基于正碰CAE分析的車身縱梁結構優化設計

張立強

摘要：

對某車型進行50 km/h、100%正面碰撞CAE仿真分析，發現車身前縱梁潰縮變形不充分，導致B柱加速度峰值超過45g目標要求。對前縱梁結構和前防撞梁吸能盒進行優化，由CAE分析可知：車身前縱梁結構變形得到明顯改善，B柱加速度峰值降低到45g以下，滿足目標要求。該優化可有效提高車身正面碰撞的安全性能。

關鍵詞：

正面碰撞； 防撞梁； 吸能盒； 加速度； 潰縮變形； 高強鋼板； 輕量化

中圖分類號： U463.326

文獻標志碼： B

Structure optimization design of vehicle longitudinal beam

based on CAE analysis of frontal impact

ZHANG Liqiang

Abstract：

The CAE simulation analysis of some vehicle at 50 km/h velocity and 100% frontal impact is carried out. The crushing deformation of the front longitudinal beam is insufficient. The peak acceleration of Bpillar is more than the target requirement 45g. The front longitudinal beam structure and the energy absorbing box of the front bumper beam are optimized. The CAE analysis results on the optimized vehicle body show that the deformation of the front longitudinal beam structure is improved obviously， and the peak acceleration of Bpillar is reduced to less than 45g， which can meet the target requirement. The optimization can effectively improve the safety performance of vehicle frontal impact.

Key words：

frontal impact； bumper beam； energy absorbing box； acceleration； crushing deformation； high strength steel plate； lightweight

0 引 言

汽車正面碰撞是汽車事故中發生最多、對人體傷害最大的碰撞形式之一，提高汽車安全性、降低交通事故對人體的傷害是設計者的重要任務。[1]車輛結構設計缺陷直接影響車輛的整體安全性能。CNCAP對車輛關鍵位置在碰撞試驗中的變形情況進行規定和限定，以最大限度地保證車輛的安全性能。[2]本文根據CAE碰撞模擬分析結果優化車身縱梁材料、厚度和結構，提高車身正面碰撞的安全性能。

1 問題描述和分析

1.1 問題描述

根據該車型對應的安全碰撞CNCAP 5星目標要求，進行50 km/h、100%正面碰撞CAE仿真分析，結果顯示車身縱梁結構存在以下問題。

前防撞梁和前縱梁變形（見圖1）。前防撞梁吸能盒只有少量潰縮變形，沒有起到最大限度吸收碰撞能量的作用，導致B柱位置加速度峰值較大。前縱梁后部變形嚴重并發生搓動變形。

前地板縱梁變形（見圖2）?？v梁局部位置變形比較嚴重，說明此處縱梁剛度較小，碰撞時能量傳遞連續性不好，導致A柱相對位移較大，超出位移目標值≤8 mm的要求。

1.2 問題分析

前防撞梁總成為鋁合金擠壓件，其優化前結構見圖3。由于考慮車身輕量化，防撞梁吸能盒沒有設計導向潰縮結構，因此車輛發生碰撞后未引導吸能盒變形，不能有效吸收碰撞能量，導致B柱加速度峰值較大。前縱梁總成材料牌號強度等級和板材厚度分別定義為：前縱梁內板材料為SAPH440，厚度為2.0 mm；前縱梁后加強板材料為HC340/590DP，厚度為1.0 mm；前縱梁外板材料為HC250/450DP，厚度為1.5 mm。另外，為避讓前輪運動包絡，前縱梁設計時在縱梁外板進行避讓，見圖4中圓圈內?？v梁結構形成突變容易造成應力集中產生變形，支撐力不足。

優化前前地板縱梁前、后2個零件的材料牌號強度等級、板材厚度相差較大：前地板縱梁前段為熱成型鋼板WHT1500HF，厚度為2.0 mm；前地板縱梁后段為普通高強度雙向鋼HC340/590DP，厚度為1.0 mm。前地板縱梁示意見圖5。前地板縱梁在零件強度低的位置產生應力集中導致變形，能量傳遞路徑的連續性不好。

（1）增加吸能盒長度，改善吸能空間。由于空間限制，防撞梁在車身縱向方向不能向車前移動，所以在保證防撞梁強度的前提下，縱向截面尺寸由70 mm改為45 mm，吸能盒長度由160 mm改為185 mm，增加25 mm吸能空間。

（2）在吸能盒上增加導向潰縮筋，保證碰撞時能引導吸能盒潰縮變形，盡可能多地吸收碰撞能量、降低碰撞加速度。

2.2 前縱梁材料選型優化設計

提高前縱梁材料牌號強度等級和板材厚度，增加前縱梁強度可抑制前縱梁變形，見圖7。

（1）前縱梁內板材料由SAPH440改為HC340/590DP；前縱梁外板材料由HC250/450DP改為HC340/590DP；前縱梁后加強板材料由HC340/590DP改為熱成型鋼板WHT1500HF，且厚度由1.0 mm改為1.2 mm。

（2）在截面突變位置增加加強板，改善由于截面變化大造成的應力集中。在前縱梁外板增加加強板，材料為HC340/590DP，厚度為2.0 mm。

2.3 前地板縱梁材料選型優化設計

平衡地板縱梁前、后2個零件的材料強度等級和厚度差異，可抑制地板縱梁在碰撞過程中由于剛度不均勻產生的變形，保證碰撞能量傳遞路徑的連續性。

（1）將前地板縱梁后段材料由普通高強度鋼板HC340/590DP改為熱成型鋼板WHT1500HF，厚度由1.0 mm改為1.5 mm。

（2）前地板縱梁前段厚度由2.0 mm改為1.5 mm，鋼板材料等級與后段保持一致。

3 CAE仿真分析驗證

在優化設計后，進行整車50 km/h、100%正面碰撞仿真分析，優化前、后仿真結果對比見圖8～10。優化后的車身縱梁結構變形模式明顯提升，前防撞梁吸能盒潰縮變形充分，可有效吸收碰撞能量；前縱梁變形由搓動變形變為彎曲變形，前地板縱梁后段變形基本消除。

優化后B柱加速度見圖11。根據以往項目設計經驗，在50 km/h、100%正面碰撞時，B柱位置加速度理想目標值應控制在45g以下。由于前防撞梁吸能盒潰縮變形比較充分，可有效吸收車輛碰撞時的能量，所以B柱位置加速度已經控制在目標值范圍內。

4 結束語

對某車型50 km/h、100%碰撞性能進行仿真并優化車身結構，充分利用鋁合金防撞梁的潰縮吸能作用，改善前縱梁后段的支撐剛度，提升前縱梁前段的吸能效果，使前縱梁達到合理的彎折變形模式，降低正面碰撞過程中B柱的加速度，提升碰撞的被動安全性能。

參考文獻：

[1]

李伯棟. 簡化車身B立柱結構參數抗彎曲沖擊特性研究[D]. 長春： 吉林大學， 2007.

[2] 王月， 龔潔， 孫立志， 等. 某車型正面偏置碰撞中油門踏板問題優化分析[J]. 汽車零部件， 2016（9）： 15.

（編輯 武曉英）