基于輕量化的超高強鋼輥壓前防撞梁碰撞性能實驗研究

張驥超，石磊，韓非，肖華

（寶山鋼鐵股份有限公司研究院，汽車用鋼開發(fā)與應用技術國家重點實驗室，上海 201900）

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基于輕量化的超高強鋼輥壓前防撞梁碰撞性能實驗研究

張驥超，石磊，韓非，肖華

（寶山鋼鐵股份有限公司研究院，汽車用鋼開發(fā)與應用技術國家重點實驗室，上海 201900）

摘 要：參考C-NCAP2012版管理規(guī)則，建立了前防撞梁正碰性能評價實驗模型。對采用不同強度、不同厚度規(guī)格的輥壓超高強鋼前防撞梁，完成了正碰對比實驗，研究了材料強度、厚度對前防撞梁零件碰撞性能的影響。實驗結(jié)果表明，對同一強度材料，隨著厚度的增加，加速度峰值及變形量減小；對于同一厚度，隨著強度的增大，加速度峰值及變形量也減小。同時，實驗證明對于同一截面的前防撞梁零件，通過采用強度更高的材料，可以在實現(xiàn)輕量化的效果下，獲得接近或者相當?shù)呐鲎残阅埽瑸榍胺雷擦毫慵O計與新車型零件選材提供了參考。

關鍵詞：超高強鋼；輥壓成形；前防撞梁；正碰實驗

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.047

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-141-05

前言

汽車前保險杠系統(tǒng)是汽車前端重要的碰撞安全裝置，主要包括保險杠蒙皮、緩沖泡沫、前防撞梁、吸能盒等零件組成[1]，前防撞梁是其中的關鍵零件[2]，在低速碰撞（通常小于10 km/h）中，前防撞梁可用于保護翼子板、散熱器、發(fā)動機罩等車身部件以節(jié)約維修成本[3-6]；在中低速碰撞（通常為10～20km/h）中，前防撞梁可以吸收掉大部分的碰撞能量，減小對車身和乘員的傷害[7-9]；在中高速碰撞（通常大于20km/h）中，前防撞梁主要起能量吸收和力傳導作用，是汽車發(fā)動機艙發(fā)生均勻穩(wěn)定變形的關鍵[10-11]。

隨著汽車碰撞安全和排放法規(guī)日益嚴苛，對前保險杠系統(tǒng)輕量化及碰撞性能提出了更高的挑戰(zhàn)，其中，前防撞梁的輕量化設計主要通過結(jié)構優(yōu)化以及采用比強度高的超高強鋼等輕量化材料得以實現(xiàn)[12-17]。與傳統(tǒng)冷沖壓工藝相比，輥壓成形工藝更容易控制回彈達到較好的成形精度，特別適宜于超高強鋼等延伸率低、回彈較大的材料加工，因而在白車身上得到了愈加廣泛的應用[18]。

本文針對一典型輥壓前保險杠防撞梁零件，建立了碰撞性能評價實驗系統(tǒng)；采用CAE分析方法，選定了正碰實驗碰撞速度，進行了不同強度、厚度規(guī)格材料的前防撞梁正碰實驗；研究了超高強鋼材料強度、厚度對前防撞梁零件碰撞性能影響，為前防撞梁零件設計與選材提供了參考。

1、前防撞梁碰撞性能實驗系統(tǒng)

1.1 前防撞梁碰撞實驗簡化總成

根據(jù)輥壓前防撞梁典型截面特征，本文設計的前防撞梁為開口式對稱截面，其特征及截面尺寸如圖1、圖2所示。實驗用前防撞梁簡化總成由前防撞梁、左右吸能盒與安裝板組成，吸能盒前端與前防撞梁進行焊接，吸能盒后端與安裝板進行焊接，焊接好的前防撞梁簡化總成如圖3所示。其中，吸能盒選用材料為1.6mm DC01，安裝板選用材料為2.0mm HC340/590DP，前防撞梁選用了兩種不同強度、分別三種不同厚度、共6種不同規(guī)格的超高強鋼材料分別加工樣件，相關規(guī)格材料力學性能如下表1，其中選定1.4mm HC420/780DP為對比基準對象。

圖1　研究用前防撞梁零件模型

圖2　研究用前防撞梁截面尺寸

表1　研究用前防撞梁材料規(guī)格

圖3　研究用前防撞梁簡化總成

1.2 碰撞實驗方案

依照2012版C-NCAP管理規(guī)則[19]，評價車輛碰撞安全性正面100%重疊剛性壁障碰撞實驗速度分別為km/h。為更好的區(qū)分和評價不同強度材料對前防撞梁碰撞性能影響，本文通過CAE仿真的方法對100%重疊剛性壁障實驗碰撞速度進行了匹配設計。如圖4所示，為通過CAE仿真，獲得的不同碰撞速度下，前防撞梁與吸能盒的變形情況，通過不同速度下的碰撞CAE分析發(fā)現(xiàn)：對于本實驗模型，正面100%重疊碰撞選擇18km/h可以提高實驗過程的穩(wěn)定性，從而獲得比較理想的實驗結(jié)果。

圖4　不同碰撞速度下吸能盒仿真變形情況

圖5　前防撞梁位移測量點示意圖

圖6　實驗碰撞臺車示意圖

實驗方案：實驗前，前防撞梁簡化總成固定在剛性墻上，碰撞臺車實際配重為1000±25kg，臺車以設定的速度對防撞梁簡化總成進行碰撞，實際碰撞速度18±0.5km/h。碰撞過程中可通過臺車搭載的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對臺車加速度數(shù)據(jù)進行記錄，同時通過測量碰撞前后防撞梁中心和吸能盒內(nèi)側(cè)前端測點距剛性墻的距離，可以計算出防撞梁的侵入量Db和吸能盒的侵入量Da。防撞梁在剛性墻上的安裝、吸能盒位移測量點、防撞梁侵入量測量地點如圖5所示；碰撞臺車如圖6所示。

2、碰撞實驗結(jié)果與性能評價

采用上述實驗方案，進行了6種規(guī)格材料加工的前防撞梁的正碰實驗，HC420/780DP材料三種不同厚度的前防撞梁正碰后防撞梁本體及吸能盒變形情況如圖7，HC550/980DP材料對應情況如圖8所示。研究前防撞梁總成在正面碰撞后的的變形狀態(tài)可以看出，碰撞后，防撞梁被壓平，中部局部發(fā)生凹陷，具有折彎的趨勢，但整體外形保持完好，未發(fā)生明顯的大變形失效，也未發(fā)生開裂；左右吸能盒發(fā)生明顯的層疊壓潰，變形模式較好，未出現(xiàn)明顯的變形異常和突變。表明實驗的防撞梁變形模式和整車正面碰撞中防撞梁典型的變形模式基本一致，實驗獲取的防撞梁變形狀態(tài)可以為整車正面碰撞中防撞梁的變形狀態(tài)提供一定參考。

大量實驗數(shù)據(jù)表明，在正面碰撞中，加速度和侵入量是兩個影響乘員傷害值最為關鍵的兩個指標[20]。以下即以碰撞加速度及侵入量為對比參數(shù)，對比分析碰撞實驗結(jié)果。

圖8　HC550/980DP前防撞梁簡化總成正碰實驗后的變形狀態(tài)

2.1 碰撞加速度對比

如圖9所示，為兩種不同強度材料、分別三種不同厚度前防撞梁，碰撞實驗后獲得的臺車加速度曲線。從圖9以看出，臺車加速度曲線具有3個比較明顯的波峰，這同吸能盒的層疊壓潰變形模式是一一對應的。當防撞梁被壓平，并將碰撞能量傳遞到左右兩側(cè)吸能盒，在吸能盒結(jié)構在發(fā)生初速屈服的這一過程中，碰撞支反力逐漸升高，從而出現(xiàn)第一個加速度峰值。此后吸能盒發(fā)生一級壓潰，支反力降低，加速度降低。當吸能盒一級壓潰空間不足時，隨著材料硬化和后續(xù)結(jié)構的變形抗力增大，支反力增大，加速度再次升高。當支反力增大至一定程度時，后續(xù)結(jié)構發(fā)生二級壓潰，同時支反力開始下降，加速度降低。在吸能盒交替層疊變形的過程中，碰撞能量被逐漸吸收。當碰撞剩余能量不足以使吸能盒繼續(xù)發(fā)生交替層疊壓潰時，加速度曲線不再發(fā)生比較明顯的波動，碰撞過程也趨于結(jié)束。

圖9　正面碰撞臺車加速度曲線

加速度峰值對比如圖10所示。從圖10可以看出，整個碰撞過程中的臺車加速度峰值Amax具有隨防撞梁t增加而減小的趨勢。對于材料為HC420/780DP的防撞梁，當t由1.2mm分別增大至1.4mm和1.6mm時，Amax由15.3g分別減小至15.1g和14.7g；對于材料為HC550/980DP的防撞梁，當t由1.2mm分別增大至1.4mm和1.6mm時，Amax由14.6g分別減小至13.2g和12.4g。同時可以發(fā)現(xiàn)，采用1.2mm的HC550/980DP，與1.6mm的HC420/780DP的加速度非常接近。

圖10　正面碰撞臺車加速度峰值對比

2.2 臺車位移及防撞梁侵入量對比

如圖11所示，為碰撞實驗后臺車的位移Dv隨碰撞時間T的變化曲線，也反饋了碰撞后的臺車侵入量情況。可以看出，隨著材料強度與厚度增大，碰撞后臺車位移呈減小的趨勢；且碰撞結(jié)束反彈時間也會相應的提前。

圖11　正面碰撞臺車位移曲線

防撞梁最大變形量如圖12所示。從圖12中可以看出，防撞梁最大變形量與臺車位移變化呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。即對于同一強度材料，隨著厚度的增加，變形量減小；對于同一厚度，隨著強度的增大，變形量減小。

一般希望在降低加速度峰值的情況下也減小侵入量，從而達到對乘員最大的保護效果。對于HC420/780DP和HC550/980DP兩種材料不同厚度防撞梁，當厚度由1.2mm逐漸增大至1.6mm時，Amax、Dvmax、Db、Da均有不同程度的減小。當防撞梁厚度增加時，防撞梁被壓平時吸收的碰撞能量增大，減小了后續(xù)碰撞的能量輸入，因此防撞梁和吸能盒的侵入量減小，也使得臺車反彈時間略有提前。厚度增大使防撞梁結(jié)構穩(wěn)定性增強，力傳導作用更加穩(wěn)定，一定程度減小了支反力的波動，從而使加速度曲線波峰和波谷的差值減小，降低了加速度峰值。

圖12　不同規(guī)格超高強材料碰撞結(jié)果對比

2.3實驗結(jié)果

綜合對比不同規(guī)格超高強鋼材料碰撞實驗結(jié)果可見，1.2mm HC550/980DP與1.4mm HC420/780DP材料碰撞表現(xiàn)基本相當，在保證碰撞性能相當?shù)那疤嵯拢褂?.2mm 980DP替代1.4mm 780DP可以獲得約14%的輕量化效果；1.4mm 980DP材料碰撞性能優(yōu)于1.6mm 780DP；1.6mm 980DP碰撞表現(xiàn)最佳，但與1.4mm980DP相比提升不顯著，且不具備輕量化效果。因此，在前保險杠防撞梁設計選材時，根據(jù)車型性能目標差異，推薦優(yōu)先選用1.2mm 980DP或1.4mm 980DP來保證較好的碰撞性能與輕量化效果。

由此可見，對于同一截面的前防撞梁零件，通過采用強度更高的材料，可以在實現(xiàn)輕量化的效果下，獲得接近或者相當?shù)呐鲎残阅堋?/p>

3、結(jié)論

本文基于一典型的輥壓前防撞梁零件，參考2012版C-NCAP管理規(guī)則，確定了前防撞梁總成碰撞性能實驗方案，并對目前常用超高強鋼材料碰撞性進行了研究，主要結(jié)論如下：

1）選定了合理的正面碰撞實驗速度，保證了實驗過程中的前防撞梁變形過程穩(wěn)定，變形模式和整車正面碰撞中防撞梁典型的變形模式基本一致，可以較好的反映和區(qū)分不同材料碰撞性能差異。

2）對于同一截面的前防撞梁零件，隨著材料厚度與強度的增加，臺車碰撞最大侵入量與加速度峰值呈下降趨勢，有助于降低碰撞過程可能對乘員造成的傷害。

3）對比了常用超高強鋼材料碰撞性能差異，對于同一截面的前防撞梁零件，通過采用強度更高的材料，可以在實現(xiàn)輕量化的效果下，獲得接近或者相當?shù)呐鲎残阅埽瑸樾萝囆土悴考x材設計提供了參考。

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工藝裝備

Study on the FrontAL Impact Performance Based on the Roll-formed Lightweight UHSS Front Bumper

Zhang Jichao, Shi Lei, Han Fei, Xiao Hua
( Research Institute, Baoshan Iron & Steel Co., Ltd, State Key Laboratory of Development and Application Technology of Automotive Steels, Shanghai 201900 )

Abstract:In this paper a frontal impact experiment system is built according to C-NCAP 2012 regulations and a series of experiments are carried out to study the influence of UHSS material strength and thickness on the front bumper’s frontal impact performance.The experimental result shows that deformation and peak acceleration decreases as the material thickness increases for the same material strength and likewise as the material strength increases for the same material thickness.Also the result shows that lightweight effect can be achieved through the use of higher strength material without losing frontal impact performance, which can provide reference for the material selection during new model car development.

Keywords:UHSS; roll-forming; front bumper; frontal impact experiments

作者簡介：張驥超，就職于寶山鋼鐵股份有限公司研究院。

中圖分類號：U467.3

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-141-05