某汽車后防撞梁輕量化設(shè)計研究

楊武 黃涌 潘漢欽 馬天航

摘要：考慮復(fù)合材料成型工藝和力學(xué)性能特點設(shè)計出一款復(fù)合材料防撞梁，結(jié)合歐洲ECE R42低速碰撞法規(guī)，分別對高強度鋼和復(fù)合材料防撞梁進行低速碰撞仿真分析，對比了碰撞過程中的侵入量、碰撞力、吸能量等多項性能指標，發(fā)現(xiàn)兩者均能滿足性能要求，并且相比于高強度鋼防撞梁重量降低了21.6%。

關(guān)鍵詞：輕量化;后防撞梁;復(fù)合材料;碰撞仿真

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展和人類物質(zhì)生活水平提高，全球汽車數(shù)量不斷攀升，同時，人們不得不面臨著嚴峻的能源危機和大氣污染問題，降低汽車質(zhì)量能夠有效地減少排放和降低油耗，汽車質(zhì)量每下降 10%，排放下降 4-10%，油耗下降6-8%[1]，輕量化材料的開發(fā)和應(yīng)用是實現(xiàn)汽車輕量化的最有效途徑之一[2]。研究證明，汽車的被動安全性能與汽車質(zhì)量正相關(guān)，如何在降低能車重的同時，又要提高汽車安全性能，已成為學(xué)者和工程師們需要長期努力的研究方向。本文是在保證不降低汽車防撞梁碰撞安全性的前提下，將鋼制防撞梁替換為復(fù)合材料防撞梁，為將來實現(xiàn)更多汽車零部件的“以塑代鋼”提供一定的借鑒和參考。

1幾何模型

本文基于某鋼制后保險杠，由主橫梁、吸能盒及安裝板組成，其中后防撞梁和吸能盒均采用高強度鋼，橫梁與吸能盒料厚為2mm，通過燒焊連接?？紤]連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和工藝性能。對橫梁重新設(shè)計，吸能盒與復(fù)合材料橫梁通過膠接連接。

2有限元模型的建立

在汽車保險杠碰撞法規(guī)中，應(yīng)用最為廣泛的歐洲ECE R42汽車前后端保護裝置（保險杠等）認證的統(tǒng)一規(guī)定[4]，

為了提高碰撞仿真的計算效率，在有限元仿真中將碰撞器設(shè)置為剛體。鋼制和復(fù)合材料防撞梁為shell單元，四邊形網(wǎng)格尺寸約為5mm，局部加密，其中鋼制防撞梁碰撞模型的節(jié)點共25816個，單元共25328個，復(fù)合材料防撞梁碰撞模型的節(jié)點共26733個，單元共26325個，均采用增強沙漏控制方法來控制沙漏。

鋼制防撞梁，吸能盒及連接板的材料為HC420LA高強度鋼，復(fù)合材料使用某玻璃纖維綜緞織物，纖維面積重量為 295 g/m2，鋪層方式為[（0/90）]30，參數(shù)見表1和表2。

此車整備質(zhì)量設(shè)置為1600 kg，由于低速碰撞中，車體本身基本不發(fā)生變形，為提高碰撞仿真的計算效率，對防撞橫梁進行分析，將防撞梁的前部車身結(jié)構(gòu)設(shè)置為剛性單元，汽車質(zhì)量通過集中質(zhì)量點加載在剛體上。集中質(zhì)量點應(yīng)與撞擊中心位于同一高度，離地445 mm。在碰撞仿真過程中，給碰撞器沿X方向4 km/h的初速度，使其撞擊防撞橫梁，防撞橫梁X方向可自由移動，約束其他方向的自由度。

3碰撞仿真結(jié)果對比分析

3.1性能評價指標

ECE R42法規(guī)規(guī)定對防撞梁按照規(guī)范進行碰撞試驗后，車輛應(yīng)能夠滿足一系列要求：1）防撞梁的最大侵入量。應(yīng)該保證防撞梁的最大侵入量不能超過其許用變形量120 mm。2）防撞梁的總吸能?？偽艿亩x是碰撞過程中防撞梁的彈性變形能與塑性變形能之和。希望盡可能大，進而減少傳遞到汽車前部結(jié)構(gòu)上的碰撞能量。3）碰撞器與防撞梁之間的碰撞力。希望碰撞力峰值盡可能的小，進而降低通過后縱梁傳遞車身結(jié)構(gòu)的沖擊力。4）防撞梁的失效。防撞梁盡可能少的發(fā)生失效，以降低維修成本。

3.2 ?兩種材料防撞梁仿真結(jié)果分析

圖3為防撞梁的碰撞變形過程，碰撞器首先與防撞梁接觸，隨后沖擊防撞梁，防撞梁瞬時發(fā)生變形，很短時間后兩者分離，防撞梁發(fā)生回彈，直至碰撞結(jié)束。整個碰撞過程中，鋼制防撞梁最大應(yīng)力為963.4 MPa，已超過該高強度鋼的屈服極限。從圖中可以看出防撞橫梁發(fā)生了一定的變形，最大侵入量為30 mm。復(fù)合材料防撞梁出現(xiàn)的最大應(yīng)力為546.3Mpa，最大侵入量為36.7 mm，比鋼制的稍大，但均小于許用的最大變形量。

圖4為低速碰撞工況下，兩種材料防撞梁的碰撞力對比圖，從圖中可以看到，鋼制防撞梁碰撞接觸時間較短，約為100 ms，碰撞力峰值較大，約為12.5 kN。復(fù)合材料防撞梁接觸時間較長，碰撞力峰值較小約為10 kN，可以更好地起到緩沖的作用。

圖5、6為低速碰撞工況下兩種材料防撞梁的能量變化圖，碰撞器的初始動能約為617.2 J。當碰撞器撞擊防撞梁時，總動能降低，系統(tǒng)的內(nèi)能增加，其中系統(tǒng)的內(nèi)能包括彈性變形能和塑性變形能，系統(tǒng)總能量保持不變，從圖中可以看出，鋼制防撞梁系統(tǒng)內(nèi)能最大值為310 J，復(fù)合材料的為260 J，分別占總能量的50.2%及42.1%，說明兩者吸能都比較充分。隨后，碰撞器與防撞梁逐漸分離，系統(tǒng)動能開始增加，內(nèi)能減小，彈性變形能全部釋放。沙漏能最大值分別為5.85 J及30.2 J，占總能量的0.9%及4.9%，均小于總能量的5%，說明沙漏可控[3]，仿真結(jié)果可信度較高。

鋼制和復(fù)合材料防撞梁均能滿足性能要求，且均具有不錯的碰撞吸能性，其中鋼制防撞橫梁質(zhì)量為2.36 kg，復(fù)合材料防撞橫梁質(zhì)量為1.85 kg，重量降低了21.6%。

4結(jié)論

鋼制和復(fù)合材料防撞梁的各項碰撞性能指標比較接近，均能滿足性能要求，但復(fù)合材料防撞梁的質(zhì)量減少了21.6%;證明了復(fù)合材料可以應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件上。但本文僅對防撞梁進行了低速碰撞仿真分析，與實車試驗相比，會存在一定的誤差，因此，為驗證仿真結(jié)果準確性仍需通過真實的碰撞試驗，獲取相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)來進行模型校正。

參考文獻

[1]范子杰，桂良進，蘇瑞意.汽車輕量化技術(shù)的研究與進展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報.2014（01）：1-16.

[2]路洪洲，王智文，陳一龍.汽車輕量化評價[J].汽車工程學(xué)報，2015，5（1）：1-8.

[3]高暉，李光耀.汽車碰撞仿真中沙漏控制算法研究[J].汽車工程，2008，30（8）：671-675.

作者簡介：

楊武（1992.12）男，漢族，碩士，工程師，從事車身結(jié)構(gòu)設(shè)計