某車型鋁合金防撞梁總成厚度參數(shù)的輕量化設(shè)計(jì)

楊金秀 吳志佳 王建哲

摘 要：本文在某款車型整車碰撞初版性能已達(dá)標(biāo)后，搭建鋁合金防撞梁總成碰撞子模型，將鋁合金防撞梁總成的各個(gè)面厚度作為參考變量，以整車正碰分析提取的截面力和吸能量為約束條件，以重量最小為目標(biāo)，使用軟件OPTIMUS進(jìn)行厚度參數(shù)的優(yōu)化。將最優(yōu)的厚度方案在整車模型中進(jìn)行校核，在重量減輕的情況下，碰撞性能和拖鉤強(qiáng)度均滿足性能要求，最終實(shí)現(xiàn)了鋁合金防撞梁總成減重16%左右。對(duì)后續(xù)防撞梁設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：鋁合金防撞梁;參數(shù)優(yōu)化;輕量化

1 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車已經(jīng)成為了人們生活、工作當(dāng)中不可或缺的交通工具，汽車碰撞交通事故隨之增加，因此，對(duì)汽車碰撞安全性能以及車內(nèi)乘員保護(hù)的研究意義重大[1]。前防撞梁總成作為汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)重要的組成部分，在汽車發(fā)生碰撞時(shí)首先發(fā)揮作用的部件，其性能的優(yōu)劣對(duì)車身前端碰撞安全性有重要影響[2]。汽車的輕量化是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，進(jìn)而可以提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一，對(duì)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[3]。

本文在某款車鋁合金防撞梁的基礎(chǔ)上進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，由于防撞梁設(shè)計(jì)涉及到碰撞性能，整車分析計(jì)算需要大量工作，本文通過有限元仿真軟件搭建鋁合金防撞梁的碰撞子模型替代整車進(jìn)行仿真計(jì)算。將鋁合金防撞梁總成的各個(gè)面厚度作為參考變量，在滿足整車正碰分析提取的截面力和吸能量為條件，以重量最小為目標(biāo)，使用軟件OPTIMUS進(jìn)行參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。并將最優(yōu)的厚度方案在整車模型中進(jìn)行校核，分別進(jìn)行碰撞模型驗(yàn)算和拖鉤強(qiáng)度模型驗(yàn)算。

2 有限元模型的建立

由于建立整車模型進(jìn)行分析時(shí)間和工作量較大，本文在整車模型基礎(chǔ)上建立防撞梁總成的子模型替換整車模型進(jìn)行分析，大大減少了仿真分析時(shí)間，便于進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。首先通過整車正碰分析提取防撞梁總成的截面力和吸能量。以此截面力和吸能量為邊界，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行防撞梁總成的碰撞子模型的搭建進(jìn)行分析，具體子模型分析如圖1所示。

如表1所示，分別對(duì)整車模型和子模型進(jìn)行正碰分析，得出該車型兩種情況下的截面力為和吸能量，子模型和整車模型下的截面力和吸能量差異小于5%，也證實(shí)可以用子模型替代整車模型進(jìn)行分析計(jì)算。

3 厚度參數(shù)設(shè)定及優(yōu)化

根據(jù)上文滿足要求的子模型進(jìn)行厚度優(yōu)化，本文主要優(yōu)化防撞梁總成里的防撞梁本體和吸能盒的厚度。圖2、圖3分別代表吸能盒和防撞梁本體的各個(gè)面厚度，分別為T1、T2、T3、T4、T5。原有的防撞梁總成的各個(gè)厚度分別為：T1：2.0mm、T2：2.0mm、T3：2.0mm、T4：2.5mm、T5：3.0mm。

根據(jù)原模型進(jìn)行厚度參數(shù)的優(yōu)化。以這五個(gè)厚度值為變量，利用optimus軟件進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)定優(yōu)化邊界為：截面力N≤102KN;吸能量E≥23.67KJ;目標(biāo)值Mass最小。計(jì)算得出一組最優(yōu)解使得防撞梁總成質(zhì)量最小，如下的結(jié)論一下子就出來了？具體對(duì)比如表2所示;

原有鋁合金防撞梁重量為：3.2kg，經(jīng)過優(yōu)化得到這一組料厚的鋁合金防撞梁的重量降低到了2.7kg，降低了16%的重量。在此基礎(chǔ)上是否滿足原有碰撞要求，需要帶入原來整車模型當(dāng)中進(jìn)行分析計(jì)算。

4 驗(yàn)證可行性

根據(jù)最新的厚度重新建立模型，把最新的防撞梁總成模型帶入到整車模型當(dāng)中分析計(jì)算，分別進(jìn)行碰撞模型驗(yàn)算和拖鉤強(qiáng)度模型驗(yàn)算。

如表3所示，新數(shù)據(jù)碰撞模型分析得到其侵入量和加速度峰值對(duì)比原方案變化不大，其侵入量和加速度峰值均滿足要求，且變形形式為吸能盒先壓潰縱梁后壓潰，滿足碰撞要求。

同時(shí)，對(duì)新的輕量化方案的拖鉤強(qiáng)度分析，得到其PEEQ塑性應(yīng)變的和殘余變形結(jié)果的四種工況均滿足要求，具體如圖4、圖5所示。

5 結(jié)論

本文針對(duì)某款車型的鋁合金防撞梁總成進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。通過建立子模型替換整車模型進(jìn)行分析，大大減少了分析時(shí)間。本文將鋁合金防撞梁的吸能盒和防撞梁本體厚度作為參考變量，以重量最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，得到新的數(shù)據(jù)減重12.5%左右，新數(shù)據(jù)驗(yàn)證滿足碰撞侵入量等正碰要求。且拖車鉤強(qiáng)度試驗(yàn)的PEEQ塑性應(yīng)變的和殘余變形均完全達(dá)標(biāo)，此閉環(huán)設(shè)計(jì)也證明本方法的正確性，對(duì)后續(xù)鋁合金防撞梁輕量化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏顯坤.轎車保險(xiǎn)杠吸能特性分析與試驗(yàn)研究[D].重慶：重慶理工大學(xué)，2012.

[2]范子杰，桂良進(jìn)，蘇瑞意.汽車輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2014，5（1）：1-16.

[3]米林，魏顯坤，萬(wàn)鑫銘，等.鋁合金保險(xiǎn)杠吸能盒碰撞吸能特性[J].重慶理工大學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，26（6）：1-7.