崔華麗，李 峰，于 華

（1.鄭州經(jīng)貿(mào)學院智慧制造學院，河南鄭州 450000；2.河南科技大學材料科學與工程學院，河南洛陽 471000）

1 引言

汽車發(fā)生正面碰撞時，防撞梁將載荷均布傳遞給前縱梁，前縱梁需要具有一定的強度，實現(xiàn)能量的傳遞，同時當載荷超過一定限度時，通過變形吸收能量。因此，通常選用強度較高，厚度較大的材料，高強鋼作為首選之一。隨著輕量化需要的不斷提升，前縱梁輕量化也出現(xiàn)了多種形式，結構、材料及工藝等均有涉及［1］。強度提升厚度減薄是最常用的輕量化手段，而這并非單獨的材料厚度變化，還需對零件的成形性、安全性等進行分析。研究實現(xiàn)輕量化的同時，保證碰撞安全性具有重要意義。

學者們對前縱梁輕量化開展了一定研究：文獻［2］采用模型仿真分析的方法，對前縱梁進行激光拼焊設計，滿足碰撞性能的同時，實現(xiàn)輕量化目標；文獻［3］對比不同形式的前縱梁碰撞安全性差異，在此基礎上對比不同方案的價格差異，以獲取最優(yōu)的設計方案；文獻［4］應用安全性分析，根據(jù)設計星級要求，對車身前端縱梁結構和用材進行匹配設計，滿足安全性要求的同時實現(xiàn)輕量化設計目標；文獻［5］基于正面碰撞模型，分析前縱梁表面增加碳纖維后，整體的碰撞安全性變化；文獻［6］通過分析不同截面結構的吸能性差異，以此對前縱梁進行優(yōu)化設計。此類高強輕量化設計更多的依靠經(jīng)驗設計和現(xiàn)有標桿設計，正向優(yōu)化設計較少，對等強度減薄開展研究，為輕量化設計提供支撐。

根據(jù)前縱梁吸能和結構特點，在分析傳統(tǒng)強度等效減薄公式的基礎上，考慮材料變化后，相關的參數(shù)因素、殘余應力、尺寸偏差和屈強比因素的影響，對公式進行修正；對某車型前縱梁開展優(yōu)化設計，材料由DP590 提升為DP780，根據(jù)修正公式，厚度由1.6mm 減薄至1.4mm；對優(yōu)化后的成形工藝進行分析；根據(jù)C?NACP正面碰撞要求，建立前縱梁總成碰撞分析模型，獲取總吸能和承載力參數(shù)變化，并采用實車正面碰撞對比分析用以驗證優(yōu)化后零件的碰撞安全性及模型的可靠性。

2 前縱梁輕量化分析

前縱梁是車體前端的重要承力部件，是前碰撞過程中主要的吸能部件，其吸能特性和變形模式?jīng)Q定著碰撞過程中車身加速度響應和力的傳遞路徑［7］，是不同國家新車型星級評價時，重要的結構件，對安全性定級評價具有重要影響。車身典型前縱梁結構，如圖1所示。

圖1 前縱梁結構總成Fig.1 Front Longitudinal Beam Structure Assembly

零件強度提升、厚度減薄，可以節(jié)約材料，降低成本的同時，實現(xiàn)汽車車身的輕量化。近年來高強鋼在整個車身重量中的比例越來越高，應用也越來越廣泛，在采用高強鋼板后，零部件的重量得到大幅度下降，最大降幅可達到25%，極大地推動了車身輕量化［8］。但是在使用高強鋼替換時，不能盲目降低零件厚度，在零件減薄的同時還需要保障車身的安全性能。

2.1 傳統(tǒng)強度等效公式

根據(jù)車身原結構零件確定替換為高強鋼構件時的壁厚，需要用到強度等效公式［9］。在強度等效公式推導時，通過板殼理論的應力公式，并約束構件的最高應力不得超過許用應力［σ］，假設替換前后構件的安全系數(shù)保持不變，得到高強鋼強度等效減薄經(jīng)典公式為：

式中：ti—厚度，mm；（σs）i—屈服強度，MPa；i=0—優(yōu)化前；i=1—優(yōu)化后。

當構件處于簡單拉壓狀態(tài)時，板厚的計算可以取式（1）的下限，當構件處于純彎曲狀態(tài)時，板厚的計算可以取式（1）的上限。一般構件都處于復雜應力狀態(tài)，為保障構件安全，計算時一般會取公式上限［10］。

2.2 修正強度等效公式

公式的修正，需要增加合適的修正系數(shù)，否則將影響結果的準確性。強度裕度過大，將大幅度增加結構重量，影響汽車的有效載荷。強度裕度過小，汽車的安全性將得不到保障。根據(jù)材料力學可知，許用應力可以寫作：

式中：σs—材料的屈服強度；K—材料的安全系數(shù)。

在強度等效式（1）推導時，認為替換前后兩種鋼材的安全系數(shù)是相等的。但是，高強鋼的屈服強度和抗拉強度相對增加，材料的延伸率下降，疲勞性能等材料參數(shù)也發(fā)生了變化。這兩種材料不應該使用同樣的安全系數(shù)，分析高強度鋼對安全系數(shù)影響時須留有足夠的安全裕度。

根據(jù)板殼理論公式，薄板單元在外力不變的情況下，薄板內(nèi)最大應力與板料厚度的關系可以表示為：

前縱梁所選用的材料強度較高，而厚度往往較薄。根據(jù)應力測試結果可知，單向拉壓狀態(tài)時，與厚度呈現(xiàn)負相關，而彎曲狀態(tài)時，與厚度平方呈現(xiàn)負相關，則可得：

式中：α—安全系數(shù)比值。

式（4）與式（1）相比，增加了反應材料安全系數(shù)的參數(shù)。當替換材料的零件受力情況復雜，且屬于加強件或連接板等汽車重要部件時，取式（4）的上限進行計算。

對于前縱梁所選用材料影響K的因素包括多種。制造工藝因素主要考慮：焊接殘余應力和結構幾何偏差［11］。假定組成安全系數(shù)的各影響因素是平穩(wěn)隨機的，則其聯(lián)合概率的可能值可采用隨機事件的乘積公式得到，則高強鋼的安全系數(shù)K可以按下面公式得出：

式中：Ki—安全系數(shù)各組成因素的影響系數(shù)。

強度越高的鋼材，在屈服強度和抗拉強度材料參數(shù)的控制上相對較差，偏差值較大；其次是材料的強度越高，在零件成形制造和焊接組裝時，殘余應力越大；成形回彈問題也一直是高強鋼面臨的主要問題，回彈直接導致結構幾何尺寸偏差較大［12］；最后是高強鋼的延伸率相對較低，沒有明顯的屈服平臺，塑性儲備較小。

按經(jīng)驗法則取安全系數(shù)，考慮材料的厚度和強度偏差、成形和焊接殘余應力、高強鋼回彈尺寸偏差，以及材料的屈強比因素影響［13］。

α取值范圍為（1.0~1.2），根據(jù)前縱梁是主要的安全結構件需求，這里取1.2，則式（4）的上限為：

3 碰撞安全性分析

結合C?NCAP 中對整車100%剛性壁障的正面碰撞試驗要求，以車架前縱梁和前防撞梁結構為研究對象，賦予前縱梁結構50km/h的速度做100%剛性壁障的正面碰撞仿真，對比分析了輕量化前后車架前縱梁及前端結構的吸能特性。

3.1 碰撞模型建立

基于PRO/E建立前縱梁總成的三維模型，包括左右縱梁、吸能盒及前防撞梁等，所研究縱梁長度為538mm，截面周長為312mm，材料初始厚度為1.6mm。將模型導入HyperWorks，利用Hypermsh軟件進行有限元處理，前縱梁系統(tǒng)中各部分均是薄壁元件，這里選用殼單元進行網(wǎng)格劃分，尺寸選擇6mm；定義材料參數(shù)，各部分性能參數(shù)，如表1所示。分析模型，如圖2所示。

表1 前縱梁系統(tǒng)材料參數(shù)Tab.1 Parameters of Front Longitudinal Beam System Materials

圖2 前縱梁正面碰撞分析模型Fig.2 Frontal Collision Analysis Model of Front Longitudinal Beam

3.2 正碰安全性分析

根據(jù)C?NCAP 測試項目，前縱梁以50km/h 的速度，正面100%重疊壁障發(fā)生碰撞試驗，前縱梁結構在碰撞過程中不同時刻的變形，如圖3所示。

圖3 不同時刻前縱梁結構的碰撞變形結果Fig.3 Collision Deformation Results of the Front Longitudinal Beam Structure at Different Times

由圖3可見，該縱梁前段結構發(fā)生了潰縮吸能，潰縮變形位置為該結構主要吸能位置，可見其主要吸能區(qū)域在前端吸能引導位置。整個過程中吸能特性曲線對比，如圖4所示。

圖4 前縱梁結構吸能曲線Fig.4 Energy Absorption Curve of Front Longitudinal Beam Structure

圖中結果可知，在起始階段，即（0.01~0.02）s階段，分別采用DP590和DP780的前縱梁結構在吸能效果上基本相當，但是在進入0.02s之后，即充分吸能階段，采用DP780的前縱梁結構在吸能效果上超過普通DP590材料的前縱梁。此外，從曲線的斜率上也可以看出，采用DP780的前縱梁結構具有更好的吸能潛力。

對比輕量化前后，整個碰撞過程中的承載力特性變化曲線，如圖5所示。

圖5 承載力特性曲線對比Fig.5 Comparison of Bearing Capacity Characteristic Curves

由圖中結果可知，材料輕量化后，整個碰撞過程中的最大承載力由346kN 降低到322kN，降低了7.45%，表明整個碰撞過程中，總成的減速度峰值降低了，整個過程的載荷呈現(xiàn)變緩的趨勢，最大載荷和平均載荷的比值呈現(xiàn)增大趨勢，整個過程對于乘員保護是有利的。綜合結果可知，前縱梁總成的安全性比之前方案得到提升。

輕量化前后前縱梁的相關參數(shù)對比，如表2所示。

表2 方案參數(shù)對比Tab.2 Comparison of Scheme Parameters

表中分析結果可知，材料強度提升厚度減薄后，零件實現(xiàn)輕量化減重達到12.5%，前述安全性對比分析可知，安全性略有提升。

4 實車測試結果對比分析

根據(jù)C?NCAP 中對整車100%剛性壁障的正面碰撞試驗要求，以車架前縱梁和前防撞梁結構為研究對象，賦予前縱梁結構50km/h、56km/h 和60km/h 的速度做100%剛性壁障的正面碰撞測試，對比分析輕量化前后前縱梁及前端結構的安全特性。測試過程，如圖6所示。經(jīng)過對兩種方案測試結果進行分析，各評價指標的侵入量得到了有效控制，侵入量均有減少，輕量化設計前后對比，如表3所示。

表3 輕量化前后測點侵入量對比（mm）Tab.3 Comparison of Measuring Point Intrusion（mm）

圖6 試驗測試過程Fig.6 Test Process

從侵入量數(shù)據(jù)來看，各測點侵入量均較小，離合踏板侵入量在前縱梁輕量化后侵入量得到明顯減小約為10%左右。測點1和測點2的侵入量與之前相比略有降低，差值較小，但均處于低位，基本不會造成乘員傷害。與前述模型分析結果對比，侵入量最大值分別為159.56mm和166.73mm，誤差為4.5%，基本一致。

從前縱梁變形模式的情況來看，改進設計雖然使前縱梁的變形更為穩(wěn)定，出現(xiàn)軸向穩(wěn)定變形模式，同時提高了部分吸能特性，提高了整車的耐撞性，但由于前縱梁的結構受發(fā)動機布置等的限制，吸能空間有限，可壓潰變形的部分不大，縱梁前段優(yōu)化結構的吸能特性己經(jīng)充分發(fā)揮。

5 結論

（1）根據(jù)強度等效原則，考慮材料輕量化后，相關的參數(shù)因素、殘余應力、尺寸偏差和屈強比因素的影響，修正材料強度等效減薄公式，保障了高強鋼減薄應用的安全性；（2）輕量化設計后，前縱梁材料提升為DP780，厚度減薄至1.4mm，實現(xiàn)輕量化減重12.5%；（3）輕量化方案最大承載力由346kN降低到322kN，降低了7.45%，表明整個碰撞過程中，總成的減速度峰值減小了，整個過程的載荷呈現(xiàn)變緩的趨勢，對于乘員保護是有利的；（4）從侵入量數(shù)據(jù)來看，各測點侵入量均較小，離合踏板侵入量在前縱梁輕量化后侵入量得到明顯減小約為10%左右；與前述模型分析結果對比，侵入量最大值分別為159.56mm和166.73mm，誤差為4.5%，基本一致。表明分析方法的可靠性，為此類設計提供參考。