轎車(chē)防撞梁輕結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄧騫

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東 廣州 510000）

轎車(chē)防撞梁輕結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄧騫

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東 廣州 510000）

汽車(chē)輕量化和耐撞性的研究對(duì)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展有著重大意義。以某轎車(chē)前保險(xiǎn)杠的防撞梁為研究對(duì)象，對(duì)保險(xiǎn)杠防撞梁在低速碰撞和高速碰撞兩種工況下的輕量化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了研究，根據(jù)正面碰撞的要求及汽車(chē)保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)尺寸，建立了有限元模型并分析了結(jié)果，可為汽車(chē)防撞梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

防撞梁；安全性能；薄壁安全件；高速碰撞

保險(xiǎn)杠防撞梁是汽車(chē)車(chē)身上典型的薄壁安全件，是影響汽車(chē)碰撞安全性的關(guān)鍵零部件，在汽車(chē)零部件輕量化中得到了廣泛關(guān)注。目前，保險(xiǎn)杠安全性研究主要集中在質(zhì)量更輕、低速碰撞時(shí)對(duì)前后端高成本易損部件保護(hù)效果更好，高速碰撞時(shí)能夠盡可能多吸收碰撞能量，并將碰撞力快速均勻地傳遞給車(chē)身吸能部件，從而可以很好保證車(chē)身和乘客的安全。基于此，本文對(duì)轎車(chē)防撞梁輕結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

1 保險(xiǎn)杠有限元模型建立

分別由CATIA和Hypermesh建立的保險(xiǎn)杠碰撞系統(tǒng)的CAD模型和CAE模型。在保險(xiǎn)杠前端有一剛性墻，在低速工況與高速工況時(shí)，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)分別以一定的速度撞擊剛性墻，試分析保險(xiǎn)杠與剛性墻碰撞后的變形過(guò)程及最大侵入量。本文采用分級(jí)式優(yōu)化方法，先對(duì)原結(jié)構(gòu)防撞梁進(jìn)行普通鋼、高強(qiáng)度鋼、鋁合金三種材料的替換研究，基于此優(yōu)化基礎(chǔ)再對(duì)原鋼制防撞梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料優(yōu)化，最后得出最優(yōu)的防撞梁參數(shù)組合。

2 原結(jié)構(gòu)防撞梁輕量化研究

該方案是在不改變?cè)?chē)型防撞梁結(jié)構(gòu)的前提下，采用普通鋼、冷沖壓高強(qiáng)度鋼和鋁合金進(jìn)行材料替換，觀察該工況下三種材料防撞梁的輕量化程度及安全性能。其中，DC01號(hào)鋼屈服強(qiáng)度設(shè)為170 MPa，B280VK高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度為280 MPa，6082鋁合金屈服強(qiáng)度為170 MPa。

2.1 輕量化程度對(duì)比

結(jié)構(gòu)相同、材料不同的原模型防撞梁總成質(zhì)量對(duì)比中，相同結(jié)構(gòu)的防撞梁總成采用高強(qiáng)度鋼進(jìn)行替換，減重僅為4%，而采用鋁合金替換時(shí)，減重可達(dá)60%以上。汽車(chē)發(fā)生低速碰撞時(shí)，一般希望防撞梁具有足夠的強(qiáng)度，碰撞發(fā)生后，防撞梁總成的塑性應(yīng)變盡可能小，從而最大限度地減小車(chē)身?yè)p害，降低維修費(fèi)用；高速碰撞時(shí)，防撞梁及后縱梁的變形在許可的安全距離內(nèi)盡可能大，保證最大限度地吸收碰撞能量，并將碰撞力快速均勻地傳遞給車(chē)身吸能部件，保證駕乘人員的生命安全。根據(jù)RCAR要求，使保險(xiǎn)杠總成以10 km/h速度撞向靜止的剛性壁障。取初始時(shí)刻及保險(xiǎn)杠沿初始方向（X軸負(fù)方向）位移最大的時(shí)刻的位移變化做對(duì)比，觀察保險(xiǎn)桿的形態(tài)變化。

2.2 失效判定條件

根據(jù)RCAR規(guī)程，性能優(yōu)良的汽車(chē)保險(xiǎn)杠碰撞時(shí)可吸收能量而且只限于保險(xiǎn)杠系統(tǒng)受損，保險(xiǎn)杠與車(chē)體之間的預(yù)留最小距離。通過(guò)吸能元件與車(chē)體連接，使汽車(chē)前部維修或更換費(fèi)用較低。此處，安全距離即試驗(yàn)碰撞結(jié)束后，防撞梁內(nèi)折最大的點(diǎn)與車(chē)體之間的垂直距離。從三種材料防撞低速碰撞后的位移云圖中可以看出，結(jié)構(gòu)相同、材料不同的防撞梁在速度為10 km/h的低速碰撞中均發(fā)生了彎折，普通鋼和鋁合金明顯與車(chē)體發(fā)生接觸，這說(shuō)明防撞梁抗彎性能較差，實(shí)際碰撞時(shí)會(huì)對(duì)其后布置的部件造成損壞，不能滿足RCAR對(duì)保險(xiǎn)杠的性能要求。高強(qiáng)鋼防撞梁相對(duì)普通鋼和鋁合金折彎效果雖有明顯改善，但碰撞后的塑性變形依舊過(guò)大，吸能量較低，且不符合保險(xiǎn)杠輕量化的設(shè)計(jì)要求，必須改進(jìn)，該方案三種材料碰撞后的安全距離及吸收能量如表1所示。

表1 原模型安全性能表

3 防撞梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 方案描述

汽車(chē)輕量化是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)節(jié)油減排目標(biāo)的重要措施，但汽車(chē)輕量化的前提是要保證其安全性能，尤其是對(duì)于具有吸能作用的防撞梁。上述原方案中，對(duì)原車(chē)型普通鋼制防撞梁分別采用高強(qiáng)鋼和鋁合金材料進(jìn)行替換，雖然達(dá)到了輕量化的目的，但保險(xiǎn)杠總成的耐撞性能并沒(méi)有明顯的變化，尤其是鋁合金材料的使用，無(wú)法保證駕乘人員的生命安全。這說(shuō)明僅僅對(duì)防撞梁的材料進(jìn)行優(yōu)化還不能達(dá)到安全、節(jié)能的目的，必須對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。本文針對(duì)防撞梁的結(jié)構(gòu)和厚度進(jìn)行優(yōu)化，再次驗(yàn)證高強(qiáng)鋼和鋁合金的輕量化和耐撞性。優(yōu)化后的兩種防撞梁均為單個(gè)成形件，厚度由原模型的1.2 mm改為2 mm，材料仍然采用B280VK高強(qiáng)鋼和6082鋁合金進(jìn)行比較，吸能盒與原車(chē)型結(jié)構(gòu)、材料，厚度保持不變，吸能盒前后端與防撞梁及后鋼板的連接均為縫合焊連接。

3.2 輕量化程度對(duì)比

兩種結(jié)構(gòu)防撞梁分別使用高強(qiáng)鋼和鋁合金材料進(jìn)行質(zhì)量對(duì)比，輕量化程度存在明顯差異。由表2可以看出，優(yōu)化方案一的質(zhì)量要明顯高于方案二。同種方案之間不同材料質(zhì)量對(duì)比可以看出，方案一使用鋁合金材料時(shí)的質(zhì)量比使用高強(qiáng)鋼時(shí)降低63%，方案二使用鋁合金材料時(shí)的質(zhì)量比使用高強(qiáng)鋼時(shí)降低65%，兩種優(yōu)化方案的防撞梁使用鋁合金時(shí)的質(zhì)量相比原模型分別降低14%和65%，因此，使用鋁合金材料比使用高強(qiáng)鋼材料輕量化效果明顯，滿足保險(xiǎn)杠輕量化設(shè)計(jì)要求。各方案防撞梁總成質(zhì)量對(duì)比如表2所示。

表2 優(yōu)化后的防撞梁總成質(zhì)量對(duì)比

3.3 低速工況安全性能對(duì)比

通常保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)的安全距離應(yīng)不短于10 mm，對(duì)于兩種方案下的兩種材料防撞梁，安全距離均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)此限值。方案二的高強(qiáng)鋼與方案一的鋁合金防撞梁幾乎沒(méi)有發(fā)生塑性應(yīng)變。方案一的高強(qiáng)鋼與方案二的鋁合金防撞梁塑性應(yīng)變率分別為0.08和0.4，小于兩種材料的塑性應(yīng)變率，滿足強(qiáng)度和剛度要求。

不同結(jié)構(gòu)及材料的防撞梁低速碰撞下的安全距離及吸能總量也不相同。由表3可以看出，結(jié)構(gòu)厚度優(yōu)化后的防撞梁在使用相同材料的前提下，安全距離及吸能量相比原模型有大幅度的提高。方案一的鋁合金比其他三種情況的安全距離大，但吸能效果最差；方案一高強(qiáng)鋼與方案二高強(qiáng)鋼安全距離及吸能量符合要求，但防撞梁質(zhì)量有明顯增大，有悖于保險(xiǎn)杠輕量化設(shè)計(jì)的要求。

方案二鋁合金防撞梁比其他三種設(shè)計(jì)的安全距離小，但其質(zhì)量最小，吸能量最大，兼顧保險(xiǎn)杠輕量化及安全性的設(shè)計(jì)要求，因此，性能最好。總體而言，采用方案二結(jié)構(gòu)的防撞梁，使用6082鋁合金滿足輕量化目標(biāo)，滿足安全性的要求，性能最好。無(wú)論是在發(fā)展趨勢(shì)、生產(chǎn)成本以及生產(chǎn)效率上都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，具有一定的可行性，有助于實(shí)現(xiàn)汽車(chē)安全、節(jié)能、減排的目的，可以為實(shí)際汽車(chē)保險(xiǎn)杠輕量化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

表3 防撞梁優(yōu)化后的安全性能表

3.4 高速工況安全性能對(duì)比

在高速碰撞中，保險(xiǎn)杠同樣起著很關(guān)鍵的作用。保險(xiǎn)杠在設(shè)計(jì)合理的情況下，要吸收整車(chē)碰撞能量的15%～20%左右。由于本文的碰撞研究?jī)H限于保險(xiǎn)杠，并沒(méi)有涉及到整車(chē)的建模，因此，對(duì)高速工況下結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的防撞梁安全性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)僅限于保險(xiǎn)杠總成加速度峰值及防撞梁總成最大吸能量?jī)煞矫妗Ｈ绫?所示。

表4 防撞梁優(yōu)化后的安全性能表

由表3可以看出，優(yōu)化后的防撞梁在高速工況下吸能量明顯增加，尤其是方案二鋁合金防撞梁吸能量最大。方案一兩種材料防撞梁內(nèi)侵位移較小，但吸能量相對(duì)較少，使得車(chē)身自吸能量減弱，車(chē)上乘員受傷害程度較大。根據(jù)《乘用車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》（GB 11551—2003）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，高速工況下正面碰撞時(shí)，汽車(chē)加速度峰值不能超過(guò)80g，方案二鋁合金防撞梁加速度峰值最小，吸能量最大，安全性能最好。圖1為防撞梁采用6082鋁合金的方案二結(jié)構(gòu)時(shí)的能量變化曲線圖，可以看出碰撞后防撞梁總能量幾乎沒(méi)有變化，動(dòng)能越來(lái)越小，內(nèi)能越來(lái)越大，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。沙漏能和滑移界面能低于5%，該結(jié)構(gòu)滿足可靠性的要求。

圖1 高速碰撞能量變化曲線

因此，6082鋁合金方案二結(jié)構(gòu)防撞梁在滿足可靠性、安全性的要求下，輕量化效果最明顯，耐撞性能最好，有助于實(shí)現(xiàn)汽車(chē)安全、節(jié)能、減排的目的，實(shí)際汽車(chē)保險(xiǎn)杠輕量化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在全球節(jié)能減排的趨勢(shì)下，汽車(chē)輕量化要求越來(lái)越高。本文對(duì)某汽車(chē)保險(xiǎn)杠防撞梁輕量化進(jìn)行了分析研究，得到了該保險(xiǎn)杠不能滿足RCAR性能要求且不符合輕量化的設(shè)計(jì)要求，需要改進(jìn)的結(jié)論。通過(guò)一系列的優(yōu)化工作，結(jié)果表明鋁合金及高強(qiáng)度鋼板防撞梁的輕量化及安全性能較原模型均有明顯改善，且鋁合金防撞梁輕量化程度最好，安全性能及吸能量提升效果明顯，滿足汽車(chē)零部件設(shè)計(jì)中的輕量化、安全性的要求。

［1］徐中明，徐小飛，萬(wàn)鑫銘，等.鋁合金保險(xiǎn)杠防撞梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49（08）.

［2］張振明.變厚度復(fù)合材料汽車(chē)防撞梁優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2014.

〔編輯：張思楠〕

U463.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.23.104

2095－6835（2017）23－0104－03