基于正面碰撞汽車前縱梁結構優化設計分析

趙世婧，樊繼紅，王貞濤

（1.蘇州農業職業技術學院，江蘇 蘇州 215008；2.國家知識產權局專利局，北京100088；3.江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212013）

1 引言

汽車正面碰撞過程中，前縱梁是重要的吸能承載結構件，直接對整車的安全性起到重要影響[1]。正面碰撞分為100%重疊和偏置碰撞兩種，實際中，絕對的完全重疊碰撞很少發生，最常見的是偏置碰撞工況，這就造成遠離壁障側的前縱梁受到的力并非完全軸向，使得前縱梁發生彎曲變形；彎曲變形使得前縱梁失去原有的軸向承載能力，起不到吸能保護乘員的作用。因此，對影響前縱梁折彎變形的因素進行分析，通過相關參數優化設計，提升此種工況下的承載能力，對提升前縱梁吸能特性具有重要意義，也是近年來研究人員研究的重要課題之一。

國內外學者對前縱梁吸能進行了一定研究：文獻[2]采用試驗方法對不同截面的前縱梁進行吸能對比分析，通過優化相關參數提升吸能效果；文獻[3]基于落錘壓潰對前縱梁的失效形式進行分析，對比不同失效形式的吸能比；文獻[4]基于軟件仿真對比不同材料厚度對前縱梁吸能的影響；文獻[5]基于模型分析運動速度對前縱梁吸能特性的影響，速度直接影響壓潰變形的長度。

針對前縱梁碰撞吸能過程進行分析，搭建有限元分析模型，對前縱梁的失效形式進行分析，折彎變形失效發生時，前縱梁失去承載吸能作用；臨界角是發生折彎變形的重要指標；分析影響前縱梁彎曲變形臨界角的影響因素，并獲得影響規律；根據分析獲得的影響規律，對某車型前縱梁進行優化設計，并采用試驗方法驗證優化設計和結果的準確性。

2 影響前縱梁變形因素分析

2.1 前縱梁分析模型

對汽車前縱梁進行簡化[6]，如圖1 所示。所以直接在Hyper-Mesh 中的幾何面板中建立幾何圖形。

圖1 汽車縱梁簡化圖Fig.1 Simplified Diagram of the Car Longitudinal Beam

前縱梁落錘沖擊有限元分析技術路線圖和主要仿真系統，如圖2 所示。

圖2 前縱梁仿真技術路線Fig.2 Front Longitudinal Beam Simulation Technology Route

首先建立前縱梁、落錘和底座等有限元模型，同時輸入材料本構參數；在落錘和前縱梁之間以及前縱梁和底座之間設置面-面接觸，防止變形過程中兩部分穿透；為防止內外管壁自身穿透，設置來自接觸；進行網格劃分及位移和能量等各種場變量輸出；根據吸能效果的評價標準進行有限元仿真[7]。

2.2 前縱梁失效形式分析

前縱梁是汽車發生正面碰撞時，重要的承載結構單元，完全100%重疊的正面碰撞在實際中出現概率較低，偏置工況則發生的概率較高[8]，如圖3（a）所示。當車輛發生偏置碰撞時，壁障側的前縱梁將發生軸向吸能，當承載力超過一定的限值時，將出現軸向壓潰吸能變形，實現前縱梁的承載能力特性[9]，如圖3（b）所示。而另一側前縱梁由于承載力非完全軸向，將出現折彎，當前縱梁與保險杠角度超過一定的限值時，將出現完全折彎變形，前縱梁失去承載能力，如圖3（c）所示。

圖3 失效形式分析Fig.3 Failure Form Analysis

軸向壓潰變形和彎曲變形是前縱梁失效的兩種最重要形式，為了保證前縱梁在汽車發生碰撞時，更好的實現承載吸能作用，有必要對發生折彎的臨界角進行分析，通過優化設計其結構，實現更大角度的臨界角度[10]，以保證前縱梁能在發生彎曲變形時能最大限度的發揮承載吸能作用，提升整車的碰撞安全性。

2.3 影響因素分析

汽車發生正面碰撞時，完全的正面碰撞是不存在的，以一定的速度與壁障發生碰撞，遠離壁障一側的前縱梁將發生折彎變形，如圖4 所示。前縱梁以一定的速度v 與壁障發生碰撞，二者之間的角度為θ。圖中：d—前縱梁截面寬度；l—前縱梁長度；t—材料厚度。由靜力學可知，當截面厚度遠小于截面寬度時，梁的抗彎剛度基本由截面寬度決定，這里主要考慮寬度對前縱梁吸能的影響[11-12]。

圖4 前縱梁折彎變形簡圖Fig.4 Schematic Diagram of Bending Deformation of Front Longitudinal Beam

所研究的前縱梁截面為（500×20×1.5）mm，長度為150mm 以50km/h 的速度發生碰撞時，當θ 超過19°時，前縱梁開始發生折彎變形，失去抵抗變形的能力。造成彎曲失效的因素包括：厚度t、d 與l 比值以及壁障的摩擦系數η 等。

2.3.1 d 與l 比值

改變d 與l 比值，其他參數不變的前提下，對前縱梁模型的臨界角進行分析，d 與l 比值與臨界角度之間的關系，如圖5 所示。根據圖5 分析結果可知，隨著d 與l 比值增加，臨界角度逐漸減小，在發生具有一定角度的碰撞時，梁抵抗變形的能力逐漸減弱，更容易發生折彎變形，發生彎曲潰縮，整個前縱梁失去承載變形的能力。

圖5 d 與l 比值與臨界角度之間關系Fig.5 The Relationship between d and l Ratio and Critical Angle

2.3.2 厚度t

改變前縱梁所用材料的厚度t，分別取1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm，分析厚度對前縱梁臨界角度的影響，結果如圖6 所示。

圖6 厚度變化的影響Fig.6 Effect of Thickness Variation

由圖可知，隨著材料厚度的增加，前縱梁的承載能力逐漸增加，但厚度的變化對臨界角基本沒有影響，前縱梁的臨界角度依然保持在19°左右，由此表明，前縱梁發生折彎變形的臨界角對厚度變化不敏感。

2.3.3 壁障的摩擦系數η

前縱梁的尺寸保持不變，碰撞速度也保持恒定，調整壁障的摩擦系數η 從（0～1）之間變化，分析前縱梁發生彎曲變形時臨界角度的變化，如圖7 所示。

圖7 摩擦系數的影響Fig.7 Effect of Friction Coefficient

由圖可知，隨著壁障摩擦系數的增加，前縱梁發生折彎變形的臨界角度逐漸增加。臨界角度的增加可有效提升前縱梁抵抗斜向載荷的能力，使前縱梁更好的發揮承載作用。

由以上分析可知，前縱梁的長寬比和壁障摩擦系數對前縱梁折彎變形具有較大影響，較小的長寬比有利于提升前縱梁抵抗折彎變形的能力，在前縱梁與保險杠接觸的部位增大摩擦系數，有利于提升前縱梁抵抗彎曲變形的能力。

在結構優化設計中，對前縱梁的抗彎設計，以折彎角度作為優化目標，厚度t、d 與l 比值以及壁障的摩擦系數η 等作為參數，進行優化設計；結果可知，應采用具有較小長度/截面寬度比的薄壁梁結構，并盡可能提高梁端面的運動約束強度。一般情況下，汽車前縱梁的長度是確定的，在條件允許的情況下，應設計較大的梁截面或采用截面逐漸增大的前縱梁結構；并且在車輛結構的前端面（例如保險杠前端）布置一些摩擦系數較大的材料，可有效提高前縱梁的抗彎曲變形能力。

3 某車輛前縱梁優化設計

某車輛前縱梁采用DP780 材料，截面寬度為80mm、前縱梁的長度為480mm、材料厚度為1.5mm，長寬比為6，測得與其接觸的前防撞梁的最大靜摩擦系數為0.26，動摩擦系數為0.12。根據前文分析，對該前縱梁進行優化設計，截面寬度保持不變，梁長度優化為400mm，長寬比變化為5，最大靜摩擦系數優化為0.46，最大動摩擦系數優化為0.46，材料依然為DP780，厚度保持不變為1.5mm。根據以上參數分別制作前縱梁。

通過落錘試驗，對上述兩種提高薄壁梁抗彎能力的方法進行試驗驗證。采用落錘壓潰試驗設備，落錘重量為290kg，最大提升高度為6mm，試驗設備及各部分名稱，如圖8（a）所示。在試驗臺基座上設計了可調節角度的剛性平面，可以改變縱梁角度的調節裝置，試驗中設置為19°。試驗過程中，落錘提升一定高度，自由落下，達到設定的沖擊速度，攜帶薄壁梁撞擊傾斜的剛性平面，通過高速攝像系統記錄梁的變形情況。通過高速攝像和力傳感器，記錄整個過程相關參數的變化，試驗后，如圖8（b）所示。經測試，試驗過程中沖擊速度均為5.8m/s，結構優化調整后，前縱梁端的約束增強，在19°的傾角時，優化后在相同的沖擊速度下，梁體依然保持了較高的穩定性，軸向依然呈現出褶皺變形，具有較強的承載能力，表明優化是可靠的；梁的截面積未發生變化，而長度減小1/6，材料不變的情況下，輕量化16.7%。

圖8 試驗驗證分析Fig.8 Test Verification

4 結論

針對前縱梁失效進行分析，對影響前縱梁承載的彎曲失效因素進行分析，基于分析結果對某前縱梁進行優化設計，并采用試驗進行驗證，結果可知：

（1）前縱梁發生彎曲變形時存在臨界角度，當小于臨界角度時，軸向承載能力可以充分發揮；當大于臨界角度時，失去軸向承載能力，整個梁體也失去承載吸能作用；

（2）前縱梁的長寬比、壁障接觸面摩擦系數是影響臨界角度的重要因素；材料厚度影響較??；較小的長寬比有利于提升前縱梁抵抗折彎變形的能力，在前縱梁與保險杠接觸的部位增大摩擦系數，有利于提升前縱梁抵抗彎曲變形的能力；

（3）某前縱梁的長寬比由6 變為5，增大摩擦系數，在相同的傾角下，前縱梁依然可以保持軸向褶皺變形吸能，提高彎曲承載變形能力，同時整個梁體輕量化16.7%；

（4）試驗驗證表明分析結果和優化設計的準確性，為同類設計提供參考。