鋁合金下車體前壁板橫梁結構設計

王東升，柯旭東，肖榮光，馬麗春

(1.忠旺(遼陽)鋁模板制造有限公司，遼寧 遼陽 111003；2.遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003；3.青島大學 材料科學與工程學院，山東 青島 266071)

0 引言

鋁合金由于具有質量輕、較高的強度、易回收加工、可焊接性好被譽為汽車輕量化的理想結構材料[1]。鋁合金車身平臺是以平臺技術為大背景的車身設計和開發策略，全部或部分關重零部件使用鋁合金材料，具備平臺可延展屬性[2]。目前，汽車工程領域存在4種主流鋁合金車身技術方案。第1種是以蔚來ES8車型為代表的上下車體均使用鋁合金材質的全鋁車身結構方案，使用了鋁型材、鋁鑄件、鋁板材等多種鋁加工工藝，技術難度最高、成本最高。第2種是以極狐阿爾法S車型為代表的“上鋼下鋁”車身結構方案，即上車體使用成本低廉、制造難度低的鋼制車身，下車體使用輕量化效果顯著的鋁制車身，車身總成達成了技術難度與成本和輕量化三者的均衡。第3種以特斯拉model 3車型為代表，進一步降低鋁合金材質的使用比例，僅在下車體關鍵梁系部位使用鋁合金型材，技術難度和成本最低。第4種是以奇瑞小螞蟻車型為代表的，上下車體使用鋁型材組焊的框架式全鋁車身，封板部位使用鋁合金板材，在最優輕量化效果的前提下，技術難度最低、成本最低。

前壁板橫梁是鋁合金車身平臺的關鍵承載零部件，要求其強度高、抗疲勞耐久，是汽車車身系統的重要安全結構件。因鋁合金車身下車體縱梁前段多采用鋁合金型材，設計時無法做到局部避讓及滿足“前弱后強”的碰撞要求，碰撞時無法有效引導縱梁前段的壓饋過程，因此對前壁板橫梁的結構強度要求進一步增加。

本文針對某純電動汽車鋁合金下車體結構前壁板橫梁的設計任務，從總體架構上考慮前壁板橫梁的布局位置，從結構細節上考慮前壁板橫梁的分件方案，最終提出兩種前壁板橫梁結構后備設計方案。從整車碰撞安全仿真分析的角度，在滿足C-NACP管理規則(2018年版)整車耐撞性設計目標的前提下，驗證兩種結構的合理性。經驗證合格后，再從工程實現的角度對比前壁板橫梁的設計參數，最終確立了一種結構方案。

1 總體設計思路

前壁板橫梁是車身重要的橫向連接梁系結構，承擔連接左右縱梁、支撐前壁板、圍合電池包安裝框架的作用。

(1)在布置設計領域：應考慮設計邊界，還應結合前機艙、乘員艙相關部件的布置要求，如前壁板位置、真空助力泵安裝、輪胎運動包絡、制動踏板運動包絡、歇腳板位置，甚至于整車管線路設計等。

(2)在性能設計領域：除應考慮強度設計相關的截面大小、搭接方式、連接類型，還應考慮碰撞安全方面的性能表現。

(3)在工藝設計領域：需要對型材擠出模具進行模流分析，以保證型材截面尺寸的可成型性。

(4)在結構設計領域：依據布置要求、性能要求、工藝要求，進行詳細的結構設計，進而提出兩種可行方案，即整體式結構方案和分體式結構方案。

2 結構設計方案

2.1 整體式結構設計

整體式前壁板橫梁采用鋁合金牌號為6082-T6的材料，運用擠壓工藝，Y向(整車坐標系)出模而成，如圖1所示。采用擠壓工藝生產的鋁合金零部件相比于使用沖壓工藝而言，零部件結構自帶型腔，從而增大了強度和剛度[3]。左右兩端分別與左/右前縱梁總成搭接，上端連接前壁板，下端與前地板連接，與周邊零件連接主要采用MIG焊和SPR、結構膠。

圖1 整體式結構設計方案

2.2 分體式結構設計

分體式前壁板橫梁總成由三部分組成，從上往下分別為前壁板前橫梁、前圍下擋板、電池包安裝前橫梁，并通過SPR與結構膠連接為總成，與周邊零件連接主要采用MIG焊和SPR、結構膠，如圖2所示。

圖2 分體式結構設計方案

3 方案驗證分析

3.1 仿真分析對比

前壁板橫梁是碰撞過程中橫向傳遞碰撞力的結構件，對整車碰撞安全性能開發起到舉足輕重的作用。本文研究對象采用一致的有限元分析模型，在其他結構不變的情況下，替換前壁板橫梁作為單一變量，實現結構優劣在碰撞安全分析工況下的對比分析。分析標準選用國內碰撞安全標準較為嚴苛的C-NACP管理規則(2018年版)中，正面40%可變形壁障碰撞(又稱ODB)作為考核[4]，分別對整體式與分體式兩種結構前壁板橫梁在整車模型下建立有限元分析模型，使用相同的邊界條件進行ODB碰撞分析。

分析網格模型如圖3所示，由于造型涉密原因，只展示底盤及下車體部分，碰撞安全仿真分析過程不作為本文討論的重點。

圖3 整車碰撞分析網格模型

兩種結構分析結果如表1所示。14種分析指標中，兩種結構分析結果有12項低于目標值，僅有B柱門檻處加速度峰值、OLC值兩項分析結果略超越目標值，屬于可讓步接收的程度。綜合以上表述，分析模型合格。以上分析表明兩種結構的前壁板橫梁均能滿足正面C-NACP管理規則(2018年版)中，正面40%可變形壁障碰撞分析目標的要求。

表1 兩種結構分析結果

3.2 工程實現對比

兩種結構的前壁板橫梁設計參數如表2所示，兩種結構形式在工程實現層面各有優劣勢。整體式前壁板橫梁的優點是零件開發周期短，一次成型，模具成本較低、精度高，無須其他連接工藝，管理方便；缺點是零件成型比較困難，模具成本高，質量較大。分體式前壁板橫梁的優點是零件成型簡單，質量較輕，設計空間要求較低；缺點是零件數量較多，不利于生產管理，總成零件以冷連接為主，運輸困難，制造模具較多，周期較長。

表2 兩種結構的前壁板橫梁設計參數

3.3 方案驗證結論

在滿足碰撞性能要求的基礎上，筆者通過工程實現因素對比分析，結合整車質量目標及成本，優選分體式方案作為本文討論的某電動車鋁合金下車體前壁板橫梁結構設計方案。

4 結語

本文論述了兩種結構的前壁板橫梁設計，通過創造相同的對比邊界，以滿足整車碰撞安全性能開發目標為先決條件，羅列兩種結構在工程實現各個層面的優劣勢，最后通過質量設計和布置空間目標設定選定分體式前壁板橫梁為開發車型的最優方案。本文在鋁合金前壁板橫梁設計，乃至鋁合金下車體設計層面具備一定的工程參考價值。實際開發過程中，可基于不同的開發背景及開發目標，依據本文所列舉的設計參數，參考選擇適合的前壁板橫梁設計方案。