基于正面碰撞汽車前縱梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

趙世婧，樊繼紅，王貞濤

（1.蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215008；2.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局，北京100088；3.江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 引言

汽車正面碰撞過(guò)程中，前縱梁是重要的吸能承載結(jié)構(gòu)件，直接對(duì)整車的安全性起到重要影響[1]。正面碰撞分為100%重疊和偏置碰撞兩種，實(shí)際中，絕對(duì)的完全重疊碰撞很少發(fā)生，最常見的是偏置碰撞工況，這就造成遠(yuǎn)離壁障側(cè)的前縱梁受到的力并非完全軸向，使得前縱梁發(fā)生彎曲變形；彎曲變形使得前縱梁失去原有的軸向承載能力，起不到吸能保護(hù)乘員的作用。因此，對(duì)影響前縱梁折彎變形的因素進(jìn)行分析，通過(guò)相關(guān)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升此種工況下的承載能力，對(duì)提升前縱梁吸能特性具有重要意義，也是近年來(lái)研究人員研究的重要課題之一。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)前縱梁吸能進(jìn)行了一定研究：文獻(xiàn)[2]采用試驗(yàn)方法對(duì)不同截面的前縱梁進(jìn)行吸能對(duì)比分析，通過(guò)優(yōu)化相關(guān)參數(shù)提升吸能效果；文獻(xiàn)[3]基于落錘壓潰對(duì)前縱梁的失效形式進(jìn)行分析，對(duì)比不同失效形式的吸能比；文獻(xiàn)[4]基于軟件仿真對(duì)比不同材料厚度對(duì)前縱梁吸能的影響；文獻(xiàn)[5]基于模型分析運(yùn)動(dòng)速度對(duì)前縱梁吸能特性的影響，速度直接影響壓潰變形的長(zhǎng)度。

針對(duì)前縱梁碰撞吸能過(guò)程進(jìn)行分析，搭建有限元分析模型，對(duì)前縱梁的失效形式進(jìn)行分析，折彎變形失效發(fā)生時(shí)，前縱梁失去承載吸能作用；臨界角是發(fā)生折彎變形的重要指標(biāo)；分析影響前縱梁彎曲變形臨界角的影響因素，并獲得影響規(guī)律；根據(jù)分析獲得的影響規(guī)律，對(duì)某車型前縱梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用試驗(yàn)方法驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 影響前縱梁變形因素分析

2.1 前縱梁分析模型

對(duì)汽車前縱梁進(jìn)行簡(jiǎn)化[6]，如圖1 所示。所以直接在Hyper-Mesh 中的幾何面板中建立幾何圖形。

圖1 汽車縱梁簡(jiǎn)化圖Fig.1 Simplified Diagram of the Car Longitudinal Beam

前縱梁落錘沖擊有限元分析技術(shù)路線圖和主要仿真系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 前縱梁仿真技術(shù)路線Fig.2 Front Longitudinal Beam Simulation Technology Route

首先建立前縱梁、落錘和底座等有限元模型，同時(shí)輸入材料本構(gòu)參數(shù)；在落錘和前縱梁之間以及前縱梁和底座之間設(shè)置面-面接觸，防止變形過(guò)程中兩部分穿透；為防止內(nèi)外管壁自身穿透，設(shè)置來(lái)自接觸；進(jìn)行網(wǎng)格劃分及位移和能量等各種場(chǎng)變量輸出；根據(jù)吸能效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有限元仿真[7]。

2.2 前縱梁失效形式分析

前縱梁是汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)，重要的承載結(jié)構(gòu)單元，完全100%重疊的正面碰撞在實(shí)際中出現(xiàn)概率較低，偏置工況則發(fā)生的概率較高[8]，如圖3（a）所示。當(dāng)車輛發(fā)生偏置碰撞時(shí)，壁障側(cè)的前縱梁將發(fā)生軸向吸能，當(dāng)承載力超過(guò)一定的限值時(shí)，將出現(xiàn)軸向壓潰吸能變形，實(shí)現(xiàn)前縱梁的承載能力特性[9]，如圖3（b）所示。而另一側(cè)前縱梁由于承載力非完全軸向，將出現(xiàn)折彎，當(dāng)前縱梁與保險(xiǎn)杠角度超過(guò)一定的限值時(shí)，將出現(xiàn)完全折彎變形，前縱梁失去承載能力，如圖3（c）所示。

圖3 失效形式分析Fig.3 Failure Form Analysis

軸向壓潰變形和彎曲變形是前縱梁失效的兩種最重要形式，為了保證前縱梁在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，更好的實(shí)現(xiàn)承載吸能作用，有必要對(duì)發(fā)生折彎的臨界角進(jìn)行分析，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更大角度的臨界角度[10]，以保證前縱梁能在發(fā)生彎曲變形時(shí)能最大限度的發(fā)揮承載吸能作用，提升整車的碰撞安全性。

2.3 影響因素分析

汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)，完全的正面碰撞是不存在的，以一定的速度與壁障發(fā)生碰撞，遠(yuǎn)離壁障一側(cè)的前縱梁將發(fā)生折彎變形，如圖4 所示。前縱梁以一定的速度v 與壁障發(fā)生碰撞，二者之間的角度為θ。圖中：d—前縱梁截面寬度；l—前縱梁長(zhǎng)度；t—材料厚度。由靜力學(xué)可知，當(dāng)截面厚度遠(yuǎn)小于截面寬度時(shí)，梁的抗彎剛度基本由截面寬度決定，這里主要考慮寬度對(duì)前縱梁吸能的影響[11-12]。

圖4 前縱梁折彎變形簡(jiǎn)圖Fig.4 Schematic Diagram of Bending Deformation of Front Longitudinal Beam

所研究的前縱梁截面為（500×20×1.5）mm，長(zhǎng)度為150mm 以50km/h 的速度發(fā)生碰撞時(shí)，當(dāng)θ 超過(guò)19°時(shí)，前縱梁開始發(fā)生折彎變形，失去抵抗變形的能力。造成彎曲失效的因素包括：厚度t、d 與l 比值以及壁障的摩擦系數(shù)η 等。

2.3.1 d 與l 比值

改變d 與l 比值，其他參數(shù)不變的前提下，對(duì)前縱梁模型的臨界角進(jìn)行分析，d 與l 比值與臨界角度之間的關(guān)系，如圖5 所示。根據(jù)圖5 分析結(jié)果可知，隨著d 與l 比值增加，臨界角度逐漸減小，在發(fā)生具有一定角度的碰撞時(shí)，梁抵抗變形的能力逐漸減弱，更容易發(fā)生折彎變形，發(fā)生彎曲潰縮，整個(gè)前縱梁失去承載變形的能力。

圖5 d 與l 比值與臨界角度之間關(guān)系Fig.5 The Relationship between d and l Ratio and Critical Angle

2.3.2 厚度t

改變前縱梁所用材料的厚度t，分別取1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm，分析厚度對(duì)前縱梁臨界角度的影響，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 厚度變化的影響Fig.6 Effect of Thickness Variation

由圖可知，隨著材料厚度的增加，前縱梁的承載能力逐漸增加，但厚度的變化對(duì)臨界角基本沒(méi)有影響，前縱梁的臨界角度依然保持在19°左右，由此表明，前縱梁發(fā)生折彎變形的臨界角對(duì)厚度變化不敏感。

2.3.3 壁障的摩擦系數(shù)η

前縱梁的尺寸保持不變，碰撞速度也保持恒定，調(diào)整壁障的摩擦系數(shù)η 從（0～1）之間變化，分析前縱梁發(fā)生彎曲變形時(shí)臨界角度的變化，如圖7 所示。

圖7 摩擦系數(shù)的影響Fig.7 Effect of Friction Coefficient

由圖可知，隨著壁障摩擦系數(shù)的增加，前縱梁發(fā)生折彎變形的臨界角度逐漸增加。臨界角度的增加可有效提升前縱梁抵抗斜向載荷的能力，使前縱梁更好的發(fā)揮承載作用。

由以上分析可知，前縱梁的長(zhǎng)寬比和壁障摩擦系數(shù)對(duì)前縱梁折彎變形具有較大影響，較小的長(zhǎng)寬比有利于提升前縱梁抵抗折彎變形的能力，在前縱梁與保險(xiǎn)杠接觸的部位增大摩擦系數(shù)，有利于提升前縱梁抵抗彎曲變形的能力。

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，對(duì)前縱梁的抗彎設(shè)計(jì)，以折彎角度作為優(yōu)化目標(biāo)，厚度t、d 與l 比值以及壁障的摩擦系數(shù)η 等作為參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；結(jié)果可知，應(yīng)采用具有較小長(zhǎng)度/截面寬度比的薄壁梁結(jié)構(gòu)，并盡可能提高梁端面的運(yùn)動(dòng)約束強(qiáng)度。一般情況下，汽車前縱梁的長(zhǎng)度是確定的，在條件允許的情況下，應(yīng)設(shè)計(jì)較大的梁截面或采用截面逐漸增大的前縱梁結(jié)構(gòu)；并且在車輛結(jié)構(gòu)的前端面（例如保險(xiǎn)杠前端）布置一些摩擦系數(shù)較大的材料，可有效提高前縱梁的抗彎曲變形能力。

3 某車輛前縱梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

某車輛前縱梁采用DP780 材料，截面寬度為80mm、前縱梁的長(zhǎng)度為480mm、材料厚度為1.5mm，長(zhǎng)寬比為6，測(cè)得與其接觸的前防撞梁的最大靜摩擦系數(shù)為0.26，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.12。根據(jù)前文分析，對(duì)該前縱梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，截面寬度保持不變，梁長(zhǎng)度優(yōu)化為400mm，長(zhǎng)寬比變化為5，最大靜摩擦系數(shù)優(yōu)化為0.46，最大動(dòng)摩擦系數(shù)優(yōu)化為0.46，材料依然為DP780，厚度保持不變?yōu)?.5mm。根據(jù)以上參數(shù)分別制作前縱梁。

通過(guò)落錘試驗(yàn)，對(duì)上述兩種提高薄壁梁抗彎能力的方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。采用落錘壓潰試驗(yàn)設(shè)備，落錘重量為290kg，最大提升高度為6mm，試驗(yàn)設(shè)備及各部分名稱，如圖8（a）所示。在試驗(yàn)臺(tái)基座上設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)角度的剛性平面，可以改變縱梁角度的調(diào)節(jié)裝置，試驗(yàn)中設(shè)置為19°。試驗(yàn)過(guò)程中，落錘提升一定高度，自由落下，達(dá)到設(shè)定的沖擊速度，攜帶薄壁梁撞擊傾斜的剛性平面，通過(guò)高速攝像系統(tǒng)記錄梁的變形情況。通過(guò)高速攝像和力傳感器，記錄整個(gè)過(guò)程相關(guān)參數(shù)的變化，試驗(yàn)后，如圖8（b）所示。經(jīng)測(cè)試，試驗(yàn)過(guò)程中沖擊速度均為5.8m/s，結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整后，前縱梁端的約束增強(qiáng)，在19°的傾角時(shí)，優(yōu)化后在相同的沖擊速度下，梁體依然保持了較高的穩(wěn)定性，軸向依然呈現(xiàn)出褶皺變形，具有較強(qiáng)的承載能力，表明優(yōu)化是可靠的；梁的截面積未發(fā)生變化，而長(zhǎng)度減小1/6，材料不變的情況下，輕量化16.7%。

圖8 試驗(yàn)驗(yàn)證分析Fig.8 Test Verification

4 結(jié)論

針對(duì)前縱梁失效進(jìn)行分析，對(duì)影響前縱梁承載的彎曲失效因素進(jìn)行分析，基于分析結(jié)果對(duì)某前縱梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果可知：

（1）前縱梁發(fā)生彎曲變形時(shí)存在臨界角度，當(dāng)小于臨界角度時(shí)，軸向承載能力可以充分發(fā)揮；當(dāng)大于臨界角度時(shí)，失去軸向承載能力，整個(gè)梁體也失去承載吸能作用；

（2）前縱梁的長(zhǎng)寬比、壁障接觸面摩擦系數(shù)是影響臨界角度的重要因素；材料厚度影響較?。惠^小的長(zhǎng)寬比有利于提升前縱梁抵抗折彎變形的能力，在前縱梁與保險(xiǎn)杠接觸的部位增大摩擦系數(shù)，有利于提升前縱梁抵抗彎曲變形的能力；

（3）某前縱梁的長(zhǎng)寬比由6 變?yōu)?，增大摩擦系數(shù)，在相同的傾角下，前縱梁依然可以保持軸向褶皺變形吸能，提高彎曲承載變形能力，同時(shí)整個(gè)梁體輕量化16.7%；

（4）試驗(yàn)驗(yàn)證表明分析結(jié)果和優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，為同類設(shè)計(jì)提供參考。