汽車雙帽型前縱梁設計

林 嘉 陳茂勝 陳 卓 邱 敏

（上汽通用五菱汽車有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

正面碰撞是交通事故中最常見的，發生率高達49%，這意味著正面碰撞的研究具有重大意義。前縱梁是正沖擊情況下的主要變形能量吸收部件，其性能對于車輛安全性能在正沖擊事故中的影響極為重要。所以，必須對提升前縱梁結構的耐撞安全性能的各個因素進行充分研究，并進行相應的優化設計。一方面需要充分考慮結構的安全性，在碰撞中能吸收盡可能多的能量；雙帽型截面梁相比傳統的單帽梁，耐撞性能更好。該文對雙帽型梁的吸能特性進行研究，并對雙帽型前縱梁進行了優化設計。

1 汽車碰撞優化設計理論

1.1 汽車有限元仿真

汽車碰撞的相關研究在很早的時候就已經有企業開展，最早可以追溯到1931年美國的福特汽車，并隨著對汽車技術的需求變化一直在發展。直到1970年，歐美、日本等國家才開始使用計算機數值模擬仿真的方法對車輛碰撞中車身零部件的耐撞性能進行分析。近年來，在碰撞有限元分析中使用比較多的軟件有LS-DYNA、MADYMO及PAM-CRASH等，這些軟件以顯式有限元理論為基礎核心，基本能真實準確地描述結構的應力應變變化，模擬碰撞過程中的大變形、大轉動，其精度已允許對工程進行指導[1]。

隨著近年來各高校、企業的工作開展逐漸深入，汽車碰撞與計算機仿真的研究主要包括2個方面：1）從改進研究方法出發，致力于提高數值仿真的精度和效率。2）在乘員約束系統的匹配與優化方面，吉林大學、湖南大學的相關人員在該領域做了大量工作，取得了重大進展。

1.2 有關碰撞法規

國家相關部門對我國車輛碰撞安全性研究十分重視，發布了一系列法規和強制性標準，1999年的《關于正面碰撞乘員保護的設計規則》CMVDR294是國內最早的國家級車輛安全法規，2003年，基于CMVDR294，推出了《乘用車正面碰撞的乘員保護》，相關正面碰撞試驗也首次納入新車檢測項目。中國的新車評價程序（C-NCAP）從最早的2006版本到如今的2018版已歷經了數個版本，國內汽車安全研究不斷進步，法規標準不斷完善，對新車型不斷提出更高的要求，推動著汽車行業的發展[2]。

1.3 結構優化設計

在提高車輛耐撞性能的研究中，一般從2個方面來考慮車身相應部件的設計與優化。一方面，改變原有結構，增加新的結構特征特性來提高耐撞性能。湖南大學的段利斌等人對汽車變厚度前縱梁結構（TRB）進行了研究，提出了1種新型結構的TRB帽型薄壁結構，并對其功能區域進行了劃分，取得了一定成果[3]；武漢理工大學的莫易敏等人研究了不同截面形狀的薄壁梁結構對縱梁結構的軸向吸能壓潰規律，發現通過設置更多交叉折疊單元的數量并增加相鄰邊之間的角度，可以顯著改善薄壁梁的能量吸收特性，使變形模式更加穩定、規則，為前縱梁結構的創新設計提供了重要的理論基礎[4]。另一方面，在原結構的基礎上，調整結構本身的結構參數，如通過對前縱梁的長寬比、厚度搭配和誘導槽分布等參數的控制來進行優化，使較于原結構，使安全性能得到了一定的提升：因為其簡單可行、成本低，目前大多數研究都集中在結構參數的優化；徐增宓等人基于響應面和克里金基模型對汽車B柱進行了優化，提高了碰撞性能，并且改善了結構的輕量化[5]；莫易敏等人創新地使用多目標骨干粒子群算法，對前縱梁的厚度匹配優化進行了研究，得到了分布更均勻的解集，取得了很好的效果[6]。

2 車身薄壁梁結構應用現狀

2.1 車身薄壁梁結構及其應用

薄壁梁是汽車常用梁結構，因其具有強度高、質量輕和吸能效果好（碰撞時結構破壞而吸收能量）等特點，在汽車車身中得到了廣泛應用。在汽車碰撞時可以起到吸能、緩沖的作用，最重要的是在受到撞擊載荷時破壞模式穩定，并能以可控的方式通過塑性變形吸收能量[7]，對提高車身耐撞性有深遠的意義。薄壁梁分類形式多樣，根據薄壁梁截面形式的不同，可以分為規則截面梁和非規則截面梁、方形梁和帽型梁等。

2.2 方形梁

方形梁是結構最簡單的薄壁梁形式，在制造時需要2個槽鋼通過焊接連接起來，焊接難度相比于其他部件較大，生產效率不高。且由于其結構特性限制（閉口截面），在應用安裝時不方便與其他零部件連接起來，因此其在車身上應用并不常見，只在前保險杠處的吸能盒應用。

2.3 帽型梁

帽型梁結構是汽車車身應用最為廣泛的薄壁梁形式，與方形薄壁梁相比，帽型薄壁梁有更多的截面設計空間，且焊接邊的存在使帽型薄壁梁和其他部件連接、裝配更加方便，同時梁上誘導槽和焊接邊上焊點分布可以控制薄壁梁的變形模式。帽型薄壁梁截面設計具有靈活性和可變性。同時帽型梁由于其結構規整、方便，在汽車安全碰撞結構設計中被廣泛采用。帽型梁如圖1所示。

圖1 帽型梁

2.4 多胞結構

多胞結構是指在梁結構中包括多個元胞的結構，最典型的元胞結構如蜂巢結構。其優點在于其強度高、質量輕，所用材料少，相對于其他任何結構，多胞結構的強度質量比值最最大且穩定性好，有很強的抗彎曲和抗扭轉能力，能很好地吸收能量。

現在的車型實際應用中多胞結構較少，因為多胞結構的復雜程度較高，且加工和裝配難度大，應用于實際生產會大幅增加制造成本。

3 雙帽梁軸向壓潰簡化模型

仿真過程的設計與落錘試驗類似，給落錘以一定的初速度使其下落對梁造成沖擊，模擬前縱梁在工作中所受到的碰撞工況，是模擬沖擊的較好的試驗方法。

3.1 仿真模型建立

此處的仿真模型設置如圖2所示，結合試驗法規標準中正面碰撞試驗的參數，在梁的頂部設置1個質量為187 kg的剛性墻，施以沿Z軸向下，大小為50 km/h的初速度。將最底部一系列的點做1個全約束，使其在變形壓潰的過程中固定不動，保證薄壁梁的軸向壓潰方向不變。

圖2是雙帽型薄壁梁壓潰過程的簡化模型，用于模擬雙帽梁落錘試驗軸向壓潰過程。

3.2 截面設計

通過仿真模型計算并探究其吸能變化規律，雙帽型薄壁梁經過截面設計，建立7個不同焊接邊寬度的模型，具體參數見表1。

表1 不同焊接邊寬度設置

表1為建立簡化模型①～模型⑦的重要幾何參數。通過該簡化模型的計算對雙帽型薄壁梁的軸向壓潰過程進行模擬，以得到相應的吸能特性指標，平均壓潰力、峰值壓潰力以及總吸能等。

圖2 薄壁梁簡化仿真模型

3.3 雙帽梁軸向吸能特性分析

通過hyperworks后處理軟件可以查看計算結果，在不同焊接邊寬度下的仿真模型壓潰結果如圖3～圖5所示。

圖3 模型①壓潰過程

圖4 模型④壓潰過程

圖5 模型⑦壓潰過程

圖3、圖4和圖5分別為模型①、模型④和模型⑦仿真計算中的壓潰過程。由圖3可以看出，焊接邊寬度較小時梁的頂部變形往外突出，產生1種外翻的效果。這種效果導致梁的變形不穩定，使壓潰過程吸能不均勻。從圖4和圖5可以看出其壓潰形變比較穩定，折疊均勻。

根據圖6可知，在一定范圍內，雙帽型薄壁梁峰值壓潰力隨焊接邊寬度增加呈線性增長。

圖6 峰值壓潰力變化

如圖7所示，焊接邊寬度為20 mm～50 mm，薄壁梁所吸收的能量隨焊接邊寬度增大呈線性增加。

圖7 吸收總能量變化

如圖8所示，在焊接邊寬度為20 mm～50 mm，隨著焊接邊寬度的增加，雙帽型薄壁梁軸向壓潰過程中的平均壓潰力和總能量吸收均呈現增長趨勢，峰值壓潰力呈現出很明顯的線性增長趨勢。

圖8 平均壓潰力變化

薄壁梁的平均壓潰力、峰值壓潰力以及梁結構吸收的總能量的變化規律均呈現出一定幅度的增長趨勢，這表明雙帽型薄壁梁焊接邊寬度在一定范圍內的增加可以改善梁的吸能特性。平均壓潰力的增加意味著薄壁梁在壓潰過程中變形折疊更加穩定，且較大的平均壓潰力可以在一定位移內吸收更多能量，減小汽車內部所受到的沖擊。

4 前縱梁結構參數設計

4.1 整車模型建立

第3章討論了雙帽型薄壁梁的軸向吸能特性，將其應用在汽車前縱梁結構上能改善整車碰撞安全性。為了驗證雙帽型前縱梁對耐撞性能的改善效果，以及便于后續結構參數優化，現基于Hyperworks建立整車正面碰撞模型。

該文以某款MPV車型為研究對象，結合試驗法規標準，設立了該車型50 km/h的100%正面剛性壁碰撞仿真模型，如圖9所示。

圖9 整車正面碰撞模型

在軟件中設置前縱梁的結構，將單帽梁替換為雙帽梁，為了排除其他因素，使前后尺寸基本一致。在LSDYNA求解器中進行碰撞仿真，仿真結果見表2。相較于單帽梁，雙帽梁的峰值壓潰力顯著降低、最大比吸能變化不大，可以改善整車碰撞性能。

表2 整車仿真結果對比

4.2 模型相關性分析

為了進一步設計雙帽梁的結構參數，如截面長寬比、焊接邊寬度等，需要進行多次碰撞仿真。而僅單次整車碰撞仿真就需要7 h～8 h，耗時巨大。下面將分析建立的軸向壓潰模型是否能夠代替整車模型來驗證雙帽梁不同參數等對耐撞性能的影響。在統計學中常用相關系數來描述2個變量x和y之間的相關性，其大小如公式（1）所示。

式中：E為數學期望；μx、μy分別為隨機變量x和y的均值；σx、σy分別為隨機變量x和y的標準差。

當ρxy的絕對值越接近1，則x和y的線性相關程度越好。

通過計算2個模型之間性能指標的相關性來驗證模型的相關性。軸向壓潰模型的指標與整車模型的相關程度很高，可以很好地表征整車模型，以下設計中以軸向壓潰模型作為簡化模型來優化結構參數，見表3。

表3 模型相關性分析

4.3 結構參數優化

根據軸向壓潰模型的規律，在原有尺寸的基礎上優化焊接邊寬度參數，選擇其為50 mm。將優化前后雙帽梁結構分別代入整車碰撞模型求解，計算結果見表4。結果表明，改進后的方案與原方案的相比，峰值壓潰力減小了4.5%，比吸能增大了5.7%，在提高安全耐撞性的同時，兼顧了輕量性。

表4 改進方案與原方案對比表

5 結語

基于Hyperworks建立了雙帽型薄壁梁的軸向壓潰模型，分析了雙帽梁軸向吸能特性，隨著焊接邊寬度的增加，雙帽型薄壁梁軸向壓潰過程中的平均壓潰力和總能量吸收均呈現增長趨勢，峰值壓潰力呈現出很明顯的線性增長趨勢。基于Hyperworks建立了整車正面碰撞模型，驗證了雙帽型前縱梁對耐撞性能的提高；并對軸向壓潰模型和整車碰撞模型進行了相關分析，2個模型的峰值壓潰力和最大比吸能指標相關程度高，結果表明簡化的軸向壓潰模型可以代替整車碰撞模型進行前縱梁的結構設計。該文對雙帽型前縱梁進行了設計與優化，在原有尺寸的基礎上，結合雙帽梁的軸向吸能特性，對焊接邊寬度參數進行了優化；與原方案對比，優化方案的峰值壓潰力減小了4.5%，比吸能增大了5.7%，提高了安全耐撞性的同時，兼顧了輕量性。