一種復(fù)合材料的輕量化商用車前下部防護(hù)裝置

付赫濤 王雪

摘 要：商用車前下部防護(hù)裝置，是汽車發(fā)生碰撞時(shí)保護(hù)車輛及人員安全的重要部件，國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)也發(fā)布了GB26511標(biāo)準(zhǔn)，其中強(qiáng)制規(guī)定了商用車前下部防護(hù)裝置的碰撞性能要求。近期，不斷嚴(yán)苛的環(huán)保指標(biāo)，為汽車零件的輕量化提出了新的要求。為了研發(fā)質(zhì)量更輕的防護(hù)裝置，本文在現(xiàn)有防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用拉擠工藝玻璃纖維復(fù)合材料的良好力學(xué)可設(shè)計(jì)性和抗彎曲性能，研發(fā)出新型商用車輕量化前下防護(hù)橫梁。同時(shí)利用Abaqus有限元分析軟件對(duì)輕量化結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞試驗(yàn)仿真，結(jié)果滿足GB26511法規(guī)要求，較原方案相比重量減輕50%，實(shí)現(xiàn)了該零件的輕量化。該項(xiàng)目在商用車上首次應(yīng)用拉擠工藝復(fù)合材料。

關(guān)鍵詞：前下部防護(hù)裝置;拉擠工藝復(fù)合材料;碰撞仿真;Abaqus

1 引言

參考?xì)W盟相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，2011年，我國(guó)制訂了GB26511-2011《商用車前下部防護(hù)要求》，用以降低商用車與乘用車碰撞后給乘用車內(nèi)人員造成的傷害。現(xiàn)有該產(chǎn)品大多采用金屬結(jié)構(gòu)，采用沖壓及拼焊工藝，由一根橫梁和兩副對(duì)稱的支架組成，通過螺栓將支架固定在前車架上。下圖1為某國(guó)產(chǎn)商用車金屬材質(zhì)前下部保護(hù)裝置：

我公司為滿足客戶需求，借鑒國(guó)外復(fù)合材料在防撞吸能產(chǎn)品上的應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)有的金屬材質(zhì)前下部保護(hù)裝置產(chǎn)品進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)開發(fā)，開發(fā)全新的復(fù)合材料防護(hù)梁。

2 現(xiàn)有產(chǎn)品的性能分析

GB26511-2011《商用車前下部防護(hù)要求》規(guī)定了商用車前下部防護(hù)裝置的碰撞試驗(yàn)方法和性能要求。主要對(duì)商用車前下防護(hù)裝置進(jìn)行三個(gè)點(diǎn)（P1、P2和P3）進(jìn)行碰撞測(cè)試。要求如下：

（1）位置要求：如圖2所示，P1點(diǎn)位于前軸輪胎最外側(cè)（不包括輪胎的變形量）相切的縱向平面200mm處;P2點(diǎn)對(duì)稱于車輛的縱向平面中心兩側(cè)，兩P2點(diǎn)相互之間的距離為700-1200mm;如果與前下部防護(hù)相關(guān)的車輛的結(jié)構(gòu)和部件位于完全與其縱向中間平面對(duì)稱的位置，則在各P1和P2點(diǎn)上的試驗(yàn)應(yīng)在一邊上進(jìn)行。詳見上圖2。

（2）加載要求：加載力平行于車輛的縱向中心平面，水平施加在各點(diǎn)上。加載頭尺寸不大于400mm（寬）×250mm（高），試驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡可能快施加作用力，裝置應(yīng)經(jīng)受住至少0.2 s的作用時(shí)間，P1、P3點(diǎn)施加80 kN，P2點(diǎn)施加160 kN。（客戶要求）

（3）實(shí)驗(yàn)完成后，橫梁變形不能超過200mm（客戶要求）。

根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，采用Abaqus有限元軟件，對(duì)其碰撞性能進(jìn)行分析，分析邊界條件及參數(shù)如右圖3示。Abaqus軟件通過Expilcit求解器進(jìn)行分析，詳細(xì)分析結(jié)果詳見表1。

從仿真結(jié)果可以看出，各試驗(yàn)點(diǎn)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但其應(yīng)力最大值達(dá)到769Mpa，需要采用高強(qiáng)鋼材。因其工藝采用沖壓及拼焊工藝，因此導(dǎo)致整體橫梁重量達(dá)到29Kg。

3 采用復(fù)合材料輕量化設(shè)計(jì)的前下部保護(hù)裝置

為實(shí)對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品重量的優(yōu)化，首先對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步分析。從表1可以看出，支架和橫梁的連接位置是受力集中部位，承受比較大的應(yīng)力集中，而橫梁本身利用金屬材料的塑型形變吸收一部分撞擊能量，其余部分通過連接處轉(zhuǎn)到支架及車身上。因此輕量化的總體思路是，采用復(fù)合材料的橫梁減輕產(chǎn)品的重量，同時(shí)設(shè)計(jì)兩個(gè)金屬連接件負(fù)責(zé)連接復(fù)合材料橫梁與金屬支架，同時(shí)承擔(dān)集中的應(yīng)力（因?yàn)閺?fù)合材料不能承受太高的應(yīng)力），以及塑性形變吸能的功能。

根據(jù)此思路經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化，最終形成下圖4的設(shè)計(jì)（只優(yōu)化了橫梁部分）：

優(yōu)化后的設(shè)計(jì)界面為“日”字型，這樣做是為了兼顧產(chǎn)品的抗彎曲性能和工藝性能，詳見圖2。在原有橫梁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，左右各增加一個(gè)壁厚為2 mm的金屬連接件，與橫梁通過高強(qiáng)度聚丙烯酸類結(jié)構(gòu)膠粘連接。橫梁部分總重量約為12.5kg（非金屬件+金屬件+結(jié)構(gòu)膠），相對(duì)于原設(shè)計(jì)降低重量達(dá)57%，降重效果明顯。

通過Abaqus Expilcit求解器進(jìn)行碰撞仿真，結(jié)果顯示P1、P2、P3位置均滿足GB26511-2011《商用車前下部防護(hù)要求》中的相關(guān)性能要求以及客戶要求。仿真分析顯示，非金屬部分最大應(yīng)力為352Mpa，屬于復(fù)合材料能夠承受的應(yīng)力值。金屬材料應(yīng)力最大為599Mpa，基本與優(yōu)化前的方案相當(dāng)。因此本方案在性能相近的情況下，成功降低產(chǎn)品重量50%以上，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。詳見上表2。

4 結(jié)論

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有抗彎曲強(qiáng)度高、抗腐蝕、低密度等特點(diǎn)，適合于輕量化產(chǎn)品的開發(fā)。而相對(duì)于RTM、真空覆膜等工藝，采用拉擠工藝生產(chǎn)復(fù)合材料，又具有生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，其力學(xué)性能可通過鋪層工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，目前廣泛應(yīng)用于能源、建筑等行業(yè)，但由于其不能生產(chǎn)彎曲產(chǎn)品的限制，在汽車行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較少。目前國(guó)內(nèi)商用車的前下部保護(hù)裝置多采用金屬材質(zhì)，重量較大，且多為直梁形式，特別適合保護(hù)梁類產(chǎn)品的應(yīng)用。本項(xiàng)目針對(duì)此開發(fā)出了采用拉擠工藝的復(fù)合材料橫梁來替代金屬產(chǎn)品，重量降低50%以上，性能滿足法規(guī)要求。并通過Abaqus Expilcit求解器進(jìn)行碰撞仿真驗(yàn)證，產(chǎn)品性能能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求和客戶要求，實(shí)現(xiàn)了此類產(chǎn)品的輕量化。

參考文獻(xiàn)：

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[3]侯路.輕型商用車前下部防護(hù)裝置輕量化開發(fā).武漢：東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院，2018.