試論汽車前防撞梁低速碰撞性能分析及優化設計

陳紅輝

摘 要：汽車前防撞梁低速碰撞性能分析對于當前汽車防撞梁碰撞安全性能、輕量化設計方面有很強的借鑒作用。文章主要對其進行相關研究，汽車低速碰撞時速在專業領域內是指時速是低于16km/h的情況下產生的碰撞事故，當發生事故之后，前防撞梁是主要吸收撞擊力的主要部件，因此碰撞安全性能將會直接影響到汽車前端重要零件部本身性能的保護能力。

關鍵詞：汽車 前防撞梁 低速碰撞 性能

Discussion on Low-speed Collision Performance Analysis and Optimal Design of Automobile Front Anti-collision Beam

Chen Honghui

Abstract：The low-speed collision performance analysis of automobile front anti-collision beams has a strong reference role for the current collision safety performance and lightweight design of automobile anti-collision beams. The article mainly conducts related research on it. In the professional field， the low-speed collision of a car refers to a collision accident that occurs when the speed is lower than 16km/h. After an accident occurs， the front anti-collision beam is the main component that absorbs the impact force. Therefore， the collision safety performance will directly affect the protection ability of the important parts of the front end of the car.

Key words：car， front anti-collision beam， low-speed collision， performance

隨著汽車保有量不斷增加，城市道路越來越擁堵，這種現象下汽車行駛速度會減慢，低速碰撞就成為城市交通事故當中最主要的類型。發生低速碰撞之后前端的防撞梁對汽車重要零部件起到很好的保護作用，因此防撞梁碰撞安全性能一直是汽車被動安全領域內被研究的重點方向。

1 低速碰撞法規與防撞梁性能評價

汽車防撞梁的評價指標主要有防撞梁系統總吸能、碰撞力、碰撞器侵入量。其中，防撞梁系統總吸能是指汽車在低速碰撞當中，防撞梁是主要吸能部件，應該盡可能吸收更多能量，減少發生碰撞傳遞到車身上的碰撞能量。防撞梁系統碰撞力可以表示為防撞梁、碰撞器兩者之間的相互作用力。防撞梁系統碰撞力越來越小，傳遞到車身上的作用力就會越來越小，對車內部乘客、汽車零部件產生的危害也就越來越小，汽車的碰撞性能也就越小;汽車碰撞器侵入量：防撞梁系統后面安置了散熱器與發動機等重要設備，因此防撞梁系統被撞擊產生的力度必須小于許可量。在實際實驗過程中如果是整車實驗、零部件碰撞實驗等成本都比較高;如果車輛防撞梁抗彎強度不足，就無法滿足碰撞實驗要求。

2 防撞梁碰撞安全性能分析

2.1 材料力學性能參數

本次研究使用拉伸實驗來獲取防撞梁材料力學性能參數，建立起防撞梁三點壓彎有限元校驗防撞梁的抗彎性能，同時驗證校正模型建立起有限元模型，從而驗證模型。利用該建模方式來建立汽車防撞梁低速碰撞有限元模型，計算基于ECE-R42法規、CFVSS215法規，驗證設計是否滿足要求。為獲取防撞梁材料力學性能參數，使用WDW-100D 微機控制電子試驗機進行金屬材料的拉伸實驗。實驗使用材料為AA6082-T6 鋁合金，科研用在制作橫梁、連接板，以及AA6063-T4 鋁合金，可以用來制作吸能盒。首先制作金屬材料用來進行拉伸實驗，實驗標準以GB/T16865-2013為基準[1]。

2.2 防撞梁抗彎強度

為保證設計開發效率必須要節約實驗成本，首先應該對防撞梁系統的抗彎強度進行校核，通過防撞梁三點壓彎實驗來驗證設計強度是否滿足標準，之后再次進行碰撞實驗。實驗過程中防撞梁三點壓實驗為準靜態實驗，主要用來描述低速度下的大變形、位移問題，實驗條件簡單且成本低廉，是測試防撞梁抗彎強度的最主要方式。汽車防撞梁構件為薄壁構件，只適合運用在殼單元模擬當中。殼單元主要分為兩類，分別是Hughes-Liu與Belytschko-Tasy，在運用過程當中前者適合運用在模擬翹曲和扭轉上，計算參數精準，但是計算速度很慢;最后，還能夠很好模擬碰撞變形現象，計算精度較低，但是計算速度很快，而且還需要計算單積分應該控制的沙漏問題。壓頭材料為高強度鋼，結構強度高于防撞梁強度，在仿真模擬當中應該進行剛體處理，選擇LS-DYNA的 20號剛性體材料模型。實驗當中使用的壓板、擺錘與壓頭材料使用一致。在連接上，LS-DYNA將車身部件之間的連接方式劃分為三種，變形體、剛性體、變形體與剛形體之間的連接。防撞梁不同位置之前使用焊點、焊縫連接，這就是變形體之間的連接。

2.3 防撞梁低速碰撞性能分析

在碰撞實驗當中，存在成本高、周期長、實驗數據難以準確獲取的問題。當前有限元技術越來越成熟，逐漸替代碰撞實驗成為研究防撞梁碰撞性能的主要技術手段。為防撞梁的碰撞性能進行分析，只考慮汽車防撞梁系統為主要研究對象，考慮防撞梁相連縱梁以及與車身結構構件視為剛體處理，不考慮其中碰撞變形的過程。在實際研究當中，零部件碰撞分析與整車碰撞分析兩者之間存在差異，數據上的差異不影響碰撞響應趨勢一致。而且與整車碰撞分析相比，僅僅針對防撞梁系統進行零部件碰撞分析與建模，消耗成本更少，而且針對性更強[2]。

3 防撞梁優化設計

3.1 防撞梁輕量化設計

防撞梁是車身結構當中重要的組成部分，防撞梁的輕量化設計對汽車的節能減排有重要意義。前防撞梁輕量化設計主要分為三種：結構化設計、運用輕質新型材料以及使用輕量化制造工藝機進行設計?；贑AE技術的防撞梁結構優化設計方式主要是尺寸優化、拓撲優化、多目標優化等。

3.2 優化設計方式

防撞梁的輕量化優化設計方式主要包括數學優化模型構建、實驗設計、樣本參數獲取、構建模型、優化算法、求得結果等步驟，整體上可以劃分為四個環節。在模型構建方面，根據實驗工程確定模型當中的設計變量和約束條件、目標函數等，根據理論分析與工程實踐來確定參數的取值范圍。實驗設計使用最優拉丁超立方實驗設計，獲取空間當中分布均勻且變量水平不重復的樣本點，通過精準的設計，從而反映設計變量與性能指標響應值之間的關系，從而提高代理模型的擬合精度。接下來獲取樣本點，根據最優拉丁超立方試驗設計對樣本機械能有限元分析，通過仿真獲取樣本點[3]。構建起響應面模型、矯正響應面精度、之后使用數學模型優化求解，最終優化實驗結果。

3.3 優化結果驗證

將優化結果預測數與仿真結果數據進行對比分析，經過實驗可以看出優化結果與仿真結果之間的誤差相對比較小，最大誤差值僅為2.92%，證明優化結果可信。防撞梁在優化設計之后，能看出優化之后的防撞梁明顯減重，碰撞力峰值下降，支反力峰值與侵入量峰值設計均滿足設計要求，防撞梁在實現輕量化設計的同時，碰撞安全性能也得到了保證。優化設計完成之后，防撞梁均滿足各個工況具體設計要求，也實現了安全性能。

4 結語

綜上，隨著時代的發展，汽車的安全性能越來越受到了人們的重視。在研究當中，需要積極改進防撞梁的設計技術，推廣使用輕量化設計方式，確保優化之后的防撞梁滿足設計要求，實現輕量化的同時也可以改善碰撞性能。文章針對碰撞安全與輕量化設計方面作出了一些改動，但是實驗條件受到限制，具體工作的開展，仍舊需要深入研究。

參考文獻：

[1]唐友名，鐘德良，呂娜. 基于Radioss的SUV低速碰撞耐撞性分析及優化[J]. 機電技術，2019，000（001）：56-58.

[2]仲偉東，王東方，李靜. 復合材料防撞梁低速碰撞的研究與多目標優化[J]. 南京工業大學學報（自然科學版），2019，v.41;No.195（04）：64-72.

[3]賴詩洋，夏小均，徐中明. 汽車后防撞梁安全性能分析及優化[J]. 現代制造工程，2018，000（012）：66-72.