轿车防撞梁轻结构优化设计

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1、轿车防撞梁轻结构优化设计邓骞广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院摘要：汽车轻量化和耐撞性的研宄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丫研究，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，可为汽车防撩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屮得到丫广泛

2、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，木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

3、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宄，基于此优化基础再对原钢制防撩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宄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撩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280NIPa,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

4、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

5、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。从三种材料防撩低速碰撩后的位移云阁中可以看出,结构和同、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

6、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，必须改进，该方案三种材料碰撞后的安全距离及吸收能量如表1所示。表1原模型安全性能表下载原表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，

7、虽然达到Y轻量化的A的，但保险杠总成的耐撩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。木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1.2圆改为2圆，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

8、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。冋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。各方案防撞梁总成质量对比如表2所示。表2优化后的防撞梁总成