基于布置規(guī)律的車門防撞梁設(shè)計與性能分析

鄭海

杭州職業(yè)技術(shù)學院吉利汽車學院，浙江杭州 310018

0 引言

汽車安全性問題自汽車誕生之日起就客觀存在。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在汽車各類碰撞事故中側(cè)面碰撞發(fā)生的概率為27%，因此，汽車側(cè)面碰撞安全性的研究是汽車安全性研究的一項重要內(nèi)容。在側(cè)面碰撞中，車門的變形量必須控制在一定范圍內(nèi)，給乘員提供有效的生存空間。防撞梁在控制車門變形量方面起到極為重要的作用，通過合理設(shè)計防撞梁，減小車門受撞區(qū)域的變形，可以將車門所受撞擊力有效地傳給兩側(cè)的立柱。本文通過對比不同車型的防撞梁，得到防撞梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)和布置規(guī)律，并以某車型防撞梁為例，通過性能仿真分析來驗證防撞梁布置規(guī)律的有效性。

1 轎車車門防撞梁概述

轎車車門防撞梁是裝在車門內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的加強橫梁，可以加強車輛側(cè)面的結(jié)構(gòu)，提高車門剛度。在側(cè)面碰撞發(fā)生時，車門防撞梁通過產(chǎn)生變形來吸收碰撞能量，從而減少乘員受到傷害。防撞梁的選擇要考慮3個方面：①吸能特性，在側(cè)面碰撞中吸收的能量越多，安全性越好；②抗彎能力，在相同的撞擊能量下，變形越小的防撞梁，對乘員的保護越好；③質(zhì)量要輕，滿足轎車輕量化的要求?；谶@些因素，主流車型大都采用高強度鋼板制造車身零部件，以減輕質(zhì)量、降低油耗、增加強度與提高使用壽命。車門防撞梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 車門防撞梁結(jié)構(gòu)

2 車門防撞梁結(jié)構(gòu)參數(shù)對比分析

影響車門防撞梁性能的因素很多(包括與側(cè)圍結(jié)構(gòu)的匹配)，其中材料性能、厚度、結(jié)構(gòu)形狀等布置形式的影響較為顯著。管狀防撞梁需要通過沖壓件支架與車門連接，布置方式局限大、價格高，優(yōu)點是質(zhì)量較輕、制造工藝簡便;帽形防撞梁可直接與車門連接，便于布置，生產(chǎn)效率高，缺點是具有成型困難、質(zhì)量較大。通過對比主流轎車車門防撞梁，可以找出其布置規(guī)律。

2.1 主流車型防撞梁結(jié)構(gòu)對比

此次研究調(diào)研了多款主流車型的車門防撞梁，對其結(jié)構(gòu)進行分析匯總，其中日韓系轎車全部是管狀結(jié)構(gòu)(分為無縫鋼管和直縫鋼管)、德系美系和部分自主品牌使用帽形結(jié)構(gòu)。多數(shù)防撞梁中部通過膨脹膠與門外板黏接，一部分車型為防撞梁與加強梁的組合(其中極少數(shù)車型用加強板將兩者一起加固)。表1為按車型級別匯總的部分車型防撞梁結(jié)構(gòu)。

表1 部分車型防撞梁結(jié)構(gòu)

2.2 主流車型防撞梁參數(shù)對比

對主流車型的防撞梁進行參數(shù)分析，得到其布置角度、結(jié)構(gòu)、直徑、材料參數(shù)。表2為部分車型防撞梁參數(shù)。

表2 部分車型防撞梁參數(shù)

3 車門防撞梁布置規(guī)律分析和設(shè)計

通過以上車門防撞梁結(jié)構(gòu)參數(shù)對比，分析不同級別車型的布置參數(shù)，結(jié)合國內(nèi)目前的研究結(jié)果，可以得出國內(nèi)轎車開發(fā)中車門防撞梁的布置規(guī)律。

3.1 車門防撞梁布置規(guī)律分析

(1)布置角度：前門和后門防撞梁布置的角度集中在5°～30°范圍內(nèi)，且都向一個方向傾斜。不同級別、不同車型防撞梁布置的角度是不同的，即使是同一款車型，防撞梁也需根據(jù)具體車輛的實際情況來布置。

(2)后車門防撞梁布置：后車門防撞梁布置的約束條件要比前門防撞梁布置少很多，同時也需要考慮對假人的傷害，CNCAP2021版評價規(guī)程考量第二排女性假人的傷害值(可變形移動壁障側(cè)面碰撞試驗評價)。后車門防撞梁下端仍需布置在車門的右下角，因為車門右下角和防撞梁搭接的空間大；防撞梁上端布置的高度不能過高，布置過高防撞梁在移動壁障撞擊區(qū)域內(nèi)的長度就越短，抵抗作用越弱。如圖2所示，黑色線框圍成的透明矩形區(qū)域為移動壁障的撞擊區(qū)域，因此后車門防撞梁布置的角度不宜過大。

圖2 前后車門防撞梁布置形式

(3)同種材料的防撞梁，隨厚度增加性能越好；熱成型鋼與冷成型超高強鋼性能差距不大，但成本相對較高；載荷相同的情況下，帽型防撞梁在屈服前變形小，抗彎性能較好；變形相同的情況下，管狀防撞梁的抗彎性能更好。

(4)相同材料和質(zhì)量條件下，管狀防撞梁的模態(tài)、下部剛度以及抗凹性能均優(yōu)于帽狀防撞梁。

3.2 基于布置規(guī)律設(shè)計防撞梁

本文以后車門為研究對象，按照第3.1節(jié)的布置規(guī)律，設(shè)計的防撞梁及車門總成如圖3所示。形式為管狀、厚度為1.5 mm，布置角度為10.4°，材料為高強度鋼板。兩端通過弧焊與兩安裝支架焊接，中間通過膨脹膠與車門外板黏接起到隔振作用,兩個安裝支架通過點焊與車門內(nèi)板焊接。防撞梁上端為高強度加強梁，不過強度要低于防撞梁。

圖3 防撞梁及車門總成

4 車門防撞梁性能分析

國家標準GB 15743—1995《轎車側(cè)門強度》描述了轎車側(cè)門強度技術(shù)要求及試驗方法，按照該標準進行防撞梁的性能模擬。車門應(yīng)滿足下列技術(shù)要求：初始耐擠壓力不得低于10 000 N；中間耐擠壓力不得低于15 560 N；最大耐擠壓力不得低于相當于整車整備質(zhì)量的2倍的力或31 120 N兩者中較小的值。

4.1 模擬分析工況

模擬分析參考國家標準進行，試驗分析工況如圖4所示，所有車門為鎖閉狀態(tài)，受試驗一側(cè)對面的車身裙部應(yīng)靠在一個堅固的剛性鉛垂平面上，用緊固裝置將車牢固定位。加載裝置的壓頭是直徑為305 mm、棱邊圓角半徑為13 mm的鋼制剛性圓柱體或半圓柱體，其長度應(yīng)能使其上端面至少高出窗口下邊緣13 mm。

圖4 試驗分析工況

4.2 力學建模與計算

使用有限元軟件建立整車的有限元力學模型，單元數(shù)目1 202 381，節(jié)點數(shù)903 652。設(shè)置整車各總成的材料參數(shù)、連接關(guān)系，其中防撞梁為管狀，材料為16MnAl，管厚1.5 mm；兩安裝支架強度為347 MPa，厚度為1.5 mm。以左后車門為研究對象，參照第4.1節(jié)所述模擬分析工況進行約束設(shè)置、參數(shù)設(shè)置，然后對其進行后車門強度分析。約束右側(cè)車身裙部，約束車身前縱梁(前輪中心線之前)和后縱梁(后輪中心線之后)，模擬分析工況如圖5所示。按照標準可以換算出模擬需要的加載方式，其中設(shè)定半圓柱剛體沿車門垂直方向以2.5 m/s的勻速侵入457 mm，設(shè)定計算時間步長8.0×10s，碰撞模擬時間0.18 s。設(shè)置完成后，導(dǎo)出計算文件，在LS-DYNA軟件中進行計算。

圖5 模擬分析工況

4.3 防撞梁受力分析

在壓頭侵入過程中，車門應(yīng)力主要集中在防撞梁上，說明車門入侵過程中，防撞桿起到主要的支撐作用。防撞梁中部和兩側(cè)應(yīng)力最大，達到500 MPa及以上。防撞桿兩端未發(fā)生脫落，滿足性能要求。圖6為車門及防撞梁應(yīng)力云圖。

圖6 車門及防撞梁應(yīng)力云圖

圖7為車門擠壓力曲線及最終位移云圖。

圖7 車門擠壓力曲線及最終位移云圖

由圖7可以看出，車身的變形會減小車門的耐擠壓力，0～250 mm位移過程中曲線比較平緩，但從位移250 mm左右開始，受力曲線陡然上升，車門和防撞梁較高的剛度起了很大作用。從位移450 mm開始，曲線開始下降，剛度開始降低。由表3的計算數(shù)值可以看出，防撞桿及車門總成力學性能滿足國家標準。經(jīng)廠家測試，實際車輛側(cè)門強度試驗結(jié)果也符合國家標準。說明按照車門防撞梁布置規(guī)律來開發(fā)車門總成及防撞梁是可行且有效的。

表3 計算數(shù)值 單位:kN

5 結(jié)束語

車門防撞梁是車門結(jié)構(gòu)中的重要部件，其力學性能對于車門的安全性能影響很大。本文論述了車門防撞梁的結(jié)構(gòu)及性能要求，對多款乘用車的車門防撞梁結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了對比分析，梳理出車門防撞梁的布置規(guī)律。按照這一規(guī)律設(shè)計了一款轎車車門的防撞梁，運用CAE方法建立了力學模型，對其強度進行了動態(tài)分析，驗證了車門防撞梁的布置規(guī)律的可行性。研究方法和結(jié)果對于轎車車門及防撞梁設(shè)計有一定的指導(dǎo)和參考作用。