一種鋁合金汽車(chē)防撞梁設(shè)計(jì)方法

吳向東，張倩

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一種鋁合金汽車(chē)防撞梁設(shè)計(jì)方法

吳向東1，張倩2

（1.安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.合肥市一六八中學(xué)，安徽 合肥 230601）

文章詳細(xì)闡述了鋁合金汽車(chē)防撞梁在整車(chē)設(shè)計(jì)階段的開(kāi)發(fā)流程，包括空間布置、材料、結(jié)構(gòu)等方案設(shè)計(jì)；以及靜載分析、低速碰撞、正面碰撞等方案驗(yàn)證兩大內(nèi)容?？偨Y(jié)了一些通用性的設(shè)計(jì)方法和要點(diǎn)，為鋁合金汽車(chē)防撞梁的設(shè)計(jì)提供了步驟和思路。

鋁合金；防撞梁；仿真分析

引言

隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，各國(guó)對(duì)汽車(chē)節(jié)能、安全、環(huán)保等要求不斷提升，輕量化技術(shù)、材料、工藝的研究和開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為世界各大汽車(chē)生產(chǎn)廠家提高競(jìng)爭(zhēng)能力的關(guān)鍵之一。我國(guó)乘用車(chē)燃油消耗限值第四階段指標(biāo)即將實(shí)行，對(duì)各車(chē)企是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。需要通過(guò)廣泛應(yīng)用輕量化材料，降低車(chē)身重量，從而降低燃油消耗，達(dá)成乘用車(chē)燃油消耗限值第四階段指標(biāo)要求，提升其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

鋁合金作為關(guān)鍵的輕量化材料，其密度僅為鋼的1/3，被各大汽車(chē)企業(yè)用于替換原有的鋼制件，在不降低零部件性能的前提下，鋁合金替代傳統(tǒng)鋼制零部件可以實(shí)現(xiàn)約30%以上的減重。本文基于江淮某款車(chē)型論述了鋁合金前防撞梁的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程。

1 鋁合金前防撞梁方案設(shè)計(jì)

1.1 鋁合金前防撞梁開(kāi)發(fā)流程

鋁合金防撞梁無(wú)論從設(shè)計(jì)階段還是驗(yàn)證階段與傳統(tǒng)的汽車(chē)防撞梁有所區(qū)別，在研發(fā)設(shè)計(jì)階段需要建立一個(gè)完整的開(kāi)發(fā)流程，鋁合金防撞梁的一般開(kāi)發(fā)流程如下圖1所示。

1.2 鋁合金防撞梁空間布置

首先根據(jù)GB 17354汽車(chē)前后端保護(hù)裝置法規(guī)要求，以碰撞基準(zhǔn)高度為445mm來(lái)布置防撞梁高度位置，防撞梁離地高度與碰撞模擬器基準(zhǔn)高度一致時(shí)，防撞梁才能最大限度的發(fā)揮前端保護(hù)裝置的作用[2]。一般情況下，可以按照如下法規(guī)進(jìn)行校核，如下圖2所示。

圖2 防撞梁離地高度布置

在低速碰撞中，前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)應(yīng)具備最佳的吸能效果，以求最大程度保護(hù)車(chē)輛零部件不受損壞。鋁合金前防撞梁布置的有效空間也是至關(guān)重要的，防撞梁與保險(xiǎn)杠之間需要足夠的空間布置吸能塊，同時(shí)防撞梁與布置在其后的冷凝器之間要留有足夠的安全間隙，否則低速碰撞將會(huì)直接損壞冷凝系統(tǒng)，對(duì)這些空間布置在前期造型開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。一般情況下，可以按照以下經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行鋁合金前防撞梁的布置：

1）防撞梁與保險(xiǎn)杠之間的X向空間間隙≥80mm；

2）與布置在身后的冷凝器在Y0處最小間隙（X向）≥50mm；

3）角碰位置與冷凝器最小間隙≥20mm；

4）防撞梁Z向有效高度≥80mm，X向有效寬度≥40mm；

5）防撞梁的Z向位置處于碰撞區(qū)域內(nèi)，且與設(shè)計(jì)載荷、空載兩個(gè)位置的碰撞器有效重疊區(qū)域內(nèi)Z向重疊尺寸≥20mm；

6）角部碰撞處，前霧燈后部潰縮空間要求≥40mm。

1.3 鋁合金防撞梁材料設(shè)計(jì)

目前鋁合金防撞梁成型多采用擠壓工藝，材料選擇多采用6系鋁合金和7系鋁合金，6系鋁合金具有較高的強(qiáng)度、較好的擠壓性能和優(yōu)良的耐腐蝕性，7系鋁合金雖然強(qiáng)度更高，但由于7系硬度高，擠壓工藝性能和抗應(yīng)力腐蝕能力較差，一般在航空領(lǐng)域應(yīng)用較多。6系鋁合金目前在防撞梁應(yīng)用上較多的是6082和6063兩種牌號(hào)的材料。以江淮某車(chē)型擠壓鋁合金防撞梁為例，防撞梁本體選用6082-T6，吸能盒選用6063-T6材料。防撞梁本體主要作用是將碰撞中產(chǎn)生的能量均勻傳遞到吸能盒上，對(duì)材料強(qiáng)度有較高要求，6082-T6強(qiáng)度高，且6082屬于新開(kāi)發(fā)合金，有更好的機(jī)械性能，同時(shí)降低了Cu含量，有更好的耐腐蝕性能。吸能盒作用是通過(guò)自身的壓潰變形將碰撞中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成內(nèi)能，并將碰撞力均勻的傳遞到縱梁上，需要具備較好的吸能性能，6063-T6強(qiáng)度適中，且6063-T6強(qiáng)度較高，具有更好的變形吸能能力。具體材料技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 某車(chē)型防撞梁材料技術(shù)指標(biāo)

1.4 鋁合金防撞梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)調(diào)研，擠壓鋁合金防撞橫梁本體截面常用的有“日”與“目”型，基本料厚2.0mm～3.0mm，如表2所示；徐中明等以鋼制性能參數(shù)為指標(biāo)，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化確定了防撞梁的最優(yōu)的截面形狀為“日”字型，這與我們調(diào)研的結(jié)論一致[3]。吸能盒常用的有四邊形、六邊形、八邊形等結(jié)構(gòu)，米林等通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)多腔結(jié)構(gòu)中八邊形的吸能盒吸收能量最大，隨著結(jié)構(gòu)棱邊的增多，吸能量與比吸能都有增大的趨勢(shì)[4]。吸能盒的選擇需要與縱梁的剛度進(jìn)行匹配，在縱梁壓潰前吸能盒完全壓潰才能最大限度的發(fā)揮吸能盒的吸能作用。綜合考慮橫梁、吸能盒與縱梁剛度的關(guān)系，我們以“日”字型作為橫梁與吸能盒的斷面。

表2 防撞梁截面與料厚對(duì)比

2 鋁合金前防撞梁方案驗(yàn)證

2.1 靜載分析

三點(diǎn)靜載分析可以初步判斷鋼制防撞梁與鋁合金防撞梁的強(qiáng)度，檢驗(yàn)鋁合金防撞梁的強(qiáng)度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。以某款車(chē)型為例，建立四面體實(shí)體單元有限元模擬模型，如下圖3所示。邊界條件及分析工況設(shè)置如下：

1）部件屬性：使用殼單元，定義實(shí)際厚度；

2）材料屬性：輸入材料拉伸試驗(yàn)得出材料應(yīng)力應(yīng)變曲線，定義材料失效準(zhǔn)則；

3）部件連接：主梁、上、下加強(qiáng)板、吸能盒采用焊接；

4）邊界條件定義：吸能盒采用螺栓方式固定支座，約束6個(gè)自由度；

5）分析工況：采用剛性半徑為100mm壓頭，以50mm/s速度下壓防撞梁100mm。

圖3 防撞梁三點(diǎn)靜載模型

靜壓分析得到的防撞梁支反力的峰值反映了其強(qiáng)度，其值越大相應(yīng)性能越好，從分析結(jié)果可以看出，鋁合金防撞梁最大承載力為23.9kN，鋼制件最大承載力為9.2kN，鋁合金防撞梁最大承載力要優(yōu)于鋼制防撞梁，如下圖4所示。

圖4 仿真支反力-位移曲線

2.2 低速碰撞分析

根據(jù)法規(guī)要求，針對(duì)鋁合金防撞梁進(jìn)行低速碰撞仿真分析，應(yīng)分別在整車(chē)整備質(zhì)量和加載試驗(yàn)車(chē)質(zhì)量?jī)煞N狀況下對(duì)車(chē)輛的前后端保護(hù)裝置各進(jìn)行三種條件的碰撞，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，判定在低速情況下防撞梁對(duì)相應(yīng)零部件的保護(hù)程度，如下圖5模型所示。

圖5 防撞梁低速碰撞模型

根據(jù)法規(guī)要求，車(chē)輛碰撞后應(yīng)能滿(mǎn)足燈和其他信號(hào)裝置能正常工作，供油和冷卻系統(tǒng)應(yīng)無(wú)泄漏，發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋因能正常開(kāi)啟等。從分析結(jié)果來(lái)看，三種工況下測(cè)量值均小于目標(biāo)值，說(shuō)明鋁合金防撞梁強(qiáng)度滿(mǎn)足ECE R42和GB 17354法規(guī)要求，如下表3所示。

表3 低速碰撞保險(xiǎn)杠變形量

2.3 正面碰撞分析

針對(duì)鋁合金防撞梁，進(jìn)行100%正面偏置碰撞仿真模擬，主要依據(jù)2015版C-NCAP規(guī)定的正面100%剛性墻壁障碰撞試驗(yàn)進(jìn)行的仿真模擬，以50km/h速度撞擊剛性墻壁，同時(shí)對(duì)整車(chē)模型施加向下的重力加速度1g，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，分析結(jié)構(gòu)的耐撞性，如下圖6所示。

圖6 防撞梁正面碰撞模型

前圍入侵量、鉸鏈位移、方向盤(pán)中心位移、離合踏板位移、加速度等參數(shù)是整車(chē)碰撞試驗(yàn)過(guò)程中的重要測(cè)試參數(shù)，直接評(píng)判整車(chē)的耐碰撞性能。考慮到防撞梁與縱梁等零部件在碰撞過(guò)程中對(duì)能量的吸收是一個(gè)相對(duì)立的關(guān)系，基于整車(chē)碰撞的鋁合金防撞梁加速度目標(biāo)分解設(shè)計(jì)前防撞梁。從整車(chē)分析結(jié)果來(lái)看，左側(cè)加速度稍高出目標(biāo)值，其他都滿(mǎn)足目標(biāo)要求，如下表4所示。

表4 整車(chē)耐碰撞性能評(píng)價(jià)參數(shù)

3 結(jié)論

本文以某車(chē)型的鋁合金汽車(chē)防撞梁為例，基于整車(chē)的輕量化目標(biāo)，選用6082作為防撞梁橫梁材料，6063作為吸能盒材料，“日”字型作為橫梁與吸能盒的截面，并且以有限元模擬分析為基礎(chǔ)，確認(rèn)了鋁合金防撞梁的可靠性，總結(jié)了鋁合金汽車(chē)防撞梁設(shè)計(jì)的一般思路與方法。

[1] 朱平,張宇,葛龍,等.基于正面耐碰撞性仿真的轎車(chē)車(chē)身材料輕量化研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2005,41(9):207-211.

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn). GB17354-1998 汽車(chē)前后端保護(hù)裝置[S].1998.

[3] 徐中明,徐小飛,萬(wàn)鑫銘,等.鋁合金保險(xiǎn)杠防撞梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2013,41(8):136-142.

[4] 米林,魏顯坤,萬(wàn)鑫銘,等.鋁合金保險(xiǎn)杠吸能盒碰撞吸能特性[J].重慶理工大學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,26(6):1-7.

A Design Method of Aluminum Alloy Automobile Anticollision Beam

Wu Xiangdong1, Zhang Qian2

( 1.Anhui jianghuai automobile group co. LTD, Anhui Hefei 230601; 2.Hefei 168 middle school, Anhui Hefei 230601 )

This paper elaborates development process of aluminum alloy automobile anticollision beam in the whole vehicle design stage, including space arrangement material structure design and static load analysis low speed collosion front impact. This paper summarizes some general design methods and key points, and provides steps and ideas for the design of aluminum alloy automobile anticollision beam.

aluminum alloy;anticollision beam;simulation analysis

B

1671-7988(2018)24-214-03

U465.2

B

1671-7988(2018)24-214-03

U465.2

吳向東(1987.8-)，男，安徽六安，碩士，工程師。目前就職于安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，主要從事的工作和研究方向：汽車(chē)內(nèi)外飾設(shè)計(jì)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.077