轎車防撞梁輕結構的優化設計論文
摘要：汽車輕量化和耐撞性的研究對汽車產業的可持續性發展有著重大意義。以某轎車前保險杠的防撞梁為研究對象，對保險杠防撞梁在低速碰撞和高速碰撞兩種工況下的輕量化結構強度進行了研究，根據正面碰撞的要求及汽車保險杠的結構尺寸，建立了有限元模型并分析了結果，可為汽車防撞梁的優化設計提供參考。
關鍵詞：防撞梁；安全性能；薄壁安全件；高速碰撞
保險杠防撞梁是汽車車身上典型的薄壁安全件，是影響汽車碰撞安全性的關鍵零部件，在汽車零部件輕量化中得到了廣泛關注。目前，保險杠安全性研究主要集中在質量更輕、低速碰撞時對前后端高成本易損部件保護效果更好，高速碰撞時能夠盡可能多吸收碰撞能量，并將碰撞力快速均勻地傳遞給車身吸能部件，從而可以很好保證車身和乘客的安全。基于此，本文對轎車防撞梁輕結構優化設計進行了研究。
1保險杠有限元模型建立
分別由CATIA和Hypermesh建立的保險杠碰撞系統的CAD模型和CAE模型。在保險杠前端有一剛性墻，在低速工況與高速工況時，保險杠系統分別以一定的速度撞擊剛性墻，試分析保險杠與剛性墻碰撞后的變形過程及最大侵入量。本文采用分級式優化方法，先對原結構防撞梁進行普通鋼、高強度鋼、鋁合金三種材料的替換研究，基于此優化基礎再對原鋼制防撞梁進行結構優化和材料優化，最后得出最優的防撞梁參數組合。
2原結構防撞梁輕量化研究
該方案是在不改變原車型防撞梁結構的前提下，采用普通鋼、冷沖壓高強度鋼和鋁合金進行材料替換，觀察該工況下三種材料防撞梁的輕量化程度及安全性能。其中，DC01號鋼屈服強度設為170MPa，B280VK高強鋼屈服強度為280MPa，6082鋁合金屈服強度為170MPa。
2.1輕量化程度對比
結構相同、材料不同的原模型防撞梁總成質量對比中，相同結構的防撞梁總成采用高強度鋼進行替換，減重僅為4%，而采用鋁合金替換時，減重可達60%以上。汽車發生低速碰撞時，一般希望防撞梁具有足夠的強度，碰撞發生后，防撞梁總成的塑性應變盡可能小，從而最大限度地減小車身損害，降低維修費用；高速碰撞時，防撞梁及后縱梁的變形在許可的安全距離內盡可能大，保證最大限度地吸收碰撞能量，并將碰撞力快速均勻地傳遞給車身吸能部件，保證駕乘人員的生命安全。根據RCAR要求，使保險杠總成以10km/h速度撞向靜止的剛性壁障。取初始時刻及保險杠沿初始方向（X軸負方向）位移最大的時刻的位移變化做對比，觀察保險桿的形態變化。
2.2失效判定條件
根據RCAR規程，性能優良的汽車保險杠碰撞時可吸收能量而且只限于保險杠系統受損，保險杠與車體之間的預留最小距離。通過吸能元件與車體連接，使汽車前部維修或更換費用較低。此處，安全距離即試驗碰撞結束后，防撞梁內折最大的點與車體之間的垂直距離。從三種材料防撞低速碰撞后的位移云圖中可以看出，結構相同、材料不同的防撞梁在速度為10km/h的低速碰撞中均發生了彎折，普通鋼和鋁合金明顯與車體發生接觸，這說明防撞梁抗彎性能較差，實際碰撞時會對其后布置的部件造成損壞，不能滿足RCAR對保險杠的性能要求。高強鋼防撞梁相對普通鋼和鋁合金折彎效果雖有明顯改善，但碰撞后的塑性變形依舊過大，吸能量較低，且不符合保險杠輕量化的設計要求.
3防撞梁的結構優化
3.1方案描述
汽車輕量化是實現汽車節油減排目標的重要措施，但汽車輕量化的前提是要保證其安全性能，尤其是對于具有吸能作用的防撞梁。上述原方案中，對原車型普通鋼制防撞梁分別采用高強鋼和鋁合金材料進行替換，雖然達到了輕量化的目的，但保險杠總成的耐撞性能并沒有明顯的變化，尤其是鋁合金材料的使用，無法保證駕乘人員的生命安全。這說明僅僅對防撞梁的材料進行優化還不能達到安全、節能的目的，必須對其結構進行優化。本文針對防撞梁的結構和厚度進行優化，再次驗證高強鋼和鋁合金的輕量化和耐撞性。優化后的兩種防撞梁均為單個成形件，厚度由原模型的1.2mm改為2mm，材料仍然采用B280VK高強鋼和6082鋁合金進行比較，吸能盒與原車型結構、材料，厚度保持不變，吸能盒前后端與防撞梁及后鋼板的連接均為縫合焊連接。
3.2輕量化程度對比
兩種結構防撞梁分別使用高強鋼和鋁合金材料進行質量對比，輕量化程度存在明顯差異。由表2可以看出，優化方案一的質量要明顯高于方案二。同種方案之間不同材料質量對比可以看出，方案一使用鋁合金材料時的質量比使用高強鋼時降低63%，方案二使用鋁合金材料時的質量比使用高強鋼時降低65%，兩種優化方案的防撞梁使用鋁合金時的質量相比原模型分別降低14%和65%，因此，使用鋁合金材料比使用高強鋼材料輕量化效果明顯，滿足保險杠輕量化設計要求。
3.3低速工況安全性能對比
通常保險杠設計的安全距離應不短于10mm，對于兩種方案下的兩種材料防撞梁，安全距離均遠遠超過此限值。方案二的高強鋼與方案一的鋁合金防撞梁幾乎沒有發生塑性應變。方案一的高強鋼與方案二的鋁合金防撞梁塑性應變率分別為0.08和0.4，小于兩種材料的塑性應變率，滿足強度和剛度要求。不同結構及材料的.防撞梁低速碰撞下的安全距離及吸能總量也不相同。結構厚度優化后的防撞梁在使用相同材料的前提下，安全距離及吸能量相比原模型有大幅度的提高。方案一的鋁合金比其他三種情況的安全距離大，但吸能效果最差；方案一高強鋼與方案二高強鋼安全距離及吸能量符合要求，但防撞梁質量有明顯增大，有悖于保險杠輕量化設計的要求。方案二鋁合金防撞梁比其他三種設計的安全距離小，但其質量最小，吸能量最大，兼顧保險杠輕量化及安全性的設計要求，因此，性能最好。總體而言，采用方案二結構的防撞梁，使用6082鋁合金滿足輕量化目標，滿足安全性的要求，性能最好。無論是在發展趨勢、生產成本以及生產效率上都具有明顯的優勢，具有一定的可行性，有助于實現汽車安全、節能、減排的目的，可以為實際汽車保險杠輕量化設計提供一定的參考。
3.4高速工況安全性能對比
在高速碰撞中，保險杠同樣起著很關鍵的作用。保險杠在設計合理的情況下，要吸收整車碰撞能量的15%～20%左右。由于本文的碰撞研究僅限于保險杠，并沒有涉及到整車的建模，因此，對高速工況下結構優化后的防撞梁安全性能的評價指標僅限于保險杠總成加速度峰值及防撞梁總成最大吸能量兩方面。優化后的防撞梁在高速工況下吸能量明顯增加，尤其是方案二鋁合金防撞梁吸能量最大。方案一兩種材料防撞梁內侵位移較小，但吸能量相對較少，使得車身自吸能量減弱，車上乘員受傷害程度較大。根據《乘用車正面碰撞的乘員保護》（GB11551—2003）標準規定，高速工況下正面碰撞時，汽車加速度峰值不能超過80g，方案二鋁合金防撞梁加速度峰值最小，吸能量最大，安全性能最好。可以看出碰撞后防撞梁總能量幾乎沒有變化，動能越來越小，內能越來越大，動能轉化為內能。沙漏能和滑移界面能低于5%，該結構滿足可靠性的要求。因此，6082鋁合金方案二結構防撞梁在滿足可靠性、安全性的要求下，輕量化效果最明顯，耐撞性能最好，有助于實現汽車安全、節能、減排的目的，實際汽車保險杠輕量化設計提供一定的參考。
4結束語
綜上所述，在全球節能減排的趨勢下，汽車輕量化要求越來越高。本文對某汽車保險杠防撞梁輕量化進行了分析研究，得到了該保險杠不能滿足RCAR性能要求且不符合輕量化的設計要求，需要改進的結論。通過一系列的優化工作，結果表明鋁合金及高強度鋼板防撞梁的輕量化及安全性能較原模型均有明顯改善，且鋁合金防撞梁輕量化程度最好，安全性能及吸能量提升效果明顯，滿足汽車零部件設計中的輕量化、安全性的要求。
參考文獻：
［1］徐中明，徐小飛，萬鑫銘，等.鋁合金保險杠防撞梁結構優化設計［J］.機械工程學報，2013，49（08）.
［2］張振明.變厚度復合材料汽車防撞梁優化設計研究［D］.長沙：湖南大學，2014.
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