鋁合金前防撞梁偏置可變形壁障碰撞性能優(yōu)化

黃興 楊宏 陳東 耿富榮 李永祥 吳純福

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

隨著汽車電動化的快速推進，市場對電動汽車高續(xù)航的需求日益凸顯，造成電動車的整備質量相比同級別燃油車上升不少[1]。這樣的情況給車身設計特別是安全結構件設計制造了難題：車身零件質量要更輕同時要滿足更大整備質量的碰撞安全要求。鋁合金防撞梁吸能效率高[2]，輕量化效果明顯[3]，已經在市場上得到了大量的應用，但是在應對非全正碰時仍然易出現(xiàn)碰撞穩(wěn)定性的問題。文章通過合理的材料升級、結構優(yōu)化和工藝優(yōu)化，有效增強了鋁合金前防撞梁40%偏置碰的穩(wěn)定性能。

1 前防撞梁的功能和結構介紹

前防撞梁總成作為車輛結構中主要的被動碰撞安全件之一，在正面低速碰撞中由吸能盒發(fā)生潰縮變形吸收碰撞能量，從而保護縱梁以及機艙相關零件不受損壞；在高速碰中除了吸能盒潰縮吸收部分能量外，前防撞梁能夠穩(wěn)定地傳遞碰撞力，使后續(xù)的車身結構件能夠按照設計的變形模式進行，從而確保達到碰撞目標。

從前防撞梁總成所起的功能作用可以看出，吸能盒與橫梁是總成中必需的零件結構，安裝端板根據(jù)吸能盒與前縱梁的連接方式確定有無，如圖1 所示。吸能盒與前縱梁直接螺栓連接則前防撞梁總成不需要安裝端板，如圖1a 所示。若吸能盒先與安裝端板焊接，再通過安裝端板螺接到縱梁，則前防撞梁總成包含安裝端板，如圖1b 所示。通常前防撞梁總成采用螺栓與縱梁連接，在保證連接強度的同時提供維修更換的便利性。

圖1 帶吸能盒端板與不帶吸能盒端板的前防撞梁總成

2 某SUV 偏置碰前防撞梁表現(xiàn)不良原因分析

某設計最大續(xù)航里程為650 km 的純電SUV 整備質量達到了2.4 t，在ET 階段進行64 km/h 的40%偏置碰（ODB）試驗過程中，橫梁與碰撞壁接觸邊界段發(fā)生了斷裂，同時非碰撞側的吸能盒與橫梁連接的焊縫被撕開，如圖2 所示。

圖2 偏置碰后前防撞梁總成各位置形態(tài)

2.1 橫梁偏置碰斷裂影響因素分析

采用故障樹分析方法（FTA）進行原因分解，得到故障樹分析圖，如圖3 所示。

圖3 某純電SUV 橫梁斷裂原因的故障樹分析導圖

從圖3 中得出了9 個可能導致橫梁斷裂的末端因素，接下來對上述末端因素進行真因確定。對失效橫梁的觀察分析發(fā)現(xiàn)，與碰撞壁接觸一側吸能盒潰縮狀態(tài)較好，但是旁邊橫梁腔體內的加強筋幾乎沒有發(fā)生變形。這意味著橫梁在碰撞過程中剛性很強，在承受巨大的撞擊力時沒有起到緩沖的作用。另外，在橫梁斷裂位置，裂紋的擴展經過了旁邊的一個線束過孔。由此可判斷該線束過孔減弱了結構局部強度，在碰撞過程中誘導了裂紋擴展。因此可以認定，橫梁加強筋設計過強與卡扣孔位置不合理是導致橫梁斷裂的2 個真因。

通過復查同批次前防撞梁總成的材料力學性能，確認6082 鋁合金橫梁的屈服強度大于270 MPa 的設計值，抗拉強度大于300 MPa 的設計值，延伸率大于10%的設計值，排除了實際力學性能低于設計值的因素。同時在進行同級別整備質量車輛的防撞梁橫向對標時，發(fā)現(xiàn)在整備質量達到2 t 以上的車型橫梁一般都采用高強鋼，或者采用7 系高強鋁合金。目標車型SUV前防撞梁橫梁采用的材料是目前傳統(tǒng)燃油車上常見的6082 擠出鋁合金。由動能公式可以知道，碰撞過程中的能量與汽車質量成正相關，試驗的純電車質量為2.4 t，相比一般傳統(tǒng)燃油車重了將近40%，碰撞能量幾乎增加了40%。因此，橫梁力學性能與碰撞能量不匹配是導致橫梁斷裂的真因之一。

2.2 橫梁與吸能盒連接焊縫撕裂原因分析

同樣采用FTA 方法對橫梁與吸能盒連接焊縫撕裂問題進行真因查究，分析導圖如圖4 所示。

圖4 某純電SUV 橫梁與吸能盒焊縫撕裂原因的故障樹分析導圖

2.2.1 連接結構設計不合理排查

一個結構的合理與否是相對于設計目標而言的。常規(guī)燃油車由于整備質量小，直接采用熔化極惰性氣體保護焊（MIG 焊）連接吸能盒與橫梁是能滿足性能要求的，但是對于整備質量達到2.4 t 的車型來說，由于鋁合金MIG 焊接存在焊接熱影響區(qū)以及接頭軟化的因素，決定了這種吸能盒與橫梁的T 形MIG 焊接接頭強度上限有限，不能適用于大整備質量車型的碰撞需求。同時在對標中發(fā)現(xiàn)，中大型車型主要采用螺栓連接吸能盒與橫梁，所以該處采用的外側單焊縫連接強度不能滿足性能需求。

2.2.2 焊接工藝不合理因素排查

對同一批次的前防撞梁吸能盒與橫梁焊縫進行外觀檢查，如圖5 所示，發(fā)現(xiàn)焊縫外觀連續(xù)性差，造成焊縫應力集中，嚴重削弱了焊縫的承載能力。對焊縫內部缺陷的檢測表明，焊縫氣孔率滿足要求，同時焊縫熔深也達到目標值。

圖5 焊縫內外缺陷檢測

一般左右吸能盒的組件與橫梁是同時進行焊接的，錯誤的焊接順序將導致出現(xiàn)嚴重的焊接應力。文獻[4]中測量對比了左右吸能盒組件與橫梁連接采用不同的焊接順序產生的焊接殘余應力，發(fā)現(xiàn)兩邊同時采用對稱的焊接順序產生的焊接應力較小，采用左右不對稱的焊接順序時，焊接應力顯著增大。當采用先焊完一側再焊另一側吸能盒組件的方法時，焊接內應力達到了273 MPa。該數(shù)值幾乎達到了6082 鋁合金的屈服強度。通過對供應商的考察，了解到試驗車的防撞梁與吸能盒組件采用的焊接順序，如圖6 所示，兩邊同時進行對稱性焊接。在偏置碰中，非碰撞側的2 號焊縫承載的力矩是最大的。采用上述焊接順序焊接2 號焊縫時的約束比較小，焊接殘余應力的控制較合理。

圖6 橫梁與左右吸能盒組件的焊接順序

綜上，排查出的焊接工藝不合理因素主要是焊縫外觀連續(xù)性差，焊縫應力集中。

3 優(yōu)化提升方案

3.1 橫梁抗斷裂性能提升優(yōu)化

3.1.1 橫梁材料力學性能提升

應對大整備質量帶來的巨大碰撞能量，提升橫梁的材料力學性能是提高前防撞梁總成碰撞穩(wěn)定性的有效措施之一。在確保成本不大幅提升的前提下，考慮采用7003 鋁合金，其力學性能與原來6082 T6 鋁合金的狀態(tài)對比，如表1 所示。

表1 6802 與7003 鋁合金材料性能設定對比

通過提升材料性能并降低屈強比，使橫梁在碰撞變形斷裂前吸收了更多的能量。因此采用7003 鋁合金后的橫梁的抗斷裂性能得到了提升。

3.1.2 橫梁截面以及線束孔布置優(yōu)化

橫梁截面優(yōu)化的主要目的是在碰撞過程中使加強筋起到潰縮緩沖的作用。因此考慮在設計上減弱截面加強筋的強度，將2 條加強筋由原來的平直面改成向內凹的弧面，以誘導橫梁在X向進行壓潰吸能。另外，將橫梁與碰撞壁接觸區(qū)域內及周邊的線束孔予以減少或者布置到其它安全區(qū)域，以避免線束孔對橫梁碰撞強度的減弱影響。橫梁優(yōu)化方案與原方案對比，如圖7所示。

圖7 線束孔以及橫梁截面優(yōu)化對比

3.2 吸能盒與橫梁連接強度優(yōu)化

通過分析排查，吸能盒與橫梁焊縫斷裂的主要原因是連接接頭設計不能滿足該整備質量下碰撞安全的要求。因此，橫梁和吸能盒的接頭強度提升是主要的優(yōu)化方向。

3.2.1 優(yōu)化方案說明

設計并驗證了3 種接頭優(yōu)化方案，如表2 所示。

表2 吸能盒與橫梁接頭的3 種優(yōu)化方案對比

3.2.2 優(yōu)化方案仿真分析的驗證與篩選

將3 種優(yōu)化方案代入模型中進行40%偏置碰仿真分析，得到的結構變形模式，如圖8 所示。

圖8 3 種優(yōu)化方案偏置碰仿真變形分析對比

通過分析仿真動畫，對比前防撞梁橫梁壓潰程度以及縱梁的變形情況可以得出：方案1 和方案2 防撞梁壓潰程度較小，縱梁后段折彎較大，方案3 縱梁折彎弧度較小，因此，方案3 的結構形式分析結果最好。同時考察對比3 種方案的B 柱加速度值，通過仿真軟件分析三者的加速度曲線，如圖9 所示。從圖9 可以看出，3 種方案的曲線差別不大，其中方案3 的加速度峰值為42.5g，40g以上持續(xù)時間2.4 ms，滿足小于4 ms的目標要求。

圖9 3 種優(yōu)化方案仿真分析的左右B 柱加速度對比圖

對3 種接頭優(yōu)化方案從成本、工藝難度、提升效果等方面進行多維度評比打分，得出方案3 的綜合得分最高，如表3 所示。確定橫梁與吸能盒的接頭優(yōu)化采用方案3。

表3 吸能盒與橫梁接頭的3 種優(yōu)化方案綜合指標對比

3.3 前防撞梁總成的最終優(yōu)化方案

綜合前面橫梁抗斷裂性能提升方案和橫梁與吸能盒連接加強方案，確定后續(xù)實車碰撞驗證的前防撞梁總成需要進行提升優(yōu)化的點匯總，如表4 所示。

表4 前防撞梁總成最終方案優(yōu)化點匯總

4 優(yōu)化方案實車碰撞驗證

將優(yōu)化后的前防撞梁總成換裝到PT 階段試驗車上進行40%偏置碰試驗，其優(yōu)化前后的碰撞變形結果對比，如表5 所示。從表5 可以看出，優(yōu)化后前防撞梁總成碰撞變形較原方案有了明顯的改善，橫梁本體沒有出現(xiàn)斷裂，吸能盒與橫梁之間連接沒有開裂，橫梁在碰撞壁擠壓段出現(xiàn)了壓潰，吸收了一部分沖擊能量。同時各項面碰撞指標和得分也達到了項目設定要求。

表5 實車碰撞結果對比

5 結論

通過對鋁合金前防撞梁的40%偏置碰工況的分析優(yōu)化、仿真以及實車驗證，可以得出：1）提升鋁防撞梁橫梁的碰撞抗斷裂能力一方面可以提高橫梁本體材料的強度并降低屈強比，另一方面可以減弱腔體內加強筋的強度，起到潰縮緩沖的作用；2）采用直接鋁弧焊連接的橫梁與吸能盒接頭的抗拉裂能力有限，特別是在大整備質量車型的偏置碰中易發(fā)生撕裂，通過增加一個焊接小件可以有效增加接頭的強度。