一種鋁合金汽車防撞梁設計方法

吳向東，張倩

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一種鋁合金汽車防撞梁設計方法

吳向東1，張倩2

（1.安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.合肥市一六八中學，安徽 合肥 230601）

文章詳細闡述了鋁合金汽車防撞梁在整車設計階段的開發流程，包括空間布置、材料、結構等方案設計；以及靜載分析、低速碰撞、正面碰撞等方案驗證兩大內容。總結了一些通用性的設計方法和要點，為鋁合金汽車防撞梁的設計提供了步驟和思路。

鋁合金；防撞梁；仿真分析

引言

隨著汽車產業的快速發展，各國對汽車節能、安全、環保等要求不斷提升，輕量化技術、材料、工藝的研究和開發已經成為世界各大汽車生產廠家提高競爭能力的關鍵之一。我國乘用車燃油消耗限值第四階段指標即將實行，對各車企是嚴峻的考驗。需要通過廣泛應用輕量化材料，降低車身重量，從而降低燃油消耗，達成乘用車燃油消耗限值第四階段指標要求，提升其市場競爭力[1]。

鋁合金作為關鍵的輕量化材料，其密度僅為鋼的1/3，被各大汽車企業用于替換原有的鋼制件，在不降低零部件性能的前提下，鋁合金替代傳統鋼制零部件可以實現約30%以上的減重。本文基于江淮某款車型論述了鋁合金前防撞梁的設計開發流程。

1 鋁合金前防撞梁方案設計

1.1 鋁合金前防撞梁開發流程

鋁合金防撞梁無論從設計階段還是驗證階段與傳統的汽車防撞梁有所區別，在研發設計階段需要建立一個完整的開發流程，鋁合金防撞梁的一般開發流程如下圖1所示。

1.2 鋁合金防撞梁空間布置

首先根據GB 17354汽車前后端保護裝置法規要求，以碰撞基準高度為445mm來布置防撞梁高度位置，防撞梁離地高度與碰撞模擬器基準高度一致時，防撞梁才能最大限度的發揮前端保護裝置的作用[2]。一般情況下，可以按照如下法規進行校核，如下圖2所示。

圖2 防撞梁離地高度布置

在低速碰撞中，前保險杠系統應具備最佳的吸能效果，以求最大程度保護車輛零部件不受損壞。鋁合金前防撞梁布置的有效空間也是至關重要的，防撞梁與保險杠之間需要足夠的空間布置吸能塊，同時防撞梁與布置在其后的冷凝器之間要留有足夠的安全間隙，否則低速碰撞將會直接損壞冷凝系統，對這些空間布置在前期造型開發過程中應重點關注。一般情況下，可以按照以下經驗值進行鋁合金前防撞梁的布置：

1）防撞梁與保險杠之間的X向空間間隙≥80mm；

2）與布置在身后的冷凝器在Y0處最小間隙（X向）≥50mm；

3）角碰位置與冷凝器最小間隙≥20mm；

4）防撞梁Z向有效高度≥80mm，X向有效寬度≥40mm；

5）防撞梁的Z向位置處于碰撞區域內，且與設計載荷、空載兩個位置的碰撞器有效重疊區域內Z向重疊尺寸≥20mm；

6）角部碰撞處，前霧燈后部潰縮空間要求≥40mm。

1.3 鋁合金防撞梁材料設計

目前鋁合金防撞梁成型多采用擠壓工藝，材料選擇多采用6系鋁合金和7系鋁合金，6系鋁合金具有較高的強度、較好的擠壓性能和優良的耐腐蝕性，7系鋁合金雖然強度更高，但由于7系硬度高，擠壓工藝性能和抗應力腐蝕能力較差，一般在航空領域應用較多。6系鋁合金目前在防撞梁應用上較多的是6082和6063兩種牌號的材料。以江淮某車型擠壓鋁合金防撞梁為例，防撞梁本體選用6082-T6，吸能盒選用6063-T6材料。防撞梁本體主要作用是將碰撞中產生的能量均勻傳遞到吸能盒上，對材料強度有較高要求，6082-T6強度高，且6082屬于新開發合金，有更好的機械性能，同時降低了Cu含量，有更好的耐腐蝕性能。吸能盒作用是通過自身的壓潰變形將碰撞中產生的能量轉換成內能，并將碰撞力均勻的傳遞到縱梁上，需要具備較好的吸能性能，6063-T6強度適中，且6063-T6強度較高，具有更好的變形吸能能力。具體材料技術指標見表1。

表1 某車型防撞梁材料技術指標

1.4 鋁合金防撞梁結構設計

通過調研，擠壓鋁合金防撞橫梁本體截面常用的有“日”與“目”型，基本料厚2.0mm～3.0mm，如表2所示；徐中明等以鋼制性能參數為指標，通過拓撲優化確定了防撞梁的最優的截面形狀為“日”字型，這與我們調研的結論一致[3]。吸能盒常用的有四邊形、六邊形、八邊形等結構，米林等通過仿真分析發現多腔結構中八邊形的吸能盒吸收能量最大，隨著結構棱邊的增多，吸能量與比吸能都有增大的趨勢[4]。吸能盒的選擇需要與縱梁的剛度進行匹配，在縱梁壓潰前吸能盒完全壓潰才能最大限度的發揮吸能盒的吸能作用。綜合考慮橫梁、吸能盒與縱梁剛度的關系，我們以“日”字型作為橫梁與吸能盒的斷面。

表2 防撞梁截面與料厚對比

2 鋁合金前防撞梁方案驗證

2.1 靜載分析

三點靜載分析可以初步判斷鋼制防撞梁與鋁合金防撞梁的強度，檢驗鋁合金防撞梁的強度是否滿足設計要求。以某款車型為例，建立四面體實體單元有限元模擬模型，如下圖3所示。邊界條件及分析工況設置如下：

1）部件屬性：使用殼單元，定義實際厚度；

2）材料屬性：輸入材料拉伸試驗得出材料應力應變曲線，定義材料失效準則；

3）部件連接：主梁、上、下加強板、吸能盒采用焊接；

4）邊界條件定義：吸能盒采用螺栓方式固定支座，約束6個自由度；

5）分析工況：采用剛性半徑為100mm壓頭，以50mm/s速度下壓防撞梁100mm。

圖3 防撞梁三點靜載模型

靜壓分析得到的防撞梁支反力的峰值反映了其強度，其值越大相應性能越好，從分析結果可以看出，鋁合金防撞梁最大承載力為23.9kN，鋼制件最大承載力為9.2kN，鋁合金防撞梁最大承載力要優于鋼制防撞梁，如下圖4所示。

圖4 仿真支反力-位移曲線

2.2 低速碰撞分析

根據法規要求，針對鋁合金防撞梁進行低速碰撞仿真分析，應分別在整車整備質量和加載試驗車質量兩種狀況下對車輛的前后端保護裝置各進行三種條件的碰撞，通過對模擬結果進行分析，判定在低速情況下防撞梁對相應零部件的保護程度，如下圖5模型所示。

圖5 防撞梁低速碰撞模型

根據法規要求，車輛碰撞后應能滿足燈和其他信號裝置能正常工作，供油和冷卻系統應無泄漏，發動機艙蓋因能正常開啟等。從分析結果來看，三種工況下測量值均小于目標值，說明鋁合金防撞梁強度滿足ECE R42和GB 17354法規要求，如下表3所示。

表3 低速碰撞保險杠變形量

2.3 正面碰撞分析

針對鋁合金防撞梁，進行100%正面偏置碰撞仿真模擬，主要依據2015版C-NCAP規定的正面100%剛性墻壁障碰撞試驗進行的仿真模擬，以50km/h速度撞擊剛性墻壁，同時對整車模型施加向下的重力加速度1g，通過對模擬結果進行分析，分析結構的耐撞性，如下圖6所示。

圖6 防撞梁正面碰撞模型

前圍入侵量、鉸鏈位移、方向盤中心位移、離合踏板位移、加速度等參數是整車碰撞試驗過程中的重要測試參數，直接評判整車的耐碰撞性能。考慮到防撞梁與縱梁等零部件在碰撞過程中對能量的吸收是一個相對立的關系，基于整車碰撞的鋁合金防撞梁加速度目標分解設計前防撞梁。從整車分析結果來看，左側加速度稍高出目標值，其他都滿足目標要求，如下表4所示。

表4 整車耐碰撞性能評價參數

3 結論

本文以某車型的鋁合金汽車防撞梁為例，基于整車的輕量化目標，選用6082作為防撞梁橫梁材料，6063作為吸能盒材料，“日”字型作為橫梁與吸能盒的截面，并且以有限元模擬分析為基礎，確認了鋁合金防撞梁的可靠性，總結了鋁合金汽車防撞梁設計的一般思路與方法。

[1] 朱平,張宇,葛龍,等.基于正面耐碰撞性仿真的轎車車身材料輕量化研究[J].機械工程學報,2005,41(9):207-211.

[2] 中華人民共和國國家標準. GB17354-1998 汽車前后端保護裝置[S].1998.

[3] 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,2013,41(8):136-142.

[4] 米林,魏顯坤,萬鑫銘,等.鋁合金保險杠吸能盒碰撞吸能特性[J].重慶理工大學報:自然科學版,2012,26(6):1-7.

A Design Method of Aluminum Alloy Automobile Anticollision Beam

Wu Xiangdong1, Zhang Qian2

( 1.Anhui jianghuai automobile group co. LTD, Anhui Hefei 230601; 2.Hefei 168 middle school, Anhui Hefei 230601 )

This paper elaborates development process of aluminum alloy automobile anticollision beam in the whole vehicle design stage, including space arrangement material structure design and static load analysis low speed collosion front impact. This paper summarizes some general design methods and key points, and provides steps and ideas for the design of aluminum alloy automobile anticollision beam.

aluminum alloy;anticollision beam;simulation analysis

B

1671-7988(2018)24-214-03

U465.2

B

1671-7988(2018)24-214-03

U465.2

吳向東(1987.8-)，男，安徽六安，碩士，工程師。目前就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司，主要從事的工作和研究方向：汽車內外飾設計。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.077