基于布置規律的車門防撞梁設計與性能分析

鄭海

杭州職業技術學院吉利汽車學院，浙江杭州 310018

0 引言

汽車安全性問題自汽車誕生之日起就客觀存在。統計數據顯示，在汽車各類碰撞事故中側面碰撞發生的概率為27%，因此，汽車側面碰撞安全性的研究是汽車安全性研究的一項重要內容。在側面碰撞中，車門的變形量必須控制在一定范圍內，給乘員提供有效的生存空間。防撞梁在控制車門變形量方面起到極為重要的作用，通過合理設計防撞梁，減小車門受撞區域的變形，可以將車門所受撞擊力有效地傳給兩側的立柱。本文通過對比不同車型的防撞梁，得到防撞梁的結構參數和布置規律，并以某車型防撞梁為例，通過性能仿真分析來驗證防撞梁布置規律的有效性。

1 轎車車門防撞梁概述

轎車車門防撞梁是裝在車門內部結構中的加強橫梁，可以加強車輛側面的結構，提高車門剛度。在側面碰撞發生時，車門防撞梁通過產生變形來吸收碰撞能量，從而減少乘員受到傷害。防撞梁的選擇要考慮3個方面：①吸能特性，在側面碰撞中吸收的能量越多，安全性越好；②抗彎能力，在相同的撞擊能量下，變形越小的防撞梁，對乘員的保護越好；③質量要輕，滿足轎車輕量化的要求。基于這些因素，主流車型大都采用高強度鋼板制造車身零部件，以減輕質量、降低油耗、增加強度與提高使用壽命。車門防撞梁結構如圖1所示。

圖 1 車門防撞梁結構

2 車門防撞梁結構參數對比分析

影響車門防撞梁性能的因素很多(包括與側圍結構的匹配)，其中材料性能、厚度、結構形狀等布置形式的影響較為顯著。管狀防撞梁需要通過沖壓件支架與車門連接，布置方式局限大、價格高，優點是質量較輕、制造工藝簡便;帽形防撞梁可直接與車門連接，便于布置，生產效率高，缺點是具有成型困難、質量較大。通過對比主流轎車車門防撞梁，可以找出其布置規律。

2.1 主流車型防撞梁結構對比

此次研究調研了多款主流車型的車門防撞梁，對其結構進行分析匯總，其中日韓系轎車全部是管狀結構(分為無縫鋼管和直縫鋼管)、德系美系和部分自主品牌使用帽形結構。多數防撞梁中部通過膨脹膠與門外板黏接，一部分車型為防撞梁與加強梁的組合(其中極少數車型用加強板將兩者一起加固)。表1為按車型級別匯總的部分車型防撞梁結構。

表1 部分車型防撞梁結構

2.2 主流車型防撞梁參數對比

對主流車型的防撞梁進行參數分析，得到其布置角度、結構、直徑、材料參數。表2為部分車型防撞梁參數。

表2 部分車型防撞梁參數

3 車門防撞梁布置規律分析和設計

通過以上車門防撞梁結構參數對比，分析不同級別車型的布置參數，結合國內目前的研究結果，可以得出國內轎車開發中車門防撞梁的布置規律。

3.1 車門防撞梁布置規律分析

(1)布置角度：前門和后門防撞梁布置的角度集中在5°～30°范圍內，且都向一個方向傾斜。不同級別、不同車型防撞梁布置的角度是不同的，即使是同一款車型，防撞梁也需根據具體車輛的實際情況來布置。

(2)后車門防撞梁布置：后車門防撞梁布置的約束條件要比前門防撞梁布置少很多，同時也需要考慮對假人的傷害，CNCAP2021版評價規程考量第二排女性假人的傷害值(可變形移動壁障側面碰撞試驗評價)。后車門防撞梁下端仍需布置在車門的右下角，因為車門右下角和防撞梁搭接的空間大；防撞梁上端布置的高度不能過高，布置過高防撞梁在移動壁障撞擊區域內的長度就越短，抵抗作用越弱。如圖2所示，黑色線框圍成的透明矩形區域為移動壁障的撞擊區域，因此后車門防撞梁布置的角度不宜過大。

圖2 前后車門防撞梁布置形式

(3)同種材料的防撞梁，隨厚度增加性能越好；熱成型鋼與冷成型超高強鋼性能差距不大，但成本相對較高；載荷相同的情況下，帽型防撞梁在屈服前變形小，抗彎性能較好；變形相同的情況下，管狀防撞梁的抗彎性能更好。

(4)相同材料和質量條件下，管狀防撞梁的模態、下部剛度以及抗凹性能均優于帽狀防撞梁。

3.2 基于布置規律設計防撞梁

本文以后車門為研究對象，按照第3.1節的布置規律，設計的防撞梁及車門總成如圖3所示。形式為管狀、厚度為1.5 mm，布置角度為10.4°，材料為高強度鋼板。兩端通過弧焊與兩安裝支架焊接，中間通過膨脹膠與車門外板黏接起到隔振作用,兩個安裝支架通過點焊與車門內板焊接。防撞梁上端為高強度加強梁，不過強度要低于防撞梁。

圖3 防撞梁及車門總成

4 車門防撞梁性能分析

國家標準GB 15743—1995《轎車側門強度》描述了轎車側門強度技術要求及試驗方法，按照該標準進行防撞梁的性能模擬。車門應滿足下列技術要求：初始耐擠壓力不得低于10 000 N；中間耐擠壓力不得低于15 560 N；最大耐擠壓力不得低于相當于整車整備質量的2倍的力或31 120 N兩者中較小的值。

4.1 模擬分析工況

模擬分析參考國家標準進行，試驗分析工況如圖4所示，所有車門為鎖閉狀態，受試驗一側對面的車身裙部應靠在一個堅固的剛性鉛垂平面上，用緊固裝置將車牢固定位。加載裝置的壓頭是直徑為305 mm、棱邊圓角半徑為13 mm的鋼制剛性圓柱體或半圓柱體，其長度應能使其上端面至少高出窗口下邊緣13 mm。

圖4 試驗分析工況

4.2 力學建模與計算

使用有限元軟件建立整車的有限元力學模型，單元數目1 202 381，節點數903 652。設置整車各總成的材料參數、連接關系，其中防撞梁為管狀，材料為16MnAl，管厚1.5 mm；兩安裝支架強度為347 MPa，厚度為1.5 mm。以左后車門為研究對象，參照第4.1節所述模擬分析工況進行約束設置、參數設置，然后對其進行后車門強度分析。約束右側車身裙部，約束車身前縱梁(前輪中心線之前)和后縱梁(后輪中心線之后)，模擬分析工況如圖5所示。按照標準可以換算出模擬需要的加載方式，其中設定半圓柱剛體沿車門垂直方向以2.5 m/s的勻速侵入457 mm，設定計算時間步長8.0×10s，碰撞模擬時間0.18 s。設置完成后，導出計算文件，在LS-DYNA軟件中進行計算。

圖5 模擬分析工況

4.3 防撞梁受力分析

在壓頭侵入過程中，車門應力主要集中在防撞梁上，說明車門入侵過程中，防撞桿起到主要的支撐作用。防撞梁中部和兩側應力最大，達到500 MPa及以上。防撞桿兩端未發生脫落，滿足性能要求。圖6為車門及防撞梁應力云圖。

圖6 車門及防撞梁應力云圖

圖7為車門擠壓力曲線及最終位移云圖。

圖7 車門擠壓力曲線及最終位移云圖

由圖7可以看出，車身的變形會減小車門的耐擠壓力，0～250 mm位移過程中曲線比較平緩，但從位移250 mm左右開始，受力曲線陡然上升，車門和防撞梁較高的剛度起了很大作用。從位移450 mm開始，曲線開始下降，剛度開始降低。由表3的計算數值可以看出，防撞桿及車門總成力學性能滿足國家標準。經廠家測試，實際車輛側門強度試驗結果也符合國家標準。說明按照車門防撞梁布置規律來開發車門總成及防撞梁是可行且有效的。

表3 計算數值 單位:kN

5 結束語

車門防撞梁是車門結構中的重要部件，其力學性能對于車門的安全性能影響很大。本文論述了車門防撞梁的結構及性能要求，對多款乘用車的車門防撞梁結構參數進行了對比分析，梳理出車門防撞梁的布置規律。按照這一規律設計了一款轎車車門的防撞梁，運用CAE方法建立了力學模型，對其強度進行了動態分析，驗證了車門防撞梁的布置規律的可行性。研究方法和結果對于轎車車門及防撞梁設計有一定的指導和參考作用。