柱加强板优化结果于解耦子结构动态工况下验证计算。按照技术方案中所述的从整车有限元模型中解耦b柱子结构是指：1)根据原有整车侧面碰撞模型，保留与b柱相连接的部件来保证其变形情况的准确性，即门槛梁、侧围板、顶盖横梁、车门管状防撞梁，再加上b柱结构作为子结构模型；2)采用与b柱相连接部件中与b柱相连接位置接近的区域以及侧面碰撞台车缓冲蜂窝铝最前端表面作为碰撞参考点，进行侧面碰撞有限元计算，通过ls-prepost后处理软件提取碰撞参考点的位移-时间曲线数据；3)将提取出的曲线数据通过matlab编程软件转化为ls-dyna仿真计算软件可识别的数据信息，再通过文本编辑器导入简化后只保留b柱和其周围部件以及侧面碰撞台车前端的子工况模型的计算k文件，便准确模拟整车侧面碰撞情况。按照技术方案中所述的b柱加强板静态工况建立是指：(1)结构简化根据已有b柱加强板结构形状的几何尺寸，将b柱加强板厚度设定成统一初始厚度，并且保留整车模型中原金属b柱加强板中的形状结构参数，将简化结构中预留出螺栓固定孔结构，并进行其网格质量检查；(2)碳纤维增强复合材料b柱加强板的建立a.将即将优化的部件b柱加强板更改为碳纤维增强复合材料，根据经验进行铺层角度、铺层顺序、铺层厚度设定，使其于碰撞仿真中可以保持原抗撞性能，将此铺层信息作为接下来优化的初始参数；b.由于b柱加强板皆为设计区域，故采用8号各向异性材料模型创建铺层形成层合板结构，属性定义针对设计区域设置选取pcompp，由于optistruct优化软件只能对材料进行减薄而不具备增厚的功能，故需建立所谓的初始厚度较厚的超级层，该超级层的厚度通过初始优化参数进行设置；(3)加载的设置提取b柱模型的抗冲击性仿真中的b柱加强板最大相对位移来计算所需等效力的数值，将其加载在与碰撞台车相接触的b柱加强板结构优化模型中，并按照加载点的个数，将等效力进行平均分配加载；根据x、y、z轴的力的数量级进行合理忽略简化，所得的静态仿真模型可以与动态仿真模型获得较好的位移拟合结果，之后在此基础上进行静态优化仿真模拟。按照技术方案中所述的拓扑优化是指：a.定义设计变量,对于拓扑优化首先创建变量，定义质量和参考点位移两个响应，二者分别作为优化响应和约束响应；创建约束，将参考点位移响应作为约束，设置约束上限值，将质量最小定义为优化目标；b.调整优化控制参数，包括最大允许迭代次数、目标容差值以及优化步长；c.定义控制卡片，在此处需要在控制卡片部分定义output(输出)卡片关键字为fstosz(一种类型关键字)，然后保存或输出文件；d.最后进行检查，如果没有错误信息则可开始进行优化,优化结束后查看结果文件，在hyperview中打开优化结果文件检查单元厚度。按照技术方案中所述的尺寸优化是指：a.为保证铺层信息的正确传递，单个方向的厚度信息以铺层形状的形式进行输出，首先重新设置控制卡片，删除“omit”卡片，将一种类型关键字fstosz改为另一种类型关键字sztosh；b.编辑层合板laminate参数，将层合板形式设置为total,分别定义每层尺寸变量，确保修改每层厚度上限，将不能修改的规整为相近整数,依旧将参考点位移值作为约束条件，优化目标仍然是质量最小；c.指定可加工的厚度的值,在优化设置后进行检查优化，并查看铺层厚度和数目。按照技术方案中所述的顺序优化是指：对于复合材料来说，铺层顺序与其层合板的各向异性力学性能以及工艺可行性都有着紧密的联系，复合材料铺层顺序的变化会影响其结构的整体性能。在计算最优的层叠次序之前，首先对铺层顺序变量设置制造约束，定义0度、90度、45度和-45度四个方向铺层最多可以有2层相同铺层连续出现；+45度和-45度成对出现来保证对称性，最大限度避免层间应力的产生，优化约束和优化目标不变，最后进行铺层顺序优化；检查输出的结果文件，在浏览器中查看各个迭代步的铺层顺序。按照技术方案中所述的b柱加强板优化结果于解耦子结构动态工况下验证计算是指：(1)根据铺层结果进行规整分区来改进b柱加强板；(2)对带有优化后碳纤维增强复合材料b柱加强板的模型进行解耦子工况侧撞台车碰撞的模拟仿真计算；(3)查看优化后b柱与原车型中的b柱的对比数据，即通过其b柱加强板上对应人体胸部的参考点的侵入量和侵入速度最大值的对比来验证其性能的改善程度，同时获得了其轻量化效果。与现有技术相比本发明的有益效果是：1.参阅图3，本发明所述的汽车b柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法有效地对于所提取出的整车相关碰撞参考点的位移时间曲线进行整合，数据处理后得到简化后的解耦b柱子结构碰撞模型，与现有的子工况解耦方式相比，该模型能够更为准确地与整车碰撞侵入速度及侵入量曲线拟合。2.利用本发明所述的汽车b柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法在车身抗撞性概念设计阶段可以准确并且快速地计算出所设计的碳纤维增强复合材料b柱的抗撞性能，通过对新型材料碳纤维铺层角度、厚度以及铺层顺序的优化得到最优b柱参数方案，该方法有效减少了计算机仿真时间，降低了开发成本，大大缩短了设计周期。3.本发明所述的汽车b柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法将拓扑优化、尺寸优化以及顺序优化依次应用到碳纤维增强复合材料b柱加强板的轻量化设计中。所提出的设计思路可应用于车用复合材料的材料-结构一体化设计中，实现对复合材料独有的材料设计，充分利用复合材料与金属材料相比可设计性的优势，快速高效设计出满足汽车性能要求的轻量化部件。附图说明下面结合附图对本发明作进一步的说明：图1为本发明所述的汽车b柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法的流程框图；图2为本发明所述的汽车b柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法的解耦b柱子结构模型；图3-1为本发明所述的汽车b柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法所获得的b柱子结构模型相对于整车模型侵入速度拟合图；图3-2为本发明所述的汽车b柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法所获得的b柱子结构模型相对于整车模型侵入量拟合图；图4为本发明所述的汽车b柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法中b柱加强板形状结构参数模型图；图5为本发明所述的汽车b柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法中采用施加等效静载力的方法所得b柱加强板加载及约束示意图；图6为本发明所述的汽车b柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法中b柱加强板的拓扑优化后单元厚度需要减薄处的示意图；图7为本发明所述的汽车b柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法中b柱加强板优化结果的分区图；具体实施方式下面结合附图对本发明作详细的描述：本发明所述的汽车b柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法分为两个阶段，首先将b柱子结构从整车有限元侧面碰撞模型中解耦，在实现与整车模型中位于人体胸部位置碰撞参考点的位移-时间曲线拟合良好的情况下进行后续计算，大大减少计算机运行时间，提高计算效率；然后在解耦的子结构模型基础上，根据碳纤维增强复合材料试验参数建模轻量化b柱加强板结构，获得优化初始数据，即初始纤维板铺层和厚度；采用施加等效静载力的方法进行碳纤维b柱加强板的铺层角度、厚度以及铺层顺序的优化；再根据优化结果对b柱加强板进行改进，并于最后将其代入动态仿真模型中计算来验证其轻量化效果及碰撞性能。汽车b柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法的步骤如下：1.从整车有限元模型中解耦b柱子结构1)参阅图2，根据原有整车侧面碰撞模型，保留与b柱相连接的部件来保证其变形情况的准确性，即门槛梁、侧围板、顶盖横梁、车门管状防撞梁，再加上b柱结构作为子结构模型。2)采用与b柱相连接部件中与b柱相连接位置接近的区域以及侧面碰撞台车缓冲蜂窝铝最前端表面作为碰撞参考点，进行侧面碰撞有限元计算，通过ls-prepost后处理软件提取碰撞参考点的位移-时间曲线数据。3)将提取出的曲线数据通过matlab编程软件转化为ls-dyna仿真计算软件可识别的数据信息，再通过文本编辑器导入简化后只保留b柱和其周围部件以及侧面碰撞台车前端的子工况模型的计算k文件，便可准确模拟整车侧面碰撞情况，并且大大减少了计算时间，提高工作效率。2.碳纤维增强复合材料b柱加强板优化本发明首先于前步骤中所得的b柱子结构碰撞模型中将金属b柱加强板更改为碳纤维增强复合材料，仿真参数通过复合材料力学性能试验所得，包括拉伸试验及剪切试验。通过有限元碰撞仿真计算保证所建立的碳纤维增强复合材料b柱加强板与原金属b柱加强板性能相同，采取的铺层顺序、铺层角度皆根据经验设定，此铺层设定为之后优化的初始参数。简化乘用车b柱加强板几何模型，采用施加等效静载力的方法，根据b柱模型的抗冲击性仿真中的b柱加强板最大相对位移来计算所需等效力的数值，将其加载在与碰撞台车相接触的b柱加强板结构优化模型处，并按照加载点的个数，将接触力进行平均分配加载。利用optistruct优化软件对b柱加强板依次进行拓扑、尺寸及顺序优化来获得合理的铺层材料分布、铺层厚度、角度及顺序；最后对静态铺层优化结果进行分区解读设置后带入到ls-dyna仿真计算软件验证动态工况下是否满足要求。所述的碳纤维增强复合材料b柱加强板优化步骤如下：1)b柱加强板静态工况建立(1)结构简化根据已有b柱加强板结构形状的几何尺寸，将b柱加强板厚度设定成统一初始厚度，并且保留整车模型中原金属b柱加强板中的形状结构参数，将简化结构中预留出螺栓固定孔结构，并进行其网格质量检查；(2)碳纤维增强复合材料b柱加强板的建立a.首先将即将优化的部件b柱加强板更改为碳纤维增强复合材料，根据经验进行铺层角度、铺层顺序、铺层厚度设定，使其于碰撞仿真中可以保持原抗撞性能，将此铺层信息作为接下来优化的初始参数。b.由于b柱加强板皆为设计区域，故采用8号各向异性材料模型创建铺层形成层合板结构，属性定义针对设计区域设置选取pcompp(一种材料属性形式)，由于optistruct优化软件只能对材料进行减薄而不具备增厚的功能，故需建立所谓的初始厚度较厚的超级层。该超级层的厚度通过初始优化参数进行设置。(3)加载的设置提取b柱模型的抗冲击性仿真中的b柱加强板最大相对位移来计算所需等效力的数值，将其加载在与碰撞台车相接触的b柱加强板结构优化模型中，并按照加载点的个数，将等效力进行平均分配加载；根据x、y、z轴的力的数量级进行合理忽略简化，所得的静态仿真模型可以与动态仿真模型获得较好的位移拟合结果，之后在此基础上进行静态优化仿真模拟；2)碳纤维增强复合材料b柱加强板静态工况铺层优化(1)拓扑优化a.定义设计变量,对于拓扑优化首先创建变量，定义质量和参考点位移两个响应，二者分别作为优化响应和约束响应；创建约束，将参考点位移响应作为约束，设置约束上限值，将质量最小定义为优化目标；b.调整优化控制参数，包括最大允许迭代次数、目标容差值以及优化步长；c.定义控制卡片，在此处需要在控制卡片部分定义output(输出)卡片关键字为fstosz(一种类型关键字)，然后保存或输出文件；d.最后进行检查，如果没有错误信息则可开始进行优化,优化结束后查看结果文件，在hyperview中打开优化结果文件检查单元厚度；(2)尺寸优化a.为保证铺层信息的正确传递，单个方向的厚度信息以铺层形状的形式进行输出，首先重新设置控制卡片，删除“omit”卡片，将fstosz(一种类型关键字)改为sztosh(一种类型关键字)；b.编辑laminate(层合板)参数，将层合板形式设置为total(总共),分别定义每层尺寸变量，确保修改每层厚度上限，将不能修改的规整为相近整数,依旧将参考点位移值作为约束条件，优化目标仍然是质量最小；c.指定可加工的厚度的值,在优化设置后进行检查优化，并查看铺层厚度和数目；(3)顺序优化对于复合材料来说，铺层顺序与其层合板的各向异性力学性能以及工艺可行性都有着紧密的联系，复合材料铺层顺序的变化会影响其结构的整体性能。在计算最优的层叠次序之前，首先对铺层顺序变量设置制造约束，定义0度、90度、45度和-45度四个方向铺层最多可以有2层相同铺层连续出现；+45度和-45度成对出现来保证对称性，最大限度避免层间应力的产生，优化约束和优化目标不变，最后进行铺层顺序优化；检查输出的结果文件，在浏览器中查看各个迭代步的铺层顺序；3)b柱加强板优化结果于解耦子结构动态工况下验证计算(1)根据铺层结果进行规整分区来改进b柱加强板；(2)对带有优化后碳纤维增强复合材料b柱加强板的模型进行解耦子工况侧撞台车碰撞的模拟仿真计算；(3)查看优化后b柱与原车型中的b柱的对比数据，即通过其b柱加强板上对应人体胸部的参考点的侵入量和侵入速度最大值的对比来验证其性能的改善程度，同时获得了其轻量化效果。实施例：参阅图1，本发明接下来结合实例介绍利用所述的汽车b柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法；1.从整车有限元模型中解耦b柱子结构1)参阅图2，根据原有整车侧面碰撞模型，保留与b柱相连接的部件来保证其变形情况的准确性，即门槛梁、侧围板、顶盖横梁、车门管状防撞梁，再加上b柱结构作为子结构模型。2)采用与b柱相连接部件中与b柱相连接位置接近的区域以及侧面碰撞台车缓冲蜂窝铝最前端表面作为碰撞参考点，进行侧面碰撞有限元计算，通过ls-prepost后处理软件提取碰撞参考点的位移-时间曲线数据。3)将提取出的曲线数据通过matlab编程软件转化为ls-dyna仿真计算软件可识别的数据信息，再通过文本编辑器导入简化后只保留b柱和其周围部件以及侧面碰撞台车前端的子工况模型的计算k文件，便可准确模拟整车侧面碰撞情况，并且大大减少了计算时间，提高工作效率。2.碳纤维增强复合材料b柱加强板优化1)b柱加强板静态工况建立(1)结构简化参阅图4，根据原有整车有限元模型，只保留其原有金属b柱加强板形状模型结构，包括其位于中部的b柱加强板有限元模型中螺栓孔的位置。将b柱加强板设定为统一初始优化厚度，为2.5mm。进行其几何表面的二维网格质量检查，要求有翘曲度大于5、纵横比大于5、单元长度小于7.5、雅克比小于0.7。(2)碳纤维增强复合材料b柱加强板的建立a.首先在ls-dyna仿真计算软件中采用54-55号各向异性材料模型创建层合板结构。材料参数如表1所示。采取角度分别为0度、45度、-45度和90度进行铺层，单层厚度为0.25mm,总厚度为2.5mm。根据经验铺层顺序设置为[0/45/-45/90/45/45/90/-45/45/0]。进行子工况侧面碰撞仿真计算后可满足原金属b柱加强板性能，即保证了其位于人体胸部参考点的侵入速度以及侵入量不增大，且重量由1.034kg减少为0.2881kg，减少72.14％。表1rhoeaebμ21gabgbc1.75e-914520081000.00244001530gcaxtxcytycs153024552455353561b.在optistruct优化软件中，b柱加强板采用8号各向异性材料模型创建铺层形成层合板结构，材料参数见表1。由于该软件只能对铺层进行减薄，而不具备加厚的功能，故需设计厚度较厚的超级层。根据前步骤中所得满足碰撞性能的碳纤维增强复合材料铺层信息作为初始优化参数。属性定义针对设计区域设置为pcompp(一种材料属性形式)，设定4个铺层方向，即0度、45度、-45度和90度，各层厚度分别为0.5mm、1mm、0.5mm、0.5mm,总厚度为2.5mm。(3)加载的设置参阅图5，采用施加等效静载力的方法，根据b柱模型的抗冲击性仿真中的b柱加强板最大相对位移计算所需等效力的数值，将其加载在与碰撞台车相接触的b柱加强板结构优化模型处，并按照加载点的个数，将接触力进行平均分配加载。由于x、z两轴方向与y轴的接触力峰值相比，数量级相差甚远，故x、z两轴接触力可忽略不计，只提取出y轴的峰值力进行等效分析。设置8份1n的集中力均匀地加载在b柱结构优化模型上与碰撞台车相接触的部位，作为均布力进行仿真模拟计算，基于已定义好的b柱加强板结构进行分析计算可实现与碰撞模型中相同的相对位移，为37.317mm。2)碳纤维增强复合材料b柱加强板静态工况铺层优化(1)拓扑优化a.首先定义设计变量topo(定义的变量名称)，选中设计空间的铺层。定义质量响应m和位移响应d，分别作为优化目标响应和约束响应。创建约束，将位移响应d作为约束，设置上限值为37.35mm，将质量响应m最小作为优化目标。b.调整优化控制参数，最大允许迭代次数为80，目标容差值使用最小值0.005以及优化步长使用0.5。c.定义控制卡片，在此处需要在控制卡片部分定义output(输出)卡片关键字为fstosz(一种类型关键字)，然后保存或输出文件。d.最后进行检查，如果没有错误信息则进行优化。优化结束后查看结果文件，在hyperview中打开优化结果文件检查单元厚度，b柱加强板厚度需要主要减薄部分如图6所示。(2)尺寸优化a.首先设置卡片，将fstosz(一种类型关键字)改为sztosh(一种类型关键字)，删除omit(一种类型关键字)，以保证铺层信息的正确传递，即单个方向的厚度信息以铺层形状的形式进行输出。b.编辑laminate(层合板)参数，将层合板形式设置为total(总共)。定义尺寸设计变量size，将每层厚度上限修改为单层厚度的二倍即0.5mm，各个层均需要更新，将不能修改规整的归整为相近的整数。优化目标仍然是质量最小。c.指定可加工厚度为0.25mm，进行检查后若没有错误信息则进行优化。优化结束后查看结果文件，查看铺层厚度和数目，共有16个铺层项目，单层厚度为0.25mm。(3)顺序优化在对最优的层叠次序进行优化之前，首先设置制造约束，定义0度、90度、45度和-45度四个方向铺层最多可以有2层连续出现，+45度和-45度成对出现。优化约束和优化目标仍是上一步尺寸优化中的位移和质量最小目标。检查输出的结果文件，在浏览器中查看各个迭代步的铺层顺序。3)b柱加强板优化结果于解耦子结构动态工况下验证计算(1)根据铺层优化结果对于b柱加强板进行工程解读，整合分为四个区域，如图7所示。1区厚度为2.5mm，铺10层，铺层顺序为[45/-45/0/0/45/-45/0/0/90/90]；2区厚度为0.5mm，铺2层，铺层顺序为[45/-45]；3区厚度为1mm，铺4层，铺层顺序为[45/-45/90/90]；4区厚度为1mm；铺4层，铺层顺序为[0/0/45/-45]。(2)对带有优化后碳纤维增强复合材料b柱加强板的模型进行解耦子工况侧撞台车碰撞的模拟仿真计算；(3)查看仿真计算结果数据，相比于原结构其性能有所改善，即b柱加强板上对应于人体胸部的参考点的相对侵入量有所降低，如表2所示。原金属b柱加强板质量为1.034千克，优化前碳纤维增强复合材料b柱加强板质量为0.2881千克，经过铺层优化后可将其质量将为0.2174千克，优化前后减重比例可达24.54％，与原金属材料相比最终可实现减重比例高达78.97％，减重效果明显。表2综上所述，本发明提出的b柱子结构解耦以及碳纤维增强复合材料b柱加强板优化分析方法，通过子结构解耦来结构简化进行有限元分析计算，在拟合程度优异的情况下大大节省了计算时间，提高了计算效率；然后在此基础上进行b柱加强板静态工况的铺层优化，包括拓扑优化、尺寸优化及顺序优化三部分；最后将改进碳纤维增强复合材料b柱加强板在动态工况下进行验证仿真。本发明充分利用了复合材料与金属材料相比的材料可设计性能，在保证b柱抗撞性能的基础上轻量化效果明显。当前第1页12