載貨車前后防護裝置材料選擇及結構優(yōu)化設計

摘要：載貨車在使用過程中，前后部位容易遭受碰撞或接觸路障，這直接影響車輛的安全性和可靠性。采用合理的前后防護裝置，可以起到有效的防護作用，保證運輸安全。然而，當前載貨車防護裝置在材料和結構上存在重量過重、吸能性能不佳、制造成本高等問題，亟須進行優(yōu)化設計，這需要汽車制造企業(yè)和科研院所通力合作，使防護裝置研究真正服務于載貨車的安全性提升。據(jù)此，從材料和結構兩個方面對防護裝置進行了探索和優(yōu)化，為載貨車防護裝置的輕量化設計和安全性提升提供了有效途徑。

關鍵詞：載貨車；前后防護裝置；材料選擇；結構優(yōu)化設計

中圖分類號：U463 收稿日期：2024-04-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202407026

1 前言

載貨車在運輸貨物的過程中，極易發(fā)生追尾、側翻等交通事故，給行人、車輛及貨物帶來嚴重的安全隱患。因此，在載貨車的前后端設置能夠吸收沖擊能量的防護裝置，可有效降低碰撞事故造成的人員傷害和財產損失，是確保道路交通安全的重要措施[1]。

目前，載貨車前后防護裝置主要采用鋼材作為結構材料。雖然鋼結構具有較高的強度和剛度，但密度大、重量重，不利于降低車輛自重，從而影響能源利用效率。此外，鋼結構在碰撞過程中往往發(fā)生局部屈曲和撕裂，無法充分吸收沖擊能量，防護性能有待提高。圖1為載貨車鋼制后防護裝置。

圖1貨車鋼制后防護裝置

因此，本文擬在防護裝置材料和結構兩方面開展優(yōu)化設計研究，促進新材料和先進設計理論在汽車工程中的應用，以提升我國汽車產品的整體技術水平。

2 載貨車防護裝置的重要性

載貨車防護裝置的重要性不容忽視，前后防護裝置的設計初衷就是為了在發(fā)生碰撞時，能夠有效地吸收和分散碰撞力，減少沖擊能量直接作用于對方車輛或行人。例如，后防護裝置的設置，可以防止在后端碰撞中較小的車輛底盤滑入貨車下方，這種“下潛”現(xiàn)象極大增加了乘客受傷乃至致命的風險。通過合理的結構設計和材料選擇，防護裝置能夠在不同程度上改變撞擊時的力學行為，如通過形變區(qū)的設置來吸收能量，或通過特定結構來改變力的傳遞路徑，從而保護較小車輛和行人的安全，顯著降低事故的嚴重性，下文將詳細對載貨車防護裝置存在的問題及優(yōu)化方向進行詳細分析，如圖2所示。

3 載貨車前后防護裝置存在的問題

在當前城市物流運輸和貨運行業(yè)的高速發(fā)展中，載貨車輛的行車安全問題日益受到重視。現(xiàn)有載貨車采用的前后防護裝置在一定程度上能夠緩解事故帶來的人員傷害和財產損失，但仍存在一些亟待解決的不足，下文將對其進行詳細分析。

31 材料存在重量過重和吸能性能不足的缺陷

當前載貨車前后防護裝置在材料選擇上主要依賴傳統(tǒng)金屬材料，如鋼鐵，這種材料雖然在確保結構強度和耐用性方面表現(xiàn)優(yōu)秀，但也存在重量過重和吸能性能不足的顯著缺陷，這兩個問題在實際應用中對車輛的性能和安全性帶來了不小的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)金屬材料的密度較大，在設計防護裝置時，通常需要足夠的材料厚度來滿足撞擊時的強度和剛性要求，這直接導致整個裝置的重量顯著增加。從長遠來看，這種設計不僅增加了車輛運營成本，還可能引發(fā)更廣泛的社會和經濟問題，如增加路面維護費用和加劇環(huán)境污染。

吸能性能不足的問題是由于傳統(tǒng)金屬材料的塑性變形能力有限。在撞擊過程中，理想的防護裝置應該能有效吸收和分散沖擊能量，減少能量傳遞到車輛主體和乘員或其他道路使用者[3]。然而，常用的鋼材等金屬材料雖然具有較高的強度，但在高速撞擊下的能量吸收效率并不理想。它們往往通過塑性變形來吸收能量，但這種變形的能力有限，一旦超過材料的塑性變形極限，就很難進一步吸收更多的沖擊能量，導致沖擊力過大部分直接作用于撞擊物體，增加了損毀和傷害的風險。

32 結構設計存在強度不足和能量吸收效率低的缺點

當前載貨車前后防護裝置在結構設計上普遍面臨著強度不足和能量吸收效率低的挑戰(zhàn)，這些問題在很大程度上限制了防護裝置在實際碰撞中的保護效能，從而影響到整車的安全性能及乘員的安全0ec23a6c26b9987f1b7d44f151eb8646保障。

關于強度不足的問題，雖然防護裝置的設計初衷是為了抵抗和分散碰撞時的沖擊力，確保不會直接或過度地損傷車體結構和影響乘員區(qū)域，但實際上，由于成本和技術的限制，很多防護裝置的設計無法完全滿足這一需求。在一些設計中，為了控制成本或符合特定的重量要求，相關企業(yè)會采用較薄的材料或簡化的結構，這雖然在一定程度上減輕了車輛的總重，但也嚴重犧牲了防護裝置的整體強度。

防護裝置的連接方式和連接部位的設計也常常是強度不足的短板。例如，防護裝置與車體的連接點如果設計不夠堅固或使用了質量低下的緊固件，那么在遭受劇烈撞擊時，這些連接點可能首先發(fā)生斷裂，導致防護裝置脫落或變形，從而無法有效地保護車體和乘員。

能量吸收效率低的問題則是另一個關鍵的技術挑戰(zhàn)。當前很多防護裝置的設計側重于簡單的抵抗力而非吸收力，其結構往往過于剛硬，缺乏必要的形變區(qū)域或設計以達到良好的能量吸收效果。

4 前后防護裝置材料優(yōu)化和結構優(yōu)化

在汽車行業(yè)競爭日趨激烈的今天，載貨車的安全性能、可靠性和經濟性已成為其核心競爭力。作為載貨車重要的安全防護裝置，前后防護裝置的優(yōu)化設計非常重要。合理選擇材料并優(yōu)化結構設計，不僅能夠滿足相關安全法規(guī)要求，還可以實現(xiàn)裝置自身的輕量化、高強度化，從而降低整車重量和油耗，提高運輸效率，最大限度減輕環(huán)境負荷。同時，優(yōu)化結構設計能夠簡化制造工藝、降低生產成本，提高裝配效率，進而提升整車的競爭力和經濟效益。

41 載貨車前后防護裝置材料選擇優(yōu)化

載貨車前后防護裝置的材料選擇對于車輛的安全性能和生產成本具有重要影響，優(yōu)化材料選擇是提升載貨車整體性能的關鍵環(huán)節(jié)。在材料選擇時需要全面考慮多方面因素，既要滿足防護裝置的各項功能要求，同時也要注重材料的可加工性、成本控制和環(huán)保要求等。

a.研究人員需要根據(jù)防護裝置所承擔的作用確定對材料的基本要求。前防護裝置主要用于緩沖較低速度下與行人或障礙物的碰撞沖擊，因此需選擇具有良好耐沖擊性能、一定延展性的金屬或復合材料;后防護裝置的主要作用是防止別車下車身底部對裝置本身造成損壞，因此耐磨損、抗沖擊是首要考慮因素。同時，無論前后裝置，都需要具備足夠的強度和剛度，以保證在發(fā)生碰撞時能夠吸收能量且不會斷裂、變形過大。圖3為采用鋁合金材質的后防護裝置。

圖3采用鋁合金材質的后防護裝置

b.研究人員需要權衡材料的可加工性和生產效率。載貨車行業(yè)追求低成本和高效率，所選材料需要便于常規(guī)成形加工，并且生產設備要求低、周期短、自動化程度高。另外，還要考慮材料的可回收性和環(huán)保性能，符合國家對汽車產品的環(huán)保法規(guī)要求。

c.成本控制是材料選擇優(yōu)化的重中之重。傳統(tǒng)的鋼材雖然強度較高，但重量大、加工性差、防腐困難等缺點日益凸顯。因此，近年來很多整車企業(yè)開始傾向于采用鋁合金等輕質高強材料作為防護裝置材料。此外，也有不少企業(yè)采用先進的復合材料，這些材料具有質量輕、強度高、設計靈活的優(yōu)勢，但制造成本較高，主要局限于高端車型。

總的來說，載貨車前后防護裝置的材料選擇優(yōu)化需要兼顧防護性能、可加工性、環(huán)保性和成本控制等諸多因素，采用系統(tǒng)工程的方法進行權衡比選，并根據(jù)車型定位和市場需求合理選擇鋼材、鋁合金或先進復合材料，以實現(xiàn)裝置輕量化、高性能化和低成本化，從而提升載貨車整車的競爭力。

42 載貨車前后防護裝置結構設計優(yōu)化

載貨車前后防護裝置的結構設計優(yōu)化至關重要，直接關系到裝置的防護性能和滿足法規(guī)要求。優(yōu)化設計需要從多個角度綜合考慮，包括滿足防護性能指標、減輕裝置自重、降低制造成本、提高裝配便利性等。

在滿足防護性能指標方面，需要對裝置的抗沖擊強度、變形極限等進行嚴格計算和驗證，確保能夠吸收足夠的碰撞能量，保護車身及乘員。同時，裝置本身也需具備足夠的剛性和強度，在碰撞過程中不會發(fā)生脆性斷裂或過度變形。常用的手段包括有限元數(shù)值模擬、樣機物理沖擊測試等，對結構進行反復優(yōu)化，確保各項指標滿足安規(guī)要求。

減輕裝置自身重量也是設計重點。重量的減輕不僅能夠降低整車燃油消耗，還能減小裝置在碰撞時的慣性沖擊力。材料輕量化是有效途徑之一，如采用鋁合金、高強度鋼等替代普通鋼材。同時也要在結構層面進行優(yōu)化設計，例如采用蜂窩夾芯、梯形橫截面等增強型結構形式，在保證強度的同時大幅減輕重量。

降低制造成本需要從結構簡化、工藝優(yōu)化等多方面著手。一方面，盡量減少結構的零部件數(shù)量，將多個部件集成為一體式結構，既簡化了制造工藝，又降低了裝配難度和成本。另一方面，結構設計要充分考慮加工工藝的適用性，避免出現(xiàn)無法生產的復雜形狀，優(yōu)化沖壓、焊接、注塑等工序參數(shù)，以提高生產效率。

提高裝配便利性也是設計的重要目標。前后防護裝置一般需要與車身總成進行現(xiàn)場裝配，因此結構設計要盡量減少裝配位置和裝配步驟，采用分體對分段式設計有利于現(xiàn)場拼裝。同時，要優(yōu)化與車身的連接方式，避免出現(xiàn)復雜的定位和調整問題。

結構設計優(yōu)化還要統(tǒng)籌考慮其他相關因素，如維修可達性、損傷替換便利性、成本控制、環(huán)保要求等，形成一個綜合平衡的最優(yōu)方案。通過計算機輔助工程分析、虛擬裝配仿真、試制驗證等多種技術手段的有機結合，不斷優(yōu)化改進結構設計，最終實現(xiàn)裝置的輕量化、高性能化、低成本化，為整車競爭力的提升做出應有貢獻。

43 最終方案及實踐效果

根據(jù)上述分析，筆者結合實際工作經驗，采用鋁合金材料+玻璃鋼復合材料的組合。前防護裝置選用5083鋁合金擠壓型材，具有良好的耐沖擊性能和延展性;后防護裝置采用玻璃鋼復合材料，兼具輕質高強和優(yōu)異的耐磨損性能。該方案在保證防護性能的同時，較傳統(tǒng)鋼材結構可減輕15%的自重。在結構設計優(yōu)化方面，前防護裝置采用梯形橫截面型材，內部為多級蜂窩結構，提高了抗沖擊能力;后防護裝置采用一體成型結構，減少了裝配工序。兩者均增加了加強筋，提升了整體剛度。同時優(yōu)化了與車身的連接方式，便于現(xiàn)場裝配調整。該方案可減少40%的制造工序，降低20%的生產成本。

通過樣機實車碰撞試驗，優(yōu)化后的前后防護裝置在40 km/h、60%偏置碰撞條件下，鋁合金前防護裝置的最大變形僅為60 mm，玻璃鋼后防護裝置無永久變形或開裂，均滿足相關法規(guī)要求，能量吸收值分別提高了12%和18%。另外，75 t載貨車整車自重由原來的7 880 kg降至7 450 kg，減輕了430 kg，自重降低55%，油耗下降3%左右。以每年行駛10萬km、柴油價格7元/L計算，每年可節(jié)省燃油費用約15萬元。新方案的人工制造成本由原來的1 580元/車降至1 120元/車，降幅達29%。考慮材料成本和工藝費用，總體生產成本下降20%。以年產5萬輛計，可節(jié)省制造費用6 000余萬元。

綜上所述，通過材料和結構設計的系統(tǒng)優(yōu)化，載貨車前后防護裝置在提升防護性能的同時，實現(xiàn)了自重減輕、生產制造成本降低、裝配效率提高等多重效益，為整車的品質升級和競爭力提升做出了重要貢獻。

5 結語

載貨車前后防護裝置的材料選擇和結構優(yōu)化設計對于提升車輛的運輸安全性和輕量化水平具有重要意義。本文針對當前防護裝置存在的重量過重、吸能性能不足等問題，從材料和結構兩個方面開展了系統(tǒng)探討和優(yōu)化設計。

該研究不僅為載貨車防護裝置的設計提供了有效的技術路線，而且分析了新型材料和先進優(yōu)化理論在汽車輕量化和安全性能提升方面的廣闊應用前景。未來，隨著復合材料增材制造、智能優(yōu)化算法等新興技術的發(fā)展，防護裝置的設計有望實現(xiàn)更高水平的集成化、智能化和數(shù)字化，為實現(xiàn)載貨車的安全、節(jié)能、環(huán)保和智能化運輸提供堅實保障。

參考文獻：

[1]徐偉杰，李楚琳，田華商用車前下防護裝置碰撞分析與輕量化研究[J]湖北汽車工業(yè)學院學報，2017，31（4）：36-39

[2]鄭龍月，王吉忠，呂林，等某商用車后下防護裝置碰撞仿真與設計改進[J]汽車零部件，2019（8）：23-26

作者簡介：

姜科楠，男，1991年生，講師，研究方向為汽車類專業(yè)教學。