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(jì)和優(yōu)化方法，承載強(qiáng)度CAE分析，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了拖車(chē)鉤強(qiáng)度性能。截面設(shè)計(jì)、空間布置和強(qiáng)度分析的方法，為鋁合金防撞梁的開(kāi)發(fā)提供了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證參考。

關(guān)鍵詞：鋁合金防撞梁;拖車(chē)鉤;強(qiáng)度分析

0 引言

隨著汽車(chē)“雙積分”政策實(shí)施，低能耗和高續(xù)航里程需求的發(fā)展，車(chē)身輕量化的要求日益突出。車(chē)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(guò)更合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化將重量做得更輕。探索新材料、新工藝條件下汽車(chē)重要安全零部件或總成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是汽車(chē)設(shè)計(jì)方面歷久彌新的課題。實(shí)現(xiàn)輕量化的措施有兩種：一是選用比強(qiáng)度高的新材料;二是設(shè)計(jì)更緊湊、承載性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)。通常這兩種方式同時(shí)采用、相互促進(jìn)。近年來(lái)，鋁合金材料的研究和應(yīng)用越來(lái)越成熟，鋁合金零件在整車(chē)上占的比重不斷增大。鋁合金防撞梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)方法，以及強(qiáng)度性能分析，并通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)試了拖車(chē)鉤的承載能力。

1 鋁合金防撞梁設(shè)計(jì)方法

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料應(yīng)用

鋁合金防撞梁是鋼鋁混合車(chē)身的一個(gè)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(wú)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(guò)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(shì);無(wú)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(qiáng)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(shì)，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(jìn)行剛度強(qiáng)度匹配，合理地實(shí)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(qiáng)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(hào)。6082強(qiáng)度更高，抗斷裂性能優(yōu)于6063。某SUV車(chē)型的防撞梁本體采用6082，吸能盒采用6063。防撞梁本體對(duì)材料強(qiáng)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(guò)內(nèi)部微觀(guān)組織檢測(cè)、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(jì)方法

前防撞梁的截面形式對(duì)剛強(qiáng)度和重量有密切的關(guān)聯(lián)。不同車(chē)型的防撞梁，其剛強(qiáng)度和耐撞性通常都有一個(gè)最優(yōu)的匹配組合形式。對(duì)鋁合金防撞梁可以用三點(diǎn)抗彎的方法研究其強(qiáng)度以及吸能性，建立起關(guān)鍵的參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，使得防撞梁能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，即：強(qiáng)度性能得到提升，重量明顯降低。采用DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)。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(kāi)展。

（1）建立鋁合金橫梁的三點(diǎn)抗彎LS-Dyna模型。

（2）通過(guò)isight調(diào)用LS-Dyna，采用優(yōu)化拉丁算法進(jìn)行DOE試驗(yàn)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(biāo)，約束重量不得超過(guò)5.0kg;Ei為結(jié)構(gòu)的三點(diǎn)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(biāo)遺傳算法（NSGA-Ⅱ）進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，得出最優(yōu)組合。

某SUV經(jīng)過(guò)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(hù)裝置法規(guī)要求，在低速碰撞中，為了降低車(chē)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(jì)可參考以下經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(qiáng)度分析

2.1 拖車(chē)鉤強(qiáng)度

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

拖車(chē)鉤強(qiáng)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(biāo)要求的0.05，滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2.2前端模塊承載強(qiáng)度

前端模塊通過(guò)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(jìn)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(dòng)三個(gè)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(qiáng)度，失效風(fēng)險(xiǎn)較小。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

將某SUV前防撞梁總成的試制樣件，通過(guò)工裝夾具安裝到試驗(yàn)臺(tái)架上。裝配上拖車(chē)鉤后，參考GB 32087-2015法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行X向拉伸和壓縮、水平偏25°和豎直方向偏5°的極限試驗(yàn)，如圖7所示。試驗(yàn)得出：拉裂失效時(shí)刻的最小極限承載力為14.5kN，超過(guò)法規(guī)換算標(biāo)準(zhǔn)要求的9.65kN，拖車(chē)鉤強(qiáng)度滿(mǎn)足法規(guī)要求。

4 結(jié)論

本文研究了某SUV車(chē)型的鋁合金防撞梁的截面設(shè)計(jì)優(yōu)化、空間布置校核、拖車(chē)鉤和承載強(qiáng)度分析，以及開(kāi)展了拖車(chē)鉤的承載強(qiáng)度試驗(yàn)，確認(rèn)防撞梁滿(mǎn)足拖車(chē)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(jì)方案。推薦采用基于三點(diǎn)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(jí)應(yīng)用，以及焊接工藝控制水平，改善焊縫合格率和進(jìn)一步提高承載強(qiáng)度性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB 17354-1998 汽車(chē)前后端保護(hù)裝置[S].1998.

[2] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).. GB 32087-2015 輕型汽車(chē)牽引裝置[S].2015.