保險杠前防撞梁材料結構一體化輕量化設計

汪永嘉，董紅順，張代勝，譚繼錦

(1.合肥工業大學 汽車與交通工程學院，合肥 230009；2.合肥工業大學 智能制造技術研究院，合肥 230051)

0 引言

隨著汽車技術的發展，汽車使用的化石燃料造成的環境污染等問題日趨嚴重，汽車輕量化已成為汽車技術開發的重要內容[1]。保險杠前防撞梁是汽車被動安全的關鍵結構之一。碰撞性能的輕量化設計方法主要有2種[2-4]：

1)結構優化設計。對汽車部件結構進行優化，在保證性能的情況下減輕質量。朱國華等[5]結合RBF建模技術和NSGA-Ⅱ算法，設計了一種新的變截面保險杠防撞梁，實現了多目標優化，滿足耐撞性和剛度性能需求，且質量較小。夏磊等[6]基于變形與剛度的匹配關系，優化了防撞梁結構，實現了防撞梁合理變形模式。

2)輕量化材料應用。根據汽車零部件的性能要求，優選相適應的低質量新材料替換傳統材料[7]，同時也充分利用創新材料的可塑性和協調性[8]。林佳武等[9]選取鋁合金材料，運用真空壓鑄工藝，設計并制作某型汽車后縱梁，結果證明比傳統鋼制鈑金部件具有更好的耐撞性和剛度性能。廖鶯等[10]探討了鋁合金后副車架性能目標的制定與輕量化設計方法，得到滿足目標要求的最優形狀。

顯然，以上結構優化設計與輕量化材料應用這2種方法的結合能產生更好的輕量化效果，其中的關鍵問題是材料-結構一體化[11]和多性能優化組合[12]問題。

本文結合精密鑄造結構設計，利用鑄鋁材料在結構中的優化方法與評價指標，建立準確模型及設計方法，可以有效解決上述2個關鍵問題，實現鑄鋁保險杠前防撞梁的輕量化設計。

1 鑄造工藝及材料選擇

1.1 鑄造工藝的選擇

相對于傳統鑄造工藝，運用精密鑄造技術制作的鑄件尺寸精度更高，表面光潔度更好[13]。目前汽車零部件生產采用的特種精密鑄造方法主要包括壓力鑄造、消失模鑄造和熔模精密鑄造[14-15]。

壓力鑄造是在高壓作用下將金屬溶液注入型腔并快速凝固的鑄造方法，其精度一般為CT6～8級，表面粗糙度可達Ra 1.6～3.2 μm。壓力鑄造的生產率相對較高，且易于實現自動化操作，但是該方法所需壓鑄設備和模具費用較高，壓鑄型制造周期長，只適合大批量生產。

消失模鑄造也稱實型鑄造，其工藝特點是用泡沫塑料制作模樣，澆鑄高溫金屬液將模樣溶解，注滿型腔。這種鑄造技術綠色環保、工藝流程簡單，但不適合復雜內腔的鑄件，同時也有泡沫模樣分解帶來的氣孔、夾雜等缺陷問題。

熔模精密鑄造又稱失蠟鑄造，其工藝特點是用易熔材料制成模樣，在模樣表面包覆耐火材料制成型殼，然后加熱熔失模樣，制成模具。其尺寸精度可達CT4～6級，表面粗糙度可達Ra 0.8～2.2 μm。該技術可以鑄造結構相對復雜的零件，且適合高溫合金材料，甚至鑄件只留打磨、拋光余量，不必機械加工即可使用，但工藝較復雜，不適合大批量生產。

綜合比較，熔模精密鑄造技術在鑄造薄壁、復雜、小批量的保險杠防撞梁鑄件方面有一定的優勢。

1.2 材料的選擇

現今汽車輕量化常用的輕質材料包括鋁合金、鎂合金、鈦合金、碳纖維復合材料和塑料等。其中，鋁合金比強度高，足以保證車身部件的結構性能。同時，鋁合金回收利用率高，同等條件下碳排放量低，是實現汽車輕量化的理想材料。相比其他輕質材料，其成本明顯較低。此外，加入硅元素的鋁硅合金具有極好的鑄造性能和抗蝕性，硅元素在鑄造過程中可以降低鑄件的膨脹系數，提高鑄件的耐磨性能。

通過以上分析，優選鋁硅合金材料代替原鋼制保險杠前防撞梁，同時結合熔模精密鑄造工藝，充分利用鋁硅合金材料低密度、低膨脹系數等材料特點，為進一步的材料-結構一體化優化設計作好準備。

2 保險杠前防撞梁優化設計

本文所研究的保險杠前防撞梁系統包括橫梁和吸能盒結構。鑄鋁保險杠前防撞梁重新設計了橫梁截面形式和吸能盒結構，并運用自適應響應面法，完成前防撞梁系統的材料-結構一體化優化設計。

2.1 前防撞梁橫梁結構設計

保險杠橫梁常見的截面形式有“凸”型、“弓”型等，為了簡化鑄造工藝，采用半開放的“凸”型結構作為其截面形狀。依據鋁合金鑄造規范HB963-2005要求，最小壁厚應達到2 mm，橫梁曲面應進行加筋布局設計，橫梁結構如圖1所示。

圖1 橫梁結構

2.2 前防撞梁吸能盒結構設計

保險杠設計中很重要的一個特性是碰撞中的吸能特性，這是汽車行駛安全性的一個重要指標[16-17]。本小節通過對比不同結構吸能盒碰撞時的吸能特性完成吸能盒的設計，并按鑄造要求與橫梁設計成一體結構。

1)單胞吸能盒結構。吸能盒在汽車碰撞過程中發生壓潰變形從而起到緩沖吸能的作用，它在受到軸向沖擊時的變形模式和吸能特性與其截面形狀有較大關系。常用的吸能盒截面形狀一般為多邊形，考慮到鑄造工藝和汽車上安裝定位的要求，初選四邊形、長方形、六邊形、八邊形和圓形作為吸能盒的截面方案。

為比較不同截面形狀對吸能盒吸能特性的影響，建立相應的單胞吸能盒結構模型，對其碰撞性能進行評估。通過對剛性墻施加16 km/h的初速度進行正面低速碰撞仿真分析，對所得結果進行整理，得到5種截面沖擊力響應如圖2所示，5種截面單胞結構碰撞性能見表1所示。

圖2 5種截面沖擊力響應

表1 5種截面單胞結構碰撞性能

由表1可以看出，5種截面吸能盒中，圓形、六邊形和八邊形結構的吸能特性優于正方形和長方形結構。圓形、六邊形和八邊形結構三者的吸能特性近似，而正六邊形結構的最大侵入位移較小。另外，由圖4中可以看出，正六邊形結構的沖擊力響應曲線較為平滑。綜上因素，選取正六邊形結構用于吸能盒。

2)多胞吸能盒結構。多胞結構是在單胞吸能盒里添加橫向內壁結構，以達到更好的吸能特性。內壁結構主要有“十”字形、“T”形、“V”形3種連接形式，其中“十”字形結構的中心位置在鑄造澆注過程中容易產生縮孔，因此初選“T”形與“V”形結構作為主要的橫向內壁結構。

建立以上2種結構模型并進行仿真對比分析，其中吸能盒壁厚取3 mm，材料為ZL114A，設置剛性墻，初速度為16 km/h，碰撞時間為0.04 s，2種截面多胞結構有限元仿真結果如圖3所示，2種截面多胞結構的碰撞性能參數如表2所示。

圖3 2種截面多胞結構有限元仿真結果

表2 2種截面多胞結構碰撞性能

從表2可以看出，2種吸能盒的吸能在碰撞過程中的吸能特性相當，但是截面A的多胞結構有效限制了吸能盒的侵入量，即截面A在相同吸能特性時有較小的變形，所以選擇截面A作為吸能盒的結構。

基于以上設計方案，得到鑄鋁保險杠前防撞梁的結構如圖4所示。

圖4 鑄鋁保險杠結構

2.3 前防撞梁材料-結構一體化優化設計

保險杠前防撞梁的材料和結構對其輕量化性能至關重要，同時，精密熔模鑄造工藝的優勢在于可以根據需要在不同的平面自由調整壁厚參數。因此，以橫梁壁厚T1、橫梁加強筋厚度T2、吸能盒壁厚T3這3個厚度值，以及保險杠前防撞梁材料T4為設計變量，如圖5所示。為達到輕量化目的，以保險杠最小質量為優化目標，吸能盒最大碰撞吸能量以及橫梁最大位移為設計約束條件，對保險杠的各個變量進行優化設計。

圖5 壁厚參數示意圖

構建數學模型如下：

(1)

式中：M為保險杠質量；E為吸能盒最大碰撞吸能量；S為橫梁最大位移，分別以原保險杠參數值為約束；T1、T2、T3、T4分別為優化的設計變量。保險杠前防撞梁材料初選為3種鑄鋁合金，其力學性能參數如表3所示。

表3 鋁合金性能參數

運用自適應響應面法對模型進行優化。該方法將數學與統計相結合，適用于多個變量影響的響應問題。響應和設計變量間的關系通常表現為一個多項式近似函數對響應y進行逼近，并運用統計量確定性系數R2來評估近似模型的誤差：

(2)

(3)

將Isight中構建的近似模型進行優化求解，在42次迭代后達模型收斂。將優化結果與按照最優點處的設計變量值進行仿真的結果對比，如表4所示，可以看出，保險杠的優化結果與仿真驗證結果誤差較小，近似精度較高。

表4 優化結果與仿真結果對比

2.4 新型鑄鋁保險杠前防撞梁試制

熔模精密鑄造的特點是使用可溶性模具并一次性使鑄件成型，其工藝流程有蠟模、型殼、熔蠟、焙燒、澆注及后處理等工序。通過熔模工藝對前防撞梁進行鑄造試制，得到鑄造后的前防撞梁，其線性尺寸公差達到ISO標準中CT4級，表面粗糙度Ra為0.8 μm。2種前防撞梁實物如圖6所示。

圖6 保險杠前防撞梁實物

3 保險杠前防撞梁仿真及試驗

保險杠前防撞梁是汽車配備的安全保護部件，在發生低速碰撞中能夠有效保護車身主體結構，在高速碰撞中則提升安全性。為實現該要求，模態和碰撞特性是分析保險杠前防撞梁性能的重要方面。

3.1 保險杠前防撞梁模態仿真及試驗

3.1.1保險杠前防撞梁模態仿真

保險杠前防撞梁有限元模型建立在Hypermesh軟件中完成，采用尺寸為 5 mm 的單元對鋼制前防撞梁進行網格劃分，鑄造鋁結構的前防撞梁總成采用3 mm的實體網格。對處理后的保險杠前防撞梁模型，使用Nastran求解器進行求解計算。保險杠前防撞梁一階模態的位移云圖如圖7所示，鋼制件與鑄鋁件均呈整體一階彎曲振型。保險杠前防撞梁的模態對比分析結果見表5所示，鑄鋁前防撞梁的一階模態頻率與原鋼制前防撞梁相比提高了31.24%，符合模態頻率的設計要求，且對動態性能有一定提升。

圖7 保險杠前防撞梁模態云圖

表5 保險杠杠前防撞梁模態對比分析結果

3.1.2保險杠杠前防撞梁模態試驗

汽車部件結構模態分析是汽車部件新產品開發中結構分析的重要手段。通過模態仿真及試驗得到車身部件低階模態，掌握汽車部件常規振動的關鍵參數，避免設計缺陷。

該模態測試采用自由模態方式。由于保險杠前防撞梁質量相對較輕，為保證試驗數據的可靠性，試驗采用懸掛法測試方式，將防撞梁用彈簧繩懸掛，使防撞梁處于近似自由狀態。懸掛方式如圖8所示。試驗采用力錘激勵，通過力錘對處于自由狀態的防撞梁同一位置進行激勵，作為輸入信號，并使用三向加速度傳感器采集10個測點的加速度輸出信號。通過動態信號分析儀記錄數據，將實驗數據導測點模型導入軟件，得到試驗數據如圖9所示。

圖8 保險杠前防撞梁模態試驗懸掛方式

圖9 保險杠前防撞梁模態試驗數據

針對保險杠前防撞梁三維模型以及測點信息，建立測點模型，并結合多項式擬合方法和PolyLSCF方法對試驗數據進行模態參數識別。

基于振型動畫辨識振型，得到前防撞梁振型如圖10所示，呈整體一階彎曲振型。模態頻率如表6所示，相比于傳統鋼制結構的防撞梁總成，一體化成型的熔模精密鑄造保險杠防撞梁具有更高的一階模態值。

表6 保險杠前防撞梁模態參數識別

圖10 保險杠前防撞梁模態分析圖

對比2種保險杠前防撞梁的模態分析仿真數據和試驗數據，如表7所示，可以看出誤差范圍8%以內，驗證了仿真數據的可靠性。

表7 保險杠前防撞梁模態參數

3.2 保險杠防撞梁碰撞仿真及試驗

汽車的被動安全性在汽車碰撞事故中能夠對車內乘客及外部行人提供避免或降低傷害的保護措施，其社會效益和經濟效益是巨大的。汽車前部正面碰撞發生的概率占所有碰撞的40%，占比較大[18]，因此具有重要的研究價值。下面將從正面碰撞仿真和試驗兩方面對比分析2種保險杠防撞梁的碰撞性能。

3.2.1保險杠防撞梁碰撞仿真

保險杠防撞梁碰撞試驗是驗證汽車行駛安全性的一個重要指標，各國對汽車碰撞試驗都有嚴格的法規和標準。按照中國汽車前后端保護裝置標準GB17354-1998要求，分別對原車和鑄鋁保險杠防撞梁建立有限元模型，進行分析評價。

根據仿真試驗設置防撞梁有限元模型殼網格尺寸為5 mm，擺錘單元尺寸為10 mm。按照能量等效原則設置試驗碰撞條件。保險杠防撞梁及擺錘的碰撞有限元模型如圖11所示，仿真得到的擺錘加速度曲線如圖12所示。

圖11 擺錘碰撞有限元模型

圖12 碰撞仿真擺錘加速度曲線

3.2.2保險杠防撞梁碰撞試驗

目前，汽車保險杠防撞梁耐撞性試驗一般采用擺錘式沖擊試驗，對照標準GB17354—1998要求，根據能量等效原則實施防撞梁正面碰撞試驗。將加速度傳感器置于擺錘碰撞位置的后側，按照整車質量1 190 kg、4 km/h(1.11 m/s)的速度撞擊，碰撞總能量為739.35 J。試驗擺錘質量為208.54 kg，則撞擊速度為9.62 km/h(2.67 m/s)，擺錘應提升到0.37 m的相對高度。擺錘試驗如圖13所示，碰撞后實物變形如圖14所示。

圖13 保險杠前防撞梁碰撞試驗

圖14 保險杠前防撞梁實物碰撞變形圖

圖15所示為2種材料保險杠防撞梁碰撞試驗和仿真擺錘加速度曲線。由仿真和試驗結果可以看出，碰撞試驗結果與碰撞仿真結果基本一致，驗證了碰撞仿真的準確性。

圖15 碰撞試驗擺錘加速度曲線

2種保險杠的仿真和試驗數據較為接近，對比原車鋼制保險杠防撞梁與新型鑄鋁保險杠防撞梁的各項性能見表8所示。

表8 保險杠前防撞梁碰撞性能對比

新型鑄鋁保險杠防撞梁在采用輕質材料實現20.5%輕量化的情況下，其吸能量與原車鋼制保險杠防撞梁相近，而最大入侵位移小于原車鋼制保險杠防撞梁，碰撞性能有所提升。

4 結論

針對某款電動汽車保險杠前防撞梁，按照材料和鑄造工藝設計技術要求，對其進行產品材料-結構一體化輕量化設計。重點闡述了汽車保險杠防撞梁與吸能盒優化設計過程，以及原保險杠和新型保險杠模態和低速碰撞性能的仿真及試驗測試。驗證了試制的新型鑄鋁保險桿防撞梁達到碰撞等性能要求，同時保險杠防撞梁由原車的4.15 kg減到了3.30 kg，實現了輕量化設計目標。