基于仿真與試驗的鋁合金汽車碰撞橫梁設計與成形研究

萬鑫銘+周佳

摘 要：針對某款車型鋼制碰撞橫梁進行全新輕量化設計，以該車鋼制碰撞橫梁靜壓試驗性能參數(shù)為依據(jù)，通過優(yōu)化方法設計出目標車鋁合金碰撞橫梁的截面形狀及尺寸，同時確定了生產(chǎn)該鋁合金碰撞橫梁需要的材料性能?；跀D壓仿真軟件，根據(jù)該鋁型材截面形狀設計出平面分流組合模具，并設計擠壓工藝方案，對該鋁型材擠壓過程進行數(shù)值模擬分析，經(jīng)過對比后證明，仿真結果與試驗結果吻合較好。優(yōu)化后的碰撞橫梁重量為1.3 kg，減重2.1 kg，減重百分比為61%，數(shù)值模擬結果對模具設計和擠壓工藝的制訂與優(yōu)化具有直接指導意義。

關鍵詞：鋁合金；碰撞橫梁；優(yōu)化設計；擠壓；仿真

中圖分類號：TG379文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.01

Abstract：The lightweight design of steel front bumper beam for one kind of vehicle was conducted based on the performance parameters in static pressure experiments. The shape and size of cross-section of the aluminum front bumper beam were designed by FEM optimization， and the mechanical properties of the beam were determined. The aluminum profile extrusion divergent die and the extrusion process were designed， and the extrusion process was simulated based on the commercial extrusion simulation software. The simulation results agree well with the experimental results.The optimized bumper beam weighs 1.3kg， achieving a weight savings of 2.1kg and a weight reduction by 61%. The simulation results greatly help guide the mold design and the optimization of extrusion process.

Keywords：aluminium alloy； bumper beam； optimization design； extrusion； simulation

鋁合金型材在汽車結構件應用中的需求越來越大，這意味著在進行方案設計時需要考慮零部件的結構和功能，對于合金的狀態(tài)也需要精心設計和控制。汽車工程師在進行產(chǎn)品設計時，需要解決各種各樣的工程問題，如輕量化的要求、合適材料的選擇等等，這也有利于鋁合金擠壓型材生產(chǎn)者改善工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而為汽車工程應用提供有效的解決方案[1-4]。

本文針對某款車型鋼制碰撞橫梁進行全新輕量化設計，以仿真分析得到的性能參數(shù)為依據(jù)，設計目標車鋁合金碰撞橫梁的截面尺寸，并確定生產(chǎn)該鋁合金碰撞橫梁需要的材料性能。

對防撞橫梁進行優(yōu)化設計時采用三點靜壓的方法進行，由于其加載工況相對簡單，采用有限元軟件的優(yōu)化功能對其進行優(yōu)化，以確定防撞橫梁的截面形狀和尺寸。

1 碰撞橫梁截面優(yōu)化設計

拓撲優(yōu)化是指在滿足有關應力、位移、平衡等約束條件下，通過拓撲形式對所設計的結構件孔洞的有無、數(shù)量、位置以及相互聯(lián)接方式進行優(yōu)化，使結構達到某種性能指標最優(yōu)。拓撲優(yōu)化常以尋求材料最合理的分布為基本的設計思想，這也符合部件輕量化開發(fā)的要求。因此拓撲優(yōu)化是部件輕量化開發(fā)概念設計階段的一個重要設計手段。

汽車碰撞橫梁的一個重要作用是在碰撞發(fā)生時使碰撞力盡可能沿吸能盒均勻地向后傳遞，所以汽車碰撞橫梁必須滿足一定的強度指標。

采用三點靜壓試驗和仿真分析相結合的方法對碰撞橫梁剛度進行分析。為了便于進行優(yōu)化設計，采用等效靜態(tài)載荷法來近似處理靜壓過程的壓頭載荷，并對橫梁進行拓撲優(yōu)化設計，原碰撞橫梁三點靜壓試驗其峰值支反力為9.0 kN，重量為3.4 kg。

取汽車碰撞橫梁的1/2模型作為研究對象，模型整體作為設計空間，在橫梁對稱面上約束z向自由度，同時約束x、y向自由度，施加彎曲方向的擠壓約束，在達到靜壓峰值載荷時碰撞橫梁的應力小于材料屈服應力280 MPa，碰撞橫梁質(zhì)量最小為優(yōu)化目標。

根據(jù)優(yōu)化得到防撞橫梁的截面形式，以口字型作為橫梁的基本截面形式，最終確定了目標車碰撞橫梁的截面形狀，如圖2所示，各板厚度取3 mm，材料屈服強度為280 MPa。在有限元分析軟件中建立目標車碰撞橫梁三點靜壓仿真模型，如圖3所示，對其進行壁厚優(yōu)化計算分析。

圖4為當型材壁厚為1.8 mm時，鋁合金碰撞橫梁三點靜壓支反力-位移曲線。其變化趨勢和峰值大小與目標車鋼制碰撞橫梁吻合，而且壁厚為1.8 mm時基本達到該類型鋁合金擠壓件的可擠壓下限，因此將目標車碰撞橫梁截面厚度定為1.8 mm，其截面尺寸如圖5所示。優(yōu)化設計后鋁合金碰撞橫梁的重量為1.3 kg，減重2.1 kg，減重百分比為61%。

2 碰撞橫梁擠壓模具設計及模型的建立

本文根據(jù)優(yōu)化設計后的鋁型材截面，借助有限元分析軟件，設計出平面分流組合擠壓模具，并設計擠壓工藝方案，對該鋁型材擠壓過程進行數(shù)值模擬分析，最后按照模擬方法進行試驗驗證。

2.1 擠壓模具

該橫梁截面為空心截面，需要選用平面分流組合模具進行擠壓生產(chǎn)，根據(jù)碰撞橫梁截面尺寸進行擠壓機大小選型及配備的模套尺寸選型。由下模、上模、聯(lián)接螺釘及定位銷四部分組成平面分流組合模具。根據(jù)所設計的型材斷面尺寸，結合平面分流組合模具設計規(guī)范，設計出平面分流擠壓模具（如圖6所示，模擬計算中定位銷及聯(lián)接螺釘可先不考慮）。模具材料為H13模具鋼，模具外形尺寸按照與1350T臥式擠壓機配套的模座設計，上模和下模外形尺寸均為D230 mm×75 mm。1350T擠壓機上使用的擠壓筒內(nèi)徑為162 mm，選用擠壓棒料規(guī)格為D160 mm×420 mm，鋁材料牌號為AL6061。

2.2 擠壓模擬模型

本文采用有限體積法進行擠壓仿真分析，該方法采用Euler網(wǎng)格技術，可以避免網(wǎng)格重劃分[5-6]。在擠壓過程中，根據(jù)材料流在擠壓過程中的流經(jīng)位置，分區(qū)域進行仿真模型的建立，然后劃分合適的網(wǎng)格單元。為保證單元質(zhì)量，提高計算效率，去除模型中不必要的細微特征[7-9]（如較小的倒角、圓角及小孔等），將模型進行幾何清理，改善幾何模型的拓撲關系。碰撞橫梁的擠壓仿真模型如圖7所示。

2.3 材料模型

材料本構關系是有限元模擬鋁合金塑性成形加工的重要前提條件。本文選擇有限元軟件材料庫中的Al6061合金，其具體力學性能為：密度2.71 g/cm3，泊松比0.33，坯料與模具間的熱傳遞系數(shù)為3 000

W/（m·K），熱傳導率為198 W/（m·K），彈性模量為68.94 GPa，應力應變關系（Mpa）。

2.4 摩擦模型

鋁合金材料在擠壓變形過程中，鋁合金與模具之間接觸的邊界存在摩擦力，其受多種因素的綜合影響，如溫度、潤滑、邊界壓力和材料等。在處理擠壓成形問題中一般采用庫侖摩擦模型和剪切摩擦模型。庫侖摩擦模型為，式中，為模具和坯料之間的接觸法向應力，為摩擦因數(shù)；剪切摩擦模型為，式中k為剪切屈服應力，m為摩擦因子。本研究進行如下設置：工作帶與坯料間采用庫侖摩擦模型，摩擦因子設為0.4；坯料與擠壓筒、模具之間采用材料剪切摩擦模型，摩擦因子設為0.9[7]。

2.5 擠壓工藝參數(shù)

為得到高質(zhì)量的鋁合金擠壓型材，需要對擠壓速度和擠壓溫度進行合理的控制。本文所采用的擠壓工藝參數(shù)見表1。

3 擠壓模擬結果分析

3.1 碰撞橫梁速度場、溫度場分布

將建立完成的仿真模型提交計算，得到計算結果，并對結果進行分析。圖8為型材出口流速分布圖，結果顯示出口流速均勻，根據(jù)出口流速（2 mm/s）和擠壓比（51.01）與入口流速之間的關系可知，出口流速理想值為102 mm/s。圖中所示流速在100 mm/s左右，型材下方流速稍慢于上部，可將出口往上移動少許位置。由圖8～10可知，在各個區(qū)域的鋁合金流速分布情況，可以觀察到鋁合金材料在流入工作帶時，其流速快速增大，在四邊形上邊拐角處鋁合金流速較大，但從型材截面整體流速來看，其出口流速比較均勻，不會出現(xiàn)由于截面過大的流速差使型材變形，甚至開裂的現(xiàn)象。

影響鋁合金流動的一個重要因素是擠壓變形過程中坯料溫度的變化。鋁合金在擠壓過程中發(fā)生大的塑性變形，其塑性變形功將轉化為熱能，因此鋁合金坯料在擠壓過程中會有明顯的溫升。鋁合金坯料在擠壓過程中的溫度變化如果不均勻還會影響其在擠壓模具中的流動，甚至會影響空心型材焊縫處的焊合質(zhì)量，因此，對于擠壓過程中鋁合金坯料溫度的變化及分布的了解和控制非常重要。擠壓型材缺陷最容易產(chǎn)生的區(qū)域在擠壓模具出工作帶處，該處鋁合金材料溫升最為明顯，溫度最高。圖11為鋁合金擠壓型材的溫度場分布，由于型材在工作帶處的摩擦較大使溫升較高，所以該處溫度最高。從圖8所示的鋁合金速度場分析可知，此區(qū)域的流速也較快。在擠壓過程中，最高溫度不宜超過合金的過燒溫度，可通過調(diào)整擠壓速度、初始溫度等輸入條件，來得到合理的擠壓工藝參數(shù)。

4 擠壓試驗研究

按照所設計的平面分流組合模具試制該模具，使用和仿真一致的擠壓工藝參數(shù)，在1350T的臥式擠壓機上進行擠壓試制，得到擠壓型材初始料頭，如圖12所示，仿真結果如圖13所示。對比可知，試制結果與仿真結果吻合度較高，型材底面流速較慢，流速變化較小，沒有出現(xiàn)料頭開裂現(xiàn)象。

通過有限元軟件可以模擬型材擠壓成形過程，能夠準確地反映擠壓過程中材料的流動規(guī)律，仿真結果與試制結果吻合度較高。同時，上述結果實現(xiàn)了模具設計的虛擬試模，證明了該模具設計的正確性。

選用6061鋁合金作為生產(chǎn)汽車鋁合金碰撞橫梁組件的材料。為了達到所需的力學性能要求，需要對擠出型材進行熱處理[10]，在完成擠壓過程后對擠出的鋁合金碰撞橫梁進行T6熱處理，熱處理工藝為160℃+ 4 h。，熱處理后對型材進行了拉伸力學性能試驗，其性能參數(shù)測量值與設計值的對比結果見表2。由表2可知，型材實際力學性能與設計性能吻合較好，采用的擠壓工藝能制備出滿足鋁合金碰撞橫梁要求的擠壓型材，可為鋁合金碰撞橫梁的工業(yè)化生產(chǎn)提供技術支持。

5 結論

（1）針對某車型鋼制碰撞橫梁進行輕量化設計，得到了優(yōu)化的鋁合金碰撞橫梁截面尺寸，優(yōu)化后重量為1.3 kg，減重2.1 kg，減重百分比為61%。

（2）采用數(shù)值模擬方法，獲得了鋁合金碰撞橫梁擠壓過程的鋁合金流動速度場和溫度場分布圖，模擬擠壓料頭與擠壓試驗料頭吻合較好，數(shù)值模擬結果對模具設計和擠壓工藝的制訂與優(yōu)化有直接指導意義。

（3）采用的擠壓工藝能制備出滿足鋁合金碰撞橫梁要求的擠壓型材。

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