影響汽車縱梁前段變形模式的因素

曾婷++吳沈榮++張林波++涂金剛

摘要： 在汽車前部40%偏置碰設(shè)計(jì)中，要求縱梁不能更改的前提下，希望縱梁前段由折彎變形改進(jìn)為壓潰變形.通過競(jìng)品車研究和CAE仿真，確定除縱梁本身的設(shè)計(jì)外，能較大影響縱梁前段變形模式的因素為前保橫梁的強(qiáng)度、縱梁與吸能盒間安裝板的強(qiáng)度，以及縱梁與安裝板間的連接方式等.進(jìn)一步的仿真分析發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)加強(qiáng)這些部位有利于縱梁的穩(wěn)定壓潰變形，并提升前端結(jié)構(gòu)的能量吸收.

關(guān)鍵詞： 汽車耐撞性； 前縱梁； 壓潰變形； 折彎變形； 前保橫梁； 安裝板； 能量吸收； 仿真

中圖分類號(hào)： U462.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Factors affecting front part deformation mode of

vehicle front rail

ZENG Ting， WU Shenrong， ZHANG Linbo， TU Jingang

（Automobile Engineering Technology Research Institute， CHERY Automobile Co.， Ltd.， Wuhu 241009， Anhui， China）

Abstract： As to the 40% front offset impact for a vehicle， under the requirement that the design of the rail is not changed， the front part of the front rail is expected to change the deformation mode from bending to collapse. Benchmark study and CAE simulation are performed. Besides the rail design， the strength of front bumper beam， the strength of the connection plates between the crash box and the rail， and the method connecting the rail to the connection plates are identified as the main factors， that affect the deformation mode of the front part of front rail. The further simulation analysis shows that a stable progressive collapse deformation of front rail can be implemented by the proper reinforcement of these parts， which can improve the energy absorption of the front end structure.

Key words： vehicle crashworthiness； front rail； collapse deformation； bending deformation； front bumper beam； connection plate； energyabsorbing； simulation

收稿日期： 2016[KG*9〗08[KG*9〗08修回日期： 2016[KG*9〗11[KG*9〗08

作者簡(jiǎn)介： 曾婷（1985—），女，內(nèi)蒙古包頭人，工程師，碩士，研究方向?yàn)槠嚺鲎舶踩Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，（Email）12490973@qq.com0引言

車身結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)是汽車安全設(shè)計(jì)的基礎(chǔ).車身結(jié)構(gòu)的耐撞性是指汽車在發(fā)生碰撞時(shí)通過車身結(jié)構(gòu)的塑性變形吸收撞擊能量的能力和通過撞擊能量減弱而防止車身結(jié)構(gòu)變形能力的綜合體現(xiàn).[1]針對(duì)前部偏置碰撞工況，車身的主要變形吸能區(qū)域?yàn)檐嚿砬安康膲簼^(qū)，而縱梁是前碰的主要吸能部件，在碰撞安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有重要地位，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果有非常大的影響.

在現(xiàn)有的研究中，縱梁的變形模式主要通過以下方法進(jìn)行控制：改變縱梁的截面形狀、厚度，或改變縱梁誘導(dǎo)槽的位置、深度或形狀[2]；運(yùn)用新材料[34]；運(yùn)用激光拼焊達(dá)到最合理的材料性能組合[5]；更改縱梁材料厚度和吸能盒與縱梁的相對(duì)位置[6]等.

在現(xiàn)實(shí)情況中，由于平臺(tái)沿用、布置或成本等問題，縱梁本體可能不能更改，那么在偏置碰撞中，縱梁前段為折彎變形且縱梁本體不能更改的前提下，找到對(duì)縱梁前段變形模式影響較大的因素，將縱梁前段由折彎變形改進(jìn)為逐漸壓潰變形，提高縱梁前段截面力、增加縱梁前段吸能，是碰撞仿真工程師需要研究的課題.

1縱梁前段變形

前縱梁既是吸收汽車前部縱向碰撞能量的主要結(jié)構(gòu)，又是控制碰撞能量在汽車中分布情況的主要裝置.[7]設(shè)計(jì)良好的吸能結(jié)構(gòu)能夠把碰撞動(dòng)能不可逆地轉(zhuǎn)換為塑性變形能.對(duì)于轎車中常用于縱梁的薄壁金屬構(gòu)件，最重要的是在受到撞擊載荷作用時(shí)破壞模式穩(wěn)定，并能以可控的方式通過本身的塑性變形吸收能量.[8]薄壁構(gòu)件的變形模式可表現(xiàn)為彎折變形、翹曲變形或者皺褶壓縮即壓潰變形等.在這幾種變形模式當(dāng)中，只有壓潰變形的變形量最大，最利于吸收碰撞能量.[9]

汽車偏置碰撞時(shí)依靠單邊的縱梁吸能，縱梁前段壓潰變形比折彎變形具有更高的截面力，可吸收更多的能量，且前段的正向壓潰也更容易控制縱梁后段的折彎，使其進(jìn)一步吸收能量，從而減輕其他吸能件的負(fù)擔(dān)，對(duì)1階加速度均值的提高有很大作用，能夠提高整體的偏置碰撞性能.

在合理設(shè)置縱梁的壓潰力后，必須保障縱梁前段的抗彎能力.如果縱梁前段過早彎曲變形，會(huì)造成整體壓潰失穩(wěn)，影響吸能效果.[10]縱梁前段出現(xiàn)彎折變形的主要因素有3個(gè)：一是碰撞產(chǎn)生的慣性力形成的彎矩過大；二是縱梁局部能夠承受的彎矩太?。蝗乔翱v梁吸能結(jié)構(gòu)、變形次序和變形引導(dǎo)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理.[11]在前縱梁整體設(shè)計(jì)較合理且縱梁不能更改的前提下，需要讓第一個(gè)因素的影響盡量降低，因此在保證剛度要求的前提下，必須同時(shí)保證前保橫梁、吸能盒和縱梁前段的整體抗彎特性.

2前保橫梁和吸能盒與縱梁間安裝板的設(shè)計(jì)為降低偏置碰撞中由壁障碰撞變形產(chǎn)生的過大彎矩，在不考慮更改縱梁的前提下，針對(duì)白車身結(jié)構(gòu)，能影響前部抗彎能力的結(jié)構(gòu)主要有前保橫梁、吸能盒、吸能盒與縱梁間的安裝板，見圖1.在此，不考慮吸能盒本身設(shè)計(jì)因素，只探討前保橫梁、吸能盒與縱梁間安裝板的設(shè)計(jì).

圖 1前部結(jié)構(gòu)示意

Fig.1Schematic of front structure

2.1前保橫梁

在高速碰撞中，車體前保橫梁最大變形時(shí)刻越靠后，即單位時(shí)間前保橫梁在碰撞方向的位移越小，變形量越小，結(jié)構(gòu)的平均承載能力越強(qiáng)，吸能能力也越強(qiáng).[12]前保橫梁承載不足過早折彎，是導(dǎo)致縱梁前段壓潰不穩(wěn)折彎的重要因素之一.

前保橫梁的制造主要有4種工藝方式：冷沖壓、輥壓、熱沖壓和鋁鑄.冷沖壓的前保橫梁較容易實(shí)施，但若要橫梁具有足夠的承載能力，則冷沖壓件需要足夠大的截面和厚度，對(duì)車身增重和前端布置都不利，同時(shí)也會(huì)提高沖壓工藝的要求.近幾年，輥壓前保橫梁實(shí)施很廣泛，由于輥壓材料的超高強(qiáng)度，在同樣的承載條件下，其截面和厚度都可以比冷沖壓件小，因此質(zhì)量相比冷沖壓前保橫梁可以減少15%～25%.熱沖壓（熱成型）前保橫梁強(qiáng)度高，因此質(zhì)量可比冷沖壓件減少40%，但是成本比前兩者高2倍以上.[13]鋁合金前保橫梁在合資車中應(yīng)用較廣，在達(dá)到同樣承載條件時(shí)質(zhì)量更小[1415]，但成本較高，國(guó)內(nèi)主機(jī)廠應(yīng)用較少.綜上所述，高強(qiáng)度的輥壓前保橫梁易達(dá)到承載要求且質(zhì)量較輕，成本較易控制.

輥壓前保橫梁截面不同對(duì)前保橫梁整體吸能也有影響[16]，一些競(jìng)品車的輥壓前保橫梁的截面和厚度見表1，其中：a為前保橫梁截面寬度；h為前保橫梁厚度，車型3無吸能盒.在正常情況下，輥壓前保橫截面寬度在30～40 mm，厚度1.2～1.5 mm，無吸能盒時(shí)需要增加截面寬度和厚度來提高前端吸能性能.

2.2吸能盒與縱梁間的安裝板

吸能盒與縱梁間安裝板的設(shè)計(jì)業(yè)內(nèi)無明確定義，幾款競(jìng)品車測(cè)量結(jié)果見表2.安裝板總厚度一般不小于7.0 mm，足夠厚度的安裝板也對(duì)前段壓潰穩(wěn)定有一定作用.安裝板與縱梁間連接多由L型板點(diǎn)焊連接，如果無L型連接板，與縱梁連接的安裝板也會(huì)伸出縱梁軸向的邊緣與縱梁進(jìn)行面連接，如車型5.安裝板與縱梁直接燒焊連接會(huì)導(dǎo)致前段變形不穩(wěn)定，且燒焊邊易撕裂使得前端傳力不連續(xù)，見圖2.因此，為增加前段的抗彎能力，安裝板與縱梁連接最好通過面連接并點(diǎn)焊連接.

cross section of front bumper beams車型車型1車型2車型3a/mm333760h/mm1.231.291.62結(jié)構(gòu)

between crash box and front rail車型車型4車型5車型6總厚度/mm7.387.4L型支撐板/mm2.8無2.3結(jié)構(gòu)

and connection plates

3實(shí)例驗(yàn)證

根據(jù)以上競(jìng)品車和實(shí)車試驗(yàn)中前保橫梁、吸能盒與縱梁間安裝板的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)有車型進(jìn)行改進(jìn)，提高縱梁前段的抗彎能力.研究工況為CNCAP前部偏置碰撞，速度64 km/h，仿真采用壁障為Arup公司的殼單元可變形偏置壁障（Offset Deformable Barrier，ODB）.

某車型在整車試驗(yàn)中的表現(xiàn)見圖3，仿真中碰撞模型結(jié)果見圖4.仿真模型結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變形相似，縱梁前段變形為向內(nèi)折彎.

根據(jù)以上研究結(jié)果對(duì)前保橫梁、吸能盒與縱梁間安裝板進(jìn)行改進(jìn).

3.1前保橫梁

原車前保橫梁為2個(gè)沖壓件焊接，截面大小為60 mm×80 mm，材料抗拉強(qiáng)度為780 MPa，厚度2.0 mm，見圖5.前保橫梁改為輥壓件，截面大小為40 mm×100 mm，材料抗拉強(qiáng)度為1 200 MPa，厚度1.5 mm，見圖6和7.

a）更改前b）更改后圖 7更改前后前保橫梁截面對(duì)比，mm

Fig.7Comparison of cross section of front bumper beam

before and after improvement，mm

3.2吸能盒與縱梁間安裝板

原車吸能盒與縱梁間安裝板從前到后3塊的厚度依次為1.5，1.5和2.0 mm，現(xiàn)改為厚度依次為2.0，3.0和3.0 mm，安裝板見圖8.原車縱梁與安裝板間連接為一圈燒焊，見圖9，現(xiàn)改為縱梁與安裝板間有L型板連接，并與縱梁和安裝板點(diǎn)焊連接，材料抗拉強(qiáng)度為590 MPa，厚度3.0 mm，見圖10.

rail and connection plates圖 10改進(jìn)后安裝板與縱梁連接方式

Fig.10Improved connection mode between front rail

and connection plates

具體實(shí)施時(shí)需要修改縱梁和吸能盒間安裝板形狀和孔的位置.對(duì)修改后模型進(jìn)行ODB碰撞仿真，縱梁前段變形計(jì)算結(jié)果見圖11和12.改進(jìn)前后縱梁前段截面力和吸能對(duì)比見圖13和14，前保橫梁吸能見圖15.

front rail圖 13改進(jìn)前后縱梁前段截面力對(duì)比

Fig.13Comparison of front part section force of

front rail before and after improvement

t

改進(jìn)前后縱梁前段截面力、吸能和前保橫梁吸能的最大值對(duì)比見表3.

表 3改進(jìn)前后截面力最大值和吸能對(duì)比

Tab.3Comparison of maximum value of section force and energy absorption before and after improvement對(duì)比參數(shù)改進(jìn)前改進(jìn)后縱梁前段截面力最大值/kN101109縱梁前段吸能/kJ9.615.4前保橫梁吸能/kJ7.511.9

結(jié)果顯示：縱梁前段由原來的向內(nèi)折彎變形變?yōu)檎蚍€(wěn)定壓潰變形；改進(jìn)后縱梁前段截面力較高值持續(xù)的時(shí)間比改進(jìn)前多，改進(jìn)后縱梁前段吸能和前保橫梁吸能都有較大的提高.

改進(jìn)前后前部變形對(duì)比見圖16.

a）0 ms，改進(jìn)前b）0 ms，改進(jìn)后c）20 ms，改進(jìn)前d）20 ms，改進(jìn)后e）40 ms，改進(jìn)前f）40 ms，改進(jìn)后g）60 ms，改進(jìn)前h）60 ms，改進(jìn)后圖 16前部變形對(duì)比

Fig.16Comparison of front part deformation

原結(jié)構(gòu)前保橫梁變形時(shí)刻很早，在吸能盒變形的同時(shí)，前保橫梁就開始折彎，在40～60 ms，前保橫梁折彎導(dǎo)致縱梁前段y向的彎矩較大，使縱梁前段還未壓潰，已經(jīng)y向向內(nèi)折彎.改進(jìn)后前保橫梁是在縱梁前段基本壓潰變形完成后才開始折彎，因此能保證縱梁的軸向壓潰完全，縱梁前段抗彎能力得到提升.原結(jié)構(gòu)吸能盒與縱梁間安裝板在20 ms開始出現(xiàn)大變形，安裝板的大變形也不利于縱梁前段的穩(wěn)定壓潰.改進(jìn)后吸能盒與縱梁間安裝板直到縱梁前段完全壓潰的60 ms也基本沒有變形，可很好地保證軸向力的方向，有利于縱梁的穩(wěn)定壓潰.因此，加強(qiáng)前保橫梁和吸能盒與縱梁間安裝板，可推后前保橫梁的變形時(shí)刻，保證對(duì)縱梁穩(wěn)定的軸向力方向，有效降低碰撞變形產(chǎn)生的過大彎矩，提高縱梁前部的抗彎能力，增加前保橫梁和縱梁前段的吸能性能.

除縱梁本身的設(shè)計(jì)外，影響縱梁前段變形模式的較大因素有：（1）前保橫梁的強(qiáng)度；（2）吸能盒與縱梁間安裝板的強(qiáng)度；（3）安裝板與縱梁間的連接方式.采用高強(qiáng)度合理截面的輥壓前保橫梁、較強(qiáng)的吸能盒與縱梁間的安裝板、面接觸的安裝板與縱梁間的連接方式，都能改善高速偏置碰撞中縱梁前段的變形模式，提高縱梁前段的抗彎能力.

縱梁前段由折彎變形改進(jìn)為壓潰變形，縱梁前部整體吸能提高，進(jìn)而改善縱梁的變形和增加前部吸能特性，是建立整個(gè)車身變形的吸能特性與乘員保護(hù)之間相關(guān)性模型的基礎(chǔ).[17]在高速碰撞中，縱梁前段吸能越多，表示汽車前部抗沖擊性能越好，碰撞安全性越好.

4結(jié)束語(yǔ)

本文分析對(duì)縱梁前段變形模式的影響因素，除縱梁本身的設(shè)計(jì)外，增加前保橫梁的強(qiáng)度、縱梁與吸能盒間安裝板的強(qiáng)度、改善縱梁和安裝板間連接方式等都對(duì)縱梁的變形和吸能能力有重要影響，可以使縱梁穩(wěn)定壓潰，提升縱梁和前保橫梁的能量吸收，并能有效提高縱梁前部的抗彎能力，進(jìn)而提升車輛前部的碰撞安全性能.

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