基于正交試驗不同截面汽車前縱梁特性分析

馮如只，秦 穎

（1.河南機電職業學院汽車工程學院，河南 新鄭 451191；2.河南省工業科技學校，河南 新鄉 453000）

1 引言

在汽車正面碰撞中，乘員軀干的響應是乘員身體上最能夠表征人體受車輛運動影響的物理量，通常采用胸部水平加速度作為軀干的運動狀態評價指標。隨著車體緩沖效率（即結構變形吸能）的提高，乘員軀干的響應將逐漸減小，所以前縱梁結構的合理設計是汽車正面碰撞安全性研究的一個重要內容。汽車車身結構幾乎都是由薄板金屬件構成，它們除了起外覆蓋及承載功能外，受到強烈撞擊時，會發生塑性變形吸收撞擊能量，因此薄板結構件可作為一種有效的撞擊能量吸收裝置，能夠滿足現代汽車設計對車身結構強度、耐撞變形能力及輕量化設計的要求[1]。前縱梁結構的變形方式對整車的碰撞變形具有重要影響，對汽車耐撞性能的研究。國內外學者對此進行了研究：文獻[2]分析厚度、材料、截面、連接方式等對前縱梁的影響；文獻[3]基于有限元法分析材料、結構圓角等對前縱梁安全性的影響；文獻[4]對焊點、間距和焊點直徑對前縱梁性能的影響進行分析，基于結果對其進行優化設計；文獻[5]針對鋁材和鋼材的前縱梁進行碰撞形式和吸能特性對比分析，并進行輕量化設計。

根據前縱梁的結構特點，對前縱梁進行結構簡化為薄壁梁結構，采用建模仿真和試驗分析相結合的方法對矩形截面前縱梁特性進行對比分析，并檢驗模型的準確性；在此基礎上，采用正交試驗法，對前縱梁的影響因素材料、厚度、截面形式、引導槽傾角等4 因素，分別選取不同的水平，建立L18 的正交試驗表，將總質量、最大支反力力設為約束，單位質量承載支反力作為設計目標，對不同截面前縱梁特性進行對比分析。

2 前縱梁有限元分析

對汽車前縱梁進行簡化，如圖1 所示。簡化為薄壁梁結構，可以直接有鋼板沖壓或彎曲成形之后焊接而成[6]，可以直接在在HyperMesh 中的幾何面板中建立幾何圖形。

圖1 汽車縱梁簡化模型Fig.1 Car longitudinal Beam Simplified Model

2.1 建模

前縱梁正面碰撞過程，可以直接簡化為薄壁梁結構的落錘沖擊試驗過程：首先建立前縱梁、落錘和底座等有限元模型，同時輸入材料本構參數；在落錘和前縱梁之間以及前縱梁和底座之間設置面-面接觸，防止變形過程中兩部分穿透[7]；為防止內外管壁自身穿透，設置來自接觸；進行網格劃分及位移和能量等各種場變量輸出；根據吸能效果的評價標準進行有限元仿真。

圖2 前縱梁落錘仿真有限元模型Fig.2 Finite Element Model of Drop Weight Simulation of front Longitudinal Beam

根據模型本身特征，確定如下建模要點：前縱梁分為矩形截面和方形截面兩種；落錘、底座和凹槽夾具簡化為剛體[8]；根據單元基本尺寸2mm，得到的有限元模型節點總數23104，單元總數22952。具體建立的有限元模型，如圖2 所示。

落錘、底座和凹槽夾具都已簡化為剛體，材料特性主要是指前縱梁試件的材料。材料采用Johnson-Cook 本構模型進行參數設定[9]；計算中采用LS-DYNA 的shear damage 剪切失效模型，單元失效通過損傷控制（即損傷變量D達到1 時單元失效）。

根據實際工況中落錘和前縱梁的相互作用關系，在落錘和前縱梁之間定義面-面接觸，并輸出其接觸力，前縱梁定義為帶侵蝕的自接觸[10]。根據模型邊界簡化特點，凹槽夾具和底座設置全部固定邊界條件，同時由于落錘在下落過程中的速度隨著前縱梁的壓潰而改變，速度載荷在場變量中設置。

2.2 求解

求解過程主要分為四個階段：階段一，根據試驗參數和前縱梁的試驗照片確定仿真的基本參數，包括接觸參數、失效參數以及邊界條件等；階段二，完成落錘沖擊過程中位移和速度的計算；階段三，完成落錘沖擊過程中底座支反力和落錘-前縱梁接觸力的比對；階段四，完成落錘沖擊過程中底座支反力和前縱梁吸收能量的計算。四個階段皆采用顯式動力學方法求解，為保證計算的準確性不使用質量縮放，并輸出應力、應變、位移、損傷、接觸力等計算結果。

3 矩形截面前縱梁特性分析

3.1 試驗分析

試驗是在高速落錘試驗臺上進行的[7]，如圖3 所示。試驗用試樣根據圖4 所示進行加工。該試驗設備通過提高落錘高度（最大5m），以及增加落錘配重（最大234kg，包括錘頭34kg）可以增加初始能量，該試驗設備通過配置彈簧輔助蓄能裝置可以實現最大沖擊速度15m/s。

圖3 試驗機及試驗試樣Fig.3 Testing Machine and Test Sample

整個試驗過程中，為了實現高精度、高響應、高頻率采集應變片電壓信號，使用了超動態應變采集儀。試驗中，使用高速攝像機進行圖像采集，滿足本實驗對于采樣頻率的要求，并能精確的記錄試驗中試件每個時刻的變形，記錄的高質量圖片保證了后處理軟件對試件變形處理的精度。為了提高對試樣加載力的測量準確度，同時減少貼應變片等重復性工作，自主設計了測力傳感器夾具平臺。傳感器上端固定帽型試樣，中間貼有應變片，在由加載力時可輸出電信號。通過對數據和圖像進行處理，可以獲得位移、力、能量吸收等變化曲線。

3.2 矩形截面前縱梁特性對比分析

對矩形截面前縱梁分別進行試驗和仿真分析，可以得到整個過程中，前縱梁各階段變形云圖，如圖4 所示。

圖4 各階段變形云圖Fig.4 Deformation Cloud Map of Each Stage

落錘和前縱梁接觸力以及底座支反力對比分析，如圖5 所示。

圖5 落錘和前縱梁接觸力與底座支反力對比Fig.5 Comparison of Contact Force and Counterforce

圖6 試驗和仿真對比Fig.6 Test and Simulation Comparison

從圖5 可以看出，矩形截面前縱梁的落錘-試樣接觸力與底座支反力基本一致，因此可以通過檢測底座支反力的方式來進行試樣吸能求解。落錘位移和速度曲線試驗-仿真對比分析，如圖6所示。從以上圖中的位移和速度曲線對比可知，矩形前縱梁在壓潰過程中落錘的位移和速度曲線仿真和試驗吻合的較好，并且都在20ms 左右到達最低點并且開始反彈。底座支反力和前縱梁吸能曲線試驗-仿真對比，如圖7 所示。

圖7 試驗與仿真對比Fig.7 Test and Simulation Comparison

從以上兩圖可以看出，剛開始時仿真和試驗的支反力都有瞬間的突變，并且試驗的偏大，同時穩定之后試驗所測得的底座平均支反力稍大于仿真的，原因是在仿真中材料失效后單元即刪除，因此不再有任何抵抗力，而試驗中材料失效后依然和前縱梁有連接，依然可以向落錘和底座傳遞載荷，因此仿真底座支反力比試驗的小。同樣，能量是通過支反力和落錘下落位移積分所得到的，因此仿真的能量同樣小于試驗的。對比可知，試驗值與仿真值誤差在5%以內，可以認為仿真分析的模型及結果是準確的。

4 基于正交試驗對比分析

4.1 優化設計

影響前縱梁吸能特性的因素包括截面形式、材料、材料厚度、引導槽設計傾角等，基于正交試驗法，選取因素水平，其中截面形式A1 包括6 個水平：正方形、矩形、六邊形、八邊形、十二邊形、十字交叉型等；材料A2 包括3 因素水平：低強度鋼、高強度鋼、鋁；材料厚度A3 包括3 因素水平：1.2mm、1.6mm、2.0mm 等；引導槽設計傾角A4 包括3 因素水平：6°、3°、0°等。將前縱梁的總質量M、碰撞過程中的支反力最大值F作為約束條件，單位質量所承受支反力Δ（F/M）作為目標值，混合正交試驗表L18（6×36），如表1 所示。

表1 混合正交試驗表設計Tab.1 Hybrid Orthogonal Test Table Design

根據表4 分析結果可知，材料強度級別高的結構吸能性能最佳，鋁合金其次；隨著選用材料厚度的增加，前縱梁結構的吸能特性逐漸增強；根據設定的最優條件分析結果，最優組合形式為第17 組：A1（6）-A2（2）-A3（2）-A4（3），即前縱梁的截面形式為十字形、無設計傾角，材料則選擇高強鋼，厚度為1.6mm 時，前縱梁的吸能性能最優。

4.2 性能驗證

圖8 性能驗證分析結果Fig.8 Results of Performance Verification Analysis

將最優方案與傳統矩形截面設計進行對比，這里選取100%正面碰撞和40%偏置碰撞兩種工況下的結構吸能特性進行對比分析。在正面100%重疊工況，壁障以50km/h 的速度與前縱梁總成發生碰撞，獲取整個過程中結構的加速度-時間曲線，如圖8（a）所示。在40%偏置碰撞工況下，兩種設計的承載力變化曲線，如圖8（b）所示。由圖可知，優化設計前后，系統的加速度基本保持不變，波形無明顯差異，二者的變化趨勢基本一致，并且結構的最大加速度值基本不變。結果表明，在此工況下，方案是可行的，整個結構的性能基本保持一致。優化設計后，前縱梁總成的最大侵入量為114.1mm，此值滿足設計使用要求。對比兩種方案的承載力隨位移變化曲線可知，兩種設計的曲線變化趨勢基本一致，優化設計后，結構的強度明顯提升，而侵入量表現出明顯減小的趨勢。由圖可知，整個碰撞過程中，在吸能盒發生壓潰的時候結構的承載力為84kN，由前面的分析可知，結構的設計最大承載力為86kN，二者之間的誤差為2.3%，滿足設計要求。原矩形截面前縱梁重量為1.286kg，優化設計后重量為0.926kg，在碰撞性能基本一致的情況下，重量明顯減輕達到28%。

5 結論

針對汽車前縱梁進行結構簡化，采用試驗分析與建模仿真相結合的方法對矩形截面前縱梁特性進行分析，在此基礎上，選取材料、厚度、截面形式、引導槽傾角等設計L18 正交試驗表，對不同前縱梁特性進行對比分析，結果可知：

（1）前縱梁簡化為薄壁梁結構，試驗采用落錘壓潰試驗，仿真建模采用Johnson-Cook 本構模型和shear damage 失效準則相結合方法，二者誤差在10%以內，表明模型的準確與可靠性；

（2）前縱梁的截面形式為十字形、無設計傾角，材料則選擇高強鋼，厚度為1.6mm 時，前縱梁的吸能性能最優；

（3）性能對比可知，在相同的碰撞安全性前提現，可以實現對前縱梁的輕量化設計，輕量化效果達到28%，可以作為實際優化設計和輕量化設計的參考。