徐鑫 ，林利 ，丁庶煒 ，李春林 ，劉仁東

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009；2.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實驗室，遼寧沈陽110819）

隨著汽車制造商對汽車輕量化的要求越來越高，很多新車型在概念設(shè)計階段極大程度地減小鋼板厚度[1]，同時還會適當(dāng)?shù)亟档途植拷Y(jié)構(gòu)的配置級別，如一些新車型已簡化了后保險杠總成的局部鋼結(jié)構(gòu)。因此，在汽車發(fā)生倒車碰撞或追尾事故時，后縱梁作為后碰的主要吸能部件，其耐碰撞性能的好壞直接決定著汽車安全性能的優(yōu)劣[2]。

目前汽車輕量化概念方案的研究與實施主要集中在車身結(jié)構(gòu)的中前部，對于汽車后縱梁的輕量化技術(shù)研究比較少[3]。通過長期深入汽車主機(jī)廠開展對新車型的輕量化項目的研究，研究人員了解到汽車后縱梁區(qū)域也存在輕量化技術(shù)方案的可實施空間，并著重考慮了后縱梁的載荷傳遞和碰撞能量吸收特性對汽車碰撞安全性的影響，提出了利用激光拼焊板（TWB）結(jié)構(gòu)對某汽車后縱梁進(jìn)行輕量化改進(jìn)的方法。

1 建立后縱梁簡化模型

考慮到整車碰撞仿真分析具有耗時長、計算量大等問題，將后縱梁整體結(jié)構(gòu)從整車有限元模型中提取出來，具體包括后保險杠、吸能盒、后縱梁等零部件，建立了后縱梁與剛性墻碰撞的有限元模型，如圖1所示。其中初始條件為:完全固定剛性墻，約束其所有自由度；后縱梁最前端距離剛性墻為10 mm；后縱梁以20 km/h的速度沿X軸正方向撞擊剛性墻；CAE計算終止時間設(shè)為50 ms；設(shè)置時間步長為0.5 μs。

圖1 后縱梁有限元模型

2 后縱梁TWB結(jié)構(gòu)輕量化方案

后縱梁原結(jié)構(gòu)設(shè)計采用點(diǎn)焊搭接的方式，即梁的前段與后段通過搭接邊焊接的方式連接，共需要5個焊點(diǎn)。通過分析點(diǎn)焊搭接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計，針對該縱梁結(jié)構(gòu)制定兩個輕量化方案，見表1。

表1 后縱梁輕量化方案

方案一在點(diǎn)焊搭接處采用TWB結(jié)構(gòu)，取消搭接邊與焊點(diǎn)，前段采用高強(qiáng)鋼DP800，材料厚度為1.2 mm，后段采用高強(qiáng)鋼DP600，材料厚度為1.8mm。

方案二與方案一類似，依然采用TWB結(jié)構(gòu)，但將焊縫位置移至距離后縱梁前端600 mm處，前段采用高強(qiáng)鋼DP800，材料厚度增至1.4 mm，后段采用高強(qiáng)鋼DP600，材料厚度降至1.6 mm。

新設(shè)計的后縱梁結(jié)構(gòu)相對于原設(shè)計方案都實現(xiàn)了輕量化。方案一取消了點(diǎn)焊搭接邊結(jié)構(gòu)，激光拼焊板焊縫位置設(shè)置在后縱梁前段尾端，相對于原設(shè)計結(jié)構(gòu)實現(xiàn)單側(cè)減重0.25 kg；方案二對后縱梁的前、后段的厚度進(jìn)行重新設(shè)計，實現(xiàn)單側(cè)減重0.58 kg。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 碰撞能量吸收分析

對于碰撞能量吸收，主要考察在碰撞過程中后縱梁前段和后段兩個零部件的能量吸收情況[4],具體見圖2。

原設(shè)計后縱梁結(jié)構(gòu)總吸收能為173 494.56 J，而方案一和方案二后縱梁結(jié)構(gòu)總吸能均有所增加。其中，方案一總吸能為182 404.03 J，方案二總吸能為194 537.3 J，具體數(shù)據(jù)見表2。由于后縱梁前、后段分別采用DP800和DP600高強(qiáng)鋼材料，因此，在碰撞過程中前段強(qiáng)度大，主要起傳遞載荷作用，而后段強(qiáng)度略低，起吸收碰撞能量作用，這些都符合車身結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則。

圖2 后縱梁總碰撞吸能

表2 后縱梁總碰撞吸能對比

3.2 加速度峰值分析

為了更好地對比加速度峰值數(shù)據(jù)，將加速度計布置在后縱梁，觀察碰撞過程加速度峰值變化情況。當(dāng)最大載荷傳遞至縱梁時，加速度達(dá)到第二個峰值，因此將第二個峰值作為衡量目標(biāo)。

圖3為后縱梁加速度峰值，由圖3可知，方案一中第二個加速度峰值較原方案略有提升；方案二中第二個加速度峰值有所降低，且達(dá)到峰值時間延后，在一定程度上提升了整車碰撞的安全性。質(zhì)量是輕量化方案設(shè)計主要考慮的指標(biāo),輕量化方案與原設(shè)計的仿真試驗數(shù)據(jù)對比見表3。

圖3 后縱梁加速度峰值

表3 后縱梁改進(jìn)前后的數(shù)據(jù)對比

輕量化方案一中后縱梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為6.76 kg，相對于原設(shè)計方案實現(xiàn)減重3.57%，碰撞總吸能達(dá)到182 404.03 J，相對于原設(shè)計方案增加6.21%，但加速度峰值提高了6.7%，對于碰撞安全性能會產(chǎn)生不利的影響。輕量化方案二中后縱梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為6.43 kg，相對于原設(shè)計方案減重8.27%，碰撞吸能增加12.13%，加速度峰值降低22.8%，在保證碰撞安全性能的同時，兼顧輕量化和能量吸收的要求，因此方案二在輕量化方案設(shè)計過程中具備可行性。

4 結(jié)論

（1）汽車后縱梁輕量化方案二比原設(shè)計方案零件總重量減少了8.27%，碰撞能量吸收提高了12.13%，加速度峰值降低了22.8%；

（2）采用激光拼焊板的汽車后縱梁通過工藝優(yōu)化，在減重的同時，也提升了碰撞能量吸收，降低了局部加速度峰值，從而改良車身零部件的耐碰撞性能，提高了車身的被動安全性能。