復合材料汽車前縱梁的輕量化設計分析

褚安華 戴太亮 袁煥泉 陳東 耿富榮 夏則平

（1.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院；2.上海艾聯汽車零部件有限公司）

隨著汽車保有量的增加，能源的節能減排成了制約汽車發展的重大因素，汽車輕量化是解決該問題的重要途徑。汽車車身輕量化的實現主要有3種途徑[1]：1）汽車結構的輕量化設計，即通過改進汽車結構，使部件薄壁化或中空化；2）采用輕量化工藝，如拼焊板或變截面等制造工藝；3）使用輕量化材料，復合材料由于其具有較高的比強度和比剛度，在車身輕量化設計中備受青睞[2]。目前復合材料在汽車上的研究和應用日益廣泛[3]，主要應用在車身覆蓋件及部分結構件等。前縱梁是影響汽車碰撞安全等性能的關鍵車身構件，為了在滿足汽車安全性能的同時達到汽車輕量化設計目標，在前縱梁上采用復合材料將成為很好的選擇[4]。文章以某國產C級轎車前縱梁為研究對象，采用某高強復合材料，進行車身結構件的輕量化分析。分析結果表明，采用復合材料的前縱梁加強板代替鋼質前縱梁加強板，滿足了汽車碰撞安全、剛度及模態等性能的要求，也說明以塑代鋼是汽車工業技術發展的重要方向，是汽車輕量化的有效手段之一，高強復合材料在汽車車身結構上的應用可以廣泛推廣使用。

1 復合材料前縱梁加強板方案說明

復合材料可應用在車身諸多部位，包括頂蓋、前機艙發罩、行李廂蓋板、A/B柱接頭及門檻等部位。考慮到前縱梁所處的工況惡劣程度及對整車關鍵性能的影響，文章選取前縱梁為研究對象，采用某高強復合材料前縱梁加強板，進行相關的汽車主要性能分析，并與鋼質前縱梁加強件進行對比，主要方案如下所示。

圖1示出汽車前縱梁加強板，從圖1a可以看出，汽車前縱梁后段鵝頸處上加強板和中加強板均為高強鋼板，料厚分別為1.8，2.0 mm；從圖1b中可以看出，該前縱梁后段鵝頸處采用某復合材料加強板代替圖1a的鋼質前縱梁后段上加強板和中加強板。

圖1 汽車前縱梁加強板示意圖

圖2示出復合材料前縱梁后段加強板結構及料厚。其材料特性，如表1所示，該復合材料加強板通過結構膠與前機艙縱梁相連。

圖2 復合材料前縱梁加強板結構及料厚示意圖

表1 復合材料前縱梁加強板性能參數

2 車身有限元分析模型

將該車型3D結構數模導入到有限元分析軟件中，在HyperMesh中采用三角形和四邊形網格單元進行劃分，白車身的SHELL殼單元尺寸為10 mm×10 mm；白車身的焊點用ACM單元連接方式模擬，焊點直徑為6 mm；焊縫用RBE2剛性單元模擬；白車身的粘膠用SOLID體單元模擬；總裝件的螺栓連接用RBE2剛性單元連接；并定義復合材料前縱梁加強板和結構膠的材料特性參數，得到車身有限元分析模型，如圖3所示。分別對該模型進行碰撞安全、剛度及模態等關鍵性能分析[5-6]。其中，前后處理器軟件為HyperMesh；碰撞性能分析求解器軟件為LS_DYNA；模態及彎扭剛度性能分析求解器軟件為Nastran。

圖3 車身有限元分析模型

3 復合材料前縱梁加強板與鋼質前縱梁加強板仿真分析結果對比

3.1 碰撞安全性能

前縱梁作為汽車碰撞安全性能關鍵結構件，主要影響正面碰撞性能，包括100%正面碰撞和40%偏置碰撞性能。

3.1.1 100%正面碰撞

圖4示出汽車100%正面碰撞B柱加速度曲線。由圖4的曲線可以看出，方案2的加速度曲線整體趨勢與方案1基本一致；方案2的B柱最大加速度峰值較方案1有所增加（最大增幅為9.9%），在目標值（＜40 g）可接受范圍內。（g：重力加速度 9.8 m/s2）

圖4 汽車100%正面碰撞B柱加速度曲線圖

圖5示出汽車100%正面碰撞前圍板x向最大侵入量位移云圖，由圖5可以看出，方案2的前圍板x向最大侵入量為76.9 mm，較方案1的73.2 mm，增加了3.7 mm，在目標值（＜150 mm）可接受范圍內。

圖5 汽車100%正面碰撞前圍板x向最大侵入量位移云圖

表2示出汽車100%正面碰撞參數分析對比，由表2的各項指標對比分析結果可知，方案2采用復合材料前縱梁加強板，可滿足100%正面碰撞性能要求。

表2 汽車100%正面碰撞參數分析對比表

3.1.2 40%偏置碰撞

圖6示出汽車40%偏置碰撞B柱加速度曲線，由圖6的曲線可以看出，方案2的B柱最大加速度峰值較方案1變化不大，最大值為37.3 g，均在目標值（＜40 g）可接受范圍內。

圖6 汽車40%偏置碰撞B柱加速度曲線圖

圖7示出汽車40%偏置碰撞前圍板x向最大侵入量位移云圖，從圖7的最大侵入量可以看出，方案2的前圍板x向最大侵入量為161mm，較方案1的169mm，減小了8 mm，在目標值（＜200 mm）可接受范圍內。

圖7 汽車40%偏置碰撞前圍板x向最大侵入量位移云圖

表3示出汽車40%偏置碰撞參數分析對比，由表3分析結果可知，方案2采用的復合材料前縱梁加強板，可滿足40%偏置碰撞性能要求。

表3 汽車40%偏置碰撞參數分析對比表

3.2 白車身模態分析

白車身模態是車身結構固有的整體特性。通過白車身模態分析，可以獲取白車身的模態參數，為車身結構優化及振動響應分析提供依據。圖8示出白車身1階彎曲和扭轉模態圖，表4示出白車身模態參數分析對比。由圖8和表4可知，方案2的1階彎曲模態和扭轉模態較方案1基本無差別，均滿足白車身模態目標值要求。

圖8 白車身1階彎曲和扭轉模態圖

表4 白車身模態參數分析對比表Hz

3.3 白車身彎扭剛度對比

表5示出白車身彎扭剛度（帶前后風擋玻璃）參數分析對比。由表5可知，方案2的白車身彎曲剛度、扭轉剛度較方案1略有增加，且均滿足NVH目標值要求。這表明復合材料前縱梁加強板對白車身彎曲和扭轉剛度有一定的提升作用。

表5 白車身彎扭剛度（帶前后風擋玻璃）參數分析對比表

4 結論

文章以C級轎車前縱梁為研究對象，通過仿真分析的方法，對比研究了復合材料前縱梁加強板和鋼質前縱梁加強板對汽車100%正面碰撞和40%偏置碰撞、白車身彎曲和扭轉剛度、白車身彎曲和扭轉模態等性能的影響。仿真分析結果表明，復合材料的前縱梁加強板代替鋼質前縱梁加強板，可滿足該車型碰撞安全、模態和剛度等性能要求，且前縱梁總成減重達3.94 kg。由此可以看出，復合材料可以有效地應用到車身輕量化結構設計中。