基于碰撞安全性汽車前防撞梁總成輕量化設計

王雪梅，薛振國，劉一揚

（1.鄭州財經學院機電工程學院，河南 鄭州 450000；2.鄭州宇通客車股份有限公司技術中心產品工程部，河南 鄭州 450000）

1 引言

前防撞梁總成在汽車發生正面碰撞或者偏置碰撞時，起到吸能和保護乘員的重要作用，也是前保險杠系統的最重要的組成單元，其結構性能的好壞將直接影響到汽車的安全性和星級標準評分。隨著排放和燃油消耗法規的日益嚴苛，前防撞梁總成由于厚度和結構的原因重量較大，是輕量化設計的重要結構單元，對其進行輕量化設計必須滿足碰撞法規要求[1]。因此，對其進行研究具有重要意義。

國內外學者對此進行一定的研究：文獻[2]對前防撞梁的吸能特性進行試驗分析；文獻[3]對前防撞工藝進行優化設計，采用輥壓設計工序進行設計；文獻[4]采用軟件仿真方法對前防撞梁的吸能特性進行分析；文獻[5]對吸能盒的不同截面進行吸能特性分析，獲取最優組合形式。

針對前防撞梁總成的重要組成單元橫梁和吸能盒進行分析，從材料和厚度、截面形式對橫梁進行輥壓成形設計，從材料、厚度、傾角和截面形式等對吸能盒進行設計，對輕量化設計后的前防撞梁總成進行吸能特性分析，選取正面100%重疊碰撞、40%偏置碰撞等兩種工況進行分析，對輕量化設計方案進行檢驗。

2 前防撞梁總成輕量化設計

前防撞梁總成結構，如圖1 所示。主要有橫梁、吸能盒、安裝板等三部分組成。對其進行輕量化設計主要針對橫梁和吸能盒等兩部分[6]。

圖1 整車及前防撞梁總成模型Fig.1 Model of the Whole Vehicle and Front Anti-Collision Beam Assembly

對零部件的輕量化設計，基于結構的功能需求和原結構方案提出輕量化設計方案，但輕量化設計方案必須滿足結構的性能不變或略有降低，否則設計方案即認為無法滿足要求[7]，零部件輕量化設計流程，如圖2 所示。

圖2 零部件輕量化設計流程Fig.2 Parts Lightweight Design Process

2.1 前防撞梁橫梁輕量化設計

目前橫梁主要采用超高強鋼板冷沖壓成形之后焊接的設計，選用的材料強度較高，加工過程中回彈較大，并且材料自身的延伸率比較低，加工難度較大，成本較高[8-9]。近年來，輥壓成型技術逐漸應用于超高強鋼的設計，克服傳統冷沖壓成形的缺點，這里采用輥壓成形工藝對原設計進行優化。原設計采用DP780D+Z，冷沖壓成形工藝，材料厚度為1.5mm，單件零件的總量為4.93kg。優化后采用DP980D+Z 材料，工藝為輥壓成形。

2.1.1 材料優化

原設計采用DP780D+Z，冷沖壓成形工藝，材料厚度為1.5mm，選用HC550/980DPD+Z 進行替換，厚度初選為1.4mm、1.3mm、1.2mm、1.1mm。優化前后分別進行碰撞仿真分析，其中影響因素主要有加速度最大值a、侵入量最大值D、結構的總吸能Ek等。對比結果，如表1 所示。

表1 不同厚度橫梁性能對比Tab.1 Comparison of Performance of Different Thickness Beams

由分析結果可知，替換材料選用1.3mm 的厚度與替換前性能基本相當。

2.1.2 結構截面尺寸優化設計

零件的截面設計參數示意圖，如圖3 所示。

圖3 輥壓截面設計參數示意圖Fig.3 Schematic Diagram of the Design Parameters of the Rolling Section

根據圖3 所示，根據整體尺寸設計，橫梁的長度、寬度和高度是固定[10]，只能選取側壁寬度h1、肋板高度h2和肋板寬度h3等進行優化設計。根據正面碰撞、偏置碰撞，選取侵入量D、最大接觸反力Fmax、最大加速度a作為優化設計約束，質量最小作為設計目標進行優化設計，仿真結果，如表2 所示。

表2 不同截面方案分析結果Tab.2 Analysis Results of Different Cross-Section Schemes

根據表2 分析結果，尋找最優截面設計組合，根據分析結果第8 組試驗結果最優，對參數進行圓整處理，結果為h1=35mm，h2=20 mm，h3=30 mm，最終的質量為3.89kg。優化設計前后結構方案，如表3 所示。

表3 橫梁輕量化優化對比Tab.3 Comparison and Optimization of Beam Lightweighting

2.2 吸能盒輕量化設計

吸能盒是汽車發生碰撞時，最重要的吸能部件，通過其發生的褶皺變形而實現碰撞過程能量的吸收，由于設計空間有限，吸能盒所能發生的變形也是有限的[11-12]。設計前后結構的總體尺寸保持不變，即碰撞過程中，其壓潰變形位移不變，為了實現更大的吸能，則可增大結構承載力。吸能盒選用的材料，材料的厚度，設計的傾角及截面的結構形式等，都是影響其承載力的重要因素。這里選用正交試驗法對其進行優化設計[13]。正交試驗的因素選取：材料類型、材料厚度、截面形式、設計傾角等4 個因素，因素A截面形狀包括6 水平：正方形、矩形、六邊形、八邊形、十二邊形、十字交叉型等；因素B設計傾角包括：0°、2.5°、5°等；因素C材料類型包括3 水平：高強鋼SPFC390、高強鋼DP780 D+Z、鋁合金6062T8 等；因素D厚度3 水平包括：1.2mm、1.6mm、2.0mm 等。結構的質量m、結構的承載力F，作為約束條件，單位質量的結構力η（F/m）作為判斷標準，混合正交試驗表L18，如表4 所示。

表4 混合正交試驗表設計Tab.4 Hybrid Orthogonal Test Table Design

根據表4 分析結果可知，材料強度最高的DP780D+Z 吸能性能最佳，鋁合金其次；隨著厚度的增加，結構的吸能特性逐漸增強；根據分析結果，最優組合為A6-B1-C2-D2，即吸能盒的截面形式為十字形、無設計傾角，材料則選擇高強鋼DP780D+Z，厚度為1.6mm 時，吸能盒的性能最優。根據分析結果，優化設計前后，結構的方案對比，如表5 所示。

表5 吸能盒輕量化方案對比Tab.5 Comparison of Energy-Saving Boxes

3 輕量化方案性能分析

輕量化設計必須滿足原結構的性能不變或略有降低。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，不同工況，如圖4 所示。

圖4 不同工況碰撞仿真模型Fig.4 Collision Simulation Model for Different Working Conditions

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，前防撞梁橫梁正后方板中間節點處獲取整個過程中結構的加速度-時間曲線，如圖5 所示。

圖5 加速度變化曲線Fig.5 Acceleration Curve

由圖可知，輕量化設計前后，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，輕量化方案是可行的，整個結構的性能基本保持一致。

圖6 承載力變化曲線Fig.6 Bearing Capacity Curve

在40%偏置碰撞工況下，壁障以64km/h 的速度與前縱梁總成發生碰撞，選取吸能盒正后方板上中心節點的承載力與位移變化曲線，兩種設計的承載力變化曲線，如圖6 所示。由圖可知，輕量化設計后，前縱梁總成的最大侵入量為114.1mm，此值滿足設計使用要求。

對比圖6 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。

提取優化設計方案承載力變化曲線，去除反彈部分曲線，獲取曲線的變化趨勢線，如圖7 所示。

圖7 優化后承載力曲線Fig.7 Optimized Contact Force Curve

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，方案局具有實際指導意義，方案是可行的。綜上可知，對前防撞梁總成的輕量化設計滿足碰撞性能要求，方案是可行的，前防撞梁總成輕量化方案及減重效果，如表6 所示。

表6 輕量化設計對比Tab.6 Comparison of Lightweight Design

4 結論

對前防撞梁總成的重要組成單元橫梁和吸能盒進行輕量化設計，并對方案進行性能分析，結果可知：

（1）前橫梁可以從材料選擇、材料厚度、成形工藝等方面進行輕量化設計，方案必須保證結構在發生碰撞過程中的最大加速度、侵入量、總吸能保持不變，獲得輕量化設計方案DP980D+Z、厚度1.3mm、輥壓成形設計替代原方案；

（2）吸能盒可以從截面形式、材料選擇、材料厚度、設計傾角等，基于正交試驗設計，單位質量的承載力作為優化設計目標，獲得最優輕量化設計方案，即吸能盒的截面形式為十字形、無設計傾角，材料則選擇高強鋼DP780D+Z，厚度為1.6mm；

（3）根據優化設計方案，對優化設計前后總成的性能進行對比分析，正碰和偏置碰下，結構的最大變侵入量為114.1mm，最大承載力為84kN，滿足設計和使用要求，優化設計前后加速度、承載力等的變化基本一致，方案具有一定的可行性。