汽車鋁質防撞梁的輕量化設計及分析

金泉軍，陳偉，張然然，牛麗媛，劉慧軍，王納新，李志虎

（眾泰汽車工程研究院前瞻技術中心，浙江 杭州 310000）

引言

全球汽車工業的發展使汽車保有量在不斷攀升，同時帶來了能源、環境、安全等一系列的問題。汽車輕量化是降低能源消耗、減少污染物排放、提升安全性最有效的措施之一[1]。汽車防撞梁作為保障汽車被動安全性能重要的零部件之一，可以吸收碰撞撞擊的能量，緩和外界對車身的沖擊，對車體結構起重要的防護作用；同時在碰撞事故中還可以保護行人安全，避免行人撞擊時出現死亡，降低事故率[2-4]。因此各大汽車企業及科研院所均將防撞梁的車身安全和輕量化優化設計作為重要課題開展研究。

目前，國內外防撞梁安全性研究主要集中在四個方面：①質量更輕；②低速碰撞時對前后端高成本易損部件保護效果更好；③高速碰撞時前段盡可能多吸收碰撞能量，乘員艙侵入量最小；④行人保護效果更優越[5-7]。鋁合金是能夠滿足汽車安全性能要求的同時又能有效實現汽車的輕量化的最理想的結構材料。

文章采用結構優化方法，基于防撞梁零部件的性能要求，通過對鋁合金、高強度鋼制備的防撞梁開展剛度、模態、強度、碰撞等綜合對比分析，獲得最優的結構，滿足產品需求。

1 碰撞仿真基礎理論

1.1 碰撞動力學理論

碰撞過程是一個動態的大位移和大變形過程，而對于大變形問題，仿真軟件LS-DYNA主要采用更新拉格朗日增量算法。更新拉格朗日增量算法描述如下。

任意質點的運動軌跡方程：

式中，Xj為質點的初始位置。質點X在任意時刻的空間坐標為：

式中，NI為節點I的形函數。由此可得單元內任一點X的位移為：

式中，uiI為節點I的位移。同理，單元內任一點的速度、加速度、變形率和虛速度可表示為：

式中Dij為變形率，BI為拉普斯變換式，δvi為質點X的虛速度，δviI為節點I的虛速度。t0時刻的初始條件為：

式中，σji為Euler應力，ρ為現時構形中的介質密度，bi為作用于單位質量上的應力。取虛速度為加權系數，利用加權余量法，并利用分步積分，式（6）還可以寫成：

式中，ti為面力，v為瞬時速度，dA為物質面元，為單元元的加速度。將式（4）寫成矩陣式，并代入式（9）中，可得動力學微分方程：

1.2 基于中心差分法的汽車碰撞動力學解析

對于動力學微分學方程的求解，仿真軟件LS-DYNA主要采用顯示中心差分法，其描述如下。

如果 0，t1，t2，....，tn時刻的節點位移、速度和加速度均已知，先求解tn+1（t+Δt）時刻的結構響應。中心差分法對加速度的導數采用中心差分替代，即

求解線性方程組（12），可得t+Δt時刻的節點位移向量Ut+Δt，將 Ut+Δt代入幾何方程與物理方程中可獲得 t+Δt時刻的單元應力與單元應變。

1.3 剛度模態理論

模態分析是結構動態特性分析中一項重要內容，對于實際連續的非線性物理結構，可離散為一個N自由度的線彈性系統，根據達朗貝爾原理，其運動的微分方程為：

結構的固有頻率用于表示結構在受到外界激勵容易發生振動的頻率。結構在固有頻率下的振動變形稱為主振型。固有頻率和主振型是表示系統振動特征的重要參數。

自由模態分析中，系統的激振力向量{f(t)}為零向量，且忽略系統的阻尼，則系統的無阻尼自由振動方程矩陣形式為：

此時求解結構的固有頻率就轉化為求解矩陣特征值ω2得問題，將特征值ω2帶入式（17）中可得到相應特征向量，即相應的主振型，由此計算得到系統的固有頻率和相應的主振型。由此計算得到系統的固有頻率和相應的主振型。

2 防撞梁有限元模型的建立

文章所建立的防撞梁模型是基于某汽車前防撞橫梁實際尺寸而建立的，并對其進行了簡化。防撞梁由橫梁和左右兩個吸能盒元件通過雙脈沖MIG焊接而成，結構如圖1所示。

圖1 防撞梁總成結構示意圖

通過借助Hyper-work、Nastran和Ls－dyna軟件進行建模與求解，對比分析防撞梁在不同工況下的模態、剛度、強度及高速碰撞等性能，來總體評價防撞梁的設計合理性及性能指標。由于碰撞時速度較高，因此應考慮應變率對材料性能的影響。本文試驗采用 Pam-crash中的材料模型，Elasticplastic（102），應變率模型為Cowper-Symonds，應變率模型為：

式中，σn為考慮應變率之后的屈服應力，σγ為靜態的屈服應力，ε為應變率，D和P為Pam-crash模型中的參數，一般取D=40，P=5。

防撞梁總成網格大小為6mm，吸能盒與防撞梁通過條焊方式連接。在碰撞分析中，防撞梁總成與剛性墻為面面接觸，防撞梁之間為單面接觸。動、靜摩擦系數均設為0.2，計算時間設置為0.1ms。

3 材料靜態性能與高速拉伸性能

本試驗選用高鋁合金進行輕量化設計并與高強度鋼防撞梁進行對比分析。傳統橫梁主要是HC550/980DP的雙相鋼，吸能盒采用是HC340/590DP材料。基于輕量化考慮，將橫梁的雙相鋼替換為強度高、塑性好的6082-T6鋁合金材料，吸能盒采用吸能效果好的6063-T6鋁合金材料。所用材料、規格及靜態性能如表1和表2所示。通過對比高速拉伸曲線可看出：不同的應變率對材料曲線影響較大，隨著應變率的增加，材料的性能相應提升，測試結果如圖2、3所示。

表1 防撞梁材料及規格

表2 防撞梁材料靜態性能

圖2 高強度鋼高速拉伸的材料曲線

圖3 鋁合金材料高速拉伸曲線

4 防撞梁多工況分析

本設計通過對比方式進行結構分析，在同一種工況下，利用鋁合金材料替換高強度材料，觀察每種工況下兩種材料制備的防撞梁的模態、剛度、安全性能變化。

4.1 防撞梁模態分析

分別對鋼質與鋁質防撞梁的自由模態、約束模態進行分析，結果發現：①自由模態工況下：鋁質材料一階彎曲模態比鋼質材料模態略有提高；鋁質材料一階扭轉模態比鋼質材料模態提高 43.7%以上。②約束模態工況下：鋁質材料上下擺彎曲模態比鋼質材料模態提升44%以上；鋁質材料左右擺彎曲模態相比鋼質提升約40%以上；鋁質材料前后擺彎曲模態比鋼質材料提高 35.6%以上；上下扭轉模態鋁質材料比鋼質材料模態提高62%以上。通過對自由、約束模態對比分析發現：采用鋁合金材料的防撞梁的總成頻率均高于高強度鋼。模態分析結果如表3、4與圖4- 9所示。

表3 高強度鋼與鋁合金自由模態對比數據

圖4 一階彎曲模態（自由模態）

圖5 一階扭轉模態（自由模態）

表4 高強度鋼與鋁合金約束模態對比數據

圖6 上下擺彎曲模態（約束模態）

圖7 左右擺彎曲模態（約束模態）

圖8 前后擺彎曲模態（約束模態）

圖9 上下扭轉模態（約束模態）

4.2 防撞梁剛度分析

采用鋁合金材料實現輕量化的同時，必須保障剛度要求，因此需要對材料的剛度值進行評價。剛度加載模型如圖 10所示，分析結果如表5與圖11- 13所示。基于防撞梁零部件的剛度性能要求，分別在X方向加載10N、Y方向加載100N、Z方向加載100N的力，分析鋼、鋁防撞梁結構剛度。結果表明：X方向，鋁合金的剛度值為 5.68N/mm，高強度鋼的剛度值為2.92N/mm，采用鋁合金剛度值提升近1倍；Y方向，鋁合金的剛度值為 129.53N/mm，高強度鋼的剛度值為235.63N/mm，采用鋁合金剛度值降低約45%；Z方向，鋁合金的剛度值為33.68N/mm，高強度鋼的剛度值為37.65N/mm，兩種材料Z方向基本持平。雖然鋁合金防撞梁在Y、Z方向的剛度值比鋼質低，但影響產品性能的主要是X方向，因此該結構滿足剛度性能要求。

圖10 防撞梁剛度加載模型

表5 高強度鋼與鋁合金剛度對比數據

圖11 防撞梁總成X向剛度

圖12 防撞梁總成Y向剛度

圖13 防撞梁總成Z向剛度

4.3 防撞梁拖鉤強度分析

由于防撞梁安裝有拖鉤，在牽引力的作用下，防撞梁必須滿足拖鉤強度要求。防撞梁拖鉤三種工況模型如圖 14所示，分析結果如表6與圖15- 19所示。基于防撞梁拖鉤強度性能要求，需考核三種工況：①工況 1（直拉），施加載荷8365N力；②工況2（向左斜拉30°），施加載荷7529N力；③工況3（向右斜拉30°），施加載荷為7529N力。鋁合金與高強度鋼防撞梁拖鉤強度的加載最大變形與卸載殘余變形如表6所示。通過對比分析發現，工況1、2作用下鋁合金加載最大變形均小于鋼質材料，工況3鋁合金加載最大變形與鋼質基本持平；而針對三個工況作用下的卸載殘余變形，鋁合金均小于鋼質變形。

圖14 防撞梁拖鉤三種工況示意圖

表6 高強度鋼與鋁合金防撞梁拖鉤強度對比數據

圖15 防撞梁拖鉤直拉加載最大變形分析結果（工況1）

圖16 防撞梁拖鉤直拉卸載最大變形分析結果（工況1）

圖17 防撞梁拖鉤30°向左加載最大變形分析結果（工況2）

圖18 防撞梁拖鉤30°向左卸載最大變形分析結果（工況2）

圖19 防撞梁拖鉤30°向右加載最大變形分析結果（工況3）

圖20 防撞梁拖鉤30°向右卸載最大變形分析結果（工況3）

4.4 防撞梁剛性墻碰撞性能分析

在防撞梁剛性墻碰撞過程中，僅截取汽車前端主要結構模型進行分析，并在模型的后部部分耦合試驗臺車，試驗臺車質量與整車整備質量設置相等，為1425kg，如圖21所示。采用碰撞速度為30km/h，汽車質量通過試驗臺車所附加的集中質量來彌補，同時設置相應的慣性矩和質心。有限元模型建立好后，導入LS-DYNA進行計算碰撞過程中防撞梁的吸能性能。分析結果如圖22所示，在碰撞過程中，鋼質防撞梁吸能盒首先被壓潰，然后橫梁被擠壓，變形不充分；而鋁質防撞梁橫梁弧形段首先壓潰，原來有一定弧度的橫梁被壓直，然后吸能盒被擠壓，碰撞盒充分變形，變形狀態良好。

剛性墻碰撞測試結果如表7和圖23所示。由表7可知，鋁合金防撞梁具有更高的強度，在相同的碰撞條件下能夠吸收更多的能量，其整體吸能效果優于鋼質防撞梁。通過圖23可以看出：在吸能方面，為保護行人安全，鋁合金防撞梁部位設計相對偏軟一些，因此在碰撞初期吸能位移相對比鋼質材料略有提升，同時為避免碰撞能量傳遞到乘員艙空間內，降低乘員艙的侵入量，因此碰撞后期采用鋁合金吸能盒部位的吸能位移遠低于高強度鋼，同時采用鋁合金材料替換傳統高強度鋼材料，其質量從原來的6.604kg，降低至3.254kg，實現減重50.7%以上，在汽車輕量化方面效果明顯。

圖21 防撞梁剛性墻碰撞示意圖

表7 高強度鋼與鋁合金防撞梁剛性墻碰撞對比數據

圖22 防撞梁總成剛性墻碰撞示意圖

圖23 防撞梁總成剛性墻碰撞能量位移對比分析結果

5 結論

通過數值分析，對鋁質與鋼質防撞梁多工況性能進行了系統研究，得出以下結論。

（1）通過對兩種材料防撞梁進行模態工況對比分析，可以得出：鋁合金防撞梁在實現輕量化的同時，可使自由模態與約束模態都得到提高。

（2）針對防撞梁總成上安裝的拖鉤三種工況下的強度分析，可發現：兩種材料均能夠滿足拖鉤強度技術標準要求，但采用鋁合金的加載最大變形與卸載殘余變形均小于鋼質材料，能夠給設計提供更好的設計空間。

（3）綜合考慮法規要求的碰撞工況，鋁合金材料設計能夠使防撞梁總成質量合理分布，在保證一定的輕量化效果的前提下，鋁合金材料的防撞梁在碰撞工況中耐撞性能得到提高。

（4）將鋁合金材料與傳統的高強度鋼材料對比發現：鋁合金在汽車車身輕量化方面有明顯的效果，減重 50.7%的質量，且該鋁合金材料能夠滿足碰撞標準要求，可以應用于車身結構件。

參考文獻

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