鋁合金防撞梁設計及強度性能分析

張霖 覃永峰 林偉雄

摘 ?要：文章闡述了鋁合金防撞梁總成的設計和優化方法，承載強度CAE分析，并通過試驗驗證了拖車鉤強度性能。截面設計、空間布置和強度分析的方法，為鋁合金防撞梁的開發提供了設計和驗證參考。

關鍵詞：鋁合金防撞梁;拖車鉤;強度分析

0 引言

隨著汽車“雙積分”政策實施，低能耗和高續航里程需求的發展，車身輕量化的要求日益突出。車身輕量化是在保證結構可靠性和安全性能的前提下，通過更合理的設計優化將重量做得更輕。探索新材料、新工藝條件下汽車重要安全零部件或總成的結構設計是汽車設計方面歷久彌新的課題。實現輕量化的措施有兩種：一是選用比強度高的新材料;二是設計更緊湊、承載性能優異的結構。通常這兩種方式同時采用、相互促進。近年來，鋁合金材料的研究和應用越來越成熟，鋁合金零件在整車上占的比重不斷增大。鋁合金防撞梁結構簡單，輕量化效果明顯。

本文研究鋁合金材料的前防撞梁總成設計方法，以及強度性能分析，并通過拉伸試驗測試了拖車鉤的承載能力。

1 鋁合金防撞梁設計方法

1.1 結構設計和材料應用

鋁合金防撞梁是鋼鋁混合車身的一個重要裝配總成。前防撞梁總成的主體零件包括橫梁與吸能盒。可根據吸能盒與前縱梁的連接方式，將防撞梁分成有連接板和無連接板板兩種形式。這兩種形式的區別在于：吸能盒與前縱梁的前端是否需要帶著兩塊相互重疊的連接板作為過渡件。帶連接板的防撞梁總成在正面碰撞傳力、承載性能和維修方面更具有優勢;無連接板的前防撞梁總成重量更輕，但是損壞后維修成本高。

鋁合金防撞梁的生產工藝為擠壓成形，這就決定了橫梁本體與吸能盒的截面結構必須為等截面形式。防撞梁的橫梁本體的截面通常采用日字形和目字形，截面中間支撐筋的數量越多，橫梁的抗彎扭性能和強度越高，重量和成本也隨之增加。橫梁截面各邊的料厚通常在2.0mm～4.0mm范圍內。吸能盒的截面通常為四邊形結構，隨著截面形狀的邊數增多，吸能能力有提高的趨勢，但是工藝更復雜，工程可行性的難度提高。吸能盒的斷面尺寸還需要與前縱梁進行剛度強度匹配，合理地實現逐段順序壓潰，才能最有效的發揮出防撞梁和吸能盒的吸能作用。

目前鋁合金防撞梁材料選擇多采用6系。6系鋁合金材料強度高、擁有較好的擠壓成形性能和耐腐蝕性。6系材料在防撞梁上應用得較多的是6082和6063牌號。6082強度更高，抗斷裂性能優于6063。某SUV車型的防撞梁本體采用6082，吸能盒采用6063。防撞梁本體對材料強度有較高要求，除了自身吸能，還需要良好穩定性，以便于將碰撞能量傳遞到吸能盒和前縱梁上。

橫梁和吸能盒之間的焊接順序對焊縫熔深、殘余應力存在直接影響，應通過內部微觀組織檢測、優化焊接工藝參數和順序以減小殘余應力，提高焊接質量。

1.2 優化設計方法

前防撞梁的截面形式對剛強度和重量有密切的關聯。不同車型的防撞梁，其剛強度和耐撞性通常都有一個最優的匹配組合形式。對鋁合金防撞梁可以用三點抗彎的方法研究其強度以及吸能性，建立起關鍵的參數評價指標，使得防撞梁能夠滿足設計需求，即：強度性能得到提升，重量明顯降低。采用DOE試驗設計優化的方法尋找到防撞梁截面關鍵尺寸和厚度參數的最優設計。防撞梁的本體橫梁和吸能盒截面厚度匹配的DOE優化可按照以下步驟開展。

（1）建立鋁合金橫梁的三點抗彎LS-Dyna模型。

（2）通過isight調用LS-Dyna，采用優化拉丁算法進行DOE試驗分析。優化模型如圖1所示。優化模型參數如下：m為防撞梁結構的質量;以輕量化重量目標，約束重量不得超過5.0kg;Ei為結構的三點抗彎內能;t為結構各截面板厚的取值范圍。

（3）采用神經網絡模型（RBF）構造響應面。

（4）基于響應面模型采用多目標遺傳算法（NSGA-Ⅱ）進行數值優化，得出最優組合。

某SUV經過優化匹配后的結構形式和厚度如圖2所示。

1.3 空間布置

根據GB 17354前后端保護裝置法規要求，在低速碰撞中，為了降低車輛前端零部件的損壞程度，前防撞梁布置的安全空間至關重要。結合某SUV的碰撞研究，鋁合金前防撞梁的空間布置設計可參考以下經驗數值：

（1）防撞梁本體的弧度需要與前保的造型形狀弧度相接近;防撞梁前端與前保蒙皮之間的X向空間間隙≥90mm，防撞梁兩端空間間隙≥45mm;

（2）防撞梁與后端零部件的X向最小間隙≥40mm;

（3）防撞梁本體的Z向高度≥110mm，X向寬度≥60mm;

（4）在設計狀態下，防撞梁本體與碰撞器的Z向高度有效重疊率≥40%;在空載狀態下，Z向重疊高度≥25mm，如圖3所示。

2 強度分析

2.1 拖車鉤強度

根據GB 32087牽引裝置法規，防撞梁必須滿足在規定牽引力作用下的拖鉤強度，要求不產生失效斷裂現象。拖車鉤強度CAE分析采用白車身前半車模型，在套管上裝配拖車鉤，分析模型如圖4所示。整車滿載質量按照1970kg計算，拉力載荷為9.65kN。由于水平側向加載受力相對苛刻，考慮到設計的安全系數，CAE分析將法規標準要求的偏轉25°提高到偏轉30°。

拖車鉤強度10種工況的應變結果如圖5所示。在水平向左側拉伸和壓縮工況下，吸能盒的應變值最大為0.02，小于目標要求的0.05，滿足強度設計要求。

2.2前端模塊承載強度

前端模塊通過螺栓安裝在吸能盒后連接板上，按照冷卻模塊和前端框架總質量進行配重。前端模塊承載分析模型和結果如圖6所示。在向前加速行駛、轉向和Z向跳動三個極限狀態工況下，連接板的最大應力是23MPa，小于材料屈服強度，失效風險較小。

3 試驗驗證

將某SUV前防撞梁總成的試制樣件，通過工裝夾具安裝到試驗臺架上。裝配上拖車鉤后，參考GB 32087-2015法規標準進行X向拉伸和壓縮、水平偏25°和豎直方向偏5°的極限試驗，如圖7所示。試驗得出：拉裂失效時刻的最小極限承載力為14.5kN，超過法規換算標準要求的9.65kN，拖車鉤強度滿足法規要求。

4 結論

本文研究了某SUV車型的鋁合金防撞梁的截面設計優化、空間布置校核、拖車鉤和承載強度分析，以及開展了拖車鉤的承載強度試驗，確認防撞梁滿足拖車鉤法規要求。

（1）防撞梁本體采用6082材料和目字形截面，吸能盒和連接板采用6063材料，可作為鋁合金防撞梁的優選設計方案。推薦采用基于三點抗彎的DOE方法優化得到關鍵尺寸參數匹配組合。

（2）后續研究工作可提升鋁合金材料等級應用，以及焊接工藝控制水平，改善焊縫合格率和進一步提高承載強度性能。

參考文獻

[1] 中國國家標準化管理委員會. GB 17354-1998 汽車前后端保護裝置[S].1998.

[2] 中國國家標準化管理委員會.. GB 32087-2015 輕型汽車牽引裝置[S].2015.