基于碰撞安全性汽車前防撞梁總成輕量化設(shè)計(jì)

王雪梅，薛振國(guó)，劉一揚(yáng)

（1.鄭州財(cái)經(jīng)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.鄭州宇通客車股份有限公司技術(shù)中心產(chǎn)品工程部，河南 鄭州 450000）

1 引言

前防撞梁總成在汽車發(fā)生正面碰撞或者偏置碰撞時(shí)，起到吸能和保護(hù)乘員的重要作用，也是前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的最重要的組成單元，其結(jié)構(gòu)性能的好壞將直接影響到汽車的安全性和星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分。隨著排放和燃油消耗法規(guī)的日益嚴(yán)苛，前防撞梁總成由于厚度和結(jié)構(gòu)的原因重量較大，是輕量化設(shè)計(jì)的重要結(jié)構(gòu)單元，對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)必須滿足碰撞法規(guī)要求[1]。因此，對(duì)其進(jìn)行研究具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行一定的研究：文獻(xiàn)[2]對(duì)前防撞梁的吸能特性進(jìn)行試驗(yàn)分析；文獻(xiàn)[3]對(duì)前防撞工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用輥壓設(shè)計(jì)工序進(jìn)行設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[4]采用軟件仿真方法對(duì)前防撞梁的吸能特性進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[5]對(duì)吸能盒的不同截面進(jìn)行吸能特性分析，獲取最優(yōu)組合形式。

針對(duì)前防撞梁總成的重要組成單元橫梁和吸能盒進(jìn)行分析，從材料和厚度、截面形式對(duì)橫梁進(jìn)行輥壓成形設(shè)計(jì)，從材料、厚度、傾角和截面形式等對(duì)吸能盒進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)輕量化設(shè)計(jì)后的前防撞梁總成進(jìn)行吸能特性分析，選取正面100%重疊碰撞、40%偏置碰撞等兩種工況進(jìn)行分析，對(duì)輕量化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 前防撞梁總成輕量化設(shè)計(jì)

前防撞梁總成結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。主要有橫梁、吸能盒、安裝板等三部分組成。對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)主要針對(duì)橫梁和吸能盒等兩部分[6]。

圖1 整車及前防撞梁總成模型Fig.1 Model of the Whole Vehicle and Front Anti-Collision Beam Assembly

對(duì)零部件的輕量化設(shè)計(jì)，基于結(jié)構(gòu)的功能需求和原結(jié)構(gòu)方案提出輕量化設(shè)計(jì)方案，但輕量化設(shè)計(jì)方案必須滿足結(jié)構(gòu)的性能不變或略有降低，否則設(shè)計(jì)方案即認(rèn)為無(wú)法滿足要求[7]，零部件輕量化設(shè)計(jì)流程，如圖2 所示。

圖2 零部件輕量化設(shè)計(jì)流程Fig.2 Parts Lightweight Design Process

2.1 前防撞梁橫梁輕量化設(shè)計(jì)

目前橫梁主要采用超高強(qiáng)鋼板冷沖壓成形之后焊接的設(shè)計(jì)，選用的材料強(qiáng)度較高，加工過(guò)程中回彈較大，并且材料自身的延伸率比較低，加工難度較大，成本較高[8-9]。近年來(lái)，輥壓成型技術(shù)逐漸應(yīng)用于超高強(qiáng)鋼的設(shè)計(jì)，克服傳統(tǒng)冷沖壓成形的缺點(diǎn)，這里采用輥壓成形工藝對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。原設(shè)計(jì)采用DP780D+Z，冷沖壓成形工藝，材料厚度為1.5mm，單件零件的總量為4.93kg。優(yōu)化后采用DP980D+Z 材料，工藝為輥壓成形。

2.1.1 材料優(yōu)化

原設(shè)計(jì)采用DP780D+Z，冷沖壓成形工藝，材料厚度為1.5mm，選用HC550/980DPD+Z 進(jìn)行替換，厚度初選為1.4mm、1.3mm、1.2mm、1.1mm。優(yōu)化前后分別進(jìn)行碰撞仿真分析，其中影響因素主要有加速度最大值a、侵入量最大值D、結(jié)構(gòu)的總吸能Ek等。對(duì)比結(jié)果，如表1 所示。

表1 不同厚度橫梁性能對(duì)比Tab.1 Comparison of Performance of Different Thickness Beams

由分析結(jié)果可知，替換材料選用1.3mm 的厚度與替換前性能基本相當(dāng)。

2.1.2 結(jié)構(gòu)截面尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

零件的截面設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖，如圖3 所示。

圖3 輥壓截面設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖Fig.3 Schematic Diagram of the Design Parameters of the Rolling Section

根據(jù)圖3 所示，根據(jù)整體尺寸設(shè)計(jì)，橫梁的長(zhǎng)度、寬度和高度是固定[10]，只能選取側(cè)壁寬度h1、肋板高度h2和肋板寬度h3等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)正面碰撞、偏置碰撞，選取侵入量D、最大接觸反力Fmax、最大加速度a作為優(yōu)化設(shè)計(jì)約束，質(zhì)量最小作為設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果，如表2 所示。

表2 不同截面方案分析結(jié)果Tab.2 Analysis Results of Different Cross-Section Schemes

根據(jù)表2 分析結(jié)果，尋找最優(yōu)截面設(shè)計(jì)組合，根據(jù)分析結(jié)果第8 組試驗(yàn)結(jié)果最優(yōu)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行圓整處理，結(jié)果為h1=35mm，h2=20 mm，h3=30 mm，最終的質(zhì)量為3.89kg。優(yōu)化設(shè)計(jì)前后結(jié)構(gòu)方案，如表3 所示。

表3 橫梁輕量化優(yōu)化對(duì)比Tab.3 Comparison and Optimization of Beam Lightweighting

2.2 吸能盒輕量化設(shè)計(jì)

吸能盒是汽車發(fā)生碰撞時(shí)，最重要的吸能部件，通過(guò)其發(fā)生的褶皺變形而實(shí)現(xiàn)碰撞過(guò)程能量的吸收，由于設(shè)計(jì)空間有限，吸能盒所能發(fā)生的變形也是有限的[11-12]。設(shè)計(jì)前后結(jié)構(gòu)的總體尺寸保持不變，即碰撞過(guò)程中，其壓潰變形位移不變，為了實(shí)現(xiàn)更大的吸能，則可增大結(jié)構(gòu)承載力。吸能盒選用的材料，材料的厚度，設(shè)計(jì)的傾角及截面的結(jié)構(gòu)形式等，都是影響其承載力的重要因素。這里選用正交試驗(yàn)法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[13]。正交試驗(yàn)的因素選取：材料類型、材料厚度、截面形式、設(shè)計(jì)傾角等4 個(gè)因素，因素A截面形狀包括6 水平：正方形、矩形、六邊形、八邊形、十二邊形、十字交叉型等；因素B設(shè)計(jì)傾角包括：0°、2.5°、5°等；因素C材料類型包括3 水平：高強(qiáng)鋼SPFC390、高強(qiáng)鋼DP780 D+Z、鋁合金6062T8 等；因素D厚度3 水平包括：1.2mm、1.6mm、2.0mm 等。結(jié)構(gòu)的質(zhì)量m、結(jié)構(gòu)的承載力F，作為約束條件，單位質(zhì)量的結(jié)構(gòu)力η（F/m）作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，混合正交試驗(yàn)表L18，如表4 所示。

表4 混合正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)Tab.4 Hybrid Orthogonal Test Table Design

根據(jù)表4 分析結(jié)果可知，材料強(qiáng)度最高的DP780D+Z 吸能性能最佳，鋁合金其次；隨著厚度的增加，結(jié)構(gòu)的吸能特性逐漸增強(qiáng)；根據(jù)分析結(jié)果，最優(yōu)組合為A6-B1-C2-D2，即吸能盒的截面形式為十字形、無(wú)設(shè)計(jì)傾角，材料則選擇高強(qiáng)鋼DP780D+Z，厚度為1.6mm 時(shí)，吸能盒的性能最優(yōu)。根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)前后，結(jié)構(gòu)的方案對(duì)比，如表5 所示。

表5 吸能盒輕量化方案對(duì)比Tab.5 Comparison of Energy-Saving Boxes

3 輕量化方案性能分析

輕量化設(shè)計(jì)必須滿足原結(jié)構(gòu)的性能不變或略有降低。這里選取100%正面碰撞和40%偏置碰撞兩種工況下的結(jié)構(gòu)吸能特性進(jìn)行對(duì)比分析，不同工況，如圖4 所示。

圖4 不同工況碰撞仿真模型Fig.4 Collision Simulation Model for Different Working Conditions

在正面100%重疊工況，壁障以50km/h 的速度與前縱梁總成發(fā)生碰撞，前防撞梁橫梁正后方板中間節(jié)點(diǎn)處獲取整個(gè)過(guò)程中結(jié)構(gòu)的加速度-時(shí)間曲線，如圖5 所示。

圖5 加速度變化曲線Fig.5 Acceleration Curve

由圖可知，輕量化設(shè)計(jì)前后，系統(tǒng)的加速度基本保持不變，波形無(wú)明顯差異，二者的變化趨勢(shì)基本一致，并且結(jié)構(gòu)的最大加速度值基本不變。結(jié)果表明，在此工況下，輕量化方案是可行的，整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能基本保持一致。

圖6 承載力變化曲線Fig.6 Bearing Capacity Curve

在40%偏置碰撞工況下，壁障以64km/h 的速度與前縱梁總成發(fā)生碰撞，選取吸能盒正后方板上中心節(jié)點(diǎn)的承載力與位移變化曲線，兩種設(shè)計(jì)的承載力變化曲線，如圖6 所示。由圖可知，輕量化設(shè)計(jì)后，前縱梁總成的最大侵入量為114.1mm，此值滿足設(shè)計(jì)使用要求。

對(duì)比圖6 兩種方案的承載力隨位移變化曲線可知，兩種設(shè)計(jì)的曲線變化趨勢(shì)基本一致，優(yōu)化設(shè)計(jì)后，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度明顯提升，而侵入量表現(xiàn)出明顯減小的趨勢(shì)。

提取優(yōu)化設(shè)計(jì)方案承載力變化曲線，去除反彈部分曲線，獲取曲線的變化趨勢(shì)線，如圖7 所示。

圖7 優(yōu)化后承載力曲線Fig.7 Optimized Contact Force Curve

由圖可知，整個(gè)碰撞過(guò)程中，在吸能盒發(fā)生壓潰的時(shí)候結(jié)構(gòu)的承載力為84kN，由前面的分析可知，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)最大承載力為86kN，二者之間的誤差為2.3%，滿足設(shè)計(jì)要求，方案局具有實(shí)際指導(dǎo)意義，方案是可行的。綜上可知，對(duì)前防撞梁總成的輕量化設(shè)計(jì)滿足碰撞性能要求，方案是可行的，前防撞梁總成輕量化方案及減重效果，如表6 所示。

表6 輕量化設(shè)計(jì)對(duì)比Tab.6 Comparison of Lightweight Design

4 結(jié)論

對(duì)前防撞梁總成的重要組成單元橫梁和吸能盒進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，并對(duì)方案進(jìn)行性能分析，結(jié)果可知：

（1）前橫梁可以從材料選擇、材料厚度、成形工藝等方面進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，方案必須保證結(jié)構(gòu)在發(fā)生碰撞過(guò)程中的最大加速度、侵入量、總吸能保持不變，獲得輕量化設(shè)計(jì)方案DP980D+Z、厚度1.3mm、輥壓成形設(shè)計(jì)替代原方案；

（2）吸能盒可以從截面形式、材料選擇、材料厚度、設(shè)計(jì)傾角等，基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，單位質(zhì)量的承載力作為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，獲得最優(yōu)輕量化設(shè)計(jì)方案，即吸能盒的截面形式為十字形、無(wú)設(shè)計(jì)傾角，材料則選擇高強(qiáng)鋼DP780D+Z，厚度為1.6mm；

（3）根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后總成的性能進(jìn)行對(duì)比分析，正碰和偏置碰下，結(jié)構(gòu)的最大變侵入量為114.1mm，最大承載力為84kN，滿足設(shè)計(jì)和使用要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)前后加速度、承載力等的變化基本一致，方案具有一定的可行性。