基于車身碰撞性能的玻璃纖維增強尼龍結構應用研究

唐程光，張炳力

（合肥工業大學汽車與交通工程學院，安徽 合肥 230009）

基于車身碰撞性能的玻璃纖維增強尼龍結構應用研究

唐程光，張炳力

（合肥工業大學汽車與交通工程學院，安徽 合肥 230009）

∶針對某車型的車身碰撞性能開發，縱梁后端采用多層鋼板焊接方案以提高其碰撞安全性能，造成重量增加，焊接工藝復雜化等問題。文章采用了玻璃纖維增強尼龍結構，不僅提高車身縱梁碰撞性能，還有效實現了輕量化設計。首先對有限元仿真分析中玻璃纖維增強尼龍材料性能進行了試驗驗證，然后通過有限元分析確定縱梁后端原始方案的抗彎性能作為設計目標，結合縱梁后端內部空腔特點完成了玻璃纖維增強尼龍結構的拓撲優化設計，并驗證了方案的有效性，隨后制作了優化后玻璃纖維增強尼龍結構物理樣件，最終的彎曲試驗驗證了方案的有效性。

∶玻璃纖維增強尼龍；車身設計；碰撞性能；輕量化設計

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.053

CLC NO.: U462Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-151-04

前言

近年來，隨著各國汽車碰撞法規，特別是新車評定規程要求的不斷提升，對車身的碰撞安全性提出更高的要求[1]。針對車身的正面碰撞安全性設計，一方面要合理設計車身前端結構的吸能特性，另一方面要確保乘員艙的完整性，往往也會帶來車身重量的增加[2]。而目前汽車排放要求的進一步提高，車身設計在實現高安全性能要求的同時還要兼顧車身輕量化設計。

在汽車正面碰撞過程中，車體前縱梁是重要的能量吸收和載荷傳遞部件，前段主要起到能量吸收的作用，而后端折彎結構緊貼乘員艙，該處變形會直接造成較大的乘員艙入侵，因此主要起到載荷傳遞作用，該結構設計需要最大化其抗彎性能，該區域往往也是結構較為復雜、重量增加最大的位置。針對該區域的碰撞性能和輕量化設計，國外研究了結構泡沫材料加強結構的方法[3]，也研究了采用整體鑄鋁的結構設計方法[4]，其不僅確?？v梁的碰撞性能，同時降低了重量和焊接工藝的復雜性，有效降低成本。

本文針對某款轎車車身碰撞性能開發，考慮到縱梁后端原方案的重量增加和工藝復雜化問題，重點研究了玻璃纖維增強尼龍結構在提升縱梁后端碰撞安全性方面的應用。首先對玻璃纖維增強尼龍材料性能進行了試驗研究，然后基于原始方案設計目標，結合拓撲優化設計方法完成玻璃纖維增強尼龍結構的詳細設計，并制作了玻璃纖維增強尼龍結構的物理樣件，最終通過三點彎曲試驗驗證了方案的有效性。

1、前縱梁后端性能設計

汽車正面碰撞中，車體前縱梁是最為重要的能量吸收和載荷傳遞部件，縱梁前段通過軸向壓潰和彎曲變形吸收整車動能，實現合理的車身加速度目標[5]，縱梁后端主要是傳遞縱梁前端載荷降抵抗彎曲變形，實現乘員艙入侵最小化，如圖1所示。針對縱梁后端位置1處設計，該區域通常是承受彎矩載荷，該區域的抗彎性能直接影響到乘員艙的入侵量水平，為此傳統設計普遍采用多層鋼板焊接設計，如圖2所示。

圖1　汽車前縱梁設計

圖2　多層鋼板焊接設計

隨著汽車正面碰撞速度和整車重量的增加，針對多層鋼板焊接方案，往往需要增加更多層板來提高其抗彎性能，增加了車身重量和車身焊接的復雜性，同時多層板的焊接質量也很難保證。如圖3所示為某車型在滿足整車正面碰撞安全性前提下縱梁后端的結構設計，在圖1所示的位置1處包括地板總共設計有5層板，可見該區域結構非常復雜，同時也不利于結構輕量化設計，為此本文考慮通過使用玻璃纖維增強尼龍結構的方案來實現其碰撞抗彎性能和輕量化設計。

圖3　某車型縱梁后端多層板焊接設計

2、玻璃纖維增強尼龍材料模型建立和仿真驗證

2.1尼龍增強材料試驗

玻璃纖維增強尼龍結構作為載荷承載的主要載體通過環氧樹脂粘膠與車體連接，通過填充在車身結構空腔內部來提高結構抗屈曲性能，如圖4所示。

圖4　玻璃纖維增強尼龍結構

為了確定玻璃纖維增強尼龍材料的力學特性，同時為后續有限元分析提供數據輸入完成了該材料的靜態壓縮試驗，如圖5所示。

圖5　玻璃纖維增強尼龍塊壓縮試驗

2.2尼龍增強材料仿真驗證

為了驗證仿真分析中玻璃纖維增強尼龍材料的準確性，根據靜態壓縮試驗計算得到了材料的應力應變曲線，同時將增加30%短玻纖尼龍材料密度1.35g/cm3，拉伸強度180MPa，彎曲模量7500MPa等材料參數帶入仿真模型中，采用ABAQUS進行了仿真分析，材料模型采用了通用的各向同性材料模型，單元類型為實體單元，按照靜態壓縮試驗工況進行了仿真分析，如圖6所示。仿真分析中最大應力分布和壓頭的載荷位移曲線與試驗基本一致，因此證明材料模型可用于后續的性能分析和優化。

圖6　玻璃纖維增強尼龍塊壓縮仿真分析

3、尼龍增強結構拓撲優化設計

3.1尼龍增強結構拓撲優化設計

為了獲得最優的玻璃纖維增強尼龍結構，首先采用剛度折減拓撲優化方法，對低應力的單元減弱剛度[6]。最優解搜索算法采用了模擬退火算法，在相鄰搜索方向中加入隨機數，以保證在足夠大的區域內尋找最大值，優化變量為體積分數，優化目標為均勻應變能，體積連續、拔模角、對稱性、最小最大厚度都作為約束條件，優化前后結構如圖7所示。

圖7　拓撲優化前后增強尼龍結構

拓撲優化過程中提前通過折減材料屬性方法，包括彈性和塑性特性，確保了優化后結構基本滿足性能要求，根據拓撲優化后的大致輪廓，并考慮工藝性，對優化后結構進行光滑性處理，進一步完成結構詳細設計。

3.2尼龍增強結構性能分析和對比

針對最終確定的玻璃纖維增強尼龍詳細結構，為了驗證其性能目標，將其集成到車體縱梁中進行了彎曲性能驗證，如圖8所示，彎曲性能如圖9所示，可見集成尼龍增強結構的縱梁彎曲性能較好地達到了原始方案性能。

圖8　不同方案彎曲性能分析與對比

圖9　仿真中不同方案彎曲性能對比

詳細對比集成玻璃纖維增強結構方案與原始方，如圖10所示 ，在碰撞抗彎性能達標的前提下，采用尼龍增強結構方案后，取消了三個鈑金零部件，相比代替的三個鈑金零部件重量減少1.47 kg，占原始方案重量的44.8%，大大提升了輕量化設計水平。

圖10　不同方案縱梁后端結構對比

4、尼龍增強結構物理試驗驗證

根據最終方案試制了優化后的玻璃纖維增強尼龍結構，如圖11所示。為了通過物理試驗最終驗證集成增強尼龍結構與原始方案縱梁的抗彎曲性能，將該尼龍結構集成到縱梁中完成了三點彎曲試驗如圖12所示，試驗后彎曲性能對比如圖13所示，可見集成尼龍增強結構方案中縱梁后端的最大抗彎性能相比原始多層鈑金方案提升了21%，物理試驗結果進一步證明了增強尼龍結構方案的有效性。

圖11　玻璃纖維增強尼龍結構樣件

圖12　集成尼龍增強結構的縱梁彎曲試驗

圖13　試驗中不同方案彎曲性能對比

5、結論

（1）玻璃纖維增強尼龍結構的合理應用能夠提高車身的碰撞性能，同時可以有效地實現車身的結構輕量化設計，為車身結構和材料設計提供了新的方向。

（2）車身開發前期通過結合結構拓撲優化方法，有限元仿真分析和零部件試驗方法，能夠有效完成增強尼龍結構的開發，確保性能滿足目標的同時實現輕量化設計。

[1] 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.

[2] 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.

[3] HorstLanzerath,CarstenTragsdorf. BodyLightweightDesignand Scala bilitywithStructuralFoamSolutions[J].SAE,2009-36-0163.

[4] JeffConklin,RandyBeals,andZachBrown. BIWDesignandCAE[J]. SA E, 2015-01-0408.

[5] DonaldE.Malen. FundamentalsofAutomobile BodyStructure Design-[M].Warrendale,PA,USA,SAEInternational,2011.

[6] 杜建鑌.結構優化及其在振動和聲學設計中的應用[M].北京:清華大學出版社,2015.

The Application of Glass Fiber Reinforced Nylon Based on Crash Performance of the vehicle Body

Tang Chengguang, Zhang Bingli
(School of Automobile and Traffic Engineering, Hefei University of Technology, Anhui Hefei 230009)

For vehicle body crash performance development of the car, the multi-layer steel plate welding schemes is used to improve crash performance of the longitudinal rail rear structure, that lead to adding weight and complicating the welding process. This paper adopts the glass fiber reinforced nylon structure, not only improving body longitudinal rail crash performance, also realizing the lightweight design effectively. First of all, the glass fiber reinforced nylon material performance is validated by the test in the finite element simulation analysis, and then the bending capacity of the original scheme is determined through the finite element analysis as a design goal, combining with the characteristics of longitudinal rail internal cavity, the topology optimization design of glass fiber reinforced nylon structure is finished, and the effectiveness of the solution is verified, then the physical samples of the optimized structure of glass fiber is produced, the bending test verify ultimately the validity of the reinforced nylon scheme.

Glass Fiber Reinforced Nylon; Vehicle Body Design; Crash Performance; Lightweight Design

∶U462

∶A

∶1671-7988 (2016)09-151-04

唐程光（1997—），男，高級工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，主要研究方向：車身設計技術。