影響汽車縱梁前段變形模式的因素

曾婷++吳沈榮++張林波++涂金剛

摘要： 在汽車前部40%偏置碰設計中，要求縱梁不能更改的前提下，希望縱梁前段由折彎變形改進為壓潰變形.通過競品車研究和CAE仿真，確定除縱梁本身的設計外，能較大影響縱梁前段變形模式的因素為前保橫梁的強度、縱梁與吸能盒間安裝板的強度，以及縱梁與安裝板間的連接方式等.進一步的仿真分析發現，適當加強這些部位有利于縱梁的穩定壓潰變形，并提升前端結構的能量吸收.

關鍵詞： 汽車耐撞性； 前縱梁； 壓潰變形； 折彎變形； 前保橫梁； 安裝板； 能量吸收； 仿真

中圖分類號： U462.3文獻標志碼： B

Factors affecting front part deformation mode of

vehicle front rail

ZENG Ting， WU Shenrong， ZHANG Linbo， TU Jingang

（Automobile Engineering Technology Research Institute， CHERY Automobile Co.， Ltd.， Wuhu 241009， Anhui， China）

Abstract： As to the 40% front offset impact for a vehicle， under the requirement that the design of the rail is not changed， the front part of the front rail is expected to change the deformation mode from bending to collapse. Benchmark study and CAE simulation are performed. Besides the rail design， the strength of front bumper beam， the strength of the connection plates between the crash box and the rail， and the method connecting the rail to the connection plates are identified as the main factors， that affect the deformation mode of the front part of front rail. The further simulation analysis shows that a stable progressive collapse deformation of front rail can be implemented by the proper reinforcement of these parts， which can improve the energy absorption of the front end structure.

Key words： vehicle crashworthiness； front rail； collapse deformation； bending deformation； front bumper beam； connection plate； energyabsorbing； simulation

收稿日期： 2016[KG*9〗08[KG*9〗08修回日期： 2016[KG*9〗11[KG*9〗08

作者簡介： 曾婷（1985—），女，內蒙古包頭人，工程師，碩士，研究方向為汽車碰撞安全結構設計，（Email）12490973@qq.com0引言

車身結構耐撞性設計是汽車安全設計的基礎.車身結構的耐撞性是指汽車在發生碰撞時通過車身結構的塑性變形吸收撞擊能量的能力和通過撞擊能量減弱而防止車身結構變形能力的綜合體現.[1]針對前部偏置碰撞工況，車身的主要變形吸能區域為車身前部的壓潰區，而縱梁是前碰的主要吸能部件，在碰撞安全結構設計中具有重要地位，對設計結果有非常大的影響.

在現有的研究中，縱梁的變形模式主要通過以下方法進行控制：改變縱梁的截面形狀、厚度，或改變縱梁誘導槽的位置、深度或形狀[2]；運用新材料[34]；運用激光拼焊達到最合理的材料性能組合[5]；更改縱梁材料厚度和吸能盒與縱梁的相對位置[6]等.

在現實情況中，由于平臺沿用、布置或成本等問題，縱梁本體可能不能更改，那么在偏置碰撞中，縱梁前段為折彎變形且縱梁本體不能更改的前提下，找到對縱梁前段變形模式影響較大的因素，將縱梁前段由折彎變形改進為逐漸壓潰變形，提高縱梁前段截面力、增加縱梁前段吸能，是碰撞仿真工程師需要研究的課題.

1縱梁前段變形

前縱梁既是吸收汽車前部縱向碰撞能量的主要結構，又是控制碰撞能量在汽車中分布情況的主要裝置.[7]設計良好的吸能結構能夠把碰撞動能不可逆地轉換為塑性變形能.對于轎車中常用于縱梁的薄壁金屬構件，最重要的是在受到撞擊載荷作用時破壞模式穩定，并能以可控的方式通過本身的塑性變形吸收能量.[8]薄壁構件的變形模式可表現為彎折變形、翹曲變形或者皺褶壓縮即壓潰變形等.在這幾種變形模式當中，只有壓潰變形的變形量最大，最利于吸收碰撞能量.[9]

汽車偏置碰撞時依靠單邊的縱梁吸能，縱梁前段壓潰變形比折彎變形具有更高的截面力，可吸收更多的能量，且前段的正向壓潰也更容易控制縱梁后段的折彎，使其進一步吸收能量，從而減輕其他吸能件的負擔，對1階加速度均值的提高有很大作用，能夠提高整體的偏置碰撞性能.

在合理設置縱梁的壓潰力后，必須保障縱梁前段的抗彎能力.如果縱梁前段過早彎曲變形，會造成整體壓潰失穩，影響吸能效果.[10]縱梁前段出現彎折變形的主要因素有3個：一是碰撞產生的慣性力形成的彎矩過大；二是縱梁局部能夠承受的彎矩太??；三是前縱梁吸能結構、變形次序和變形引導機構設計不合理.[11]在前縱梁整體設計較合理且縱梁不能更改的前提下，需要讓第一個因素的影響盡量降低，因此在保證剛度要求的前提下，必須同時保證前保橫梁、吸能盒和縱梁前段的整體抗彎特性.

2前保橫梁和吸能盒與縱梁間安裝板的設計為降低偏置碰撞中由壁障碰撞變形產生的過大彎矩，在不考慮更改縱梁的前提下，針對白車身結構，能影響前部抗彎能力的結構主要有前保橫梁、吸能盒、吸能盒與縱梁間的安裝板，見圖1.在此，不考慮吸能盒本身設計因素，只探討前保橫梁、吸能盒與縱梁間安裝板的設計.

圖 1前部結構示意

Fig.1Schematic of front structure

2.1前保橫梁

在高速碰撞中，車體前保橫梁最大變形時刻越靠后，即單位時間前保橫梁在碰撞方向的位移越小，變形量越小，結構的平均承載能力越強，吸能能力也越強.[12]前保橫梁承載不足過早折彎，是導致縱梁前段壓潰不穩折彎的重要因素之一.

前保橫梁的制造主要有4種工藝方式：冷沖壓、輥壓、熱沖壓和鋁鑄.冷沖壓的前保橫梁較容易實施，但若要橫梁具有足夠的承載能力，則冷沖壓件需要足夠大的截面和厚度，對車身增重和前端布置都不利，同時也會提高沖壓工藝的要求.近幾年，輥壓前保橫梁實施很廣泛，由于輥壓材料的超高強度，在同樣的承載條件下，其截面和厚度都可以比冷沖壓件小，因此質量相比冷沖壓前保橫梁可以減少15%～25%.熱沖壓（熱成型）前保橫梁強度高，因此質量可比冷沖壓件減少40%，但是成本比前兩者高2倍以上.[13]鋁合金前保橫梁在合資車中應用較廣，在達到同樣承載條件時質量更小[1415]，但成本較高，國內主機廠應用較少.綜上所述，高強度的輥壓前保橫梁易達到承載要求且質量較輕，成本較易控制.

輥壓前保橫梁截面不同對前保橫梁整體吸能也有影響[16]，一些競品車的輥壓前保橫梁的截面和厚度見表1，其中：a為前保橫梁截面寬度；h為前保橫梁厚度，車型3無吸能盒.在正常情況下，輥壓前保橫截面寬度在30～40 mm，厚度1.2～1.5 mm，無吸能盒時需要增加截面寬度和厚度來提高前端吸能性能.

2.2吸能盒與縱梁間的安裝板

吸能盒與縱梁間安裝板的設計業內無明確定義，幾款競品車測量結果見表2.安裝板總厚度一般不小于7.0 mm，足夠厚度的安裝板也對前段壓潰穩定有一定作用.安裝板與縱梁間連接多由L型板點焊連接，如果無L型連接板，與縱梁連接的安裝板也會伸出縱梁軸向的邊緣與縱梁進行面連接，如車型5.安裝板與縱梁直接燒焊連接會導致前段變形不穩定，且燒焊邊易撕裂使得前端傳力不連續，見圖2.因此，為增加前段的抗彎能力，安裝板與縱梁連接最好通過面連接并點焊連接.

cross section of front bumper beams車型車型1車型2車型3a/mm333760h/mm1.231.291.62結構

between crash box and front rail車型車型4車型5車型6總厚度/mm7.387.4L型支撐板/mm2.8無2.3結構

and connection plates

3實例驗證

根據以上競品車和實車試驗中前保橫梁、吸能盒與縱梁間安裝板的設計經驗，對現有車型進行改進，提高縱梁前段的抗彎能力.研究工況為CNCAP前部偏置碰撞，速度64 km/h，仿真采用壁障為Arup公司的殼單元可變形偏置壁障（Offset Deformable Barrier，ODB）.

某車型在整車試驗中的表現見圖3，仿真中碰撞模型結果見圖4.仿真模型結果與試驗結果變形相似，縱梁前段變形為向內折彎.

根據以上研究結果對前保橫梁、吸能盒與縱梁間安裝板進行改進.

3.1前保橫梁

原車前保橫梁為2個沖壓件焊接，截面大小為60 mm×80 mm，材料抗拉強度為780 MPa，厚度2.0 mm，見圖5.前保橫梁改為輥壓件，截面大小為40 mm×100 mm，材料抗拉強度為1 200 MPa，厚度1.5 mm，見圖6和7.

a）更改前b）更改后圖 7更改前后前保橫梁截面對比，mm

Fig.7Comparison of cross section of front bumper beam

before and after improvement，mm

3.2吸能盒與縱梁間安裝板

原車吸能盒與縱梁間安裝板從前到后3塊的厚度依次為1.5，1.5和2.0 mm，現改為厚度依次為2.0，3.0和3.0 mm，安裝板見圖8.原車縱梁與安裝板間連接為一圈燒焊，見圖9，現改為縱梁與安裝板間有L型板連接，并與縱梁和安裝板點焊連接，材料抗拉強度為590 MPa，厚度3.0 mm，見圖10.

rail and connection plates圖 10改進后安裝板與縱梁連接方式

Fig.10Improved connection mode between front rail

and connection plates

具體實施時需要修改縱梁和吸能盒間安裝板形狀和孔的位置.對修改后模型進行ODB碰撞仿真，縱梁前段變形計算結果見圖11和12.改進前后縱梁前段截面力和吸能對比見圖13和14，前保橫梁吸能見圖15.

front rail圖 13改進前后縱梁前段截面力對比

Fig.13Comparison of front part section force of

front rail before and after improvement

t

改進前后縱梁前段截面力、吸能和前保橫梁吸能的最大值對比見表3.

表 3改進前后截面力最大值和吸能對比

Tab.3Comparison of maximum value of section force and energy absorption before and after improvement對比參數改進前改進后縱梁前段截面力最大值/kN101109縱梁前段吸能/kJ9.615.4前保橫梁吸能/kJ7.511.9

結果顯示：縱梁前段由原來的向內折彎變形變為正向穩定壓潰變形；改進后縱梁前段截面力較高值持續的時間比改進前多，改進后縱梁前段吸能和前保橫梁吸能都有較大的提高.

改進前后前部變形對比見圖16.

a）0 ms，改進前b）0 ms，改進后c）20 ms，改進前d）20 ms，改進后e）40 ms，改進前f）40 ms，改進后g）60 ms，改進前h）60 ms，改進后圖 16前部變形對比

Fig.16Comparison of front part deformation

原結構前保橫梁變形時刻很早，在吸能盒變形的同時，前保橫梁就開始折彎，在40～60 ms，前保橫梁折彎導致縱梁前段y向的彎矩較大，使縱梁前段還未壓潰，已經y向向內折彎.改進后前保橫梁是在縱梁前段基本壓潰變形完成后才開始折彎，因此能保證縱梁的軸向壓潰完全，縱梁前段抗彎能力得到提升.原結構吸能盒與縱梁間安裝板在20 ms開始出現大變形，安裝板的大變形也不利于縱梁前段的穩定壓潰.改進后吸能盒與縱梁間安裝板直到縱梁前段完全壓潰的60 ms也基本沒有變形，可很好地保證軸向力的方向，有利于縱梁的穩定壓潰.因此，加強前保橫梁和吸能盒與縱梁間安裝板，可推后前保橫梁的變形時刻，保證對縱梁穩定的軸向力方向，有效降低碰撞變形產生的過大彎矩，提高縱梁前部的抗彎能力，增加前保橫梁和縱梁前段的吸能性能.

除縱梁本身的設計外，影響縱梁前段變形模式的較大因素有：（1）前保橫梁的強度；（2）吸能盒與縱梁間安裝板的強度；（3）安裝板與縱梁間的連接方式.采用高強度合理截面的輥壓前保橫梁、較強的吸能盒與縱梁間的安裝板、面接觸的安裝板與縱梁間的連接方式，都能改善高速偏置碰撞中縱梁前段的變形模式，提高縱梁前段的抗彎能力.

縱梁前段由折彎變形改進為壓潰變形，縱梁前部整體吸能提高，進而改善縱梁的變形和增加前部吸能特性，是建立整個車身變形的吸能特性與乘員保護之間相關性模型的基礎.[17]在高速碰撞中，縱梁前段吸能越多，表示汽車前部抗沖擊性能越好，碰撞安全性越好.

4結束語

本文分析對縱梁前段變形模式的影響因素，除縱梁本身的設計外，增加前保橫梁的強度、縱梁與吸能盒間安裝板的強度、改善縱梁和安裝板間連接方式等都對縱梁的變形和吸能能力有重要影響，可以使縱梁穩定壓潰，提升縱梁和前保橫梁的能量吸收，并能有效提高縱梁前部的抗彎能力，進而提升車輛前部的碰撞安全性能.

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