鋁合金防撞梁設(shè)計及強度性能分析

張霖 覃永峰 林偉雄

摘 ?要：文章闡述了鋁合金防撞梁總成的設(shè)計和優(yōu)化方法，承載強度CAE分析，并通過試驗驗證了拖車鉤強度性能。截面設(shè)計、空間布置和強度分析的方法，為鋁合金防撞梁的開發(fā)提供了設(shè)計和驗證參考。

關(guān)鍵詞：鋁合金防撞梁;拖車鉤;強度分析

0 引言

隨著汽車“雙積分”政策實施，低能耗和高續(xù)航里程需求的發(fā)展，車身輕量化的要求日益突出。車身輕量化是在保證結(jié)構(gòu)可靠性和安全性能的前提下，通過更合理的設(shè)計優(yōu)化將重量做得更輕。探索新材料、新工藝條件下汽車重要安全零部件或總成的結(jié)構(gòu)設(shè)計是汽車設(shè)計方面歷久彌新的課題。實現(xiàn)輕量化的措施有兩種：一是選用比強度高的新材料;二是設(shè)計更緊湊、承載性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)。通常這兩種方式同時采用、相互促進。近年來，鋁合金材料的研究和應(yīng)用越來越成熟，鋁合金零件在整車上占的比重不斷增大。鋁合金防撞梁結(jié)構(gòu)簡單，輕量化效果明顯。

本文研究鋁合金材料的前防撞梁總成設(shè)計方法，以及強度性能分析，并通過拉伸試驗測試了拖車鉤的承載能力。

1 鋁合金防撞梁設(shè)計方法

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料應(yīng)用

鋁合金防撞梁是鋼鋁混合車身的一個重要裝配總成。前防撞梁總成的主體零件包括橫梁與吸能盒?？筛鶕?jù)吸能盒與前縱梁的連接方式，將防撞梁分成有連接板和無連接板板兩種形式。這兩種形式的區(qū)別在于：吸能盒與前縱梁的前端是否需要帶著兩塊相互重疊的連接板作為過渡件。帶連接板的防撞梁總成在正面碰撞傳力、承載性能和維修方面更具有優(yōu)勢;無連接板的前防撞梁總成重量更輕，但是損壞后維修成本高。

鋁合金防撞梁的生產(chǎn)工藝為擠壓成形，這就決定了橫梁本體與吸能盒的截面結(jié)構(gòu)必須為等截面形式。防撞梁的橫梁本體的截面通常采用日字形和目字形，截面中間支撐筋的數(shù)量越多，橫梁的抗彎扭性能和強度越高，重量和成本也隨之增加。橫梁截面各邊的料厚通常在2.0mm～4.0mm范圍內(nèi)。吸能盒的截面通常為四邊形結(jié)構(gòu)，隨著截面形狀的邊數(shù)增多，吸能能力有提高的趨勢，但是工藝更復(fù)雜，工程可行性的難度提高。吸能盒的斷面尺寸還需要與前縱梁進行剛度強度匹配，合理地實現(xiàn)逐段順序壓潰，才能最有效的發(fā)揮出防撞梁和吸能盒的吸能作用。

目前鋁合金防撞梁材料選擇多采用6系。6系鋁合金材料強度高、擁有較好的擠壓成形性能和耐腐蝕性。6系材料在防撞梁上應(yīng)用得較多的是6082和6063牌號。6082強度更高，抗斷裂性能優(yōu)于6063。某SUV車型的防撞梁本體采用6082，吸能盒采用6063。防撞梁本體對材料強度有較高要求，除了自身吸能，還需要良好穩(wěn)定性，以便于將碰撞能量傳遞到吸能盒和前縱梁上。

橫梁和吸能盒之間的焊接順序?qū)缚p熔深、殘余應(yīng)力存在直接影響，應(yīng)通過內(nèi)部微觀組織檢測、優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和順序以減小殘余應(yīng)力，提高焊接質(zhì)量。

1.2 優(yōu)化設(shè)計方法

前防撞梁的截面形式對剛強度和重量有密切的關(guān)聯(lián)。不同車型的防撞梁，其剛強度和耐撞性通常都有一個最優(yōu)的匹配組合形式。對鋁合金防撞梁可以用三點抗彎的方法研究其強度以及吸能性，建立起關(guān)鍵的參數(shù)評價指標，使得防撞梁能夠滿足設(shè)計需求，即：強度性能得到提升，重量明顯降低。采用DOE試驗設(shè)計優(yōu)化的方法尋找到防撞梁截面關(guān)鍵尺寸和厚度參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計。防撞梁的本體橫梁和吸能盒截面厚度匹配的DOE優(yōu)化可按照以下步驟開展。

（1）建立鋁合金橫梁的三點抗彎LS-Dyna模型。

（2）通過isight調(diào)用LS-Dyna，采用優(yōu)化拉丁算法進行DOE試驗分析。優(yōu)化模型如圖1所示。優(yōu)化模型參數(shù)如下：m為防撞梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量;以輕量化重量目標，約束重量不得超過5.0kg;Ei為結(jié)構(gòu)的三點抗彎內(nèi)能;t為結(jié)構(gòu)各截面板厚的取值范圍。

（3）采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（RBF）構(gòu)造響應(yīng)面。

（4）基于響應(yīng)面模型采用多目標遺傳算法（NSGA-Ⅱ）進行數(shù)值優(yōu)化，得出最優(yōu)組合。

某SUV經(jīng)過優(yōu)化匹配后的結(jié)構(gòu)形式和厚度如圖2所示。

1.3 空間布置

根據(jù)GB 17354前后端保護裝置法規(guī)要求，在低速碰撞中，為了降低車輛前端零部件的損壞程度，前防撞梁布置的安全空間至關(guān)重要。結(jié)合某SUV的碰撞研究，鋁合金前防撞梁的空間布置設(shè)計可參考以下經(jīng)驗數(shù)值：

（1）防撞梁本體的弧度需要與前保的造型形狀弧度相接近;防撞梁前端與前保蒙皮之間的X向空間間隙≥90mm，防撞梁兩端空間間隙≥45mm;

（2）防撞梁與后端零部件的X向最小間隙≥40mm;

（3）防撞梁本體的Z向高度≥110mm，X向?qū)挾取?0mm;

（4）在設(shè)計狀態(tài)下，防撞梁本體與碰撞器的Z向高度有效重疊率≥40%;在空載狀態(tài)下，Z向重疊高度≥25mm，如圖3所示。

2 強度分析

2.1 拖車鉤強度

根據(jù)GB 32087牽引裝置法規(guī)，防撞梁必須滿足在規(guī)定牽引力作用下的拖鉤強度，要求不產(chǎn)生失效斷裂現(xiàn)象。拖車鉤強度CAE分析采用白車身前半車模型，在套管上裝配拖車鉤，分析模型如圖4所示。整車滿載質(zhì)量按照1970kg計算，拉力載荷為9.65kN。由于水平側(cè)向加載受力相對苛刻，考慮到設(shè)計的安全系數(shù)，CAE分析將法規(guī)標準要求的偏轉(zhuǎn)25°提高到偏轉(zhuǎn)30°。

拖車鉤強度10種工況的應(yīng)變結(jié)果如圖5所示。在水平向左側(cè)拉伸和壓縮工況下，吸能盒的應(yīng)變值最大為0.02，小于目標要求的0.05，滿足強度設(shè)計要求。

2.2前端模塊承載強度

前端模塊通過螺栓安裝在吸能盒后連接板上，按照冷卻模塊和前端框架總質(zhì)量進行配重。前端模塊承載分析模型和結(jié)果如圖6所示。在向前加速行駛、轉(zhuǎn)向和Z向跳動三個極限狀態(tài)工況下，連接板的最大應(yīng)力是23MPa，小于材料屈服強度，失效風(fēng)險較小。

3 試驗驗證

將某SUV前防撞梁總成的試制樣件，通過工裝夾具安裝到試驗臺架上。裝配上拖車鉤后，參考GB 32087-2015法規(guī)標準進行X向拉伸和壓縮、水平偏25°和豎直方向偏5°的極限試驗，如圖7所示。試驗得出：拉裂失效時刻的最小極限承載力為14.5kN，超過法規(guī)換算標準要求的9.65kN，拖車鉤強度滿足法規(guī)要求。

4 結(jié)論

本文研究了某SUV車型的鋁合金防撞梁的截面設(shè)計優(yōu)化、空間布置校核、拖車鉤和承載強度分析，以及開展了拖車鉤的承載強度試驗，確認防撞梁滿足拖車鉤法規(guī)要求。

（1）防撞梁本體采用6082材料和目字形截面，吸能盒和連接板采用6063材料，可作為鋁合金防撞梁的優(yōu)選設(shè)計方案。推薦采用基于三點抗彎的DOE方法優(yōu)化得到關(guān)鍵尺寸參數(shù)匹配組合。

（2）后續(xù)研究工作可提升鋁合金材料等級應(yīng)用，以及焊接工藝控制水平，改善焊縫合格率和進一步提高承載強度性能。

參考文獻

[1] 中國國家標準化管理委員會. GB 17354-1998 汽車前后端保護裝置[S].1998.

[2] 中國國家標準化管理委員會.. GB 32087-2015 輕型汽車牽引裝置[S].2015.