門檻梁抗彎性能影響因素研究

覃炳恒，邱貴年，劉昌業，呂俊成

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 540057）

1 引言

如今的社會正在高速發展，汽車的出現使得人們的生活越來越方便，它也逐漸成為人們出行的主要交通工具。但由于汽車保有量的不斷增加和車速的逐漸提高，隨之而來的還有一系列的安全隱患，各種的交通事故[1]。汽車側面事故不僅發生率高，而且致死率、致死率高[2]。車輛碰撞事故主要分為以下四種：正碰、側碰、追尾和翻滾。其中正碰和側碰占車輛碰撞事故的比例最高，并且側碰是造成乘員傷亡率最高的事故形式，重傷和死亡率高達25%[3]。與正碰相比，側碰時由于汽車側面的緩沖件吸能較差，加上車門距離乘員的距離較短，故乘員面臨較高的人身安全風險。因此，發生側碰事故而造成的重大經濟損失及生命危害是不容忽視的。這種情況下，可知基于側碰對汽車耐撞性的研究就顯得很有必要。

側碰時，汽車側圍是主要的研究對象，而影響汽車側面碰撞性能的零部件主要是車門、車門防撞梁、B 柱及門檻梁等[4]。從汽車側面碰撞后側圍各部件損壞程度來看，B 柱首當其沖，門檻梁緊跟其后。由此可見，門檻梁是側圍零部件中除B 柱外的又一關鍵部件。文獻[5]通過對汽車的側面碰撞仿真分析，對汽車門檻加強梁進行了形貌優化和尺寸優化，得到門檻加強梁厚度的最優尺寸為1.732mm，使汽車側面的碰撞安全性得到明顯提高。文獻[6]基于E-NCAP 柱碰工況，對門檻梁結構開展拓撲優化和進行外形設計的完善，優化后改車型抗柱碰耐撞性能得到較大的提升。文獻[7]將新型高強鋼材料應用于門檻梁等車身側圍，實現了車身側圍耐撞性的提升。文獻[8]通過對門檻梁等防撞桿件的改進提高了車門的抗撞能力。

通過準靜態三點彎曲試驗對門檻梁彎曲性能進行研究，選取門檻梁薄弱截面，將其等效簡化為單帽梁，探究厚度、截面長寬比和材料對抗彎性能的影響規律，為門檻梁結構設計提供一定指導意見。

2 分析傳力路徑

通過對側面碰撞傳力路徑的分析可知，必須對汽車側面結構進行合理的設計，使其側面碰撞傳力路徑完整并且能夠引導相應結構件充分變形吸能[9]。根據力傳遞的路徑進行結構設計的好處是使得側面碰撞時汽車的結構能夠進行充分的合理的變形，從而吸能特性更好，吸收掉的能量更多，防止車內乘員受到二次碰撞帶來的嚴重的傷害。某乘用車側面碰撞時傳力路徑的模型圖，如圖1 所示。由圖1 可以看出，碰撞力的傳遞路徑分為垂向、橫向與縱向傳遞，B 柱和門檻梁是其中最主要的兩條傳遞路徑。其中B 柱為垂向傳力路徑，向上傳遞至車頂縱梁，然后通過幾根車頂支撐橫梁橫向傳遞；門檻梁為縱向傳遞路徑，向前傳遞至A 柱，向后傳遞至C 柱；同時，門檻梁也會通過地板橫梁橫向傳遞。由此可知，門檻梁在側圍的地位很重要，其在側面碰撞后的變形情況影響著汽車的耐撞性能。

圖1 某乘用車側碰時傳力路徑模型圖Fig.1 The Transmission Path Model of a Passenger Vehicle During Side Impact

3 門檻梁變形模式分析

汽車側圍由車門防撞桿、B 柱、門檻梁等薄壁結構組成，側圍關鍵結構的抗彎性能直接決定著汽車側圍耐撞性能，對于降低乘員損傷具有重要的意義。門檻梁結構分為外板、內板和加強部件，總體呈現為空腔梁結構，如圖2 所示。

圖2 門檻梁結構分解圖Fig.2 Structural Decomposition Diagram of Threshold Beam

縱向跨越汽車前門和后門固定安裝，外板與B 柱外板進行焊接，內板與B 柱內板進行螺栓連接，同時與地板橫梁進行焊接。由于其在側圍特殊的位置，汽車發生側面碰撞時首當其沖。對門檻梁在側碰工況下的變形模式進行分析，確定彎曲變形最嚴重的截面，為了便于分析截面參數對抗彎性能影響，將薄弱截面進行等效簡化代替門檻梁進行零部件實驗，對于降低門檻梁的結構開發周期和成本降低有著重要的意義。側面壁障碰撞時，門檻梁發生了彎曲變形并伴隨著一定扭轉變形，門檻梁受到壁障前端蜂窩鋁下側的直接碰撞對門檻梁產生向內推力，使得門檻梁向車內彎曲變形。同時由于門檻梁上端與B 柱搭接，下端受力小，上端受力大，在其中心線產生一定的扭轉變形，門檻梁變形，如圖3 所示。側面柱碰時，門檻梁直接與剛性圓柱體接觸，由于接觸面積小，使得門檻梁接觸面受到較大沖擊，門檻梁彎曲剛度不足，門檻梁彎曲變形嚴重，向乘員艙內部侵入量過大，門檻梁變形，如圖4所示。

由圖可知，門檻梁彎曲變形在柱碰工況下更為嚴重，因此，選擇在柱碰工況下門檻梁最薄弱截面作為研究對象。

圖3 整車側面碰撞門檻梁變形前后Fig.3 Before and After the Deformation of the Vehicle’s Side Impact Threshold Beam

圖4 整車側面柱碰撞后門檻梁變形后Fig.4 The Threshold Beam Deforms After the Vehicle’s Side Column Collides

4 有限元模型建立

4.1 門檻梁的簡化模型

由于門檻梁的制造工藝，避讓零部件，安裝設計等原因，其結構通常為不規則的非等截面曲梁。門檻梁結構的復雜性和不規整性不僅加工難度大，成本高，而且由于各變量之間存在關聯性，不易得出一般規律，甚至研究結果無法保證準確。根據門檻梁結構特點，將其簡化為截面為矩形的單帽梁結構。

根據彎曲變形理論[10]，當薄壁梁受到彎曲載荷時，在局部狹窄的條狀區域產生皺褶變形，形成塑性鉸，沖擊能量通過塑性鉸的轉動得以吸收，而其它未變形區域僅僅發生剛性旋轉，因此門檻梁未發生褶皺變形區域內可以忽略，將其簡化為等截面橫梁。

根據E-NCAP 側面柱碰法規，剛性圓柱體中心對準假人頭部重心[11]，此時門檻梁對應截面彎曲破損嚴重，可以作為簡化截面的原型。由R 點確定某款車型所對應的門檻梁截面，通過測量該輪廓的尺寸，畫出CAD 圖，如圖5 所示。

圖5 側面柱碰撞彎曲破損截面CAD 圖形Fig.5 Side Column Collision Bending Damaged Section CAD Graphics

通過AutoCAD 中MASSPROP 命令可知破損截面對于X、Y軸慣性矩分別為12221723.07mm4和24470577.09mm4。

不妨令簡化后的矩形單帽梁的長寬分別為a和b。根據簡化前后慣性矩不變原則，則單帽梁截面尺寸滿足：

求解可得：a=142.77mm，b=100.9mm。對結果進行取整，確定a=143mm，b=100.9mm。則該截面的形狀，如圖6 所示。

圖6 簡化模型截面圖Fig.6 Simplify the Model Section Diagram

確定了簡化模型的截面，接下來選擇單帽梁模型的材料和厚度。統計汽車門檻梁常用材料，選擇材料為：590DP 和780DP。統計汽車薄壁結構件常用厚度，確定厚度的區間為［0.6，1.4］。為了門檻梁模型簡化，約束2 個條件：（1）內外板厚度相同；（2）內外板材料相同。則進行對標的仿真試驗組，如表1 所示。

表1 仿真設計試驗組Tab.1 Simulation Design Test Group

4.2 準靜態三點彎曲試驗模型

由于準靜態試驗具有試驗簡單以及容易觀察變形的特點，且與低速碰撞變形模式基本一致，因此，采用準靜態試驗對側圍關鍵部件進行抗彎性能影響因素分析。門檻梁作為薄壁構件，受到沖擊時，發生彎曲破損來吸收能量。為了驗證優化設計后的關鍵結構的力學性能和仿真模型的準確性，用一種改進的三點彎曲試驗對門檻梁的耐撞性能進行研究。從已建立的整車側面碰撞模型中提取在碰撞過程中的門檻梁車身結構件，建立其簡化模型。三點彎曲試驗方法的確定主要由側圍結構變形形式決定的，是研究薄壁梁抗彎性能方法之一。三點包括由兩個支撐點和一個施力點。

具體實驗內容：根據門檻梁在汽車側圍中的結構和位置特點，確定單帽梁總長為1450mm，對稱放置在跨距為1250mm 的支撐剛性圓柱上，直徑為30mm 壓頭以2m/s 沿樣件中點垂直下壓，加載距離為200mm。門檻梁準靜態三點彎曲實物圖和單帽梁仿真圖，如圖7 所示。仿真模型中，帽型梁單元選擇尺寸為（5×5）mm 的Belyschko-Tsay 殼單元，其余結構采用（10×10）mm 六面體單元，壓頭與帽型梁和模型梁與支撐圓柱體之間采用面面接觸，帽型梁外板與底板之間采用點面接觸的點焊連接，其余連接方式采用Rigidbody 連接，底座進行6 自由度約束。

圖7 準靜態三點彎曲試驗Fig.7 Quasi-Static Three-Point Bending Test

4.3 仿真結果有效性分析

對表1 中仿真設計實驗組進行有限元仿真，其中，一組仿真的加載力-位移曲線，如圖8 所示。

圖8 加載力-位移曲線Fig.8 Load-Displacement Curve

對比原始門檻梁，簡化后的單帽梁較為簡單，由于材料不同，則屈服強度也不同。由圖8 可知，在前25mm 內，簡化梁加載力達到峰值早于門檻梁。為了較好的研究簡化模型與門檻梁之間的關系，現只研究原始門檻梁峰值力之后的一段曲線，即：（60～200）mm 的區間。

為后續的門檻梁簡化模型的抗彎性能影響因素分析。將以下幾項指標作為后續研究的評估指標。

4.3.1 加載力峰值Fmax

加載力峰值與乘員的安全相關，對結構的失效有重要意義，但是對能量的吸收貢獻較小。根據實際情況考慮的是第一個峰值點的峰值力，這個峰值力體現了抵抗初次變形的能力。較低的峰值力可以使得加速度值較小，可以減少車內乘員的傷害[12]。因此，要盡量減小峰值力的大小。

4.3.2 平均加載力Fmean

平均加載力反應了加載過程整體的載荷水平，體現了受力平穩性的能力。

式中：EA—總吸能；x—位移變量；F（x）—加載力；d—變形位移。

4.3.3 比吸能SEA

比吸能反應了結構單位質量所吸收的能量，是輕量化設計中的一項重要指標。輕量化考慮的是一個成本的問題，構件越輕，所要的材料越少，成本就越低。

式中：EA—總吸能；M—樣件質量。

由于門檻梁的簡化是一個替換的過程，比吸能與質量將不予考慮或者適當加以考慮。各評價指標值，如表2 所示。

表2 各評價指標值Tab.2 Evaluation Indexes

由表2 可知，編號5-5 的峰值力百分比與平均力百分比都低于10%。則選擇材料和厚度分別為：780DP，1.0 mm。

綜上所述，門檻梁簡化模型參數：軸向長度1450mm，截面長143mm，寬101mm，焊接邊寬 14mm，焊點間距60mm，材料為780DP，板厚 1.0mm。

5 門檻梁簡化模型抗彎性能影響因素分析

本節通過采用單一變量的方法，討論分析驗證厚度，長寬比以及材料對門檻梁簡化模型抗彎性能的影響，對后期門檻梁結構設計提供參考。

5.1 厚度對門檻梁簡化模型抗彎性能影響

在本項研究中，需要樣本點的截面形狀，焊接邊以及材料一致，分析薄壁梁的板厚對抗彎性能的影響。進行厚度對抗彎性能的影響研究時，主要考慮的是：（1）內板具有相同的厚度，外板厚度以0.1 mm 遞增；（2）內板厚度以0.1 mm 遞增，外板具有相同的厚度。則樣本點的設計，如表3 所示。板厚不同的仿真結果對比，如圖9 所示。由圖9 可以看出，板厚的改變對抗彎性能指標有較為明顯的影響。對同一組的仿真結果進行分析得出以下結論：（1）單帽梁內板厚度不變時，隨著外板厚度線性增加，比吸能SEA 也近似呈線性增長，而加載力峰值和平均加載力的數值也隨之增加而提升且數值增長速度有上升的趨勢。（2）單帽梁外板厚度不變時，隨著內板厚度的線性增加，比吸能SEA 呈線性下降，但對加載力峰值和平均加載力影響不大。由此可得與壓頭直接接觸的外板板厚對單帽梁抗彎性能的影響明顯大于底板板厚，內板厚度對加載力峰值和平均加載力靈敏度較低，因此底板厚度增加使得結構質量增加，導致比吸能下降。綜合考慮輕量化和抗彎性能指標，在進行門檻梁厚度設計時可適當增加外板厚度，降低內板板厚。

表3 厚度樣本點的設計Tab.3 Design of Thickness S9ample Points

圖9 不同厚度仿真結果對比圖Fig.9 Comparison of Simulation Results of Different Thickness

5.2 長寬比對門檻梁簡化模型抗彎性能的影響

在本項研究中，需要樣本點的厚度，焊接邊，周長以及材料一致，分析薄壁梁截面長寬比對抗彎性能的影響。進行截面長寬比對抗彎性能的影響研究時，主要考慮的是周長一定的情況，因此薄壁梁的截面尺寸需滿足約束條件為：

式中a、b—截面長度和寬度；c—底板長度。

a的取值范圍為［103，183］，間隔 10mm 進行取值，截面寬度和底板長度根據約束條件進行取值，則樣本點的設計，如表4 所示。仿真結果對比，如圖10 所示。由圖10 可知，截面寬高比對單帽梁抗彎性能有較大程度的影響，改變截面長寬比時，由于截面周長不變，樣本質量不變，因此抗彎性能評價指標中比吸能和平均加載力的變化趨勢是一致的。隨著截面長寬比的增加，加載力峰值、平均加載力、比吸能都呈下降的趨勢，表現出來的特征是抵抗變形的能力降低，彎曲吸能的能力減弱。究其原因，從結構方面分析，對于薄壁矩形截面梁而言，其彎曲剛度與截面對彎曲中性軸的慣性矩呈正相關。長寬比的增加，使得慣性矩減小，導致矩形薄壁結構的彎曲剛度降低，抵抗彎曲變形的能力減弱，在發生相同的彎曲變形時，所需的加載力減小。

表4 長寬比樣本點設計Tab.4 Aspect Ratio Sample Point Design

圖10 不同長寬比仿真結果對比圖Fig.10 Comparison of Different Aspect Ratio Simulation Results

再從能量吸收方面分析。隨著截面的長寬比增加，單帽梁空腔高度降低，則內部允許擠壓的空間減小。彎曲變形的允許擠壓高度減小，則薄壁構件發生的彎曲變形并不完全，單帽梁的材料空間得不到充分利用。彎曲變形過程中產生的塑性鉸不能進行充分轉動，轉角角度減小，導致單帽梁的彎曲吸能能力減弱。

5.3 材料對門檻梁簡化模型抗彎性能影響

在本項研究中，需要樣本點的厚度，焊接邊以及長寬比一致。進行材料對抗彎性能的影響研究時，主要考慮的是某公司門檻梁常用的幾款材料。則樣本點的設計，如表5 所示。材料不同的仿真結果對比，如圖11 所示。由于幾種材料密度差異小，對結構質量并無太大影響，因此在評價指標中比吸能和平均加載力的變化趨勢是一致的。隨著屈服強度的增加，加載力峰值、平均加載力、比吸能均增加，表現出來的特征是抵抗變形的能力增大，彎曲吸能的能力增強。在單帽梁受到橫向載荷作用時，首先發生彈性變形，加載力隨著下壓距離的增加而增加，滿足胡克定律。當彎曲變形位移超過閾值時，即所受應變超過屈服極限時，薄壁梁開始產生塑性變形，抵抗彎曲變形能力下降，沖擊載荷能量的吸收形成塑性鉸。因此，材料的屈服強度越高，加載力峰值更大，出現的時刻更晚，吸收的能量更多，對橫向加載產生抵抗的能力更強，增加了彎曲吸能的能力。

表5 材料樣本點的設計Tab.5 Design of Material Sample Points

圖11 不同材料仿真結果對比圖Fig.11 Comparison of Simulation Results of Different Materials

6 結論

基于某車型的門檻梁模型，根據柱碰工況確定薄弱截面，將其等效簡化為單帽梁，設計準靜態三點彎曲試驗，針對厚度、截面長寬比和材料等研究因素，對單帽型薄壁梁的抗彎性能影響規律進行分析，為側圍結構件門檻梁結構設計提供參考。得到了一定的結論。對于厚度因素，薄壁梁內板對抵抗彎曲所起的作用較小，薄壁梁的抗彎性能主要由外板來體現，厚度越大，薄壁梁的抗彎性能越好。故在考慮增加板厚以提高板件耐撞性能時，可以不考慮內板，直接適當地增大外板的厚度，這樣也有利于輕量化的實現。對于截面長寬比，截面周長一定的情況下，長寬比越大，即薄壁梁形狀越扁平，其抗彎性能就會越差。對于材料因素，所用材料的屈服強度越高，薄壁梁的抗彎性能越好。