基于截面承載分析的汽車前縱梁碰撞性能設(shè)計(jì)

魯后國(guó)，李鐵柱，闞洪貴（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

?

基于截面承載分析的汽車前縱梁碰撞性能設(shè)計(jì)

魯后國(guó)，李鐵柱，闞洪貴
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

摘要：汽車車體截面設(shè)計(jì)是零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和核心。截面性能反映了結(jié)構(gòu)的碰撞安全和剛度性能，截面性能分析可以有效的、快速的為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。文章針對(duì)某車型正面碰撞中前縱梁后端彎曲變形過(guò)大的問(wèn)題，通過(guò)截面性能分析方法對(duì)其截面參數(shù)進(jìn)行快速優(yōu)化，大大提高了截面的抗彎能力，基于該優(yōu)化截面完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終整車碰撞仿真對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行驗(yàn)證。工程算例表明，該方法在縱梁結(jié)構(gòu)的碰撞性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方面具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性。

關(guān)鍵字：截面承載分析；前縱梁；正面碰撞；仿真分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: u467.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-51-04

引言

隨著汽車保有量的不斷增加，汽車碰撞事故越來(lái)越普遍。2013年，交通事故造成6萬(wàn)人死亡，21.4萬(wàn)人受傷，給社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。所有的碰撞事故中，汽車正面碰撞事故發(fā)生率高，致傷率高[2]。為此我國(guó)制定了相應(yīng)的正面碰撞乘員損傷標(biāo)準(zhǔn)GB 11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》[3]，同時(shí)我國(guó)的C-NCAP管理規(guī)則也將整車正面碰撞作為重要考核項(xiàng)目[4]。汽車正面碰撞過(guò)程中，車體承載件的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，縱梁是重要的能量吸收和載荷傳遞部件，其后端的抗彎能力設(shè)計(jì)對(duì)乘員艙前圍腳部區(qū)域入侵量有著重要的影響，而縱梁后端的截面設(shè)計(jì)是決定抗彎性能的關(guān)鍵因素。

本文針對(duì)某車型前縱梁后端彎曲變形較大的問(wèn)題，采用截面承載性能分析方法完成了截面的參數(shù)優(yōu)化，大大提高了截面的抗彎性能，為結(jié)構(gòu)提供了可靠的依據(jù)，部件級(jí)分析驗(yàn)證了優(yōu)化后截面的性能，最終整車碰撞仿真驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性。

1、截面承載性能分析理論

針對(duì)汽車薄壁梁結(jié)構(gòu)截面碰撞性能，國(guó)內(nèi)外做了大量的研究。福特汽車公司的Mahmood對(duì)薄壁梁截面的軸向性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，總結(jié)了截面軸向壓潰性能和抗彎性能經(jīng)驗(yàn)公式[5-6]。國(guó)內(nèi)王大志對(duì)車體縱梁截面軸向壓潰性能設(shè)計(jì)做了系統(tǒng)介紹[7]。

對(duì)于一般的汽車車體薄壁梁結(jié)構(gòu)，通常承受軸向載荷和彎曲載荷，按照能量吸收和載荷傳遞的作用，通常分為能力吸收部件和抵抗變形部件，對(duì)于汽車縱梁來(lái)說(shuō)，縱梁前端需要最大程度吸收動(dòng)能，對(duì)于后端折彎區(qū)域需要抵抗前端的載荷傳遞，最小化彎曲變形。根據(jù)薄壁梁壓潰理論，其理論化軸向壓潰性能曲線如圖1所示。圖中Pmax為峰值載荷，P1為最大載荷，P2為平均載荷，P3為最小載荷。平均載荷P2及其壓潰位移通常用于衡量薄壁梁能量吸收能力。對(duì)于方形截面薄壁梁，其平均載荷如式1所示。

式中σo為抗拉強(qiáng)度的0.9~0.95倍，t為壁厚，b為方形截面的邊長(zhǎng)。

圖1　薄壁梁截面軸向壓潰性能

對(duì)于薄壁梁截面的抗彎性能，其理論化彎曲性能曲線如圖2所示，薄壁梁的彎曲載荷設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于其最大彎曲載荷Mmax。Mahmood進(jìn)行了系統(tǒng)的、全面的研究，根據(jù)臨界屈曲應(yīng)力相對(duì)材料屈服強(qiáng)度的關(guān)系，推導(dǎo)出了不同的最大載荷Mmax計(jì)算公式如式2所示。

式中Mp為梁的塑性彎矩，σcr為臨界屈曲應(yīng)力，σy為材料屈服應(yīng)力。

根據(jù)以上薄壁梁軸向和彎曲承載公式，目前出現(xiàn)了較為成熟的商用軟件如ABSOLUT公司的SectionAD軟件和IDE公司的VCS軟件。這些軟件不僅可以完成截面的承載能力分析，同時(shí)還可以完成截面參數(shù)的靈敏度分析和優(yōu)化，確保不增加截面面積的前提下，最大化截面軸向和抗彎性能。本文通過(guò)使用SectionAD完成了縱梁的截面性能分析及優(yōu)化。

圖2　薄壁梁截面彎曲性能

2、汽車縱梁性能改進(jìn)方案分析

針對(duì)某車型按照2015版C-NCAP管理規(guī)程要求完成了某車型整車40％ 64km/h偏置碰撞仿真分析如圖3所示。分析結(jié)果顯示左縱梁后端上翹彎曲變形較大，導(dǎo)致前圍歇腳板區(qū)域最大入侵量達(dá)到了130mm遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了公司內(nèi)部最大入侵量80mm的標(biāo)準(zhǔn)，如圖4所示，該處入侵較大很大程度上增加了左小腿彎矩?fù)p傷指標(biāo)和軸向力指標(biāo)超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要對(duì)該處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。造成歇腳板入侵量超標(biāo)的主要原因是縱梁后端的彎曲變形，縱梁后端截面抗彎能力不足是造成該處變形大的主要原因，同時(shí)也導(dǎo)致了中央通道區(qū)域出現(xiàn)了較大程度的變形，因此改進(jìn)重點(diǎn)為增加該處的截面的抗彎能力，按照入侵量達(dá)成目標(biāo)換算抗彎性能提升40％。

圖3　整車碰撞分析

圖4　左縱梁后端

縱梁后端折彎區(qū)域截面如圖5所示，可見(jiàn)該處截面包括縱梁和前地板總共5層板，部件1為前地板材料為低碳鋼，部件2和部件4均為雙向鋼DP800，部件3和部件5為低合金高強(qiáng)鋼B410LA，截面積為1585 mm2?？梢?jiàn)該處截面不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且性能未滿足要求，仍需繼續(xù)改進(jìn)，同時(shí)還將進(jìn)一步考慮增加抗彎性能的同時(shí)減少截面面積實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的目的。本文使用截面載荷分析軟件SectionAD進(jìn)行了截面建模，截面有許多段組成，各段的材料和厚度按照實(shí)際進(jìn)行了建模，材料參數(shù)主要包括密度，彈性模型，屈服和抗拉強(qiáng)度。材料可從該軟件的材料庫(kù)中提取，最終完成了截面抗彎性能評(píng)估，在任意段出現(xiàn)屈曲變形的情況下，截面最大抗彎載荷為4358.1Nm，如圖6所示。基于上文分析截面抗彎性能提升40％以后為6101.4Nm，因此基于該目標(biāo)完成下一步的截面性能改進(jìn)。

圖5　左縱梁后端截面

圖6　左縱梁后端截面抗彎性能

3、汽車縱梁改進(jìn)分析與驗(yàn)證

3.1截面性能改進(jìn)分析

根據(jù)縱梁后端碰撞過(guò)程中的受力特性，截面承受沿X軸彎矩，截面上部承受壓應(yīng)力，下部承受拉應(yīng)力。根據(jù)力學(xué)基本理論，加強(qiáng)壓縮側(cè)板件性能可以有效提高截面的抗彎能力，如增加受壓側(cè)板件的厚度，提升材料等級(jí)或是增加加強(qiáng)件和加強(qiáng)筋可以有效增加截面的抗彎能力。

圖7　優(yōu)化后左縱梁后端截面形狀

因此針對(duì)截面性能改進(jìn)，綜合考慮不增加截面面積的前提下提升截面的抗彎性能，故考慮將圖5中部件2去除，在受壓側(cè)增加部件6如圖7所示，材料為B410LA，厚度1.6mm，截面面積為1671.2mm2，相比原始截面面積增加5％。通過(guò)使用SectionAD軟件對(duì)改進(jìn)后截面性能進(jìn)行了分析，截面最大彎矩Mx為7408.7Nm，抗彎性能提升70％，抗彎性能大大提升。

3.2部件級(jí)截面性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證改進(jìn)方案的有效性，首先建立基于截面的零部件級(jí)模型如圖8所示，對(duì)該截面生成的薄壁梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲仿真分析，原始和優(yōu)化后彎曲性能對(duì)比如圖6所示，零部件級(jí)仿真分析中，原始最大彎矩為5108.4Nm，優(yōu)化后最大彎矩為6921.5 Nm，抗彎性能提升35％，如圖9所示，性能改進(jìn)趨勢(shì)和截面級(jí)承載分析基本一致，驗(yàn)證了截面分析的有效性。

圖8　優(yōu)化前后薄壁梁性能仿真分析

圖9　縱梁后端截面抗彎性能對(duì)比

3.3整車級(jí)碰撞性能驗(yàn)證

根據(jù)改進(jìn)后縱梁截面形狀，縱梁后端上部增加部件6，如圖10所示。

圖10　縱梁后端優(yōu)化方案

改進(jìn)后縱梁后端彎曲變形如圖11所示，縱梁后端截面抗彎能力增加后，縱梁彎曲變形明顯降低，前圍歇腳板區(qū)域入侵量減低到了85mm，性能提高了31％基本滿足要求，最終驗(yàn)證了截面載荷分析方法的有效性。

圖11　縱梁后端變形對(duì)比

4、結(jié)論

（1）截面承載性能分析可以有效、快速完成車身結(jié)構(gòu)截面碰撞安全和剛度性能評(píng)估，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供充分依據(jù)。

（2）概念階段通過(guò)完成車身結(jié)構(gòu)截面承載性能分析可以快速優(yōu)化截面性能，為車身承載結(jié)構(gòu)如縱梁、B柱、防撞梁等提供強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)依據(jù)，大大縮短開(kāi)發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)汽車技術(shù)研究中心. 中國(guó)汽車安全發(fā)展報(bào)告（2015）[M].北京：社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社，2015.

[2]連勝利，張向亮，劉劍，等. 汽車側(cè)面碰撞B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2015，(4)：11-12.

[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, GB 11551-2014汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)[S]. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

[4]中國(guó)汽車技術(shù)研究中心. C-CNAP管理規(guī)程（2015版）[M]. 天津：中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，2015.

[5]H.F. Mahmood, A. Paluzny. Design of Thin Walled Columns for Crash Energy Management- Their Strength and Mode of Collapse [J]. SAE, 811302.

[6]H.F.Mahmood,A.Paluszny. Axial Collapse of Thin Wall Cylindrical Column[J].SAE, 840727.

[7]王大志. 基于乘員保護(hù)的汽車正面碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與變形控制研究[D]. 北京：清華大學(xué)，2006.

Performance Improvement of the Automotive Front Middle RailBased on Section Load Analysis

Lu Houguo, Li Tiezhu, Kan Honggui
( Anhui Jianghuai Automotive Co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )

Abstract:Automotive body section design is the basis and core of the part structure design. Sectionperformance reflects the performance of collision safety and rigidity of the structure, a cross-sectional level performance analysis caneffectively and quickly provide the basis for the structural design. In this paper, aiming at the problem that the rear end of the front middle rail bend excessively in the frontal impact, rapid performance optimization through cross-sectional analysis is finished, which greatly improve the ability of bending.Based on the optimized cross-section, the structure is designed, and ultimately the whole car crash simulation validatesthe improvement program.The engineering examples show that the method has a strong engineering practicability for performance optimization design of the front middle rail.

Keywords:Section LoadAnalysis; Front Middle Rail;Front Impact; Simulation Analysis

中圖分類號(hào)：U467.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988 （2016）05-51-04

作者簡(jiǎn)介：魯后國(guó)，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。主要研究汽車車身設(shè)計(jì)。李鐵柱，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。主要愛(ài)研究汽車車身設(shè)計(jì)。