一種汽車防撞梁輕量化結構的仿真分析與試驗研究?

胡紅舟,鐘志華

(湖南大學,汽車車身先進設計制造國家重點實驗室,長沙 410082)

前言

汽車安全和節能是汽車技術發展的兩大永恒主題,但往往也是一對矛盾。汽車輕量化是節能的重要途徑,但是簡單的結構輕量化可能影響汽車的安全性,尤其是汽車的碰撞安全性。另一方面,汽車輕量化又不一定會減弱汽車的安全性,包括汽車的碰撞安全性。其中,最重要的是要通過應用新材料和新結構來實現輕量化前提下的高性能,尤其是碰撞安全性。

汽車結構輕量化有多種途徑,文獻[1]～文獻[4]中分別討論了應用高性能鋼板、高性能鋁合金和碳纖維等新材料及其優化新結構的相關理論與應用情況。文獻[5]和文獻[6]中描述了鋁合金在車門和發動機罩等的應用；文獻[7]～文獻[10]中描述了碳纖維在前后保險杠到翼子板等的應用。目前,乘用車關鍵結構件的鋼板性能在不斷提高,強度普遍達到600MPa以上,有的甚至高達1 000MPa；不同的新材料和新結構有不同的工藝特點和成本需求。高強度鋼沖壓成型面臨新的挑戰,但焊裝工藝比較成熟；而鋁合金的沖壓與焊裝都比高強度鋼的難度大,但輕量化效果較好；碳纖維輕量化效果潛力很大,但大規模推廣的工藝性和成本問題有待進一步解決。一個綜合利用上述不同材料優點的方案是將不同的材料用于汽車結構的不同部位,以最大限度地發揮其特長,減少其不足帶來的制造工藝和成本影響。本文中正是為了探索綜合利用鋼板和鋁合金板的優點,提出一種高性能的輕量化汽車防撞梁設計方案,以兼顧汽車碰撞安全性和汽車節能的要求。

1 現有的汽車防撞梁的典型結構及其不足

圖1為典型的汽車防碰撞骨架結構,其中最為關鍵的梁包括碰撞緩沖吸能前縱梁、門檻縱梁、B-柱梁和防火墻橫梁等。碰撞緩沖吸能前縱梁是在如圖2的正面碰撞和如圖3所示的偏置碰撞中緩沖吸能的主要結構,其壓潰后的典型變形模式如圖4所示。這種情況下,縱梁變形越充分越好,因為這樣吸收的碰撞能量也越多,能更好地保護駕乘人員。而門檻縱梁、B-柱梁和防火墻橫梁等乘員安全空間的周邊主結構應該是在給定的重量條件下剛性越大越好,這一方面是為了在如圖5所示的側面碰撞中對駕乘人員提供最佳保護,另一方面是為了在如圖2和圖3所示的正碰撞和偏置碰撞中為前縱梁的足夠變形提供反作用力支撐,并使乘員空間變形盡可能地小,以更好地保護駕乘人員。

圖1 乘用汽車的典型碰撞緩沖吸能結構

B-柱梁和防火墻橫梁等一般為矩形截面,如圖6所示,其中截面的寬度一般是高度的1.5倍以上,且一般都是高度方面受力最嚴重,造成如圖7所示的彎曲變形。為加強這種梁,除使用高強度鋼和增大鋼板厚度外,常用的方法還有設置加強件,如圖8所示。加強件雖然能夠增加梁的強度和剛度,但同時也增加了高精度復雜零件數、焊裝工作量和結構質量。因此,積極尋找其他更加簡單和輕量化的加強方式十分有意義。

圖2 乘用汽車的典型正面碰撞變形情況

圖3 乘用汽車的典型偏置碰撞變形情況

圖4 典型緩沖吸能梁壓潰后的典型變形模式

圖5 乘用汽車的典型側面碰撞變形情況

圖6 矩形截面防撞梁示意圖

圖7 防撞梁彎曲變形案例

圖8 矩形截面防撞梁加強方法示意圖

圖9 方形門檻縱梁及其加強結構簡化示意圖

門檻縱梁的截面更接近如圖9所示的方形梁,而且在兩個方向都可能受到嚴重的碰撞載荷,即側撞時的碰撞載荷和汽車墜崖時來自底部的碰撞載荷。所以,這樣的梁需要至少兩個方向的同時加強,如圖9所示。但是圖9中的加強件是一個擠壓出來的鋁合金件,至少存在兩個缺點:一是受擠壓工藝的局限,加強梁只能是等截面的,不能用來加強變截面的門檻梁,不利于門檻梁的優化設計；二是增加的額外質量比較大。針對上述已有的加強方案不足,本文中開展了新的輕量化結構設計研究,并通過仿真和實驗來驗證其有效性。

2 基于鋁合金波紋板加強的矩形防撞梁設計

從圖1所示的典型汽車防撞結構、圖2、圖3和圖5所示的典型汽車碰撞變形模式可以看出,前后縱梁以縱向壓潰變形為主,且占車身骨架總質量的比例很小,一般小于10%,而其余骨架梁以彎曲變形為主,且占車身骨架的總質量比例很大,一般大于90%。因此研究以彎曲變形為主的汽車防撞梁的輕量化結構設計具有重要的實際工程意義。考慮到不同方向的碰撞載荷,上述防撞梁一般以矩形截面為主,如圖10(a)所示,其中矩形梁的上下兩個U形件通過焊接連接。在矩形梁外部受到作用力時,橫向外載容易使U形組件發生局部變形,如圖10(b)所示,這時,橫向載荷就不能直接傳遞到下面的U形件。因此,在較小的集中載荷下,梁就會因為加載處的局部變形而發生如圖7所示的失穩變形,其中梁的兩端為簡單鉸接支撐。如果矩形截面梁置于剛性平面,當上面受局部載荷作用時,容易發生如圖11所示的失穩變形。

圖10 矩形截面梁

圖11 均布載荷作用下矩形空心梁的失穩變形模式

為了防止局部變形,充分發揮矩形梁的防撞作用,本文中研究了采用如圖12所示的鋁合金波紋板對矩形梁進行加強,如圖13所示。

圖12 典型三角波紋板結構及其特征參數

圖13 帶鋁合金加強波紋板的矩形截面梁變形狀況截圖

上述加強結構方案的工作原理如下。當橫向載荷作用在梁的加強方向時,波紋板能夠將力同時傳遞給梁的另一側,形成梁上面整體受壓,下面整體受拉的受力狀態。只有當橫向載荷導致波紋板被壓潰時,傳遞到下面的力才受到限制,這時,梁就會發生失穩變形。因此,通過波紋板加強能顯著提高矩形梁的承載能力。波紋板的特征參數對其加強效果和輕量化效果有重要影響,可以根據不同的應用需求選擇和優化。考慮到制造工藝性,波紋板可設計成不同的結構特征,如圖14所示。

圖14 其他結構特征的波紋板

當防撞梁可能在兩個方向受到撞擊力時,可采用鋁合金“十字形”波紋板結構加強,如圖15所示,其中鋁合金“十字形”波紋板結構如圖16所示。“十字形”波紋板由橫向波紋板和豎向波紋板組成,一般橫向波紋板為整板,而豎向波紋板由上下兩塊板組成,分別焊在橫向波紋板的上面和下面。但為提高抗碰撞載荷的能力,上下兩塊豎向波紋板應對齊并通過點焊與橫向波紋板固連。梁的結構參數和“十字形”波紋板結構參數皆可根據實際應用的需要進行設計和優化。

圖15 “十字形”波紋板結構加強型碰撞緩沖吸能梁的三維示意圖

圖16 鋁合金“十字形”波紋板結構示意圖

3 鋁合金波紋板加強防撞梁受力變形的建模與仿真

本文中運用有限元軟件ABAQUS分析和比較了不同結構特征的鋁合金波紋板對防撞梁強度的增強效果。波紋板加強結構可以是“一字形”,即在一個受力方向上布置有波紋板,如圖13所示,也可以是“十字形”,即在兩個受力方向上都布置有波紋板,如圖16所示。兩種結構所采用波紋板的形狀和尺寸可根據具體變化。

表1列出了用于本研究的5個有限元模型的尺寸和相關的加載與約束方式。其中“+”表示“十字形”波紋板加強結構,“—”表示“一字形”波紋板加強結構。與表1對應的有限元模型如圖17～圖21所示。梁和波紋板的單元類型均定義為殼單元。圖22為“十字形”波紋板的有限元網格。為方便矩形梁與波紋板的連接定義,矩形梁的網格劃分在其內表面,而波紋板的網格劃分在中性面。“十字形”波紋板結構由兩塊小波紋板和一塊大波紋板通過點焊或線焊連接而成,如圖23所示,圖中的小方框為點焊的定義。圖24(a)為波紋板和矩形梁內壁之間的邊對面接觸定義(無空隙)；圖24(b)為剛性圓柱體和矩形梁之間的面對面接觸定義。圓柱體用于施加集中載荷,其直徑為60mm。

表1 矩形梁有限元模型主要特征參數

圖17 模型1有限元模型網格圖

圖18 模型2有限元模型網格圖

圖19 模型3有限元模型網格圖

圖20 模型4有限元模型網格圖

圖21 模型5有限元模型網格圖

圖22 波紋板有限元網格

圖23 波紋板間的連接

圖24 接觸定義

本文中采用上述5個模型主要基于如下考慮。模型1和模型2主要用來分析,在小變形下各參數(表2)對梁的承載能力的影響。為減少邊界條件對梁變形的影響,模型2中梁的長度為模型1中梁的長度的10倍。由于在小變形下,梁的結構和變形都具有對稱性,所以模型1和模型2在建模時都利用了對稱性來減少工作量。模型3和模型4用來分析在大變形下,波紋板對梁的承載能力的影響。此時梁的變形不再符合對稱假設,因此模型3和模型4均采用全尺寸。模型5與模型4的結構和尺寸相同,但梁由兩端支撐改為底面支撐,載荷也由集中載荷改為均布載荷。在模型3～模型5的有限元分析中,梁均加載至失效。

表2 模型的主要參數及范圍

本文中研究的矩形梁在實際工況中,主要承受彎曲和擠壓,因此仿真和試驗均圍繞這兩種工況進行。通過比較梁的變形和能承受的載荷,找出波紋板相關參數對梁的變形和抗載能力的影響。

有限元模型中的主要材料參數見表3。采用彈塑性材料模型,其近似的應力應變曲線如圖25所示。因為不同模型采用同一組材料模型和參數,其參數取值并不實質影響不同結構性能對比。也就是說,同類結構即使材料性能在一定范圍變化,其結構性能的特征是類似的。所以,相關結果也可反映不同強度的鋼板和鋁合金材料的組合。

表3 材料定義

圖26為模型1中的波紋板加強梁在高度和寬度兩個方向受均布載荷(1MPa)時的位移云圖。該模型共考慮了波紋板的4個參數,即波紋的長度、高度、波紋板厚和點焊個數,對梁的最大變形的影響。該模型在方向1即梁的高度方向上有兩塊波紋板,它們之間通過點焊連接到寬度方向上的一塊整板上,它們之間的力也是通過點焊傳送。建模時,模型中波紋的長度(個數)和高度都有不同的取值。表4～表6示出波紋高度、長度和點焊數量在不同載荷方向上對梁的最大變形的影響。

圖25 仿真模型的材料曲線

圖26 模型1十字波紋板梁在兩個方向加載時的位移云圖

表4 方向1加載條件下梁的最大變形 mm

表5 方向2加載條件下梁的最大變形 mm

表6 點焊數量6個時梁的最大變形 mm

模型1的仿真結果表明,梁的最大變形與加載方向和各參數有關。在方向1加載時,隨著點焊個數增加,梁的變形減小(表4)。由于點焊的定義會影響到梁的變形,所以表4和表6中波紋高度和長度對梁最大變形的影響還存在一定的不確定性。在方向2加載時,點焊個數對梁的變形基本無影響。波紋長度和梁的最大變形成正比,而波紋高度和板厚則和梁的變形成反比(表6)。“十字形”波紋板的承載能力主要受平行于載荷方向的波紋板的影響。

模型2在模型1的基礎上,梁的長度增加到10倍,同時均布載荷減少為0.1MPa,梁的應力水平還處在彈線性范圍內。由于此時彎曲變形占主導,波紋板參數對梁最大變形的影響減弱。

模型3～模型5分析了大變形下波紋板對梁的抗彎和抗壓載荷的影響,其中波紋高和長分別為14和60mm。圖 27為空心矩形梁(模型 3,厚度1.2mm)和波紋板加強梁在集中載荷下,加載到失效時的應力云圖對比。對“十字形”波紋板而言,提高梁抗載能力的主要貢獻來自和載荷平行的波紋板,該結論也和模型1的結論一致。

圖27 模型3加載到失效時的應力云圖

圖28為模型4中的梁在均布載荷的作用下,加載到失效時的應力云圖對比。空心矩形梁承受的最大載荷約為0.29MPa,隨即失穩,位移迅速增加,而波紋板加強梁相應的載荷約為0.34MPa。從圖中可看出,空心矩形梁的塑性變形集中在中間一小部分,而波紋板加強梁的塑性變形范圍則大很多,最大應變的增幅卻不大。波紋板不但起到了加強梁的抗載強度的作用,也起到了分散載荷和吸收能量的效果。而在實際運用中,通過改變波紋板的參數,梁的載荷能力還有較多的提升空間。

圖28 模型4加載到失效時的應力云圖

圖29為模型5中的梁在純壓力工況時,加載到失效時的應力云圖對比。結果表明,波紋板對梁的抗壓能力提高明顯。在同等質量的條件下,波紋板對梁的抗壓能力能提高到空心矩形梁的2到3倍。因此,在受壓工況下,波紋板能顯著提高結構的抗壓能力。

圖29 模型5加載到失效時的應力云圖

圖30 彎曲試驗梁變形結果比較

4 試驗驗證

為了驗證上述理論與仿真分析的結果,本文中以模型3和模型4為基礎,開展了梁在集中載荷和分布載荷下的試驗,并與仿真結果進行對比。在試驗中,3種梁,即空心矩形梁、“一字形”波紋板和“十字形”波紋板加強梁,均加載到失效。圖30為梁在集中載荷下試驗和仿真的變形結果對比。從變形圖來看,梁的試驗和仿真變形模式吻合得很好。圖31為相應的載荷位移曲線的對比。仿真和試驗結果均顯示了波紋板對梁的抗載能力的加強。加強效果約達30%,試驗結果要好于仿真結果。試驗和仿真曲線也顯示了相同的載荷特征,其中空心梁的試驗和仿真曲線吻合得較好。

圖31 載荷位移曲線-集中載荷

圖32為均布載荷下相應的載荷位移曲線,其中均勻載荷已換算為在載荷方向的等效力。無波紋板時,試驗和仿真的最大載荷值接近,而有波紋板時,試驗數據大于仿真值。波紋板對梁的抗載能力的改善效果約達20%,試驗結果好于仿真結果。

圖32 載荷位移曲線 分布載荷

造成仿真和試驗結果差異的原因有以下幾個方面:實際材料的強度和仿真模型的參數不完全一致；梁和波紋板的厚度也有一定的波動；試驗加載方式與理論加載方式存在一些誤差。另外試驗所用的梁是通過焊接組裝而成的,焊接處的強度會大于實際的薄板強度。材料失效方式也有不同,在彎曲試驗中,有部分梁在最大應力點出現局部斷裂,而有的梁只在同一區域產生塑性變形。但總的來講,試驗和仿真所得的載荷位移曲線相近,波紋板的加強作用得到驗證。

5 結論

本文中通過建模和仿真研究了波紋板的不同結構和參數對防撞梁加強作用的影響,并進行了試驗驗證。仿真和試驗結果表明,波紋板對提高矩形梁的強度和剛度,特別是受壓情況下的強度和剛度,效果明顯。在實際運用中,可通過不同的鋁合金波紋板和鋼材空心矩形梁的組合,來實現提高結構的載荷能力或減輕結構質量的目的。一般來說,前后防撞縱梁不需要采用波紋板結構從梁的內部來加強,因為這些縱梁都要求變形盡量大,以實現同等材料條件下的最大吸能。對于門檻縱梁和門頂縱梁,由于要考慮來源于側撞的沖擊力和墜崖與翻滾帶來的上部或下部的沖擊力,有必要采用“十字形”波紋板加強結構來實現對兩個相互垂直方向的加強。對于A-柱、B-柱和C-柱主要考慮來自側向的沖擊力,只需采用“一字形”波紋板加強結構。對于防火墻部位的前部橫梁,一般只需要考慮前碰撞帶來的沖擊力,采用“一字形”波紋板加強結構即可。對于底部或頂部的橫梁,只需要考慮來自頂部或底部的垂直沖擊力,因此也只須采用“一字形”波紋板加強結構。