基于車身碰撞性能的玻璃纖維增強(qiáng)尼龍結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究

唐程光，張炳力

（合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

基于車身碰撞性能的玻璃纖維增強(qiáng)尼龍結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究

唐程光，張炳力

（合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

∶針對(duì)某車型的車身碰撞性能開發(fā)，縱梁后端采用多層鋼板焊接方案以提高其碰撞安全性能，造成重量增加，焊接工藝復(fù)雜化等問題。文章采用了玻璃纖維增強(qiáng)尼龍結(jié)構(gòu)，不僅提高車身縱梁碰撞性能，還有效實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。首先對(duì)有限元仿真分析中玻璃纖維增強(qiáng)尼龍材料性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，然后通過有限元分析確定縱梁后端原始方案的抗彎性能作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合縱梁后端內(nèi)部空腔特點(diǎn)完成了玻璃纖維增強(qiáng)尼龍結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證了方案的有效性，隨后制作了優(yōu)化后玻璃纖維增強(qiáng)尼龍結(jié)構(gòu)物理樣件，最終的彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的有效性。

∶玻璃纖維增強(qiáng)尼龍；車身設(shè)計(jì)；碰撞性能；輕量化設(shè)計(jì)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.053

CLC NO.: U462Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-151-04

前言

近年來，隨著各國汽車碰撞法規(guī)，特別是新車評(píng)定規(guī)程要求的不斷提升，對(duì)車身的碰撞安全性提出更高的要求[1]。針對(duì)車身的正面碰撞安全性設(shè)計(jì)，一方面要合理設(shè)計(jì)車身前端結(jié)構(gòu)的吸能特性，另一方面要確保乘員艙的完整性，往往也會(huì)帶來車身重量的增加[2]。而目前汽車排放要求的進(jìn)一步提高，車身設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)高安全性能要求的同時(shí)還要兼顧車身輕量化設(shè)計(jì)。

在汽車正面碰撞過程中，車體前縱梁是重要的能量吸收和載荷傳遞部件，前段主要起到能量吸收的作用，而后端折彎結(jié)構(gòu)緊貼乘員艙，該處變形會(huì)直接造成較大的乘員艙入侵，因此主要起到載荷傳遞作用，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要最大化其抗彎性能，該區(qū)域往往也是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、重量增加最大的位置。針對(duì)該區(qū)域的碰撞性能和輕量化設(shè)計(jì)，國外研究了結(jié)構(gòu)泡沫材料加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的方法[3]，也研究了采用整體鑄鋁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[4]，其不僅確保縱梁的碰撞性能，同時(shí)降低了重量和焊接工藝的復(fù)雜性，有效降低成本。

本文針對(duì)某款轎車車身碰撞性能開發(fā)，考慮到縱梁后端原方案的重量增加和工藝復(fù)雜化問題，重點(diǎn)研究了玻璃纖維增強(qiáng)尼龍結(jié)構(gòu)在提升縱梁后端碰撞安全性方面的應(yīng)用。首先對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)尼龍材料性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，然后基于原始方案設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法完成玻璃纖維增強(qiáng)尼龍結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，并制作了玻璃纖維增強(qiáng)尼龍結(jié)構(gòu)的物理樣件，最終通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的有效性。

1、前縱梁后端性能設(shè)計(jì)

汽車正面碰撞中，車體前縱梁是最為重要的能量吸收和載荷傳遞部件，縱梁前段通過軸向壓潰和彎曲變形吸收整車動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)合理的車身加速度目標(biāo)[5]，縱梁后端主要是傳遞縱梁前端載荷降抵抗彎曲變形，實(shí)現(xiàn)乘員艙入侵最小化，如圖1所示。針對(duì)縱梁后端位置1處設(shè)計(jì)，該區(qū)域通常是承受彎矩載荷，該區(qū)域的抗彎性能直接影響到乘員艙的入侵量水平，為此傳統(tǒng)設(shè)計(jì)普遍采用多層鋼板焊接設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖1　汽車前縱梁設(shè)計(jì)

圖2　多層鋼板焊接設(shè)計(jì)

隨著汽車正面碰撞速度和整車重量的增加，針對(duì)多層鋼板焊接方案，往往需要增加更多層板來提高其抗彎性能，增加了車身重量和車身焊接的復(fù)雜性，同時(shí)多層板的焊接質(zhì)量也很難保證。如圖3所示為某車型在滿足整車正面碰撞安全性前提下縱梁后端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在圖1所示的位置1處包括地板總共設(shè)計(jì)有5層板，可見該區(qū)域結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，同時(shí)也不利于結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，為此本文考慮通過使用玻璃纖維增強(qiáng)尼龍結(jié)構(gòu)的方案來實(shí)現(xiàn)其碰撞抗彎性能和輕量化設(shè)計(jì)。

圖3　某車型縱梁后端多層板焊接設(shè)計(jì)

2、玻璃纖維增強(qiáng)尼龍材料模型建立和仿真驗(yàn)證

2.1尼龍?jiān)鰪?qiáng)材料試驗(yàn)

玻璃纖維增強(qiáng)尼龍結(jié)構(gòu)作為載荷承載的主要載體通過環(huán)氧樹脂粘膠與車體連接，通過填充在車身結(jié)構(gòu)空腔內(nèi)部來提高結(jié)構(gòu)抗屈曲性能，如圖4所示。

圖4　玻璃纖維增強(qiáng)尼龍結(jié)構(gòu)

為了確定玻璃纖維增強(qiáng)尼龍材料的力學(xué)特性，同時(shí)為后續(xù)有限元分析提供數(shù)據(jù)輸入完成了該材料的靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，如圖5所示。

圖5　玻璃纖維增強(qiáng)尼龍塊壓縮試驗(yàn)

2.2尼龍?jiān)鰪?qiáng)材料仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真分析中玻璃纖維增強(qiáng)尼龍材料的準(zhǔn)確性，根據(jù)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)計(jì)算得到了材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，同時(shí)將增加30%短玻纖尼龍材料密度1.35g/cm3，拉伸強(qiáng)度180MPa，彎曲模量7500MPa等材料參數(shù)帶入仿真模型中，采用ABAQUS進(jìn)行了仿真分析，材料模型采用了通用的各向同性材料模型，單元類型為實(shí)體單元，按照靜態(tài)壓縮試驗(yàn)工況進(jìn)行了仿真分析，如圖6所示。仿真分析中最大應(yīng)力分布和壓頭的載荷位移曲線與試驗(yàn)基本一致，因此證明材料模型可用于后續(xù)的性能分析和優(yōu)化。

圖6　玻璃纖維增強(qiáng)尼龍塊壓縮仿真分析

3、尼龍?jiān)鰪?qiáng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

3.1尼龍?jiān)鰪?qiáng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

為了獲得最優(yōu)的玻璃纖維增強(qiáng)尼龍結(jié)構(gòu)，首先采用剛度折減拓?fù)鋬?yōu)化方法，對(duì)低應(yīng)力的單元減弱剛度[6]。最優(yōu)解搜索算法采用了模擬退火算法，在相鄰搜索方向中加入隨機(jī)數(shù)，以保證在足夠大的區(qū)域內(nèi)尋找最大值，優(yōu)化變量為體積分?jǐn)?shù)，優(yōu)化目標(biāo)為均勻應(yīng)變能，體積連續(xù)、拔模角、對(duì)稱性、最小最大厚度都作為約束條件，優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　拓?fù)鋬?yōu)化前后增強(qiáng)尼龍結(jié)構(gòu)

拓?fù)鋬?yōu)化過程中提前通過折減材料屬性方法，包括彈性和塑性特性，確保了優(yōu)化后結(jié)構(gòu)基本滿足性能要求，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化后的大致輪廓，并考慮工藝性，對(duì)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進(jìn)行光滑性處理，進(jìn)一步完成結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)。

3.2尼龍?jiān)鰪?qiáng)結(jié)構(gòu)性能分析和對(duì)比

針對(duì)最終確定的玻璃纖維增強(qiáng)尼龍?jiān)敿?xì)結(jié)構(gòu)，為了驗(yàn)證其性能目標(biāo)，將其集成到車體縱梁中進(jìn)行了彎曲性能驗(yàn)證，如圖8所示，彎曲性能如圖9所示，可見集成尼龍?jiān)鰪?qiáng)結(jié)構(gòu)的縱梁彎曲性能較好地達(dá)到了原始方案性能。

圖8　不同方案彎曲性能分析與對(duì)比

圖9　仿真中不同方案彎曲性能對(duì)比

詳細(xì)對(duì)比集成玻璃纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)方案與原始方，如圖10所示 ，在碰撞抗彎性能達(dá)標(biāo)的前提下，采用尼龍?jiān)鰪?qiáng)結(jié)構(gòu)方案后，取消了三個(gè)鈑金零部件，相比代替的三個(gè)鈑金零部件重量減少1.47 kg，占原始方案重量的44.8%，大大提升了輕量化設(shè)計(jì)水平。

圖10　不同方案縱梁后端結(jié)構(gòu)對(duì)比

4、尼龍?jiān)鰪?qiáng)結(jié)構(gòu)物理試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)最終方案試制了優(yōu)化后的玻璃纖維增強(qiáng)尼龍結(jié)構(gòu)，如圖11所示。為了通過物理試驗(yàn)最終驗(yàn)證集成增強(qiáng)尼龍結(jié)構(gòu)與原始方案縱梁的抗彎曲性能，將該尼龍結(jié)構(gòu)集成到縱梁中完成了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)如圖12所示，試驗(yàn)后彎曲性能對(duì)比如圖13所示，可見集成尼龍?jiān)鰪?qiáng)結(jié)構(gòu)方案中縱梁后端的最大抗彎性能相比原始多層鈑金方案提升了21%，物理試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明了增強(qiáng)尼龍結(jié)構(gòu)方案的有效性。

圖11　玻璃纖維增強(qiáng)尼龍結(jié)構(gòu)樣件

圖12　集成尼龍?jiān)鰪?qiáng)結(jié)構(gòu)的縱梁彎曲試驗(yàn)

圖13　試驗(yàn)中不同方案彎曲性能對(duì)比

5、結(jié)論

（1）玻璃纖維增強(qiáng)尼龍結(jié)構(gòu)的合理應(yīng)用能夠提高車身的碰撞性能，同時(shí)可以有效地實(shí)現(xiàn)車身的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，為車身結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)提供了新的方向。

（2）車身開發(fā)前期通過結(jié)合結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，有限元仿真分析和零部件試驗(yàn)方法，能夠有效完成增強(qiáng)尼龍結(jié)構(gòu)的開發(fā)，確保性能滿足目標(biāo)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

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

[2] 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.

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[6] 杜建鑌.結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其在振動(dòng)和聲學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2015.

The Application of Glass Fiber Reinforced Nylon Based on Crash Performance of the vehicle Body

Tang Chengguang, Zhang Bingli
(School of Automobile and Traffic Engineering, Hefei University of Technology, Anhui Hefei 230009)

For vehicle body crash performance development of the car, the multi-layer steel plate welding schemes is used to improve crash performance of the longitudinal rail rear structure, that lead to adding weight and complicating the welding process. This paper adopts the glass fiber reinforced nylon structure, not only improving body longitudinal rail crash performance, also realizing the lightweight design effectively. First of all, the glass fiber reinforced nylon material performance is validated by the test in the finite element simulation analysis, and then the bending capacity of the original scheme is determined through the finite element analysis as a design goal, combining with the characteristics of longitudinal rail internal cavity, the topology optimization design of glass fiber reinforced nylon structure is finished, and the effectiveness of the solution is verified, then the physical samples of the optimized structure of glass fiber is produced, the bending test verify ultimately the validity of the reinforced nylon scheme.

Glass Fiber Reinforced Nylon; Vehicle Body Design; Crash Performance; Lightweight Design

∶U462

∶A

∶1671-7988 (2016)09-151-04

唐程光（1997—），男，高級(jí)工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，主要研究方向：車身設(shè)計(jì)技術(shù)。