CFRP十二直角薄壁梁保險杠的輕量化設(shè)計(jì)?

陳 光，路 深，趙紫劍，陳 超，婁 磊

(1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300131； 2.中國第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院，長春 130000；3.中國汽車技術(shù)研究中心國家轎車質(zhì)量監(jiān)督檢測中心，天津 300300)

前言

保險杠總成是車輛發(fā)生正面碰撞時最先變形的部件，一般由保險杠橫梁和吸能盒組成。保險杠總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在碰撞中可起到有效緩沖作用，從而在一定程度上減輕對車內(nèi)乘員的傷害[1]。目前新能源電動汽車的大量出現(xiàn)，對車身輕量化提出了更高的要求。北汽、長城、通用和豐田等公司多款車型中，已經(jīng)研發(fā)出以SMC，GMT和FRP為主的復(fù)合材料保險杠[2]。另外，寶馬 i3、東風(fēng)小王子(EQ7101BP)轎車、Aerostable Composite Car和 aX-cess全地形概念車等均采用了復(fù)合材料車身。

隨著復(fù)合材料在車身上的廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料應(yīng)用研究也進(jìn)一步深入。MAI N J等人比較了鋁合金、GFRP和CFRP 3種材料的性能，發(fā)現(xiàn)CFRP應(yīng)用于保險杠時，吸能和輕量化的效果比其它兩種更好[3]。KORICHO E等分別比較了鋼材、30%短玻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和CFRP復(fù)合材料保險杠的抗撞性，結(jié)果表明 CFRP復(fù)合材料的保險杠抗撞性最好[4]。

相對于傳統(tǒng)金屬材料，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)密度小，比強(qiáng)度和比能量均較高；其在碰撞時的吸能比鋼和鋁要高3～4倍[5]，所以CFRP符合本文設(shè)計(jì)宗旨，有利于吸能和輕量化效果。本文中所用CFRP材料相關(guān)參數(shù)根據(jù)NHTSA發(fā)布的數(shù)據(jù)[6]確定，其中碳纖維單層厚度約為0.6mm，纖維體積分?jǐn)?shù)約為44%～57%，材料力學(xué)特性如表1所示。

表1 CFRP復(fù)合材料力學(xué)特性

有關(guān)研究指出，當(dāng)材料、質(zhì)量和截面周長相同時，十二直角薄壁梁壓潰時的吸能量是矩形截面梁的3倍[7-9]，因而是保險杠總成設(shè)計(jì)的理想結(jié)構(gòu)。

各國針對保險杠的抗撞性有相應(yīng)法規(guī)，其中歐盟的 ECE-R42，美國的 FMVSS-581，Consumer test，IIHS Test，加拿大的 CFVSS-215和德國的 AZTCrash-Test分別對保險杠高速和低速沖擊下的抗撞性作出相應(yīng)規(guī)定：低速碰撞時，保險杠變形小，縱梁不發(fā)生塑性變形，從而節(jié)約維修成本；高速碰撞時，保險杠應(yīng)達(dá)到吸能目標(biāo)，并保證在規(guī)定的時間內(nèi)能使乘員約束系統(tǒng)順利點(diǎn)火。

本文中采用的方法有別于以往的試驗(yàn)法和有限元法，它首先確定了保險杠吸能目標(biāo)，然后再確定具體的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)從性能到結(jié)構(gòu)的正向設(shè)計(jì)，目的是使保險杠總成在碰撞中吸收更多能量，減少碰撞傷害，并運(yùn)用薄壁梁壓潰理論和剛度等效替代設(shè)計(jì)方法，分別設(shè)計(jì)吸能盒和橫梁，實(shí)現(xiàn)輕量化。

1 保險杠總成目標(biāo)確定

基礎(chǔ)車型為某B級轎車，整車質(zhì)量為1.365t，當(dāng)正面剛性壁障碰撞速度為65km/h時，整車前端恰好達(dá)到最大變形，本文中選用此工況進(jìn)行保險杠能量目標(biāo)分解[11]，如圖1(a)所示。

圖1 基礎(chǔ)車型碰撞工況和保險杠總成

基礎(chǔ)車型保險杠總成如圖1(b)所示。其橫梁由橫梁外板1、橫梁內(nèi)板2組成；其吸能盒由吸能盒內(nèi)板件3、吸能盒上下板件4和吸能盒外板件5組成。總質(zhì)量為6.27kg。根據(jù)仿真結(jié)果可知，基礎(chǔ)車型碰撞過程中保險杠總成吸能量為25.9kJ。

張君媛[1]等人采用車輛前端碰撞能量管理方法，優(yōu)化前端碰撞波形目標(biāo)，獲得相應(yīng)的力-位移曲線，通過積分方法得出保險杠吸能目標(biāo)，得到改進(jìn)后的目標(biāo)車型保險杠總成吸能量達(dá)到22kJ。本文中將該值作為保險杠總成目標(biāo)吸能量。由于能量目標(biāo)無法直接用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，故將能量目標(biāo)轉(zhuǎn)化為壓潰力目標(biāo)。

通過比較幾款車的保險杠各部分吸能量可知，吸能盒吸能量約占70%～90%，本文中設(shè)定吸能盒吸能比例為90%，即單側(cè)吸能盒吸能量E0為9.9kJ；壓潰系數(shù)K為0.8。由式(1)得到目標(biāo)車型吸能盒壓潰力P0。

式中D為吸能盒長度，D=140mm。

2 保險杠總成設(shè)計(jì)

2.1 吸能盒外形尺寸設(shè)計(jì)

考慮輕量化因素，吸能盒采用碳纖維復(fù)合材料(CFRP)包裹十二直角低碳鋼薄壁梁形式，CFRP材料不僅自身能吸收能量，還能對低碳鋼起到約束作用，從而使金屬吸收更多的能量[12]。

首先確定吸能盒的外形尺寸：吸能盒后面與前縱梁相連，根據(jù)前縱梁的尺寸確定吸能盒后平面的高為145mm，寬為70mm；根據(jù)原車吸能盒結(jié)構(gòu)確定前平面高為121mm，寬為60mm。據(jù)此設(shè)計(jì)其中間斷面的十二直角截面尺寸，如圖2所示，其中圓角半徑為5mm。CFRP層采用模壓成形工藝，外形呈前矮后高、前窄后寬狀，便于脫模且利于吸能盒的壓潰穩(wěn)定，如圖3所示。CFRP層和金屬層的厚度將于下節(jié)按多直角薄壁梁壓潰理論確定。

圖2 吸能盒截面尺寸

圖3 吸能盒外形結(jié)構(gòu)

2.2 基于壓潰理論的吸能盒厚度確定

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中對矩形截面薄壁梁壓潰吸能行為的研究，產(chǎn)生穩(wěn)定壓潰變形時，每個直角會形成一個超折疊單元，如圖4所示。

超折疊單元能量耗散機(jī)制分為環(huán)形面拉伸、繞水平固定鉸線彎曲和繞傾斜塑性鉸線彎曲3類。根據(jù)超折疊單元理論，可推導(dǎo)出十二直角復(fù)合材料包裹金屬形式薄壁梁壓潰力為

圖4 超折疊單元形成示意圖

式中：N0為包裹材料的極限屈服膜應(yīng)力；b為環(huán)形面彎曲半徑；H為折疊半波長，即圖4中be和eh長度；I1=0.53，I2=1.15[15]；α為折疊角，αf為最終折疊角，αf=π/2，如圖4所示；M0為包裹形式的薄壁梁的塑性極限彎矩；l為吸能盒截面周長；hm為金屬管的厚度；hc為復(fù)合材料管壁的厚度。尺寸的單位為mm，力的單位為N。

根據(jù)能量最小原則，可得到H和b的關(guān)系式為

式(2)中相關(guān)未知量可由式(4)～式(6)獲得。

式中：σm為金屬材料的屈服應(yīng)力；σct為復(fù)合材料垂直纖維方向的拉伸屈服應(yīng)力。

其中

式中σc為復(fù)合材料的垂直纖維方向的壓縮屈服應(yīng)力。因式(2)含有未知量，不能根據(jù)目標(biāo)壓潰力的要求直接求得CFRP層和金屬層厚度，只能采用試湊法。當(dāng)選用單層CFRP時，厚度hc=0.6mm，先根據(jù)金屬板現(xiàn)有規(guī)格，選hm=1.1mm，連同截面周長l=466mm，σm=265MPa，σc=271MPa和σct=987MPa先后代入式(6)、式(5)、式(4)和式(2)中，算得P12=84.2kN＜88kN，換選hm=1.2mm，算得P12=93.6kN＞88kN；同理，當(dāng)選用雙層CFRP時，厚度hc=1.2mm，先選hm=0.6mm，算得P12=86.0kN＜88kN，換選hm=0.7mm，算得P12=95.3kN＞88kN。根據(jù)目標(biāo)壓潰力88kN的要求，確定兩種厚度組合：CFRP厚度hc=0.6mm(1層)時，金屬板厚hm=1.2mm；當(dāng)hc=1.2mm(2層)時，hm=0.7mm。

2.3 橫梁外形尺寸設(shè)計(jì)

保險杠橫梁同樣采用比吸能較高的十二直角結(jié)構(gòu)。由于在碰撞中保險杠橫梁的失效臨界力和力矩比吸能能力更為重要，而CFRP本身就具有較高的失效臨界力，因此，從輕量化的角度考慮采用單一CFRP材料。橫梁高度隨吸能盒取為121mm，保持原橫梁矩形截面高寬比48.6/78.6=0.618不變，算得寬度為 74.78mm，最終圓整為高 120mm，寬75mm，得到的截面外形尺寸如圖5所示。

圖5 橫梁截面尺寸

CFRP保險杠橫梁結(jié)構(gòu)如圖6所示，左下角為車身坐標(biāo)系方向，y向長度為1 100mm，其中1為保險杠橫梁前板，2為保險杠橫梁后板，橫梁整體以一定弧度向前突出，以承受更大的彎矩。前板、后板通過膠接形式粘連，構(gòu)成具有十二直角截面的薄壁梁，借4個孔與吸能盒3通過螺栓連接。

2.4 基于剛度等效替代設(shè)計(jì)的橫梁材料厚度確定

將橫梁替換為CFRP時，應(yīng)與原車身匹配，可采用等效替代設(shè)計(jì)法和準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)法等[16]。

橫梁在低速碰撞中破壞主要為彎曲變形，彎曲剛度是設(shè)計(jì)首要因素。本文中采用剛度等效替代設(shè)計(jì)法，保證復(fù)合材料橫梁和原保險杠橫梁具有相同的彎曲剛度，如式(7)所示。

式中：E0為原車橫梁彈性模量，E0=2.1×105MPa；Ec為復(fù)合材料彈性模量，取表1中橫向和軸向壓縮模量平均值，即Ec=4.14×104MPa；I0和Ic分別為原車橫梁和復(fù)合材料橫梁截面慣性矩。

原車保險杠橫梁沿車身縱向?qū)ΨQ面的橫截面為矩形管，如圖7所示，箭頭方向?yàn)檐囕v正面碰撞過程中橫梁受到?jīng)_擊的方向。x方向長度B=48.6mm，z方向高度H=78.6mm，厚度d=1.4mm，箭頭為車輛正面碰撞時橫梁受到?jīng)_擊的方向。矩形管截面慣性矩公式為

圖7 原車保險杠橫梁截面示意圖

計(jì)算得截面對中心軸j的慣性矩I0=1.45×105mm4。根據(jù)式(7)可得CFRP橫梁的目標(biāo)截面慣性矩Ic=7.36×105mm4。

CFRP橫梁采用十二直角截面，呈空心H字型，如圖8所示。圖中具體參數(shù)值按圖5所示的外形尺寸確定。H字型截面對中心軸j慣性矩計(jì)算公式為

圖8 CFRP保險杠橫梁截面示意圖

式中：當(dāng)厚度d1=2.4mm 時，Icj=9.3377×105mm4；當(dāng)厚度d1=3.0mm時，Icj=1.1451×106mm4。復(fù)合材料橫梁厚度為上述兩值時，截面慣性矩都滿足目標(biāo)慣性矩I0j的要求。所以橫梁備選厚度值取2.4和3.0mm。

3 設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證

3.1 對比方案確定

因?yàn)?.2節(jié)中計(jì)算吸能盒內(nèi)外兩層厚度的理論公式存在一定誤差，所以在仿真模型中須對理論值進(jìn)行詳細(xì)驗(yàn)證和選擇。吸能盒纖維層厚度為hc=0.6mm時，金屬層理論計(jì)算值為1.2mm，因此設(shè)置金屬層對比變量為1.4和1.6mm兩個水平；纖維層厚度hc=1.2mm時，金屬層理論計(jì)算值為0.7mm，因此設(shè)置金屬層對比變量為0.9和1.1mm。

將吸能盒各層厚度變量與2.4節(jié)中得到的2個橫梁厚度方案組合，得出的保險杠總成組合方案如表2所示，并按照表2方案建立保險杠總成模型，放入整車驗(yàn)證。其中，為降低碰撞峰值力，保證吸能盒穩(wěn)定壓潰，在吸能盒上設(shè)計(jì)了誘導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)。

表2 對比組合方案 mm

3.2 能量目標(biāo)驗(yàn)證

首先對保險杠吸能量目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，即保險杠總成吸能量為 22kJ。工況如圖 1所示，為整車65km/h正面100%碰撞。

表2中各方案橫梁保持了完整性，吸能盒壓潰情況良好，符合壓潰順序，如圖9所示，說明保險杠總成與前縱梁在剛度匹配方面符合要求。

圖9 保險杠橫梁和吸能盒的壓潰順序

各組合方案的吸能情況如表3所示。

表3 12種組合方案吸能量 kJ

由表 3 可知，編號為 3，4，5，6，10，11 和 12 的組合方案符合吸能要求。分析表中吸能情況可知，保險杠吸能量比預(yù)期有所下降。這是由于在整車碰撞中，吸能盒沒有按照理論推導(dǎo)基礎(chǔ)所預(yù)期的情況產(chǎn)生足夠的穩(wěn)定折疊單元。滿足吸能要求的方案后，進(jìn)行下一步高速碰撞驗(yàn)證。

3.3 50km/h高速碰撞驗(yàn)證

在50km/h正面100%碰撞工況下，驗(yàn)證3.2節(jié)中符合吸能要求的7種方案，要求在15～20ms期間的減速度達(dá)到15g以上[3]，以確保氣囊成功點(diǎn)火。如果方案符合點(diǎn)火要求，表明方案合理；反之則舍棄此方案。

通過碰撞波形還能分析汽車前端設(shè)計(jì)是否合理。WU J P[17]等人較全面地闡述了波形優(yōu)化原理，較理想的波形應(yīng)是前端高抬，中段回落，尾端有限制地升高并呈平坦特性。

本文中從氣囊點(diǎn)火要求和波形優(yōu)劣兩方面來確定50km/h工況下的合理方案。從圖10來分析，方案3在20ms之前加速度未達(dá)到15g，不滿足氣囊點(diǎn)火要求；方案5和6的氣囊卻均在15ms之前過早觸發(fā)；方案12在40～80ms期間減速度峰值高于原車，不符合優(yōu)化原則，因此，這4種方案均予舍棄。方案4，10和11則作為備選方案予以考察。

圖10 不合格方案加速度波形

從圖11來分析，用虛線表示的方案4的碰撞減速度波形在18.8ms達(dá)到15g，符合點(diǎn)火要求；20～40ms期間碰撞波形與原車基本一致，40～70ms期間的峰值比原車低；原車碰撞結(jié)束時刻為83ms，改進(jìn)后為97ms，碰撞歷程加長，更能降低碰撞對人體造成的傷害。因此方案4較為合理。

圖11 方案4，10和11的碰撞波形

方案10碰撞波形如圖11長點(diǎn)劃線所示。它在19ms時達(dá)到15g，符合點(diǎn)火要求；在25ms峰值高于原車，在40～70ms期間峰值低于原車，且在97ms減速為零。從碰撞波形角度分析，方案10整體優(yōu)于原車，且比方案4更接近理想波形。

方案11碰撞波形如圖11短點(diǎn)劃線所示。碰撞前期與方案10相似，但在40～70ms期間的減速度峰值大于方案10。因此方案11的效果比方案10稍差。

由上述分析可知，方案10為最佳方案。

保險杠橫梁在高速時吸能和緩沖作用較小，主要在低速時保護(hù)車體結(jié)構(gòu)，橫梁穩(wěn)定性和緩沖效果仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.4 低速縱向碰撞驗(yàn)證

選取最優(yōu)方案10的橫梁進(jìn)行低速碰撞仿真，以驗(yàn)證其抗撞效果。根據(jù)國標(biāo)GB17354—1998《汽車前、后端保護(hù)裝置》進(jìn)行縱向碰撞和“車角”碰撞的仿真。按照標(biāo)準(zhǔn)建立碰撞器模型，如圖12所示。

縱向碰撞車速為4km/h，“車角”碰撞時車速為2.5km/h，碰撞器撞頭平面應(yīng)與車輛的縱向?qū)ΨQ面構(gòu)成60°±5°夾角，如圖13 和圖14所示。

圖12 碰撞器外形結(jié)構(gòu)

圖13 縱向碰撞示意

圖14 “車角”碰撞

根據(jù)法規(guī)，車輛碰撞后，只允許保險杠及其連接件發(fā)生永久變形和損壞，其余部分應(yīng)能正常工作。碰撞結(jié)果如圖15和圖16所示。由圖可知，橫梁均無較大變形，車輛其它部件未受損傷，橫梁最大應(yīng)力小于CFRP材料抗拉強(qiáng)度，因此厚度3.0mm的橫梁方案滿足要求。

圖15 3.0mm橫梁縱向碰撞

3.5 方案確定

由3.3節(jié)和3.4節(jié)可知，方案10的減速度更接近理想波形，整車抗撞效果最好，所以方案10選定為最終方案，如表4所示，保險杠總成的總質(zhì)量為3.55kg。

圖16 3.0mm橫梁車角碰撞

表4 最終方案 mm

4 結(jié)論

(1)從碰撞能量管理角度出發(fā)，提出保險杠總成結(jié)構(gòu)的碰撞能量目標(biāo)，利用復(fù)合材料包裹金屬十二直角薄壁梁壓潰理論和剛度等效替代設(shè)計(jì)方法，計(jì)算出保險杠各部分厚度理論值。

(2)根據(jù)計(jì)算所得的吸能盒和橫梁厚度理論值，設(shè)定了11種對比方案，依據(jù)法規(guī)從吸能目標(biāo)、氣囊點(diǎn)火條件和可靠性等方面驗(yàn)證各方案的合理性，選出最優(yōu)方案。

(3)最終確定的方案，整車碰撞過程中吸能緩沖效果最好，保險杠總質(zhì)量為3.55kg，相對于原保險杠減質(zhì)量41.5%，輕量化效果明顯。

(4)本文中從整車能量管理、結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證3個步驟進(jìn)行了某B級轎車前端保險杠總成的輕量化正向設(shè)計(jì)，今后尚須在工藝方面進(jìn)一步完善。