基于截面承載分析的汽車前縱梁碰撞性能設計

魯后國，李鐵柱，闞洪貴（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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基于截面承載分析的汽車前縱梁碰撞性能設計

魯后國，李鐵柱，闞洪貴
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

摘要：汽車車體截面設計是零部件結構設計的基礎和核心。截面性能反映了結構的碰撞安全和剛度性能，截面性能分析可以有效的、快速的為結構設計提供依據。文章針對某車型正面碰撞中前縱梁后端彎曲變形過大的問題，通過截面性能分析方法對其截面參數進行快速優化，大大提高了截面的抗彎能力，基于該優化截面完成了結構設計，最終整車碰撞仿真對改進方案進行驗證。工程算例表明，該方法在縱梁結構的碰撞性能優化設計方面具有較強的工程實用性。

關鍵字：截面承載分析；前縱梁；正面碰撞；仿真分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: u467.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-51-04

引言

隨著汽車保有量的不斷增加，汽車碰撞事故越來越普遍。2013年，交通事故造成6萬人死亡，21.4萬人受傷，給社會帶來巨大的經濟損失[1]。所有的碰撞事故中，汽車正面碰撞事故發生率高，致傷率高[2]。為此我國制定了相應的正面碰撞乘員損傷標準GB 11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護》[3]，同時我國的C-NCAP管理規則也將整車正面碰撞作為重要考核項目[4]。汽車正面碰撞過程中，車體承載件的設計至關重要，縱梁是重要的能量吸收和載荷傳遞部件，其后端的抗彎能力設計對乘員艙前圍腳部區域入侵量有著重要的影響，而縱梁后端的截面設計是決定抗彎性能的關鍵因素。

本文針對某車型前縱梁后端彎曲變形較大的問題，采用截面承載性能分析方法完成了截面的參數優化，大大提高了截面的抗彎性能，為結構提供了可靠的依據，部件級分析驗證了優化后截面的性能，最終整車碰撞仿真驗證了改進方案的有效性。

1、截面承載性能分析理論

針對汽車薄壁梁結構截面碰撞性能，國內外做了大量的研究。福特汽車公司的Mahmood對薄壁梁截面的軸向性能進行了系統研究，總結了截面軸向壓潰性能和抗彎性能經驗公式[5-6]。國內王大志對車體縱梁截面軸向壓潰性能設計做了系統介紹[7]。

對于一般的汽車車體薄壁梁結構，通常承受軸向載荷和彎曲載荷，按照能量吸收和載荷傳遞的作用，通常分為能力吸收部件和抵抗變形部件，對于汽車縱梁來說，縱梁前端需要最大程度吸收動能，對于后端折彎區域需要抵抗前端的載荷傳遞，最小化彎曲變形。根據薄壁梁壓潰理論，其理論化軸向壓潰性能曲線如圖1所示。圖中Pmax為峰值載荷，P1為最大載荷，P2為平均載荷，P3為最小載荷。平均載荷P2及其壓潰位移通常用于衡量薄壁梁能量吸收能力。對于方形截面薄壁梁，其平均載荷如式1所示。

式中σo為抗拉強度的0.9~0.95倍，t為壁厚，b為方形截面的邊長。

圖1　薄壁梁截面軸向壓潰性能

對于薄壁梁截面的抗彎性能，其理論化彎曲性能曲線如圖2所示，薄壁梁的彎曲載荷設計的重點在于其最大彎曲載荷Mmax。Mahmood進行了系統的、全面的研究，根據臨界屈曲應力相對材料屈服強度的關系，推導出了不同的最大載荷Mmax計算公式如式2所示。

式中Mp為梁的塑性彎矩，σcr為臨界屈曲應力，σy為材料屈服應力。

根據以上薄壁梁軸向和彎曲承載公式，目前出現了較為成熟的商用軟件如ABSOLUT公司的SectionAD軟件和IDE公司的VCS軟件。這些軟件不僅可以完成截面的承載能力分析，同時還可以完成截面參數的靈敏度分析和優化，確保不增加截面面積的前提下，最大化截面軸向和抗彎性能。本文通過使用SectionAD完成了縱梁的截面性能分析及優化。

圖2　薄壁梁截面彎曲性能

2、汽車縱梁性能改進方案分析

針對某車型按照2015版C-NCAP管理規程要求完成了某車型整車40％ 64km/h偏置碰撞仿真分析如圖3所示。分析結果顯示左縱梁后端上翹彎曲變形較大，導致前圍歇腳板區域最大入侵量達到了130mm遠遠超過了公司內部最大入侵量80mm的標準，如圖4所示，該處入侵較大很大程度上增加了左小腿彎矩損傷指標和軸向力指標超標的風險，因此需要對該處進行優化設計。造成歇腳板入侵量超標的主要原因是縱梁后端的彎曲變形，縱梁后端截面抗彎能力不足是造成該處變形大的主要原因，同時也導致了中央通道區域出現了較大程度的變形，因此改進重點為增加該處的截面的抗彎能力，按照入侵量達成目標換算抗彎性能提升40％。

圖3　整車碰撞分析

圖4　左縱梁后端

縱梁后端折彎區域截面如圖5所示，可見該處截面包括縱梁和前地板總共5層板，部件1為前地板材料為低碳鋼，部件2和部件4均為雙向鋼DP800，部件3和部件5為低合金高強鋼B410LA，截面積為1585 mm2。可見該處截面不但結構復雜，而且性能未滿足要求，仍需繼續改進，同時還將進一步考慮增加抗彎性能的同時減少截面面積實現結構輕量化的目的。本文使用截面載荷分析軟件SectionAD進行了截面建模，截面有許多段組成，各段的材料和厚度按照實際進行了建模，材料參數主要包括密度，彈性模型，屈服和抗拉強度。材料可從該軟件的材料庫中提取，最終完成了截面抗彎性能評估，在任意段出現屈曲變形的情況下，截面最大抗彎載荷為4358.1Nm，如圖6所示。基于上文分析截面抗彎性能提升40％以后為6101.4Nm，因此基于該目標完成下一步的截面性能改進。

圖5　左縱梁后端截面

圖6　左縱梁后端截面抗彎性能

3、汽車縱梁改進分析與驗證

3.1截面性能改進分析

根據縱梁后端碰撞過程中的受力特性，截面承受沿X軸彎矩，截面上部承受壓應力，下部承受拉應力。根據力學基本理論，加強壓縮側板件性能可以有效提高截面的抗彎能力，如增加受壓側板件的厚度，提升材料等級或是增加加強件和加強筋可以有效增加截面的抗彎能力。

圖7　優化后左縱梁后端截面形狀

因此針對截面性能改進，綜合考慮不增加截面面積的前提下提升截面的抗彎性能，故考慮將圖5中部件2去除，在受壓側增加部件6如圖7所示，材料為B410LA，厚度1.6mm，截面面積為1671.2mm2，相比原始截面面積增加5％。通過使用SectionAD軟件對改進后截面性能進行了分析，截面最大彎矩Mx為7408.7Nm，抗彎性能提升70％，抗彎性能大大提升。

3.2部件級截面性能驗證

為了驗證改進方案的有效性，首先建立基于截面的零部件級模型如圖8所示，對該截面生成的薄壁梁結構進行了三點彎曲仿真分析，原始和優化后彎曲性能對比如圖6所示，零部件級仿真分析中，原始最大彎矩為5108.4Nm，優化后最大彎矩為6921.5 Nm，抗彎性能提升35％，如圖9所示，性能改進趨勢和截面級承載分析基本一致，驗證了截面分析的有效性。

圖8　優化前后薄壁梁性能仿真分析

圖9　縱梁后端截面抗彎性能對比

3.3整車級碰撞性能驗證

根據改進后縱梁截面形狀，縱梁后端上部增加部件6，如圖10所示。

圖10　縱梁后端優化方案

改進后縱梁后端彎曲變形如圖11所示，縱梁后端截面抗彎能力增加后，縱梁彎曲變形明顯降低，前圍歇腳板區域入侵量減低到了85mm，性能提高了31％基本滿足要求，最終驗證了截面載荷分析方法的有效性。

圖11　縱梁后端變形對比

4、結論

（1）截面承載性能分析可以有效、快速完成車身結構截面碰撞安全和剛度性能評估，為結構設計提供充分依據。

（2）概念階段通過完成車身結構截面承載性能分析可以快速優化截面性能，為車身承載結構如縱梁、B柱、防撞梁等提供強有力的設計依據，大大縮短開發周期。

參考文獻

[1]中國汽車技術研究中心. 中國汽車安全發展報告（2015）[M].北京：社會科學文獻出版社，2015.

[2]連勝利，張向亮，劉劍，等. 汽車側面碰撞B柱結構優化設計[J].汽車實用技術，2015，(4)：11-12.

[3]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局, GB 11551-2014汽車側面碰撞的乘員保護[S]. 中國標準出版社，2014.

[4]中國汽車技術研究中心. C-CNAP管理規程（2015版）[M]. 天津：中國汽車技術研究中心，2015.

[5]H.F. Mahmood, A. Paluzny. Design of Thin Walled Columns for Crash Energy Management- Their Strength and Mode of Collapse [J]. SAE, 811302.

[6]H.F.Mahmood,A.Paluszny. Axial Collapse of Thin Wall Cylindrical Column[J].SAE, 840727.

[7]王大志. 基于乘員保護的汽車正面碰撞結構設計與變形控制研究[D]. 北京：清華大學，2006.

Performance Improvement of the Automotive Front Middle RailBased on Section Load Analysis

Lu Houguo, Li Tiezhu, Kan Honggui
( Anhui Jianghuai Automotive Co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )

Abstract:Automotive body section design is the basis and core of the part structure design. Sectionperformance reflects the performance of collision safety and rigidity of the structure, a cross-sectional level performance analysis caneffectively and quickly provide the basis for the structural design. In this paper, aiming at the problem that the rear end of the front middle rail bend excessively in the frontal impact, rapid performance optimization through cross-sectional analysis is finished, which greatly improve the ability of bending.Based on the optimized cross-section, the structure is designed, and ultimately the whole car crash simulation validatesthe improvement program.The engineering examples show that the method has a strong engineering practicability for performance optimization design of the front middle rail.

Keywords:Section LoadAnalysis; Front Middle Rail;Front Impact; Simulation Analysis

中圖分類號：U467.1

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988 （2016）05-51-04

作者簡介：魯后國，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。主要研究汽車車身設計。李鐵柱，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。主要愛研究汽車車身設計。