某汽車后防撞梁輕量化設計研究

楊武 黃涌 潘漢欽 馬天航

摘要：考慮復合材料成型工藝和力學性能特點設計出一款復合材料防撞梁，結合歐洲ECE R42低速碰撞法規，分別對高強度鋼和復合材料防撞梁進行低速碰撞仿真分析，對比了碰撞過程中的侵入量、碰撞力、吸能量等多項性能指標，發現兩者均能滿足性能要求，并且相比于高強度鋼防撞梁重量降低了21.6%。

關鍵詞：輕量化;后防撞梁;復合材料;碰撞仿真

隨著汽車工業的迅猛發展和人類物質生活水平提高，全球汽車數量不斷攀升，同時，人們不得不面臨著嚴峻的能源危機和大氣污染問題，降低汽車質量能夠有效地減少排放和降低油耗，汽車質量每下降 10%，排放下降 4-10%，油耗下降6-8%[1]，輕量化材料的開發和應用是實現汽車輕量化的最有效途徑之一[2]。研究證明，汽車的被動安全性能與汽車質量正相關，如何在降低能車重的同時，又要提高汽車安全性能，已成為學者和工程師們需要長期努力的研究方向。本文是在保證不降低汽車防撞梁碰撞安全性的前提下，將鋼制防撞梁替換為復合材料防撞梁，為將來實現更多汽車零部件的“以塑代鋼”提供一定的借鑒和參考。

1幾何模型

本文基于某鋼制后保險杠，由主橫梁、吸能盒及安裝板組成，其中后防撞梁和吸能盒均采用高強度鋼，橫梁與吸能盒料厚為2mm，通過燒焊連接?？紤]連續纖維增強復合材料的結構和工藝性能。對橫梁重新設計，吸能盒與復合材料橫梁通過膠接連接。

2有限元模型的建立

在汽車保險杠碰撞法規中，應用最為廣泛的歐洲ECE R42汽車前后端保護裝置（保險杠等）認證的統一規定[4]，

為了提高碰撞仿真的計算效率，在有限元仿真中將碰撞器設置為剛體。鋼制和復合材料防撞梁為shell單元，四邊形網格尺寸約為5mm，局部加密，其中鋼制防撞梁碰撞模型的節點共25816個，單元共25328個，復合材料防撞梁碰撞模型的節點共26733個，單元共26325個，均采用增強沙漏控制方法來控制沙漏。

鋼制防撞梁，吸能盒及連接板的材料為HC420LA高強度鋼，復合材料使用某玻璃纖維綜緞織物，纖維面積重量為 295 g/m2，鋪層方式為[（0/90）]30，參數見表1和表2。

此車整備質量設置為1600 kg，由于低速碰撞中，車體本身基本不發生變形，為提高碰撞仿真的計算效率，對防撞橫梁進行分析，將防撞梁的前部車身結構設置為剛性單元，汽車質量通過集中質量點加載在剛體上。集中質量點應與撞擊中心位于同一高度，離地445 mm。在碰撞仿真過程中，給碰撞器沿X方向4 km/h的初速度，使其撞擊防撞橫梁，防撞橫梁X方向可自由移動，約束其他方向的自由度。

3碰撞仿真結果對比分析

3.1性能評價指標

ECE R42法規規定對防撞梁按照規范進行碰撞試驗后，車輛應能夠滿足一系列要求：1）防撞梁的最大侵入量。應該保證防撞梁的最大侵入量不能超過其許用變形量120 mm。2）防撞梁的總吸能?？偽艿亩x是碰撞過程中防撞梁的彈性變形能與塑性變形能之和。希望盡可能大，進而減少傳遞到汽車前部結構上的碰撞能量。3）碰撞器與防撞梁之間的碰撞力。希望碰撞力峰值盡可能的小，進而降低通過后縱梁傳遞車身結構的沖擊力。4）防撞梁的失效。防撞梁盡可能少的發生失效，以降低維修成本。

3.2 ?兩種材料防撞梁仿真結果分析

圖3為防撞梁的碰撞變形過程，碰撞器首先與防撞梁接觸，隨后沖擊防撞梁，防撞梁瞬時發生變形，很短時間后兩者分離，防撞梁發生回彈，直至碰撞結束。整個碰撞過程中，鋼制防撞梁最大應力為963.4 MPa，已超過該高強度鋼的屈服極限。從圖中可以看出防撞橫梁發生了一定的變形，最大侵入量為30 mm。復合材料防撞梁出現的最大應力為546.3Mpa，最大侵入量為36.7 mm，比鋼制的稍大，但均小于許用的最大變形量。

圖4為低速碰撞工況下，兩種材料防撞梁的碰撞力對比圖，從圖中可以看到，鋼制防撞梁碰撞接觸時間較短，約為100 ms，碰撞力峰值較大，約為12.5 kN。復合材料防撞梁接觸時間較長，碰撞力峰值較小約為10 kN，可以更好地起到緩沖的作用。

圖5、6為低速碰撞工況下兩種材料防撞梁的能量變化圖，碰撞器的初始動能約為617.2 J。當碰撞器撞擊防撞梁時，總動能降低，系統的內能增加，其中系統的內能包括彈性變形能和塑性變形能，系統總能量保持不變，從圖中可以看出，鋼制防撞梁系統內能最大值為310 J，復合材料的為260 J，分別占總能量的50.2%及42.1%，說明兩者吸能都比較充分。隨后，碰撞器與防撞梁逐漸分離，系統動能開始增加，內能減小，彈性變形能全部釋放。沙漏能最大值分別為5.85 J及30.2 J，占總能量的0.9%及4.9%，均小于總能量的5%，說明沙漏可控[3]，仿真結果可信度較高。

鋼制和復合材料防撞梁均能滿足性能要求，且均具有不錯的碰撞吸能性，其中鋼制防撞橫梁質量為2.36 kg，復合材料防撞橫梁質量為1.85 kg，重量降低了21.6%。

4結論

鋼制和復合材料防撞梁的各項碰撞性能指標比較接近，均能滿足性能要求，但復合材料防撞梁的質量減少了21.6%;證明了復合材料可以應用于汽車結構件上。但本文僅對防撞梁進行了低速碰撞仿真分析，與實車試驗相比，會存在一定的誤差，因此，為驗證仿真結果準確性仍需通過真實的碰撞試驗，獲取相關的試驗數據來進行模型校正。

參考文獻

[1]范子杰，桂良進，蘇瑞意.汽車輕量化技術的研究與進展[J].汽車安全與節能學報.2014（01）：1-16.

[2]路洪洲，王智文，陳一龍.汽車輕量化評價[J].汽車工程學報，2015，5（1）：1-8.

[3]高暉，李光耀.汽車碰撞仿真中沙漏控制算法研究[J].汽車工程，2008，30（8）：671-675.

作者簡介：

楊武（1992.12）男，漢族，碩士，工程師，從事車身結構設計