鎂合金轎車車門防撞桿設計與仿真*

于會濤

(上海大眾汽車有限公司，上海 201100)

鎂合金轎車車門防撞桿設計與仿真*

于會濤

(上海大眾汽車有限公司，上海 201100)

為實現汽車車身輕量化，嘗試將鎂合金應用在國內某橋車的車門防撞桿上。根據鎂合金變形特點，把原來的一段式鋼結構車門防撞桿更換為兩段式鎂合金防撞桿。利用有限元仿真軟件，對鎂合金防撞桿的動態碰撞性能進行了仿真。

輕量化;鎂合金;車門防撞桿;仿真

1 引言

進入21世紀以來，隨著汽車保有量的持續高速增長，對社會能源供給、環境保護和交通安全帶來日益巨大的影響。研究表明，車重每減輕10%，油耗可降低6% ～8%［1］。據統計，客車、轎車車身質量約占整車質量的40% ～60%［2］，因此，車身輕量化可達到節能減耗的目的。

鎂的密度是1.74 g/cm3，是鋁的2/3，鋼的1/5，是目前最輕的金屬結構材料之一［3］，世界各大汽車公司都已經把鎂合金零部件作為其重要發展方向。目前為止，汽車上共有60多個零部件采用鎂合金，如頂蓋、發動機罩蓋、后備箱蓋、儀表盤基座等［4］，但鎂合金在汽車車身承載件上的應用還很少，相關文獻資料也不多。

本研究鎂合金防撞桿設計的主要思路是采用一種新型鎂合金材料，在不改變原有車門及附件的結構、安裝工藝的前提下，通過增加車門防撞桿的板材厚度及改變原來結構的方法，使整車碰撞性能盡量接近原來性能。

2 車門防撞桿設計

圖1、2是國內某款轎車車門及車門防撞桿實物照片，車門框架及防撞桿都為鋼結構零部件，二者連接方式采用焊接。

研究發現:當鎂合金板厚與鋼板厚度比為1.2∶1時，鎂合金板與鋼板具有相同的強度;鎂合金板厚與鋼板厚度比為1.7∶1時，鎂合金板與鋼板具有相同的剛度。所以，增加板件厚度，鎂合金板件就能夠達到鋼板件的強度和剛度，這也是鎂合金替代設計的一種常見方法。此外，一般情況下，鎂合金沖壓板件的最小彎曲半徑是板厚的3倍［5］，在復雜的彎曲結構處，最小彎曲半徑的要求則更高。若僅對車門防撞桿結構進行鎂合金厚度替代，則結構的工藝可行性無法滿足。

圖1 前門防撞桿

圖2 后門防撞桿

鎂合金的化學性質十分活潑，是目前所有工業合金中化學活潑性最高的金屬，使用時鎂合金件表面極易受到腐蝕。由于此項鎂合金設計只針對車門防撞桿，與之相連的部件仍然是鋼結構件，因此在選用連接方案時尤其要注意腐蝕的問題。綜合考慮各種條件后，首先選擇在鎂合金件與鋼結構件直接接觸處涂上一層PVC涂層來防腐。

考慮到鎂合金件與鋼結構件焊接時，焊后易形成脆性相和夾雜，使接頭的力學性能顯著下降。此外，本方案設計時盡量不要增加額外的工藝步驟，所以螺栓連接或鉚接也都沒有考慮，而且螺栓連接由于開孔的緣故，也會出現應力分布不均勻和腐蝕的問題。

膠粘連接的結構應力分布比較均勻，從而使連接部位具有更高的強度，而且膠粘連接不會使結構發生翹曲變形，可以簡化工藝，也減少了后處理。由于以上優勢，本次輕量化設計最終選擇了高強度結構膠的連接方案。

綜合以上各種因素，設計完成的車門防撞桿如圖3、4所示。

圖3 前門防撞桿

圖4 后門防撞桿

前門防撞桿中，原來的一段式鋼結構防撞桿改為兩段式結構(圖3中A處)，二者焊接，與車門或支架之間采用膠水連接，膠水厚度為1.5 mm。

前門防撞桿中，原鋼結構件重1.322 kg，厚度為1.35 mm。新鎂合金件重0.732 kg，厚度為2.5 mm。其中，中間部分重0.673 kg，新加部分重0.059 kg。與原零件相比，左右兩扇前門的防撞桿共減重1.18 kg，較原件輕44.6%。

后門防撞桿中，原來的一段式鋼結構防撞桿也改為兩段式結構(圖4中B處)，二者焊接，與車門或支架之間采用膠水連接，膠水厚度為1.5 mm。

后門防撞桿中，原鋼結構件重0.798 kg，厚度為1.25 mm。新鎂合金件重0.497 kg，厚度為2.5 mm。其中，中間部分重0.43 kg，新加鎂合金部分重0.067 kg。與原零件相比，左右兩扇后門的防撞桿共減重0.602 kg，較原件輕37.7%。

3 碰撞仿真

以上海大眾的側碰為例，對鎂合金車門防撞桿的變形情況進行仿真，結果如下。

圖5 前門防撞桿變形情況

由圖5可以看出，鎂合金車門防撞桿雖然在某些點的變形較大，但仍然滿足要求。前、后門結構膠的塑性變形最大為18%，超過了8%的限值。

4 結語

(1)部分驗證了鎂合金在橋車承載件上的應用，當然，這還需要更多的碰撞仿真和實車試驗。

(2)鎂合金代替鋼結構零部件時，不能簡單地進行厚度變化，要根據鎂合金變形特點適當修改原來結構。

(3)嘗試用高強度結構膠粘接鎂合金與鋼質材料，仿真結果顯示，所選結構膠不能滿足要求，需要更換結構膠或者選擇其它的連接方式。

［1］ 朱 平，張 宇，葛 龍.基于正面碰撞性仿真的轎車車身材料輕量化研究［J］.機械工程學報，2005(9):207－211.

［2］ 李桂華，熊 飛，龍江啟.車身材料輕量化及其新技術的應用［J］.材料開發與應用，2009(4):87－93.

［3］ 郭千里.鎂合金在汽車上的應用［J］.汽車與配件，2007(22):40－41.

［4］ 黃宜松，陳吉清，龍江啟.車身輕量化材料的應用進展［J］.中國制造業信息化，2009(10):74－78.

［5］ 姜奎華.沖壓工藝與模具設計［M］.北京:機械工業出版社，1997.

Design and Simulation of Magnesium－Alloy Car Door Reinforcement

YU Hui－tao
(Shanghai Volkswagen Automotive Company Limited，Shanghai201100，China)

In order to lighten the weight of one kind of domestic car，magnesium－alloy is used for designing its door reinforcements.Considering the deformation characteristics of magnesium－alloy，the original one－piece steel－made door reinforcements are redesigned to two－piece magnesium－alloy－made door reinforcements.Finally，the dynamic crash performance of the new door reinforcements is simulated.

light－weight structure;magnesium－alloy;door reinforcement;simulation

TH122

A

1007－4414(2013)05－0086－02

2013－07－02

于會濤(1976－)，男，山東淄博人，工程師，博士，主要從事新能源汽車開發方面的研究工作。