輕型商用車前下部防護裝置輕量化開發

侯路 童鑫 黃歡 李浩亮

摘要：將國內輕卡前下部防護裝置進行結構對比分析，對現有前下防護結構進行輕量化優化設計。在現有結構基礎上，利用GFRH材料的良好的可設計性和抗彎性能設計新前下防護橫梁，并采用HyperWorks和Ls-Dyna分析軟件對新結構進行碰撞分析。新結構滿足法規要求，較原方案相比實物重量減輕36%，實現該零件輕量化的開發目標。該項目在國內輕型商用車首次采用GFRH材料，具備行業領先水平。

關鍵詞：前下部防護裝置;輕量化;GFRH材料

中圖分類號：U461.91 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018） 02-0021-06

國外許多商用車生產廠家和研究機構都已深入開展商用車的被動安全性的仿真和試驗研究工作，其中包括商用車駕駛室的抗撞性分析、前后防護裝置分析和碰撞過程中駕駛室內乘員傷害分析等。2011年國家借鑒了歐洲ECE-R93法規制訂了GB26511-2011《商用車前下部防護要求》，在商用車前部設計安裝前下防護裝置，旨在降低乘用車與商用車碰撞后帶給乘用車司機及乘客的致命傷害。

國內商用車前下防護裝置隱藏于保險杠后，前下防護由一根橫梁與兩固定支架組成，固定支架固定于車架上。為滿足GB26511-2011中的前下防護裝置碰撞性能要求，目前大多數前下防護裝置采用金屬材料，結構設計笨重。

目前飛漲的國際原油價格和日益嚴重的生態環境對汽車的節能減排提出了更高的要求，在保證安全的前提下，汽車輕量化成為一種有效手段，主機廠不斷挖掘可輕量化的零部件。

我院為滿足DFAC 2017款年度車型輕量化開發需求，通過與國內知名新材料廠商合作，借鑒國外商用車高分子保險杠的設計思想，分析競品與自身結構的優劣，進行了前下部防護輕量化開發工作。

1 國內前下防護結構分析

國內商用車大多采用金屬保險杠，前防撞梁布置于保險杠下側，二者為獨立零件。為滿足法規碰撞要求，結構設計笨重，影響整車經濟性、裝配工藝性差、影響整車接近角。結合市場主流競品，對其結構、重量和法規性能與公司現有產品進行對比，見表1。

以上五款車型的橫梁都為封閉管梁結構，其中天錦、江淮威斯達和東風D9車型為矩形管梁，一汽解放J6L為雙槽型疊加拼焊成封閉管梁，柳汽乘龍為等直異型斷面橫梁;除天錦安裝支架為鑄件外，其余4款車型都為鈑金拼焊件;天錦重量遠遠大于其余四款車型，江淮威斯達和東風D9車型重量差別不大。

2 國內前下防護性能分析

2.1前下防護裝置強度要求

GB26511法規適用于安裝在N2和N3類車輛上的前下部防護裝置，規定了商用車前下部防護裝置的設計要求和碰撞試驗方法，主要對卡車前下防護裝置進行以下三點進行碰撞測試。具體碰撞試驗要求如下：

第一、各P1點與切向前軸上的輪胎的最外側點的縱向平面的距離最大為200 mm，但不包括靠近地面的輪胎的膨脹;各P2點與相互距離為700-1200 mm（包括）的車輛的中間縱向平面相對稱。P3點位移車輛的垂直縱向中間平面上。如果與前下部防護相關的車輛的結構和部件位于完全與其縱向中間平面對稱的位移，則在各P1和P2點上的試驗應在一邊上進行，見圖1。

第二、加載頭的加載面高度不大于250 mm，寬度不大于400 mm，加載力平行于車輛的縱向中心平面，水平施加在各測點上（若結構對稱，可單側加載）。試驗時應盡可能快地施加作用力，裝置應經受住至少0.2 s的作用時間，P1點施加相當于車輛最大總質量的50%的水平載荷，最大不超過80 kN，P2點施加相當于車輛最大總質量100%的水平載荷，最大不超過160 kN。

第三、在試驗過程中以及試驗完畢后，前下部防護前端面的各測試點到車輛最前端的水平距離應不大于400 mm，P1點之間的前下部防護下邊緣的最大離地間隙應不大于450 mm。

2.2前下防護裝置有限元分析

按照企業內部碰撞分析網格建模要求，采用主流高性能的有限元前處理軟件HyperMesh對以上5種前下防護進行有限元建模，車架縱梁、車架橫梁、前下防護等鈑金件采用10 mm基本尺寸劃分殼網格，鑄件采用5 mm基本尺寸劃分四面體網格，零件之間連接采用rigidbody單元模擬。

約束車架縱梁截斷處的6個自由度，并根據法規要求在P1點和P2點給剛性壓板施加1.5 m/s的速度邊界，見圖2。將模型邊界設定好后，采用通用顯式動力學分析軟件Ls-Dyna進行求解計算，通過接觸力輸出判斷結果，P1點結果見圖3。

從仿真結果表2得出，東風天錦P1點和P2點仿真結果都滿足法規要求，但重量較重;一汽解放J6L比江淮威斯達性能略好，且總量還輕;柳汽乘龍車型性能最差，這也是總量最輕原因之一;雖然東風D9車型和江淮威斯達車型的橫梁截面尺寸一樣，但東風D9車型在P1點處承載比江淮威斯達要差，主要原因是因為東風D9車型非等直梁，在安裝支架處有向后折彎結構，其抗彎性能比等直梁差。在P2點承載東風D9車型表現比一汽解放J6L和江淮威斯達好，因東風D9車型橫梁安裝支架結構強度比二者好。東風天錦性能最好，重量最重，一汽解放J6L性能次之，但重量最輕（不考慮柳汽乘龍），性價比最好，見圖3。

東風D9車型有一系列車型，其最大設計總質量從8噸至16噸不等，目前前下防護結構只能滿足部分車型法規要求，如果在采用鈑金結構或鑄件結構，使P1點承載載荷提升至80 kN，預估其前下防護總重會達到60-80 kg左右，結構會顯得非常笨重。目前市場上諸多輕卡車型的前下防護性能類似柳汽乘龍車型，采用鈑金件，且總量較輕，但不滿足法規。東風輕卡D9車型根據項目開發目標，不僅需要滿足承載80kN要求，還需考慮輕量化目標，針對開發目標，項目組決定采用新材料和新結構進行前下防護輕量化設計。

3 前下防護裝置輕量化開發

3.1前下防護裝置輕量化設計

東風D9車型前下部防護橫梁采用DL510矩形鋼管結構，為使性能滿足法規碰撞要求，需提高防撞橫梁的X向彎曲剛度，斷面尺寸設計為120×80mm，零件本體重量達34.5kg，見圖4。

為實現前下防護裝置橫梁進行了輕量化設計，橫梁總成采用CFRT+LFT復合材料。該材料密度小、彎曲強度高，加工工藝性較好，采用模壓工藝成型，見表3。橫梁由原始重量34.5 kg降至12kg。橫梁總成兩端與原始結構形式一樣向后有一定角度折彎，槽型面板材料為CFRT材料，內部布置高度密集的加強筋LFT材料，橫梁安裝支架不做更改，見圖5。

通過Ls-Dyna分析，該材料、結構的橫梁P1點受力情況見圖6，其最大承載為40 kN，不滿足80 kN性能目標要求。

3.2前下防護裝置輕量化改進

通過不斷調整橫梁里加強筋結構形式，其效果依然不理想，由于結構本身缺陷即橫梁兩端向后有一定角度折彎，導致其P1點承載始終無法達到80kN。為了解決此問題，與總布置協調，現將橫梁改為等直結構，且橫梁材料改為強度更高的復合材料GFRH，見表3。新結構設計成類似“目”字型，為增加X向抗彎剛度，在內部設計了三條加強筋，豎直方向一條加強筋，見圖7。

前下防護總成在原有結構基礎上，左右各增加一個料厚為3 mm的金屬矩形盒，金屬矩形盒與原有安裝支架進行焊接，再與橫梁通過高強度膠粘連接。橫梁與金屬矩形盒總重為15 kg，比原有橫梁結構34.5 kg降重比達56.5%，新前下防護總成總量為34.2 kg，比原始前下防護總成53.7 kg降重比達36.3%。

通過Ls-Dyna分析，該材料結構的橫梁P1點受力情況見圖8，其在承受80 kN時P1點位移為90 mm左右，滿足法規要求。P2點同樣滿足法規要求，其變形量更小。

4總結

目前國內輕卡前下防護都采用的金屬結構，如開發滿足P1點80kN和P2點160kN承載要求的前下防護，其結構會比較笨重;DFAC針對輕量化課題，通過與國內知名新材料廠商一時代新材合作，采用復合材料替代金屬橫梁，開發出了較輕總成質量34.2kg，性能滿足法規要求的前下防護，具備行業領先水平。

GFRH（纖維增強復合材料）是一種高性能新型材料，具有抗拉強度高、抗腐蝕、重量輕、可設計性良好等特點。本項目零件利用該材料的良好的可設計性，根據前防護設計需求采用不同纖維材料和鋪層方式，通過有限元軟件LS-DYNA分析其P1或P2點承載能力，判斷其結構是否滿足法規要求，最終橫梁結構設計為金屬材料無法制造的類似“目”型方管型材，在實現輕量化的同時結構極大的增加了防撞橫梁的彎曲強度。