汽車雙帽型前縱梁設(shè)計(jì)

林 嘉 陳茂勝 陳 卓 邱 敏

（上汽通用五菱汽車有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

正面碰撞是交通事故中最常見的，發(fā)生率高達(dá)49%，這意味著正面碰撞的研究具有重大意義。前縱梁是正沖擊情況下的主要變形能量吸收部件，其性能對(duì)于車輛安全性能在正沖擊事故中的影響極為重要。所以，必須對(duì)提升前縱梁結(jié)構(gòu)的耐撞安全性能的各個(gè)因素進(jìn)行充分研究，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。一方面需要充分考慮結(jié)構(gòu)的安全性，在碰撞中能吸收盡可能多的能量；雙帽型截面梁相比傳統(tǒng)的單帽梁，耐撞性能更好。該文對(duì)雙帽型梁的吸能特性進(jìn)行研究，并對(duì)雙帽型前縱梁進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 汽車碰撞優(yōu)化設(shè)計(jì)理論

1.1 汽車有限元仿真

汽車碰撞的相關(guān)研究在很早的時(shí)候就已經(jīng)有企業(yè)開展，最早可以追溯到1931年美國的福特汽車，并隨著對(duì)汽車技術(shù)的需求變化一直在發(fā)展。直到1970年，歐美、日本等國家才開始使用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真的方法對(duì)車輛碰撞中車身零部件的耐撞性能進(jìn)行分析。近年來，在碰撞有限元分析中使用比較多的軟件有LS-DYNA、MADYMO及PAM-CRASH等，這些軟件以顯式有限元理論為基礎(chǔ)核心，基本能真實(shí)準(zhǔn)確地描述結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變變化，模擬碰撞過程中的大變形、大轉(zhuǎn)動(dòng)，其精度已允許對(duì)工程進(jìn)行指導(dǎo)[1]。

隨著近年來各高校、企業(yè)的工作開展逐漸深入，汽車碰撞與計(jì)算機(jī)仿真的研究主要包括2個(gè)方面：1）從改進(jìn)研究方法出發(fā)，致力于提高數(shù)值仿真的精度和效率。2）在乘員約束系統(tǒng)的匹配與優(yōu)化方面，吉林大學(xué)、湖南大學(xué)的相關(guān)人員在該領(lǐng)域做了大量工作，取得了重大進(jìn)展。

1.2 有關(guān)碰撞法規(guī)

國家相關(guān)部門對(duì)我國車輛碰撞安全性研究十分重視，發(fā)布了一系列法規(guī)和強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，1999年的《關(guān)于正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則》CMVDR294是國內(nèi)最早的國家級(jí)車輛安全法規(guī)，2003年，基于CMVDR294，推出了《乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)》，相關(guān)正面碰撞試驗(yàn)也首次納入新車檢測(cè)項(xiàng)目。中國的新車評(píng)價(jià)程序（C-NCAP）從最早的2006版本到如今的2018版已歷經(jīng)了數(shù)個(gè)版本，國內(nèi)汽車安全研究不斷進(jìn)步，法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)不斷完善，對(duì)新車型不斷提出更高的要求，推動(dòng)著汽車行業(yè)的發(fā)展[2]。

1.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在提高車輛耐撞性能的研究中，一般從2個(gè)方面來考慮車身相應(yīng)部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。一方面，改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)，增加新的結(jié)構(gòu)特征特性來提高耐撞性能。湖南大學(xué)的段利斌等人對(duì)汽車變厚度前縱梁結(jié)構(gòu)（TRB）進(jìn)行了研究，提出了1種新型結(jié)構(gòu)的TRB帽型薄壁結(jié)構(gòu)，并對(duì)其功能區(qū)域進(jìn)行了劃分，取得了一定成果[3]；武漢理工大學(xué)的莫易敏等人研究了不同截面形狀的薄壁梁結(jié)構(gòu)對(duì)縱梁結(jié)構(gòu)的軸向吸能壓潰規(guī)律，發(fā)現(xiàn)通過設(shè)置更多交叉折疊單元的數(shù)量并增加相鄰邊之間的角度，可以顯著改善薄壁梁的能量吸收特性，使變形模式更加穩(wěn)定、規(guī)則，為前縱梁結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了重要的理論基礎(chǔ)[4]。另一方面，在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，調(diào)整結(jié)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如通過對(duì)前縱梁的長寬比、厚度搭配和誘導(dǎo)槽分布等參數(shù)的控制來進(jìn)行優(yōu)化，使較于原結(jié)構(gòu)，使安全性能得到了一定的提升：因?yàn)槠浜?jiǎn)單可行、成本低，目前大多數(shù)研究都集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化；徐增宓等人基于響應(yīng)面和克里金基模型對(duì)汽車B柱進(jìn)行了優(yōu)化，提高了碰撞性能，并且改善了結(jié)構(gòu)的輕量化[5]；莫易敏等人創(chuàng)新地使用多目標(biāo)骨干粒子群算法，對(duì)前縱梁的厚度匹配優(yōu)化進(jìn)行了研究，得到了分布更均勻的解集，取得了很好的效果[6]。

2 車身薄壁梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 車身薄壁梁結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

薄壁梁是汽車常用梁結(jié)構(gòu)，因其具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕和吸能效果好（碰撞時(shí)結(jié)構(gòu)破壞而吸收能量）等特點(diǎn)，在汽車車身中得到了廣泛應(yīng)用。在汽車碰撞時(shí)可以起到吸能、緩沖的作用，最重要的是在受到撞擊載荷時(shí)破壞模式穩(wěn)定，并能以可控的方式通過塑性變形吸收能量[7]，對(duì)提高車身耐撞性有深遠(yuǎn)的意義。薄壁梁分類形式多樣，根據(jù)薄壁梁截面形式的不同，可以分為規(guī)則截面梁和非規(guī)則截面梁、方形梁和帽型梁等。

2.2 方形梁

方形梁是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的薄壁梁形式，在制造時(shí)需要2個(gè)槽鋼通過焊接連接起來，焊接難度相比于其他部件較大，生產(chǎn)效率不高。且由于其結(jié)構(gòu)特性限制（閉口截面），在應(yīng)用安裝時(shí)不方便與其他零部件連接起來，因此其在車身上應(yīng)用并不常見，只在前保險(xiǎn)杠處的吸能盒應(yīng)用。

2.3 帽型梁

帽型梁結(jié)構(gòu)是汽車車身應(yīng)用最為廣泛的薄壁梁形式，與方形薄壁梁相比，帽型薄壁梁有更多的截面設(shè)計(jì)空間，且焊接邊的存在使帽型薄壁梁和其他部件連接、裝配更加方便，同時(shí)梁上誘導(dǎo)槽和焊接邊上焊點(diǎn)分布可以控制薄壁梁的變形模式。帽型薄壁梁截面設(shè)計(jì)具有靈活性和可變性。同時(shí)帽型梁由于其結(jié)構(gòu)規(guī)整、方便，在汽車安全碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被廣泛采用。帽型梁如圖1所示。

圖1 帽型梁

2.4 多胞結(jié)構(gòu)

多胞結(jié)構(gòu)是指在梁結(jié)構(gòu)中包括多個(gè)元胞的結(jié)構(gòu)，最典型的元胞結(jié)構(gòu)如蜂巢結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)在于其強(qiáng)度高、質(zhì)量輕，所用材料少，相對(duì)于其他任何結(jié)構(gòu)，多胞結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度質(zhì)量比值最最大且穩(wěn)定性好，有很強(qiáng)的抗彎曲和抗扭轉(zhuǎn)能力，能很好地吸收能量。

現(xiàn)在的車型實(shí)際應(yīng)用中多胞結(jié)構(gòu)較少，因?yàn)槎喟Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度較高，且加工和裝配難度大，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)會(huì)大幅增加制造成本。

3 雙帽梁軸向壓潰簡(jiǎn)化模型

仿真過程的設(shè)計(jì)與落錘試驗(yàn)類似，給落錘以一定的初速度使其下落對(duì)梁造成沖擊，模擬前縱梁在工作中所受到的碰撞工況，是模擬沖擊的較好的試驗(yàn)方法。

3.1 仿真模型建立

此處的仿真模型設(shè)置如圖2所示，結(jié)合試驗(yàn)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中正面碰撞試驗(yàn)的參數(shù)，在梁的頂部設(shè)置1個(gè)質(zhì)量為187 kg的剛性墻，施以沿Z軸向下，大小為50 km/h的初速度。將最底部一系列的點(diǎn)做1個(gè)全約束，使其在變形壓潰的過程中固定不動(dòng)，保證薄壁梁的軸向壓潰方向不變。

圖2是雙帽型薄壁梁壓潰過程的簡(jiǎn)化模型，用于模擬雙帽梁落錘試驗(yàn)軸向壓潰過程。

3.2 截面設(shè)計(jì)

通過仿真模型計(jì)算并探究其吸能變化規(guī)律，雙帽型薄壁梁經(jīng)過截面設(shè)計(jì)，建立7個(gè)不同焊接邊寬度的模型，具體參數(shù)見表1。

表1 不同焊接邊寬度設(shè)置

表1為建立簡(jiǎn)化模型①～模型⑦的重要幾何參數(shù)。通過該簡(jiǎn)化模型的計(jì)算對(duì)雙帽型薄壁梁的軸向壓潰過程進(jìn)行模擬，以得到相應(yīng)的吸能特性指標(biāo)，平均壓潰力、峰值壓潰力以及總吸能等。

圖2 薄壁梁簡(jiǎn)化仿真模型

3.3 雙帽梁軸向吸能特性分析

通過hyperworks后處理軟件可以查看計(jì)算結(jié)果，在不同焊接邊寬度下的仿真模型壓潰結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 模型①壓潰過程

圖4 模型④壓潰過程

圖5 模型⑦壓潰過程

圖3、圖4和圖5分別為模型①、模型④和模型⑦仿真計(jì)算中的壓潰過程。由圖3可以看出，焊接邊寬度較小時(shí)梁的頂部變形往外突出，產(chǎn)生1種外翻的效果。這種效果導(dǎo)致梁的變形不穩(wěn)定，使壓潰過程吸能不均勻。從圖4和圖5可以看出其壓潰形變比較穩(wěn)定，折疊均勻。

根據(jù)圖6可知，在一定范圍內(nèi)，雙帽型薄壁梁峰值壓潰力隨焊接邊寬度增加呈線性增長。

圖6 峰值壓潰力變化

如圖7所示，焊接邊寬度為20 mm～50 mm，薄壁梁所吸收的能量隨焊接邊寬度增大呈線性增加。

圖7 吸收總能量變化

如圖8所示，在焊接邊寬度為20 mm～50 mm，隨著焊接邊寬度的增加，雙帽型薄壁梁軸向壓潰過程中的平均壓潰力和總能量吸收均呈現(xiàn)增長趨勢(shì)，峰值壓潰力呈現(xiàn)出很明顯的線性增長趨勢(shì)。

圖8 平均壓潰力變化

薄壁梁的平均壓潰力、峰值壓潰力以及梁結(jié)構(gòu)吸收的總能量的變化規(guī)律均呈現(xiàn)出一定幅度的增長趨勢(shì)，這表明雙帽型薄壁梁焊接邊寬度在一定范圍內(nèi)的增加可以改善梁的吸能特性。平均壓潰力的增加意味著薄壁梁在壓潰過程中變形折疊更加穩(wěn)定，且較大的平均壓潰力可以在一定位移內(nèi)吸收更多能量，減小汽車內(nèi)部所受到的沖擊。

4 前縱梁結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 整車模型建立

第3章討論了雙帽型薄壁梁的軸向吸能特性，將其應(yīng)用在汽車前縱梁結(jié)構(gòu)上能改善整車碰撞安全性。為了驗(yàn)證雙帽型前縱梁對(duì)耐撞性能的改善效果，以及便于后續(xù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，現(xiàn)基于Hyperworks建立整車正面碰撞模型。

該文以某款MPV車型為研究對(duì)象，結(jié)合試驗(yàn)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)立了該車型50 km/h的100%正面剛性壁碰撞仿真模型，如圖9所示。

圖9 整車正面碰撞模型

在軟件中設(shè)置前縱梁的結(jié)構(gòu)，將單帽梁替換為雙帽梁，為了排除其他因素，使前后尺寸基本一致。在LSDYNA求解器中進(jìn)行碰撞仿真，仿真結(jié)果見表2。相較于單帽梁，雙帽梁的峰值壓潰力顯著降低、最大比吸能變化不大，可以改善整車碰撞性能。

表2 整車仿真結(jié)果對(duì)比

4.2 模型相關(guān)性分析

為了進(jìn)一步設(shè)計(jì)雙帽梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如截面長寬比、焊接邊寬度等，需要進(jìn)行多次碰撞仿真。而僅單次整車碰撞仿真就需要7 h～8 h，耗時(shí)巨大。下面將分析建立的軸向壓潰模型是否能夠代替整車模型來驗(yàn)證雙帽梁不同參數(shù)等對(duì)耐撞性能的影響。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中常用相關(guān)系數(shù)來描述2個(gè)變量x和y之間的相關(guān)性，其大小如公式（1）所示。

式中：E為數(shù)學(xué)期望；μx、μy分別為隨機(jī)變量x和y的均值；σx、σy分別為隨機(jī)變量x和y的標(biāo)準(zhǔn)差。

當(dāng)ρxy的絕對(duì)值越接近1，則x和y的線性相關(guān)程度越好。

通過計(jì)算2個(gè)模型之間性能指標(biāo)的相關(guān)性來驗(yàn)證模型的相關(guān)性。軸向壓潰模型的指標(biāo)與整車模型的相關(guān)程度很高，可以很好地表征整車模型，以下設(shè)計(jì)中以軸向壓潰模型作為簡(jiǎn)化模型來優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，見表3。

表3 模型相關(guān)性分析

4.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)軸向壓潰模型的規(guī)律，在原有尺寸的基礎(chǔ)上優(yōu)化焊接邊寬度參數(shù)，選擇其為50 mm。將優(yōu)化前后雙帽梁結(jié)構(gòu)分別代入整車碰撞模型求解，計(jì)算結(jié)果見表4。結(jié)果表明，改進(jìn)后的方案與原方案的相比，峰值壓潰力減小了4.5%，比吸能增大了5.7%，在提高安全耐撞性的同時(shí)，兼顧了輕量性。

表4 改進(jìn)方案與原方案對(duì)比表

5 結(jié)語

基于Hyperworks建立了雙帽型薄壁梁的軸向壓潰模型，分析了雙帽梁軸向吸能特性，隨著焊接邊寬度的增加，雙帽型薄壁梁軸向壓潰過程中的平均壓潰力和總能量吸收均呈現(xiàn)增長趨勢(shì)，峰值壓潰力呈現(xiàn)出很明顯的線性增長趨勢(shì)。基于Hyperworks建立了整車正面碰撞模型，驗(yàn)證了雙帽型前縱梁對(duì)耐撞性能的提高；并對(duì)軸向壓潰模型和整車碰撞模型進(jìn)行了相關(guān)分析，2個(gè)模型的峰值壓潰力和最大比吸能指標(biāo)相關(guān)程度高，結(jié)果表明簡(jiǎn)化的軸向壓潰模型可以代替整車碰撞模型進(jìn)行前縱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該文對(duì)雙帽型前縱梁進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化，在原有尺寸的基礎(chǔ)上，結(jié)合雙帽梁的軸向吸能特性，對(duì)焊接邊寬度參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；與原方案對(duì)比，優(yōu)化方案的峰值壓潰力減小了4.5%，比吸能增大了5.7%，提高了安全耐撞性的同時(shí)，兼顧了輕量性。