王月 孫立志 龔潔 周大永，2 劉衛(wèi)國(guó)，2

（1.浙江吉利汽車研究院有限公司；2.浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

前橫梁作為車身結(jié)構(gòu)的一個(gè)部分，主要承擔(dān)著抵御碰撞變形和吸收碰撞能量的作用。在正面偏置碰撞中，前橫梁可以將碰撞側(cè)的沖擊能量傳遞到非碰撞側(cè)，為碰撞能量的分配與吸收提供傳遞路徑[1]，但其前提條件是碰撞過程中，前橫梁不發(fā)生斷裂失效。要保證前橫梁在偏置碰撞中不發(fā)生斷裂失效或者較為嚴(yán)重的折彎變形，其強(qiáng)度等性能需要滿足設(shè)計(jì)要求。

1 問題分析

在對(duì)某車型進(jìn)行路試試驗(yàn)中，怠速工況水溫達(dá)到111℃，根據(jù)熱力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[2]，此溫度值超標(biāo)。在爬坡和停走工況下，水溫均為110℃，水溫達(dá)到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的最大值，未能達(dá)到熱平衡，存在風(fēng)險(xiǎn)。

前格柵開孔的正對(duì)散熱器芯體面積與散熱器芯體面積比值，一般要求大于30%。圖1示出某車型前格柵結(jié)構(gòu)示意圖。藍(lán)色線圈標(biāo)注的綠色部分的面積為格柵開孔正對(duì)的散熱器芯體的面積，經(jīng)計(jì)算該車型散熱器芯體面積為0.285 m2，格柵開孔正對(duì)散熱器芯體面積為0.031 m2，格柵開孔正對(duì)散熱器芯體面積與散熱器芯體面積比值為10.8%，即進(jìn)風(fēng)比值僅為10.8%，遠(yuǎn)低于30%的參考值，因此該車型散熱器的有效進(jìn)風(fēng)面積存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

2 技術(shù)方案對(duì)比

2.1 熱成型技術(shù)

熱成型技術(shù)是指將鋼板經(jīng)過950℃的高溫加熱后一次成型，又迅速冷卻，從而全面提升了鋼板強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度達(dá)1 000 MPa，即1 cm2能承受10 t以上的壓力。如果將這種材料用在車身上，在車身質(zhì)量幾乎沒有太大變化情況下，其承受力能提高30%，使汽車的剛強(qiáng)度達(dá)到全新水準(zhǔn)。

熱成型鋼板技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于極高的材料強(qiáng)度及延展性。一般的高強(qiáng)度鋼板的抗拉強(qiáng)度在400～450 MPa，而熱成型鋼材加熱前抗拉強(qiáng)度就已達(dá)到500～800 MPa，加熱成型后則提高至1 300～1 600 MPa，為普通鋼材的3～4倍。其不足之處在于模具的開發(fā)周期比較長(zhǎng)，成本比較高[3-4]。

2.2 輥壓技術(shù)

輥壓成型是由多對(duì)成型輥輪順次對(duì)板料變形，并向前送進(jìn)的輥壓成型。輥壓成型生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備輕巧，便于維護(hù)和調(diào)整，基本建設(shè)投資少，產(chǎn)品截面形狀可做到靈活多變，長(zhǎng)度也不受限制；厚度均勻，斷面上金屬分布合理，因而單位質(zhì)量的斷面系數(shù)較高；產(chǎn)品尺寸精度高，表面粗糙度低，接近于機(jī)械加工零件，開發(fā)周期短，相應(yīng)的成本也較低[5]。

3 優(yōu)化方案及結(jié)果分析

3.1 優(yōu)化方案

為滿足前部的進(jìn)風(fēng)量要求，將前橫梁的寬度縮小，同時(shí)考慮到項(xiàng)目的開發(fā)進(jìn)度和模具的成本及周期，改用輥壓成型的橫梁。前橫梁高度由168 mm減小為100 mm，優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比，如圖2所示。其斷面尺寸，如圖3所示。

從車身結(jié)構(gòu)輕量化角度分析，前橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，采用輥壓結(jié)構(gòu)，質(zhì)量減輕了1.5 kg。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 進(jìn)風(fēng)面積分析

經(jīng)計(jì)算該車型散熱器芯體面積為0.285 m2，格柵開孔正對(duì)散熱器芯體面積為0.085 m2，格柵開孔正對(duì)散熱器芯體面積與散熱器芯體面積比值為29.8%，基本接近30%，理論計(jì)算可以滿足要求。

3.2.2 前橫梁抗彎情況分析

對(duì)優(yōu)化前后的橫梁總成運(yùn)用Hypermesh前處理軟件，對(duì)3D數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分及模型搭建，設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)[6]。分析的依據(jù)關(guān)鍵在于保證優(yōu)化后前橫梁的抗彎性能與原結(jié)構(gòu)的性能一致。

通過對(duì)不同車型在64 km/h偏置碰撞仿真分析中前橫梁能量的吸收情況，根據(jù)能量守恒定理進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，運(yùn)用LS-DYNA進(jìn)行分析計(jì)算，斷面設(shè)置位置，如圖4所示。

圖5示出1-1，2-2截面抗彎性能仿真分析結(jié)果。碰撞中前橫梁關(guān)鍵位置的截面抗彎性能與原結(jié)構(gòu)的抗彎性能基本相同。從圖5a中可以看出，1-1截面處彎矩平均在3.2 kN·m，從圖5b可以看出，2-2截面處彎矩平均在3.2 kN·m。采用輥壓技術(shù)，縮短前橫梁的高度這樣既實(shí)現(xiàn)增加進(jìn)風(fēng)量空間，同時(shí)保證其橫梁的抗彎性能與原結(jié)構(gòu)相同。

3.2.3 整車仿真分析

對(duì)整車進(jìn)行64 km/h偏置碰撞仿真分析，前橫梁在碰撞位置處的變形折彎程度相同，如圖6所示，其中紅色部分為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，藍(lán)色部分為優(yōu)化結(jié)構(gòu)，吸能盒及碰撞側(cè)縱梁的變形情況基本相同。

圖7示出整車加速度波形，整車加速度波形的變化趨勢(shì)基本一致，表面優(yōu)化后橫梁的結(jié)構(gòu)性能與原結(jié)構(gòu)性能基本一致。

圖8示出優(yōu)化前后圍板在X方向不同位置的侵入情況。從圖9中可以看出，優(yōu)化前后前圍的整體侵入情況基本相同，表明橫梁的強(qiáng)度與原結(jié)構(gòu)基本相當(dāng)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 路試試驗(yàn)

對(duì)修改后的橫梁進(jìn)行路試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為怠速、爬坡及停走工況下水溫值分別是：96.2，103.7，98.7℃。試驗(yàn)后各工況均滿足要求。

4.2 碰撞試驗(yàn)

對(duì)改進(jìn)前后的前橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行整車的偏置碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)后前橫梁變形情況，如圖9所示，從圖9可以看出，橫梁的變形彎折程度基本相同。

圖10示出偏置碰撞試驗(yàn)中前橫梁三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果。在64 km/h正面偏置碰撞試驗(yàn)中，前橫梁的變形折彎情況相同。

5 結(jié)論

1）采用輥壓技術(shù)可以達(dá)到與現(xiàn)有技術(shù)相同的性能要求，同時(shí)解決進(jìn)風(fēng)量不足的問題；

2）輥壓技術(shù)的運(yùn)用可以達(dá)到車身結(jié)構(gòu)輕量化的效果，對(duì)其他車型的輕量化設(shè)計(jì)提供參考與借鑒；

3）文章針對(duì)某車型前橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，已通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證有效，能夠應(yīng)用于相關(guān)平臺(tái)車型安全性能的設(shè)計(jì)開發(fā)，具有實(shí)際意義。