張?bào)K超，石磊，韓非，肖華

（寶山鋼鐵股份有限公司研究院，汽車(chē)用鋼開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201900）

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基于輕量化的超高強(qiáng)鋼輥壓前防撞梁碰撞性能實(shí)驗(yàn)研究

張?bào)K超，石磊，韓非，肖華

（寶山鋼鐵股份有限公司研究院，汽車(chē)用鋼開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201900）

摘 要：參考C-NCAP2012版管理規(guī)則，建立了前防撞梁正碰性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?duì)采用不同強(qiáng)度、不同厚度規(guī)格的輥壓超高強(qiáng)鋼前防撞梁，完成了正碰對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究了材料強(qiáng)度、厚度對(duì)前防撞梁零件碰撞性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)同一強(qiáng)度材料，隨著厚度的增加，加速度峰值及變形量減??；對(duì)于同一厚度，隨著強(qiáng)度的增大，加速度峰值及變形量也減小。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)證明對(duì)于同一截面的前防撞梁零件，通過(guò)采用強(qiáng)度更高的材料，可以在實(shí)現(xiàn)輕量化的效果下，獲得接近或者相當(dāng)?shù)呐鲎残阅?，為前防撞梁零件設(shè)計(jì)與新車(chē)型零件選材提供了參考。

關(guān)鍵詞：超高強(qiáng)鋼；輥壓成形；前防撞梁；正碰實(shí)驗(yàn)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.047

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-141-05

前言

汽車(chē)前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)是汽車(chē)前端重要的碰撞安全裝置，主要包括保險(xiǎn)杠蒙皮、緩沖泡沫、前防撞梁、吸能盒等零件組成[1]，前防撞梁是其中的關(guān)鍵零件[2]，在低速碰撞（通常小于10 km/h）中，前防撞梁可用于保護(hù)翼子板、散熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等車(chē)身部件以節(jié)約維修成本[3-6]；在中低速碰撞（通常為10～20km/h）中，前防撞梁可以吸收掉大部分的碰撞能量，減小對(duì)車(chē)身和乘員的傷害[7-9]；在中高速碰撞（通常大于20km/h）中，前防撞梁主要起能量吸收和力傳導(dǎo)作用，是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙發(fā)生均勻穩(wěn)定變形的關(guān)鍵[10-11]。

隨著汽車(chē)碰撞安全和排放法規(guī)日益嚴(yán)苛，對(duì)前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)輕量化及碰撞性能提出了更高的挑戰(zhàn)，其中，前防撞梁的輕量化設(shè)計(jì)主要通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及采用比強(qiáng)度高的超高強(qiáng)鋼等輕量化材料得以實(shí)現(xiàn)[12-17]。與傳統(tǒng)冷沖壓工藝相比，輥壓成形工藝更容易控制回彈達(dá)到較好的成形精度，特別適宜于超高強(qiáng)鋼等延伸率低、回彈較大的材料加工，因而在白車(chē)身上得到了愈加廣泛的應(yīng)用[18]。

本文針對(duì)一典型輥壓前保險(xiǎn)杠防撞梁零件，建立了碰撞性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；采用CAE分析方法，選定了正碰實(shí)驗(yàn)碰撞速度，進(jìn)行了不同強(qiáng)度、厚度規(guī)格材料的前防撞梁正碰實(shí)驗(yàn)；研究了超高強(qiáng)鋼材料強(qiáng)度、厚度對(duì)前防撞梁零件碰撞性能影響，為前防撞梁零件設(shè)計(jì)與選材提供了參考。

1、前防撞梁碰撞性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 前防撞梁碰撞實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化總成

根據(jù)輥壓前防撞梁典型截面特征，本文設(shè)計(jì)的前防撞梁為開(kāi)口式對(duì)稱(chēng)截面，其特征及截面尺寸如圖1、圖2所示。實(shí)驗(yàn)用前防撞梁簡(jiǎn)化總成由前防撞梁、左右吸能盒與安裝板組成，吸能盒前端與前防撞梁進(jìn)行焊接，吸能盒后端與安裝板進(jìn)行焊接，焊接好的前防撞梁簡(jiǎn)化總成如圖3所示。其中，吸能盒選用材料為1.6mm DC01，安裝板選用材料為2.0mm HC340/590DP，前防撞梁選用了兩種不同強(qiáng)度、分別三種不同厚度、共6種不同規(guī)格的超高強(qiáng)鋼材料分別加工樣件，相關(guān)規(guī)格材料力學(xué)性能如下表1，其中選定1.4mm HC420/780DP為對(duì)比基準(zhǔn)對(duì)象。

圖1　研究用前防撞梁零件模型

圖2　研究用前防撞梁截面尺寸

表1　研究用前防撞梁材料規(guī)格

圖3　研究用前防撞梁簡(jiǎn)化總成

1.2 碰撞實(shí)驗(yàn)方案

依照2012版C-NCAP管理規(guī)則[19]，評(píng)價(jià)車(chē)輛碰撞安全性正面100%重疊剛性壁障碰撞實(shí)驗(yàn)速度分別為km/h。為更好的區(qū)分和評(píng)價(jià)不同強(qiáng)度材料對(duì)前防撞梁碰撞性能影響，本文通過(guò)CAE仿真的方法對(duì)100%重疊剛性壁障實(shí)驗(yàn)碰撞速度進(jìn)行了匹配設(shè)計(jì)。如圖4所示，為通過(guò)CAE仿真，獲得的不同碰撞速度下，前防撞梁與吸能盒的變形情況，通過(guò)不同速度下的碰撞CAE分析發(fā)現(xiàn)：對(duì)于本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?00%重疊碰撞選擇18km/h可以提高實(shí)驗(yàn)過(guò)程的穩(wěn)定性，從而獲得比較理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4　不同碰撞速度下吸能盒仿真變形情況

圖5　前防撞梁位移測(cè)量點(diǎn)示意圖

圖6　實(shí)驗(yàn)碰撞臺(tái)車(chē)示意圖

實(shí)驗(yàn)方案：實(shí)驗(yàn)前，前防撞梁簡(jiǎn)化總成固定在剛性墻上，碰撞臺(tái)車(chē)實(shí)際配重為1000±25kg，臺(tái)車(chē)以設(shè)定的速度對(duì)防撞梁簡(jiǎn)化總成進(jìn)行碰撞，實(shí)際碰撞速度18±0.5km/h。碰撞過(guò)程中可通過(guò)臺(tái)車(chē)搭載的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)臺(tái)車(chē)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，同時(shí)通過(guò)測(cè)量碰撞前后防撞梁中心和吸能盒內(nèi)側(cè)前端測(cè)點(diǎn)距剛性墻的距離，可以計(jì)算出防撞梁的侵入量Db和吸能盒的侵入量Da。防撞梁在剛性墻上的安裝、吸能盒位移測(cè)量點(diǎn)、防撞梁侵入量測(cè)量地點(diǎn)如圖5所示；碰撞臺(tái)車(chē)如圖6所示。

2、碰撞實(shí)驗(yàn)結(jié)果與性能評(píng)價(jià)

采用上述實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行了6種規(guī)格材料加工的前防撞梁的正碰實(shí)驗(yàn)，HC420/780DP材料三種不同厚度的前防撞梁正碰后防撞梁本體及吸能盒變形情況如圖7，HC550/980DP材料對(duì)應(yīng)情況如圖8所示。研究前防撞梁總成在正面碰撞后的的變形狀態(tài)可以看出，碰撞后，防撞梁被壓平，中部局部發(fā)生凹陷，具有折彎的趨勢(shì)，但整體外形保持完好，未發(fā)生明顯的大變形失效，也未發(fā)生開(kāi)裂；左右吸能盒發(fā)生明顯的層疊壓潰，變形模式較好，未出現(xiàn)明顯的變形異常和突變。表明實(shí)驗(yàn)的防撞梁變形模式和整車(chē)正面碰撞中防撞梁典型的變形模式基本一致，實(shí)驗(yàn)獲取的防撞梁變形狀態(tài)可以為整車(chē)正面碰撞中防撞梁的變形狀態(tài)提供一定參考。

大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在正面碰撞中，加速度和侵入量是兩個(gè)影響乘員傷害值最為關(guān)鍵的兩個(gè)指標(biāo)[20]。以下即以碰撞加速度及侵入量為對(duì)比參數(shù)，對(duì)比分析碰撞實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖8　HC550/980DP前防撞梁簡(jiǎn)化總成正碰實(shí)驗(yàn)后的變形狀態(tài)

2.1 碰撞加速度對(duì)比

如圖9所示，為兩種不同強(qiáng)度材料、分別三種不同厚度前防撞梁，碰撞實(shí)驗(yàn)后獲得的臺(tái)車(chē)加速度曲線。從圖9以看出，臺(tái)車(chē)加速度曲線具有3個(gè)比較明顯的波峰，這同吸能盒的層疊壓潰變形模式是一一對(duì)應(yīng)的。當(dāng)防撞梁被壓平，并將碰撞能量傳遞到左右兩側(cè)吸能盒，在吸能盒結(jié)構(gòu)在發(fā)生初速屈服的這一過(guò)程中，碰撞支反力逐漸升高，從而出現(xiàn)第一個(gè)加速度峰值。此后吸能盒發(fā)生一級(jí)壓潰，支反力降低，加速度降低。當(dāng)吸能盒一級(jí)壓潰空間不足時(shí)，隨著材料硬化和后續(xù)結(jié)構(gòu)的變形抗力增大，支反力增大，加速度再次升高。當(dāng)支反力增大至一定程度時(shí)，后續(xù)結(jié)構(gòu)發(fā)生二級(jí)壓潰，同時(shí)支反力開(kāi)始下降，加速度降低。在吸能盒交替層疊變形的過(guò)程中，碰撞能量被逐漸吸收。當(dāng)碰撞剩余能量不足以使吸能盒繼續(xù)發(fā)生交替層疊壓潰時(shí)，加速度曲線不再發(fā)生比較明顯的波動(dòng)，碰撞過(guò)程也趨于結(jié)束。

圖9　正面碰撞臺(tái)車(chē)加速度曲線

加速度峰值對(duì)比如圖10所示。從圖10可以看出，整個(gè)碰撞過(guò)程中的臺(tái)車(chē)加速度峰值A(chǔ)max具有隨防撞梁t增加而減小的趨勢(shì)。對(duì)于材料為HC420/780DP的防撞梁，當(dāng)t由1.2mm分別增大至1.4mm和1.6mm時(shí)，Amax由15.3g分別減小至15.1g和14.7g；對(duì)于材料為HC550/980DP的防撞梁，當(dāng)t由1.2mm分別增大至1.4mm和1.6mm時(shí)，Amax由14.6g分別減小至13.2g和12.4g。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，采用1.2mm的HC550/980DP，與1.6mm的HC420/780DP的加速度非常接近。

圖10　正面碰撞臺(tái)車(chē)加速度峰值對(duì)比

2.2 臺(tái)車(chē)位移及防撞梁侵入量對(duì)比

如圖11所示，為碰撞實(shí)驗(yàn)后臺(tái)車(chē)的位移Dv隨碰撞時(shí)間T的變化曲線，也反饋了碰撞后的臺(tái)車(chē)侵入量情況?？梢钥闯觯S著材料強(qiáng)度與厚度增大，碰撞后臺(tái)車(chē)位移呈減小的趨勢(shì)；且碰撞結(jié)束反彈時(shí)間也會(huì)相應(yīng)的提前。

圖11　正面碰撞臺(tái)車(chē)位移曲線

防撞梁最大變形量如圖12所示。從圖12中可以看出，防撞梁最大變形量與臺(tái)車(chē)位移變化呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。即對(duì)于同一強(qiáng)度材料，隨著厚度的增加，變形量減小；對(duì)于同一厚度，隨著強(qiáng)度的增大，變形量減小。

一般希望在降低加速度峰值的情況下也減小侵入量，從而達(dá)到對(duì)乘員最大的保護(hù)效果。對(duì)于HC420/780DP和HC550/980DP兩種材料不同厚度防撞梁，當(dāng)厚度由1.2mm逐漸增大至1.6mm時(shí)，Amax、Dvmax、Db、Da均有不同程度的減小。當(dāng)防撞梁厚度增加時(shí)，防撞梁被壓平時(shí)吸收的碰撞能量增大，減小了后續(xù)碰撞的能量輸入，因此防撞梁和吸能盒的侵入量減小，也使得臺(tái)車(chē)反彈時(shí)間略有提前。厚度增大使防撞梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)，力傳導(dǎo)作用更加穩(wěn)定，一定程度減小了支反力的波動(dòng)，從而使加速度曲線波峰和波谷的差值減小，降低了加速度峰值。

圖12　不同規(guī)格超高強(qiáng)材料碰撞結(jié)果對(duì)比

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜合對(duì)比不同規(guī)格超高強(qiáng)鋼材料碰撞實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，1.2mm HC550/980DP與1.4mm HC420/780DP材料碰撞表現(xiàn)基本相當(dāng)，在保證碰撞性能相當(dāng)?shù)那疤嵯?，使?.2mm 980DP替代1.4mm 780DP可以獲得約14%的輕量化效果；1.4mm 980DP材料碰撞性能優(yōu)于1.6mm 780DP；1.6mm 980DP碰撞表現(xiàn)最佳，但與1.4mm980DP相比提升不顯著，且不具備輕量化效果。因此，在前保險(xiǎn)杠防撞梁設(shè)計(jì)選材時(shí)，根據(jù)車(chē)型性能目標(biāo)差異，推薦優(yōu)先選用1.2mm 980DP或1.4mm 980DP來(lái)保證較好的碰撞性能與輕量化效果。

由此可見(jiàn)，對(duì)于同一截面的前防撞梁零件，通過(guò)采用強(qiáng)度更高的材料，可以在實(shí)現(xiàn)輕量化的效果下，獲得接近或者相當(dāng)?shù)呐鲎残阅堋?/p>

3、結(jié)論

本文基于一典型的輥壓前防撞梁零件，參考2012版C-NCAP管理規(guī)則，確定了前防撞梁總成碰撞性能實(shí)驗(yàn)方案，并對(duì)目前常用超高強(qiáng)鋼材料碰撞性進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

1）選定了合理的正面碰撞實(shí)驗(yàn)速度，保證了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的前防撞梁變形過(guò)程穩(wěn)定，變形模式和整車(chē)正面碰撞中防撞梁典型的變形模式基本一致，可以較好的反映和區(qū)分不同材料碰撞性能差異。

2）對(duì)于同一截面的前防撞梁零件，隨著材料厚度與強(qiáng)度的增加，臺(tái)車(chē)碰撞最大侵入量與加速度峰值呈下降趨勢(shì)，有助于降低碰撞過(guò)程可能對(duì)乘員造成的傷害。

3）對(duì)比了常用超高強(qiáng)鋼材料碰撞性能差異，對(duì)于同一截面的前防撞梁零件，通過(guò)采用強(qiáng)度更高的材料，可以在實(shí)現(xiàn)輕量化的效果下，獲得接近或者相當(dāng)?shù)呐鲎残阅埽瑸樾萝?chē)型零部件選材設(shè)計(jì)提供了參考。

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工藝裝備

Study on the FrontAL Impact Performance Based on the Roll-formed Lightweight UHSS Front Bumper

Zhang Jichao, Shi Lei, Han Fei, Xiao Hua
( Research Institute, Baoshan Iron & Steel Co., Ltd, State Key Laboratory of Development and Application Technology of Automotive Steels, Shanghai 201900 )

Abstract:In this paper a frontal impact experiment system is built according to C-NCAP 2012 regulations and a series of experiments are carried out to study the influence of UHSS material strength and thickness on the front bumper’s frontal impact performance.The experimental result shows that deformation and peak acceleration decreases as the material thickness increases for the same material strength and likewise as the material strength increases for the same material thickness.Also the result shows that lightweight effect can be achieved through the use of higher strength material without losing frontal impact performance, which can provide reference for the material selection during new model car development.

Keywords:UHSS; roll-forming; front bumper; frontal impact experiments

作者簡(jiǎn)介：張?bào)K超，就職于寶山鋼鐵股份有限公司研究院。

中圖分類(lèi)號(hào)：U467.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)03-141-05