基于耐撞性的汽車鋼鋁混合帽型前縱梁開發(fā)研究

陳建軍、陳習(xí)習(xí)、杜展鵬

（1.湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，長(zhǎng)沙 410221；2.江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212016）

0 引言

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，正面碰撞是汽車碰撞事故所有類型中出現(xiàn)最多的一種形式[1]。車輛正面碰撞過(guò)程中，主要通過(guò)汽車前部結(jié)構(gòu)完成變形吸能，降低事故對(duì)于車內(nèi)乘客的傷害程度。而作為汽車前部主要部件的前縱梁，其吸能特性和變形模式直接影響正面碰撞效果[2]，值得我們深入分析研究。本文在現(xiàn)有某基礎(chǔ)車型的鋼制前縱梁基礎(chǔ)上，嘗試通過(guò)鋁合金與高強(qiáng)度鋼的混合應(yīng)用，利用有限元分析工具進(jìn)行材料匹配，并進(jìn)行耐撞性驗(yàn)證，旨在進(jìn)一步提升車身耐撞性及輕量化水平[3]。

1 前縱梁概述

前縱梁是指位于汽車車身前端的縱梁部分，按截面形狀的不同，可分為圓形、方形和帽型等多種形式。正面碰撞中的車身耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先需要明確主要傳力路徑[4]。如圖1 所示，車身前部結(jié)構(gòu)存在2 條典型的傳力路徑。

圖1 典型車身正面碰撞傳力路徑

路徑1：如圖1 中黃色箭頭所示，經(jīng)左/右汽車前縱梁、左/右側(cè)圍門檻梁、乘員艙底部縱梁和地板中通道往后部車身傳遞。

路徑2：如圖1 中紅色箭頭所示，經(jīng)左/右上縱梁（shotgun）和前門鉸鏈安裝立柱，再分散傳遞給左/右A 柱、車門及其防撞梁以及側(cè)圍門檻梁而向后部車身傳遞。

通過(guò)正碰傳力路徑可知，前縱梁作為下部傳力路徑中首當(dāng)其沖的零部件，在碰撞過(guò)程中需要同時(shí)起到吸能和傳遞碰撞載荷的作用。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)有效的壓潰、彎曲變形，前縱梁在正面碰撞中可以吸收的能量最高可達(dá)到60%。

按照結(jié)構(gòu)位置的不同，典型前縱梁可分為3 部分（圖2），在碰撞中作用各不相同。

圖2 前縱梁結(jié)構(gòu)分段示意圖

1.1 平直段

平直段是前縱梁的前端部分，主要位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)。在碰撞過(guò)程中，平直段通過(guò)本體結(jié)構(gòu)潰縮變形來(lái)實(shí)現(xiàn)碰撞能量的吸收。此段結(jié)構(gòu)需要有一定的變形誘導(dǎo)設(shè)計(jì)，這也是本文中鋼鋁混合結(jié)構(gòu)研究分析的主要對(duì)象。

1.2 折彎段

折彎段是前縱梁的中間部分，主要位于乘員艙前隔板處。碰撞過(guò)程中，折彎段需滿足縱梁結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)過(guò)大的變形，以確保乘員艙無(wú)嚴(yán)重入侵，保護(hù)乘員的安全。此段結(jié)構(gòu)需要有足夠的剛度與強(qiáng)度。

1.3 延伸段

延伸段是前縱梁的末端部分，主要位于乘員艙地板下方，用于傳遞并分散碰撞載荷至車身的后部。此段結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量保證剛度連續(xù)性，與周邊零件盡量連接。

從汽車仿真分析模型及碰撞試驗(yàn)結(jié)果可知，影響前縱梁變形與能量吸收的因素包括截面、材料、厚度、梁的長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)特征以及焊點(diǎn)布置等。鑒于研究對(duì)象為量產(chǎn)車，本文僅考慮材料和厚度的變化影響，其他因素則維持原結(jié)構(gòu)方案。

2 鋼鋁混合材料匹配方案

在車輛的正面碰撞過(guò)程中，可將前縱梁劃分為前端吸能區(qū)和后端抵抗變形區(qū)（圖3）?？v梁前端受到碰撞載荷的沖擊，進(jìn)而產(chǎn)生軸向壓潰變形，為正面碰撞的主要吸能區(qū)域。后端結(jié)構(gòu)主要是抵抗變形、減少乘員艙的侵入量，保護(hù)乘員安全。

圖3 前縱梁功能分區(qū)

本文以基礎(chǔ)車型的單帽型前縱梁[5]為主要研究對(duì)象，探究高強(qiáng)鋼B280VK 和鋁合金6063-T6 這2 種材料，在不同匹配方案下對(duì)前縱梁耐撞性及輕量化水平的綜合性能影響分析。前縱梁結(jié)構(gòu)形式和尺寸如圖4 所示，其中Mat1 表示前縱梁（帽型單元）的材料，Mat2 表示前縱梁封板（平板單元）的材料。前端吸能結(jié)構(gòu)的下X 軸向距離為280.0 mm，后端抵抗變形區(qū)域的X 軸向距離為386.0 mm。具體材料匹配設(shè)計(jì)方案如表1 所示。

圖4 單帽型前縱梁相關(guān)尺寸定義方案

表1 前縱梁材料匹配設(shè)計(jì)方案

3 方案快速分析

利用商業(yè)軟件LS-DYNA 構(gòu)建表1 中5 種探究方案的前縱梁有限元模型。模型采用4.0 mm×4.0 mm 的2D 殼單元，采用MAT24 號(hào)材料描述高強(qiáng)鋼B280VK 和鋁合金6063-T6 的力學(xué)行為，厚度方向采用5 個(gè)積分點(diǎn)。

為快速獲取前縱梁及封板的最佳材料匹配方案，選擇簡(jiǎn)化處理的汽車前部結(jié)構(gòu)作為研究載體，主要包含前防撞梁、前縱梁和吸能盒結(jié)構(gòu)等（圖5）。前縱梁后端與臺(tái)車相連，考慮臺(tái)車變形小，選擇MAT20 號(hào)材料進(jìn)行模擬。另外，考慮到碰撞仿真分析僅單獨(dú)針對(duì)前縱梁結(jié)構(gòu)，碰撞能量遠(yuǎn)小于整車，因此將臺(tái)車的配重定義為100 kg，與剛性墻進(jìn)行模擬碰撞，初始碰撞速度定義為50 km/h。

圖5 汽車簡(jiǎn)化前端結(jié)構(gòu)

3.1 優(yōu)化分析結(jié)果

汽車前縱梁前端結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)鋼B280VK 和鋁合金6063-T6兩種材料的不同匹配方案，其碰撞仿真結(jié)果如下。

3.1.1 方案1

方案1 的仿真結(jié)果如圖6 所示。由圖6a 可以看出，前端結(jié)構(gòu)的吸能盒與前縱梁前端結(jié)構(gòu)都發(fā)生了穩(wěn)定的折疊壓潰變形，后端抵抗變形區(qū)域未出現(xiàn)明顯壓潰變形，滿足預(yù)設(shè)的壓潰變形模式和次序要求。由圖6b 可以看出，前縱梁變形吸能-時(shí)間曲線可以劃分為2 個(gè)明顯的階段。其中，階段A 說(shuō)明前縱梁吸能保持在穩(wěn)定的低位區(qū)段，這是因?yàn)榍岸私Y(jié)構(gòu)的防撞橫梁和吸能盒先發(fā)生了折疊壓潰變形。階段B 說(shuō)明前縱梁吸能逐漸上升后趨于水平，這是因?yàn)榍岸说臋M梁和吸能盒壓潰變形不足以吸收整個(gè)臺(tái)車的碰撞動(dòng)能，剩余的能量則由前縱梁吸收，壓潰變形模式和次序要求均滿足預(yù)設(shè)要求。

圖6 方案1 汽車前部結(jié)構(gòu)正面碰撞仿真分析結(jié)果

3.1.2 方案2

方案2 的仿真結(jié)果如圖7 所示。由圖7a 中可以看出，前端結(jié)構(gòu)的防撞橫梁和吸能盒未發(fā)生變形，前縱梁先彎曲壓潰，說(shuō)明這次材料匹配的前縱梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較低，不滿足正常的壓潰變形模式和次序。因此，從圖7b 中可以看出，前縱梁在碰撞初期就顯示出明顯的壓潰吸能。

圖7 方案2 汽車前部結(jié)構(gòu)正面碰撞仿真分析結(jié)果

3.1.3 方案3

方案3 的仿真結(jié)果如圖8 所示?？梢钥闯?，汽車前端結(jié)構(gòu)的碰撞仿真結(jié)果與方案2 類似，前縱梁在碰撞初期就發(fā)生明顯的不穩(wěn)定壓潰變形，前端結(jié)構(gòu)的碰撞結(jié)果不符合預(yù)設(shè)的壓潰變形模式和次序要求。

圖8 方案3 汽車前部結(jié)構(gòu)正面碰撞仿真分析結(jié)果

3.1.4 方案4

方案4 的仿真結(jié)果如圖9 所示。由圖9a 可以看出，前端結(jié)構(gòu)的防撞橫梁、吸能盒和前縱梁前段都產(chǎn)生了穩(wěn)定的折疊壓潰變形，然而前縱梁變形吸能-時(shí)間曲線表現(xiàn)出了明顯的中段臺(tái)階（即階段B）形式（圖9b）。這是因?yàn)樵谄嚽岸私Y(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞變形時(shí)，前縱梁前端結(jié)構(gòu)由于材料整體強(qiáng)度偏弱，先發(fā)生了折疊壓潰變形。當(dāng)前縱梁前端結(jié)構(gòu)完全壓潰變形后，后端縱梁由于使用了高強(qiáng)鋼，其結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度、強(qiáng)度抵抗變形，防撞橫梁和吸能盒產(chǎn)生了再次的壓潰變形。因此前縱梁變形吸能-時(shí)間曲線局部出現(xiàn)了水平臺(tái)階特征。

圖9 方案4 汽車前部結(jié)構(gòu)正面碰撞仿真分析結(jié)果

當(dāng)防撞梁和吸能盒完全壓潰后，臺(tái)車的碰撞動(dòng)能未被完全吸收，因此前縱梁后端部分區(qū)域發(fā)生折疊變形，而前縱梁開始繼續(xù)壓潰吸能，對(duì)應(yīng)圖9b 的階段C。

根據(jù)上述分析可知，雖然方案4 的仿真結(jié)果顯示，汽車前端結(jié)構(gòu)的碰撞橫梁、吸能盒以及前縱梁前端都發(fā)生了穩(wěn)定的折疊壓潰變形，但是由于變形次序不對(duì)，依然不滿足設(shè)計(jì)需求。

3.1.5 方案5

方案5 的仿真結(jié)果如圖10 所示。右圖10a 可以看出，方案5 的前縱梁后端結(jié)構(gòu)由于整體強(qiáng)度不足，先發(fā)生穩(wěn)定的折疊變形，然后出現(xiàn)了畸變的網(wǎng)格單元，仿真出現(xiàn)了中斷（圖10b）。

圖10 方案5 汽車前部結(jié)構(gòu)正面碰撞仿真分析結(jié)果

3.2 鋼鋁方案確定

為了綜合考慮前縱梁在碰撞吸能和輕量化兩方面的優(yōu)化需求，選擇比吸能（Specific Energy Absorption，簡(jiǎn)稱SEA）作為方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)[6]。SEA計(jì)算公式如下。

式中：EA為前縱梁材料各匹配方案的總吸能；m為方案總質(zhì)量。

鋼鋁混合前縱梁在不同匹配方案下，碰撞比吸能對(duì)比如表2所示。不難看出，鋁合金在前縱梁上的應(yīng)用范圍直接影響吸能效果，鋁合金使用越多，碰撞比吸能越大，吸能效果越好。不過(guò)，比吸能并非本文方案選擇的唯一依據(jù)，還需評(píng)估壓潰模式與變形次序的合理性。通過(guò)前文分析可知，方案2 ～方案5 不滿足設(shè)計(jì)要求，故確定方案1 為該鋼鋁混合前縱梁設(shè)計(jì)方案。

表2 前縱梁各材料方案的碰撞比吸能對(duì)比

4 基于整車的鋼鋁混合前縱梁耐撞性驗(yàn)證

4.1 前縱梁結(jié)構(gòu)方案對(duì)比

將鋼鋁混合前縱梁設(shè)計(jì)方案應(yīng)用到整車，與基礎(chǔ)車型結(jié)構(gòu)方案進(jìn)一步對(duì)比，如表3 所示。

表3 前縱梁結(jié)構(gòu)方案對(duì)比

對(duì)比可知，在鋼鋁混合前縱梁方案中，前縱梁封板通過(guò)鋁合金材料的應(yīng)用，其密度優(yōu)勢(shì)明顯，初始方案單側(cè)零件可獲得1.173 kg 的減重效果，即整車可實(shí)現(xiàn)2.346 kg 的減重。

4.2 基于整車的耐撞性結(jié)果分析

如圖11 所示，前縱梁封板材料由B280vk 更換為6063-T6 后，由于鋁合金的彈性模量?jī)H為鋼的1/3，兩者的物理性能差異較大。在正面碰撞中前縱梁的變形模式及次序出現(xiàn)明顯變化，碰撞力沿傳力路徑傳遞及吸能效果發(fā)生改變。

圖11 整車正面100%重疊剛性壁障碰撞變形圖

對(duì)比分析正面100%重疊剛性壁障的碰撞結(jié)果可知（表4），相比基礎(chǔ)車型，鋼鋁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案前圍板、轉(zhuǎn)向管柱的侵入量略有增大，但仍處于可接受范圍。其他項(xiàng)目的狀態(tài)均得到了一定改善。這說(shuō)明鋼鋁混合前縱梁方案對(duì)車身正面碰撞安全性能提升起到了積極作用，達(dá)到了耐撞性優(yōu)化的目標(biāo)。

表4 正面100%重疊剛性壁障碰撞結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)汽車前縱梁結(jié)構(gòu)，鋼鋁混合的前縱梁結(jié)構(gòu)方案理論分析是可行的，為優(yōu)化前縱梁的安全性能及輕量化提供了新思路不過(guò)，鑒于本文研究主要基于理論模型分析得來(lái)，未進(jìn)行樣件開發(fā)驗(yàn)證，因此實(shí)際應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。鋼鋁混合方案絕不只是簡(jiǎn)單的材料直接替換，還需要從結(jié)構(gòu)形狀、材料及厚度，以及連接工藝等技術(shù)層面進(jìn)行優(yōu)化，才有可能實(shí)現(xiàn)輕量化與耐撞性的雙重提升。

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