TWB結(jié)構(gòu)汽車(chē)后縱梁輕量化方案可行性研究

徐鑫 ，林利 ，丁庶煒 ，李春林 ，劉仁東

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009；2.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng)110819）

隨著汽車(chē)制造商對(duì)汽車(chē)輕量化的要求越來(lái)越高，很多新車(chē)型在概念設(shè)計(jì)階段極大程度地減小鋼板厚度[1]，同時(shí)還會(huì)適當(dāng)?shù)亟档途植拷Y(jié)構(gòu)的配置級(jí)別，如一些新車(chē)型已簡(jiǎn)化了后保險(xiǎn)杠總成的局部鋼結(jié)構(gòu)。因此，在汽車(chē)發(fā)生倒車(chē)碰撞或追尾事故時(shí)，后縱梁作為后碰的主要吸能部件，其耐碰撞性能的好壞直接決定著汽車(chē)安全性能的優(yōu)劣[2]。

目前汽車(chē)輕量化概念方案的研究與實(shí)施主要集中在車(chē)身結(jié)構(gòu)的中前部，對(duì)于汽車(chē)后縱梁的輕量化技術(shù)研究比較少[3]。通過(guò)長(zhǎng)期深入汽車(chē)主機(jī)廠開(kāi)展對(duì)新車(chē)型的輕量化項(xiàng)目的研究，研究人員了解到汽車(chē)后縱梁區(qū)域也存在輕量化技術(shù)方案的可實(shí)施空間，并著重考慮了后縱梁的載荷傳遞和碰撞能量吸收特性對(duì)汽車(chē)碰撞安全性的影響，提出了利用激光拼焊板（TWB）結(jié)構(gòu)對(duì)某汽車(chē)后縱梁進(jìn)行輕量化改進(jìn)的方法。

1 建立后縱梁簡(jiǎn)化模型

考慮到整車(chē)碰撞仿真分析具有耗時(shí)長(zhǎng)、計(jì)算量大等問(wèn)題，將后縱梁整體結(jié)構(gòu)從整車(chē)有限元模型中提取出來(lái)，具體包括后保險(xiǎn)杠、吸能盒、后縱梁等零部件，建立了后縱梁與剛性墻碰撞的有限元模型，如圖1所示。其中初始條件為:完全固定剛性墻，約束其所有自由度；后縱梁最前端距離剛性墻為10 mm；后縱梁以20 km/h的速度沿X軸正方向撞擊剛性墻；CAE計(jì)算終止時(shí)間設(shè)為50 ms；設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.5 μs。

圖1 后縱梁有限元模型

2 后縱梁TWB結(jié)構(gòu)輕量化方案

后縱梁原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用點(diǎn)焊搭接的方式，即梁的前段與后段通過(guò)搭接邊焊接的方式連接，共需要5個(gè)焊點(diǎn)。通過(guò)分析點(diǎn)焊搭接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)該縱梁結(jié)構(gòu)制定兩個(gè)輕量化方案，見(jiàn)表1。

表1 后縱梁輕量化方案

方案一在點(diǎn)焊搭接處采用TWB結(jié)構(gòu)，取消搭接邊與焊點(diǎn)，前段采用高強(qiáng)鋼DP800，材料厚度為1.2 mm，后段采用高強(qiáng)鋼DP600，材料厚度為1.8mm。

方案二與方案一類(lèi)似，依然采用TWB結(jié)構(gòu)，但將焊縫位置移至距離后縱梁前端600 mm處，前段采用高強(qiáng)鋼DP800，材料厚度增至1.4 mm，后段采用高強(qiáng)鋼DP600，材料厚度降至1.6 mm。

新設(shè)計(jì)的后縱梁結(jié)構(gòu)相對(duì)于原設(shè)計(jì)方案都實(shí)現(xiàn)了輕量化。方案一取消了點(diǎn)焊搭接邊結(jié)構(gòu)，激光拼焊板焊縫位置設(shè)置在后縱梁前段尾端，相對(duì)于原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單側(cè)減重0.25 kg；方案二對(duì)后縱梁的前、后段的厚度進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單側(cè)減重0.58 kg。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 碰撞能量吸收分析

對(duì)于碰撞能量吸收，主要考察在碰撞過(guò)程中后縱梁前段和后段兩個(gè)零部件的能量吸收情況[4],具體見(jiàn)圖2。

原設(shè)計(jì)后縱梁結(jié)構(gòu)總吸收能為173 494.56 J，而方案一和方案二后縱梁結(jié)構(gòu)總吸能均有所增加。其中，方案一總吸能為182 404.03 J，方案二總吸能為194 537.3 J，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由于后縱梁前、后段分別采用DP800和DP600高強(qiáng)鋼材料，因此，在碰撞過(guò)程中前段強(qiáng)度大，主要起傳遞載荷作用，而后段強(qiáng)度略低，起吸收碰撞能量作用，這些都符合車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

圖2 后縱梁總碰撞吸能

表2 后縱梁總碰撞吸能對(duì)比

3.2 加速度峰值分析

為了更好地對(duì)比加速度峰值數(shù)據(jù)，將加速度計(jì)布置在后縱梁，觀察碰撞過(guò)程加速度峰值變化情況。當(dāng)最大載荷傳遞至縱梁時(shí)，加速度達(dá)到第二個(gè)峰值，因此將第二個(gè)峰值作為衡量目標(biāo)。

圖3為后縱梁加速度峰值，由圖3可知，方案一中第二個(gè)加速度峰值較原方案略有提升；方案二中第二個(gè)加速度峰值有所降低，且達(dá)到峰值時(shí)間延后，在一定程度上提升了整車(chē)碰撞的安全性。質(zhì)量是輕量化方案設(shè)計(jì)主要考慮的指標(biāo),輕量化方案與原設(shè)計(jì)的仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表3。

圖3 后縱梁加速度峰值

表3 后縱梁改進(jìn)前后的數(shù)據(jù)對(duì)比

輕量化方案一中后縱梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為6.76 kg，相對(duì)于原設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)減重3.57%，碰撞總吸能達(dá)到182 404.03 J，相對(duì)于原設(shè)計(jì)方案增加6.21%，但加速度峰值提高了6.7%，對(duì)于碰撞安全性能會(huì)產(chǎn)生不利的影響。輕量化方案二中后縱梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為6.43 kg，相對(duì)于原設(shè)計(jì)方案減重8.27%，碰撞吸能增加12.13%，加速度峰值降低22.8%，在保證碰撞安全性能的同時(shí)，兼顧輕量化和能量吸收的要求，因此方案二在輕量化方案設(shè)計(jì)過(guò)程中具備可行性。

4 結(jié)論

（1）汽車(chē)后縱梁輕量化方案二比原設(shè)計(jì)方案零件總重量減少了8.27%，碰撞能量吸收提高了12.13%，加速度峰值降低了22.8%；

（2）采用激光拼焊板的汽車(chē)后縱梁通過(guò)工藝優(yōu)化，在減重的同時(shí)，也提升了碰撞能量吸收，降低了局部加速度峰值，從而改良車(chē)身零部件的耐碰撞性能，提高了車(chē)身的被動(dòng)安全性能。