轿车防撞梁轻结构的优化设计论文
摘要：汽车轻量化和耐撞性的研究对汽车产业的可持续性发展有着重大意义。以某轿车前保险杠的防撞梁为研究对象，对保险杠防撞梁在低速碰撞和高速碰撞两种工况下的轻量化结构强度进行了研究，根据正面碰撞的要求及汽车保险杠的结构尺寸，建立了有限元模型并分析了结果，可为汽车防撞梁的优化设计提供参考。
关键词：防撞梁；安全性能；薄壁安全件；高速碰撞
保险杠防撞梁是汽车车身上典型的薄壁安全件，是影响汽车碰撞安全性的关键零部件，在汽车零部件轻量化中得到了广泛关注。目前，保险杠安全性研究主要集中在质量更轻、低速碰撞时对前后端高成本易损部件保护效果更好，高速碰撞时能够尽可能多吸收碰撞能量，并将碰撞力快速均匀地传递给车身吸能部件，从而可以很好保证车身和乘客的安全。基于此，本文对轿车防撞梁轻结构优化设计进行了研究。
1保险杠有限元模型建立
分别由CATIA和Hypermesh建立的保险杠碰撞系统的CAD模型和CAE模型。在保险杠前端有一刚性墙，在低速工况与高速工况时，保险杠系统分别以一定的速度撞击刚性墙，试分析保险杠与刚性墙碰撞后的变形过程及最大侵入量。本文采用分级式优化方法，先对原结构防撞梁进行普通钢、高强度钢、铝合金三种材料的替换研究，基于此优化基础再对原钢制防撞梁进行结构优化和材料优化，最后得出最优的防撞梁参数组合。
2原结构防撞梁轻量化研究
该方案是在不改变原车型防撞梁结构的前提下，采用普通钢、冷冲压高强度钢和铝合金进行材料替换，观察该工况下三种材料防撞梁的轻量化程度及安全性能。其中，DC01号钢屈服强度设为170MPa，B280VK高强钢屈服强度为280MPa，6082铝合金屈服强度为170MPa。
2.1轻量化程度对比
结构相同、材料不同的原模型防撞梁总成质量对比中，相同结构的防撞梁总成采用高强度钢进行替换，减重仅为4%，而采用铝合金替换时，减重可达60%以上。汽车发生低速碰撞时，一般希望防撞梁具有足够的强度，碰撞发生后，防撞梁总成的塑性应变尽可能小，从而最大限度地减小车身损害，降低维修费用；高速碰撞时，防撞梁及后纵梁的变形在许可的安全距离内尽可能大，保证最大限度地吸收碰撞能量，并将碰撞力快速均匀地传递给车身吸能部件，保证驾乘人员的生命安全。根据RCAR要求，使保险杠总成以10km/h速度撞向静止的刚性壁障。取初始时刻及保险杠沿初始方向（X轴负方向）位移最大的时刻的位移变化做对比，观察保险杆的形态变化。
2.2失效判定条件
根据RCAR规程，性能优良的汽车保险杠碰撞时可吸收能量而且只限于保险杠系统受损，保险杠与车体之间的预留最小距离。通过吸能元件与车体连接，使汽车前部维修或更换费用较低。此处，安全距离即试验碰撞结束后，防撞梁内折最大的点与车体之间的垂直距离。从三种材料防撞低速碰撞后的位移云图中可以看出，结构相同、材料不同的防撞梁在速度为10km/h的低速碰撞中均发生了弯折，普通钢和铝合金明显与车体发生接触，这说明防撞梁抗弯性能较差，实际碰撞时会对其后布置的部件造成损坏，不能满足RCAR对保险杠的性能要求。高强钢防撞梁相对普通钢和铝合金折弯效果虽有明显改善，但碰撞后的塑性变形依旧过大，吸能量较低，且不符合保险杠轻量化的设计要求.
3防撞梁的结构优化
3.1方案描述
汽车轻量化是实现汽车节油减排目标的重要措施，但汽车轻量化的前提是要保证其安全性能，尤其是对于具有吸能作用的防撞梁。上述原方案中，对原车型普通钢制防撞梁分别采用高强钢和铝合金材料进行替换，虽然达到了轻量化的目的，但保险杠总成的耐撞性能并没有明显的变化，尤其是铝合金材料的使用，无法保证驾乘人员的生命安全。这说明仅仅对防撞梁的材料进行优化还不能达到安全、节能的目的，必须对其结构进行优化。本文针对防撞梁的结构和厚度进行优化，再次验证高强钢和铝合金的轻量化和耐撞性。优化后的两种防撞梁均为单个成形件，厚度由原模型的1.2mm改为2mm，材料仍然采用B280VK高强钢和6082铝合金进行比较，吸能盒与原车型结构、材料，厚度保持不变，吸能盒前后端与防撞梁及后钢板的连接均为缝合焊连接。
3.2轻量化程度对比
两种结构防撞梁分别使用高强钢和铝合金材料进行质量对比，轻量化程度存在明显差异。由表2可以看出，优化方案一的质量要明显高于方案二。同种方案之间不同材料质量对比可以看出，方案一使用铝合金材料时的质量比使用高强钢时降低63%，方案二使用铝合金材料时的质量比使用高强钢时降低65%，两种优化方案的防撞梁使用铝合金时的质量相比原模型分别降低14%和65%，因此，使用铝合金材料比使用高强钢材料轻量化效果明显，满足保险杠轻量化设计要求。
3.3低速工况安全性能对比
通常保险杠设计的安全距离应不短于10mm，对于两种方案下的两种材料防撞梁，安全距离均远远超过此限值。方案二的高强钢与方案一的铝合金防撞梁几乎没有发生塑性应变。方案一的高强钢与方案二的铝合金防撞梁塑性应变率分别为0.08和0.4，小于两种材料的塑性应变率，满足强度和刚度要求。不同结构及材料的.防撞梁低速碰撞下的安全距离及吸能总量也不相同。结构厚度优化后的防撞梁在使用相同材料的前提下，安全距离及吸能量相比原模型有大幅度的提高。方案一的铝合金比其他三种情况的安全距离大，但吸能效果最差；方案一高强钢与方案二高强钢安全距离及吸能量符合要求，但防撞梁质量有明显增大，有悖于保险杠轻量化设计的要求。方案二铝合金防撞梁比其他三种设计的安全距离小，但其质量最小，吸能量最大，兼顾保险杠轻量化及安全性的设计要求，因此，性能最好。总体而言，采用方案二结构的防撞梁，使用6082铝合金满足轻量化目标，满足安全性的要求，性能最好。无论是在发展趋势、生产成本以及生产效率上都具有明显的优势，具有一定的可行性，有助于实现汽车安全、节能、减排的目的，可以为实际汽车保险杠轻量化设计提供一定的参考。
3.4高速工况安全性能对比
在高速碰撞中，保险杠同样起着很关键的作用。保险杠在设计合理的情况下，要吸收整车碰撞能量的15%～20%左右。由于本文的碰撞研究仅限于保险杠，并没有涉及到整车的建模，因此，对高速工况下结构优化后的防撞梁安全性能的评价指标仅限于保险杠总成加速度峰值及防撞梁总成最大吸能量两方面。优化后的防撞梁在高速工况下吸能量明显增加，尤其是方案二铝合金防撞梁吸能量最大。方案一两种材料防撞梁内侵位移较小，但吸能量相对较少，使得车身自吸能量减弱，车上乘员受伤害程度较大。根据《乘用车正面碰撞的乘员保护》（GB11551—2003）标准规定，高速工况下正面碰撞时，汽车加速度峰值不能超过80g，方案二铝合金防撞梁加速度峰值最小，吸能量最大，安全性能最好。可以看出碰撞后防撞梁总能量几乎没有变化，动能越来越小，内能越来越大，动能转化为内能。沙漏能和滑移界面能低于5%，该结构满足可靠性的要求。因此，6082铝合金方案二结构防撞梁在满足可靠性、安全性的要求下，轻量化效果最明显，耐撞性能最好，有助于实现汽车安全、节能、减排的目的，实际汽车保险杠轻量化设计提供一定的参考。
4结束语
综上所述，在全球节能减排的趋势下，汽车轻量化要求越来越高。本文对某汽车保险杠防撞梁轻量化进行了分析研究，得到了该保险杠不能满足RCAR性能要求且不符合轻量化的设计要求，需要改进的结论。通过一系列的优化工作，结果表明铝合金及高强度钢板防撞梁的轻量化及安全性能较原模型均有明显改善，且铝合金防撞梁轻量化程度最好，安全性能及吸能量提升效果明显，满足汽车零部件设计中的轻量化、安全性的要求。
参考文献：
［1］徐中明，徐小飞，万鑫铭，等.铝合金保险杠防撞梁结构优化设计［J］.机械工程学报，2013，49（08）.
［2］张振明.变厚度复合材料汽车防撞梁优化设计研究［D］.长沙：湖南大学，2014.
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