胡紅舟,鐘志華

(湖南大學(xué),汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室,長沙 410082)

前言

汽車安全和節(jié)能是汽車技術(shù)發(fā)展的兩大永恒主題,但往往也是一對矛盾。汽車輕量化是節(jié)能的重要途徑,但是簡單的結(jié)構(gòu)輕量化可能影響汽車的安全性,尤其是汽車的碰撞安全性。另一方面,汽車輕量化又不一定會減弱汽車的安全性,包括汽車的碰撞安全性。其中,最重要的是要通過應(yīng)用新材料和新結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)輕量化前提下的高性能,尤其是碰撞安全性。

汽車結(jié)構(gòu)輕量化有多種途徑,文獻[1]～文獻[4]中分別討論了應(yīng)用高性能鋼板、高性能鋁合金和碳纖維等新材料及其優(yōu)化新結(jié)構(gòu)的相關(guān)理論與應(yīng)用情況。文獻[5]和文獻[6]中描述了鋁合金在車門和發(fā)動機罩等的應(yīng)用；文獻[7]～文獻[10]中描述了碳纖維在前后保險杠到翼子板等的應(yīng)用。目前,乘用車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的鋼板性能在不斷提高,強度普遍達到600MPa以上,有的甚至高達1 000MPa；不同的新材料和新結(jié)構(gòu)有不同的工藝特點和成本需求。高強度鋼沖壓成型面臨新的挑戰(zhàn),但焊裝工藝比較成熟；而鋁合金的沖壓與焊裝都比高強度鋼的難度大,但輕量化效果較好；碳纖維輕量化效果潛力很大,但大規(guī)模推廣的工藝性和成本問題有待進一步解決。一個綜合利用上述不同材料優(yōu)點的方案是將不同的材料用于汽車結(jié)構(gòu)的不同部位,以最大限度地發(fā)揮其特長,減少其不足帶來的制造工藝和成本影響。本文中正是為了探索綜合利用鋼板和鋁合金板的優(yōu)點,提出一種高性能的輕量化汽車防撞梁設(shè)計方案,以兼顧汽車碰撞安全性和汽車節(jié)能的要求。

1 現(xiàn)有的汽車防撞梁的典型結(jié)構(gòu)及其不足

圖1為典型的汽車防碰撞骨架結(jié)構(gòu),其中最為關(guān)鍵的梁包括碰撞緩沖吸能前縱梁、門檻縱梁、B-柱梁和防火墻橫梁等。碰撞緩沖吸能前縱梁是在如圖2的正面碰撞和如圖3所示的偏置碰撞中緩沖吸能的主要結(jié)構(gòu),其壓潰后的典型變形模式如圖4所示。這種情況下,縱梁變形越充分越好,因為這樣吸收的碰撞能量也越多,能更好地保護駕乘人員。而門檻縱梁、B-柱梁和防火墻橫梁等乘員安全空間的周邊主結(jié)構(gòu)應(yīng)該是在給定的重量條件下剛性越大越好,這一方面是為了在如圖5所示的側(cè)面碰撞中對駕乘人員提供最佳保護,另一方面是為了在如圖2和圖3所示的正碰撞和偏置碰撞中為前縱梁的足夠變形提供反作用力支撐,并使乘員空間變形盡可能地小,以更好地保護駕乘人員。

圖1 乘用汽車的典型碰撞緩沖吸能結(jié)構(gòu)

B-柱梁和防火墻橫梁等一般為矩形截面,如圖6所示,其中截面的寬度一般是高度的1.5倍以上,且一般都是高度方面受力最嚴重,造成如圖7所示的彎曲變形。為加強這種梁,除使用高強度鋼和增大鋼板厚度外,常用的方法還有設(shè)置加強件,如圖8所示。加強件雖然能夠增加梁的強度和剛度,但同時也增加了高精度復(fù)雜零件數(shù)、焊裝工作量和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。因此,積極尋找其他更加簡單和輕量化的加強方式十分有意義。

圖2 乘用汽車的典型正面碰撞變形情況

圖3 乘用汽車的典型偏置碰撞變形情況

圖4 典型緩沖吸能梁壓潰后的典型變形模式

圖5 乘用汽車的典型側(cè)面碰撞變形情況

圖6 矩形截面防撞梁示意圖

圖7 防撞梁彎曲變形案例

圖8 矩形截面防撞梁加強方法示意圖

圖9 方形門檻縱梁及其加強結(jié)構(gòu)簡化示意圖

門檻縱梁的截面更接近如圖9所示的方形梁,而且在兩個方向都可能受到嚴重的碰撞載荷,即側(cè)撞時的碰撞載荷和汽車墜崖時來自底部的碰撞載荷。所以,這樣的梁需要至少兩個方向的同時加強,如圖9所示。但是圖9中的加強件是一個擠壓出來的鋁合金件,至少存在兩個缺點:一是受擠壓工藝的局限,加強梁只能是等截面的,不能用來加強變截面的門檻梁,不利于門檻梁的優(yōu)化設(shè)計；二是增加的額外質(zhì)量比較大。針對上述已有的加強方案不足,本文中開展了新的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計研究,并通過仿真和實驗來驗證其有效性。

2 基于鋁合金波紋板加強的矩形防撞梁設(shè)計

從圖1所示的典型汽車防撞結(jié)構(gòu)、圖2、圖3和圖5所示的典型汽車碰撞變形模式可以看出,前后縱梁以縱向壓潰變形為主,且占車身骨架總質(zhì)量的比例很小,一般小于10%,而其余骨架梁以彎曲變形為主,且占車身骨架的總質(zhì)量比例很大,一般大于90%。因此研究以彎曲變形為主的汽車防撞梁的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的實際工程意義?？紤]到不同方向的碰撞載荷,上述防撞梁一般以矩形截面為主,如圖10(a)所示,其中矩形梁的上下兩個U形件通過焊接連接。在矩形梁外部受到作用力時,橫向外載容易使U形組件發(fā)生局部變形,如圖10(b)所示,這時,橫向載荷就不能直接傳遞到下面的U形件。因此,在較小的集中載荷下,梁就會因為加載處的局部變形而發(fā)生如圖7所示的失穩(wěn)變形,其中梁的兩端為簡單鉸接支撐。如果矩形截面梁置于剛性平面,當上面受局部載荷作用時,容易發(fā)生如圖11所示的失穩(wěn)變形。

圖10 矩形截面梁

圖11 均布載荷作用下矩形空心梁的失穩(wěn)變形模式

為了防止局部變形,充分發(fā)揮矩形梁的防撞作用,本文中研究了采用如圖12所示的鋁合金波紋板對矩形梁進行加強,如圖13所示。

圖12 典型三角波紋板結(jié)構(gòu)及其特征參數(shù)

圖13 帶鋁合金加強波紋板的矩形截面梁變形狀況截圖

上述加強結(jié)構(gòu)方案的工作原理如下。當橫向載荷作用在梁的加強方向時,波紋板能夠?qū)⒘ν瑫r傳遞給梁的另一側(cè),形成梁上面整體受壓,下面整體受拉的受力狀態(tài)。只有當橫向載荷導(dǎo)致波紋板被壓潰時,傳遞到下面的力才受到限制,這時,梁就會發(fā)生失穩(wěn)變形。因此,通過波紋板加強能顯著提高矩形梁的承載能力。波紋板的特征參數(shù)對其加強效果和輕量化效果有重要影響,可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇和優(yōu)化?？紤]到制造工藝性,波紋板可設(shè)計成不同的結(jié)構(gòu)特征,如圖14所示。

圖14 其他結(jié)構(gòu)特征的波紋板

當防撞梁可能在兩個方向受到撞擊力時,可采用鋁合金“十字形”波紋板結(jié)構(gòu)加強,如圖15所示,其中鋁合金“十字形”波紋板結(jié)構(gòu)如圖16所示?！笆中巍辈y板由橫向波紋板和豎向波紋板組成,一般橫向波紋板為整板,而豎向波紋板由上下兩塊板組成,分別焊在橫向波紋板的上面和下面。但為提高抗碰撞載荷的能力,上下兩塊豎向波紋板應(yīng)對齊并通過點焊與橫向波紋板固連。梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)和“十字形”波紋板結(jié)構(gòu)參數(shù)皆可根據(jù)實際應(yīng)用的需要進行設(shè)計和優(yōu)化。

圖15 “十字形”波紋板結(jié)構(gòu)加強型碰撞緩沖吸能梁的三維示意圖

圖16 鋁合金“十字形”波紋板結(jié)構(gòu)示意圖

3 鋁合金波紋板加強防撞梁受力變形的建模與仿真

本文中運用有限元軟件ABAQUS分析和比較了不同結(jié)構(gòu)特征的鋁合金波紋板對防撞梁強度的增強效果。波紋板加強結(jié)構(gòu)可以是“一字形”,即在一個受力方向上布置有波紋板,如圖13所示,也可以是“十字形”,即在兩個受力方向上都布置有波紋板,如圖16所示。兩種結(jié)構(gòu)所采用波紋板的形狀和尺寸可根據(jù)具體變化。

表1列出了用于本研究的5個有限元模型的尺寸和相關(guān)的加載與約束方式。其中“+”表示“十字形”波紋板加強結(jié)構(gòu),“—”表示“一字形”波紋板加強結(jié)構(gòu)。與表1對應(yīng)的有限元模型如圖17～圖21所示。梁和波紋板的單元類型均定義為殼單元。圖22為“十字形”波紋板的有限元網(wǎng)格。為方便矩形梁與波紋板的連接定義,矩形梁的網(wǎng)格劃分在其內(nèi)表面,而波紋板的網(wǎng)格劃分在中性面?！笆中巍辈y板結(jié)構(gòu)由兩塊小波紋板和一塊大波紋板通過點焊或線焊連接而成,如圖23所示,圖中的小方框為點焊的定義。圖24(a)為波紋板和矩形梁內(nèi)壁之間的邊對面接觸定義(無空隙)；圖24(b)為剛性圓柱體和矩形梁之間的面對面接觸定義。圓柱體用于施加集中載荷,其直徑為60mm。

表1 矩形梁有限元模型主要特征參數(shù)

圖17 模型1有限元模型網(wǎng)格圖

圖18 模型2有限元模型網(wǎng)格圖

圖19 模型3有限元模型網(wǎng)格圖

圖20 模型4有限元模型網(wǎng)格圖

圖21 模型5有限元模型網(wǎng)格圖

圖22 波紋板有限元網(wǎng)格

圖23 波紋板間的連接

圖24 接觸定義

本文中采用上述5個模型主要基于如下考慮。模型1和模型2主要用來分析,在小變形下各參數(shù)(表2)對梁的承載能力的影響。為減少邊界條件對梁變形的影響,模型2中梁的長度為模型1中梁的長度的10倍。由于在小變形下,梁的結(jié)構(gòu)和變形都具有對稱性,所以模型1和模型2在建模時都利用了對稱性來減少工作量。模型3和模型4用來分析在大變形下,波紋板對梁的承載能力的影響。此時梁的變形不再符合對稱假設(shè),因此模型3和模型4均采用全尺寸。模型5與模型4的結(jié)構(gòu)和尺寸相同,但梁由兩端支撐改為底面支撐,載荷也由集中載荷改為均布載荷。在模型3～模型5的有限元分析中,梁均加載至失效。

表2 模型的主要參數(shù)及范圍

本文中研究的矩形梁在實際工況中,主要承受彎曲和擠壓,因此仿真和試驗均圍繞這兩種工況進行。通過比較梁的變形和能承受的載荷,找出波紋板相關(guān)參數(shù)對梁的變形和抗載能力的影響。

有限元模型中的主要材料參數(shù)見表3。采用彈塑性材料模型,其近似的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖25所示。因為不同模型采用同一組材料模型和參數(shù),其參數(shù)取值并不實質(zhì)影響不同結(jié)構(gòu)性能對比。也就是說,同類結(jié)構(gòu)即使材料性能在一定范圍變化,其結(jié)構(gòu)性能的特征是類似的。所以,相關(guān)結(jié)果也可反映不同強度的鋼板和鋁合金材料的組合。

表3 材料定義

圖26為模型1中的波紋板加強梁在高度和寬度兩個方向受均布載荷(1MPa)時的位移云圖。該模型共考慮了波紋板的4個參數(shù),即波紋的長度、高度、波紋板厚和點焊個數(shù),對梁的最大變形的影響。該模型在方向1即梁的高度方向上有兩塊波紋板,它們之間通過點焊連接到寬度方向上的一塊整板上,它們之間的力也是通過點焊傳送。建模時,模型中波紋的長度(個數(shù))和高度都有不同的取值。表4～表6示出波紋高度、長度和點焊數(shù)量在不同載荷方向上對梁的最大變形的影響。

圖25 仿真模型的材料曲線

圖26 模型1十字波紋板梁在兩個方向加載時的位移云圖

表4 方向1加載條件下梁的最大變形 mm

表5 方向2加載條件下梁的最大變形 mm

表6 點焊數(shù)量6個時梁的最大變形 mm

模型1的仿真結(jié)果表明,梁的最大變形與加載方向和各參數(shù)有關(guān)。在方向1加載時,隨著點焊個數(shù)增加,梁的變形減小(表4)。由于點焊的定義會影響到梁的變形,所以表4和表6中波紋高度和長度對梁最大變形的影響還存在一定的不確定性。在方向2加載時,點焊個數(shù)對梁的變形基本無影響。波紋長度和梁的最大變形成正比,而波紋高度和板厚則和梁的變形成反比(表6)?！笆中巍辈y板的承載能力主要受平行于載荷方向的波紋板的影響。

模型2在模型1的基礎(chǔ)上,梁的長度增加到10倍,同時均布載荷減少為0.1MPa,梁的應(yīng)力水平還處在彈線性范圍內(nèi)。由于此時彎曲變形占主導(dǎo),波紋板參數(shù)對梁最大變形的影響減弱。

模型3～模型5分析了大變形下波紋板對梁的抗彎和抗壓載荷的影響,其中波紋高和長分別為14和60mm。圖 27為空心矩形梁(模型 3,厚度1.2mm)和波紋板加強梁在集中載荷下,加載到失效時的應(yīng)力云圖對比。對“十字形”波紋板而言,提高梁抗載能力的主要貢獻來自和載荷平行的波紋板,該結(jié)論也和模型1的結(jié)論一致。

圖27 模型3加載到失效時的應(yīng)力云圖

圖28為模型4中的梁在均布載荷的作用下,加載到失效時的應(yīng)力云圖對比。空心矩形梁承受的最大載荷約為0.29MPa,隨即失穩(wěn),位移迅速增加,而波紋板加強梁相應(yīng)的載荷約為0.34MPa。從圖中可看出,空心矩形梁的塑性變形集中在中間一小部分,而波紋板加強梁的塑性變形范圍則大很多,最大應(yīng)變的增幅卻不大。波紋板不但起到了加強梁的抗載強度的作用,也起到了分散載荷和吸收能量的效果。而在實際運用中,通過改變波紋板的參數(shù),梁的載荷能力還有較多的提升空間。

圖28 模型4加載到失效時的應(yīng)力云圖

圖29為模型5中的梁在純壓力工況時,加載到失效時的應(yīng)力云圖對比。結(jié)果表明,波紋板對梁的抗壓能力提高明顯。在同等質(zhì)量的條件下,波紋板對梁的抗壓能力能提高到空心矩形梁的2到3倍。因此,在受壓工況下,波紋板能顯著提高結(jié)構(gòu)的抗壓能力。

圖29 模型5加載到失效時的應(yīng)力云圖

圖30 彎曲試驗梁變形結(jié)果比較

4 試驗驗證

為了驗證上述理論與仿真分析的結(jié)果,本文中以模型3和模型4為基礎(chǔ),開展了梁在集中載荷和分布載荷下的試驗,并與仿真結(jié)果進行對比。在試驗中,3種梁,即空心矩形梁、“一字形”波紋板和“十字形”波紋板加強梁,均加載到失效。圖30為梁在集中載荷下試驗和仿真的變形結(jié)果對比。從變形圖來看,梁的試驗和仿真變形模式吻合得很好。圖31為相應(yīng)的載荷位移曲線的對比。仿真和試驗結(jié)果均顯示了波紋板對梁的抗載能力的加強。加強效果約達30%,試驗結(jié)果要好于仿真結(jié)果。試驗和仿真曲線也顯示了相同的載荷特征,其中空心梁的試驗和仿真曲線吻合得較好。

圖31 載荷位移曲線-集中載荷

圖32為均布載荷下相應(yīng)的載荷位移曲線,其中均勻載荷已換算為在載荷方向的等效力。無波紋板時,試驗和仿真的最大載荷值接近,而有波紋板時,試驗數(shù)據(jù)大于仿真值。波紋板對梁的抗載能力的改善效果約達20%,試驗結(jié)果好于仿真結(jié)果。

圖32 載荷位移曲線 分布載荷

造成仿真和試驗結(jié)果差異的原因有以下幾個方面:實際材料的強度和仿真模型的參數(shù)不完全一致；梁和波紋板的厚度也有一定的波動；試驗加載方式與理論加載方式存在一些誤差。另外試驗所用的梁是通過焊接組裝而成的,焊接處的強度會大于實際的薄板強度。材料失效方式也有不同,在彎曲試驗中,有部分梁在最大應(yīng)力點出現(xiàn)局部斷裂,而有的梁只在同一區(qū)域產(chǎn)生塑性變形。但總的來講,試驗和仿真所得的載荷位移曲線相近,波紋板的加強作用得到驗證。

5 結(jié)論

本文中通過建模和仿真研究了波紋板的不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)對防撞梁加強作用的影響,并進行了試驗驗證。仿真和試驗結(jié)果表明,波紋板對提高矩形梁的強度和剛度,特別是受壓情況下的強度和剛度,效果明顯。在實際運用中,可通過不同的鋁合金波紋板和鋼材空心矩形梁的組合,來實現(xiàn)提高結(jié)構(gòu)的載荷能力或減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的目的。一般來說,前后防撞縱梁不需要采用波紋板結(jié)構(gòu)從梁的內(nèi)部來加強,因為這些縱梁都要求變形盡量大,以實現(xiàn)同等材料條件下的最大吸能。對于門檻縱梁和門頂縱梁,由于要考慮來源于側(cè)撞的沖擊力和墜崖與翻滾帶來的上部或下部的沖擊力,有必要采用“十字形”波紋板加強結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對兩個相互垂直方向的加強。對于A-柱、B-柱和C-柱主要考慮來自側(cè)向的沖擊力,只需采用“一字形”波紋板加強結(jié)構(gòu)。對于防火墻部位的前部橫梁,一般只需要考慮前碰撞帶來的沖擊力,采用“一字形”波紋板加強結(jié)構(gòu)即可。對于底部或頂部的橫梁,只需要考慮來自頂部或底部的垂直沖擊力,因此也只須采用“一字形”波紋板加強結(jié)構(gòu)。