一種復合材料的輕量化商用車前下部防護裝置

付赫濤 王雪

摘 要：商用車前下部防護裝置，是汽車發生碰撞時保護車輛及人員安全的重要部件，國家發展與改革委員會也發布了GB26511標準，其中強制規定了商用車前下部防護裝置的碰撞性能要求。近期，不斷嚴苛的環保指標，為汽車零件的輕量化提出了新的要求。為了研發質量更輕的防護裝置，本文在現有防護裝置結構的基礎上，利用拉擠工藝玻璃纖維復合材料的良好力學可設計性和抗彎曲性能，研發出新型商用車輕量化前下防護橫梁。同時利用Abaqus有限元分析軟件對輕量化結構進行碰撞試驗仿真，結果滿足GB26511法規要求，較原方案相比重量減輕50%，實現了該零件的輕量化。該項目在商用車上首次應用拉擠工藝復合材料。

關鍵詞：前下部防護裝置;拉擠工藝復合材料;碰撞仿真;Abaqus

1 引言

參考歐盟相關標準，2011年，我國制訂了GB26511-2011《商用車前下部防護要求》，用以降低商用車與乘用車碰撞后給乘用車內人員造成的傷害。現有該產品大多采用金屬結構，采用沖壓及拼焊工藝，由一根橫梁和兩副對稱的支架組成，通過螺栓將支架固定在前車架上。下圖1為某國產商用車金屬材質前下部保護裝置：

我公司為滿足客戶需求，借鑒國外復合材料在防撞吸能產品上的應用，對現有的金屬材質前下部保護裝置產品進行了重新設計開發，開發全新的復合材料防護梁。

2 現有產品的性能分析

GB26511-2011《商用車前下部防護要求》規定了商用車前下部防護裝置的碰撞試驗方法和性能要求。主要對商用車前下防護裝置進行三個點（P1、P2和P3）進行碰撞測試。要求如下：

（1）位置要求：如圖2所示，P1點位于前軸輪胎最外側（不包括輪胎的變形量）相切的縱向平面200mm處;P2點對稱于車輛的縱向平面中心兩側，兩P2點相互之間的距離為700-1200mm;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置，則在各P1和P2點上的試驗應在一邊上進行。詳見上圖2。

（2）加載要求：加載力平行于車輛的縱向中心平面，水平施加在各點上。加載頭尺寸不大于400mm（寬）×250mm（高），試驗時應盡可能快施加作用力，裝置應經受住至少0.2 s的作用時間，P1、P3點施加80 kN，P2點施加160 kN。（客戶要求）

（3）實驗完成后，橫梁變形不能超過200mm（客戶要求）。

根據現有產品的數據，采用Abaqus有限元軟件，對其碰撞性能進行分析，分析邊界條件及參數如右圖3示。Abaqus軟件通過Expilcit求解器進行分析，詳細分析結果詳見表1。

從仿真結果可以看出，各試驗點滿足標準要求，但其應力最大值達到769Mpa，需要采用高強鋼材。因其工藝采用沖壓及拼焊工藝，因此導致整體橫梁重量達到29Kg。

3 采用復合材料輕量化設計的前下部保護裝置

為實對現有產品重量的優化，首先對現有產品的受力結構進行初步分析。從表1可以看出，支架和橫梁的連接位置是受力集中部位，承受比較大的應力集中，而橫梁本身利用金屬材料的塑型形變吸收一部分撞擊能量，其余部分通過連接處轉到支架及車身上。因此輕量化的總體思路是，采用復合材料的橫梁減輕產品的重量，同時設計兩個金屬連接件負責連接復合材料橫梁與金屬支架，同時承擔集中的應力（因為復合材料不能承受太高的應力），以及塑性形變吸能的功能。

根據此思路經過反復優化，最終形成下圖4的設計（只優化了橫梁部分）：

優化后的設計界面為“日”字型，這樣做是為了兼顧產品的抗彎曲性能和工藝性能，詳見圖2。在原有橫梁結構的基礎上，左右各增加一個壁厚為2 mm的金屬連接件，與橫梁通過高強度聚丙烯酸類結構膠粘連接。橫梁部分總重量約為12.5kg（非金屬件+金屬件+結構膠），相對于原設計降低重量達57%，降重效果明顯。

通過Abaqus Expilcit求解器進行碰撞仿真，結果顯示P1、P2、P3位置均滿足GB26511-2011《商用車前下部防護要求》中的相關性能要求以及客戶要求。仿真分析顯示，非金屬部分最大應力為352Mpa，屬于復合材料能夠承受的應力值。金屬材料應力最大為599Mpa，基本與優化前的方案相當。因此本方案在性能相近的情況下，成功降低產品重量50%以上，達到了預期的設計目標。詳見上表2。

4 結論

纖維增強樹脂基復合材料具有抗彎曲強度高、抗腐蝕、低密度等特點，適合于輕量化產品的開發。而相對于RTM、真空覆膜等工藝，采用拉擠工藝生產復合材料，又具有生產效率高、成本低等優點，其力學性能可通過鋪層工藝進行設計和優化，目前廣泛應用于能源、建筑等行業，但由于其不能生產彎曲產品的限制，在汽車行業內應用較少。目前國內商用車的前下部保護裝置多采用金屬材質，重量較大，且多為直梁形式，特別適合保護梁類產品的應用。本項目針對此開發出了采用拉擠工藝的復合材料橫梁來替代金屬產品，重量降低50%以上，性能滿足法規要求。并通過Abaqus Expilcit求解器進行碰撞仿真驗證，產品性能能夠滿足標準要求和客戶要求，實現了此類產品的輕量化。

參考文獻：

[1]GB26511-2011 《商用車前下部防護要求》.

[2]王麗榮.基于RADIOSS求解器的商用車前下防護裝置結構模擬碰撞分析與改進. 北京：福田戴姆勒汽車有限公司，2013.

[3]侯路.輕型商用車前下部防護裝置輕量化開發.武漢：東風汽車股份有限公司商品研發院，2018.