某車型前橫梁結構優(yōu)化

王月 孫立志 龔潔 周大永，2 劉衛(wèi)國，2

（1.浙江吉利汽車研究院有限公司；2.浙江省汽車安全技術研究重點實驗室）

前橫梁作為車身結構的一個部分，主要承擔著抵御碰撞變形和吸收碰撞能量的作用。在正面偏置碰撞中，前橫梁可以將碰撞側的沖擊能量傳遞到非碰撞側，為碰撞能量的分配與吸收提供傳遞路徑[1]，但其前提條件是碰撞過程中，前橫梁不發(fā)生斷裂失效。要保證前橫梁在偏置碰撞中不發(fā)生斷裂失效或者較為嚴重的折彎變形，其強度等性能需要滿足設計要求。

1 問題分析

在對某車型進行路試試驗中，怠速工況水溫達到111℃，根據(jù)熱力學試驗標準[2]，此溫度值超標。在爬坡和停走工況下，水溫均為110℃，水溫達到試驗標準的最大值，未能達到熱平衡，存在風險。

前格柵開孔的正對散熱器芯體面積與散熱器芯體面積比值，一般要求大于30%。圖1示出某車型前格柵結構示意圖。藍色線圈標注的綠色部分的面積為格柵開孔正對的散熱器芯體的面積，經(jīng)計算該車型散熱器芯體面積為0.285 m2，格柵開孔正對散熱器芯體面積為0.031 m2，格柵開孔正對散熱器芯體面積與散熱器芯體面積比值為10.8%，即進風比值僅為10.8%，遠低于30%的參考值，因此該車型散熱器的有效進風面積存在較大風險。

2 技術方案對比

2.1 熱成型技術

熱成型技術是指將鋼板經(jīng)過950℃的高溫加熱后一次成型，又迅速冷卻，從而全面提升了鋼板強度，屈服強度達1 000 MPa，即1 cm2能承受10 t以上的壓力。如果將這種材料用在車身上，在車身質量幾乎沒有太大變化情況下，其承受力能提高30%，使汽車的剛強度達到全新水準。

熱成型鋼板技術的優(yōu)勢在于極高的材料強度及延展性。一般的高強度鋼板的抗拉強度在400～450 MPa，而熱成型鋼材加熱前抗拉強度就已達到500～800 MPa，加熱成型后則提高至1 300～1 600 MPa，為普通鋼材的3～4倍。其不足之處在于模具的開發(fā)周期比較長，成本比較高[3-4]。

2.2 輥壓技術

輥壓成型是由多對成型輥輪順次對板料變形，并向前送進的輥壓成型。輥壓成型生產工藝簡單，設備輕巧，便于維護和調整，基本建設投資少，產品截面形狀可做到靈活多變，長度也不受限制；厚度均勻，斷面上金屬分布合理，因而單位質量的斷面系數(shù)較高；產品尺寸精度高，表面粗糙度低，接近于機械加工零件，開發(fā)周期短，相應的成本也較低[5]。

3 優(yōu)化方案及結果分析

3.1 優(yōu)化方案

為滿足前部的進風量要求，將前橫梁的寬度縮小，同時考慮到項目的開發(fā)進度和模具的成本及周期，改用輥壓成型的橫梁。前橫梁高度由168 mm減小為100 mm，優(yōu)化前后結構對比，如圖2所示。其斷面尺寸，如圖3所示。

從車身結構輕量化角度分析，前橫梁結構的優(yōu)化，采用輥壓結構，質量減輕了1.5 kg。

3.2 結果分析

3.2.1 進風面積分析

經(jīng)計算該車型散熱器芯體面積為0.285 m2，格柵開孔正對散熱器芯體面積為0.085 m2，格柵開孔正對散熱器芯體面積與散熱器芯體面積比值為29.8%，基本接近30%，理論計算可以滿足要求。

3.2.2 前橫梁抗彎情況分析

對優(yōu)化前后的橫梁總成運用Hypermesh前處理軟件，對3D數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格劃分及模型搭建，設定相應的參數(shù)[6]。分析的依據(jù)關鍵在于保證優(yōu)化后前橫梁的抗彎性能與原結構的性能一致。

通過對不同車型在64 km/h偏置碰撞仿真分析中前橫梁能量的吸收情況，根據(jù)能量守恒定理進行相關參數(shù)的設置，運用LS-DYNA進行分析計算，斷面設置位置，如圖4所示。

圖5示出1-1，2-2截面抗彎性能仿真分析結果。碰撞中前橫梁關鍵位置的截面抗彎性能與原結構的抗彎性能基本相同。從圖5a中可以看出，1-1截面處彎矩平均在3.2 kN·m，從圖5b可以看出，2-2截面處彎矩平均在3.2 kN·m。采用輥壓技術，縮短前橫梁的高度這樣既實現(xiàn)增加進風量空間，同時保證其橫梁的抗彎性能與原結構相同。

3.2.3 整車仿真分析

對整車進行64 km/h偏置碰撞仿真分析，前橫梁在碰撞位置處的變形折彎程度相同，如圖6所示，其中紅色部分為基礎結構，藍色部分為優(yōu)化結構，吸能盒及碰撞側縱梁的變形情況基本相同。

圖7示出整車加速度波形，整車加速度波形的變化趨勢基本一致，表面優(yōu)化后橫梁的結構性能與原結構性能基本一致。

圖8示出優(yōu)化前后圍板在X方向不同位置的侵入情況。從圖9中可以看出，優(yōu)化前后前圍的整體侵入情況基本相同，表明橫梁的強度與原結構基本相當。

4 試驗驗證

4.1 路試試驗

對修改后的橫梁進行路試試驗，試驗結果為怠速、爬坡及停走工況下水溫值分別是：96.2，103.7，98.7℃。試驗后各工況均滿足要求。

4.2 碰撞試驗

對改進前后的前橫梁結構進行整車的偏置碰撞試驗，試驗后前橫梁變形情況，如圖9所示，從圖9可以看出，橫梁的變形彎折程度基本相同。

圖10示出偏置碰撞試驗中前橫梁三坐標測量結果。在64 km/h正面偏置碰撞試驗中，前橫梁的變形折彎情況相同。

5 結論

1）采用輥壓技術可以達到與現(xiàn)有技術相同的性能要求，同時解決進風量不足的問題；

2）輥壓技術的運用可以達到車身結構輕量化的效果，對其他車型的輕量化設計提供參考與借鑒；

3）文章針對某車型前橫梁結構的優(yōu)化方案，已通過仿真和試驗驗證有效，能夠應用于相關平臺車型安全性能的設計開發(fā)，具有實際意義。