塑料后防撞橫梁的選材及設(shè)計開發(fā)

陳伊寧 賀麗麗 張浩悅 蘇一暢 熊建民 王納新 牛麗媛 沈長海

摘 要：文章以某款車型為例介紹塑料后防撞的設(shè)計開發(fā)過程。文章系統(tǒng)性地對三種材料的性能、成本、輕量化效果、應(yīng)用成熟度等進行綜合對比，確定塑料后防撞梁選材方案為GMT（Glass Mat reinforced Thermoplastics）材料;隨后根據(jù)材料特性及零件要求進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并根據(jù)CAE分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，避免了應(yīng)力集中，對局部補強從而提高強度，開發(fā)了滿足性能要求的GMT后防撞梁。開發(fā)的GMT后防撞梁方案可減少生產(chǎn)工序，具有良好的輕量化效果。同時在此過程中積累了防撞梁設(shè)計開發(fā)的經(jīng)驗：拖鉤結(jié)構(gòu)的布置位置對后防撞梁性能影響很大，布置位置不合理將會導(dǎo)致拖鉤強度不足，拖鉤結(jié)構(gòu)位置要避免直接集成在塑料后防撞橫梁上。關(guān)鍵詞：GMT;后防撞梁;設(shè)計開發(fā)中圖分類號：U445 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2019）01-152-03

The design and development of plastic rear collision beam

Chen Yining， He Lili， Zhang Haoyue， Su Yichang， Xiong Jianmin， Wang Naxin， Niu Liyuan， Shen Changhai

（?Zotye Automotive Engineering Research Institute， Zhejiang Hangzhou 310000 ）

Abstract：?In this paper， a certain automotive model was taken as an example to describe the design and development process of the rear collision beam.?First， on the basis of systematically comparisons of performances， costs， effects of lightweight， degrees of maturation of three materials， the Glass Mat reinforced Thermoplastics （GMT） was chosen. Then， based on the properities of GMT， the rear collision beam which met the performance requirements was designed after the CAE analysis and optimization. The GMT rear collision beam designed can reduce the production process and contribute?to?the automotive weight reduction. At the same time， experience in the design and development process has been accumulated： the layout position of the drag hook structure has a great impact on the performance of the rear collision beam， the unreasonable layout position will lead to insufficient strength of the drag hook， so that the position of the drag hook structure should be avoided to integrate directly into the rear collision beam.Keywords：?GMT;?rear collision beam; design and development processCLC NO.： U445 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2019）01-152-03

前言

后防撞梁傳統(tǒng)的材料為鈑金材料，與之相比，塑料后防撞梁的應(yīng)用具有以下優(yōu)點：1.具有輕質(zhì)、抗沖擊、易成型等特點，輕量化效果達46%-55%，能有效提升燃油經(jīng)濟性;2.集成后保橫梁、后保橫梁安裝板、后保橫梁連接板等9個左右沖壓件，減少生產(chǎn)工序、降低公差累積，提高裝配效率;3.塑料后防撞梁在車輛發(fā)生低速碰撞時具有良好的吸能效果，能有效減小對車輛及人員的損害，且碰撞后形狀可以恢復(fù)至原狀態(tài);而金屬防撞梁在被碰撞后，可能發(fā)生塑型變形，無法自行回彈^[1-4]。

由于塑料后防撞梁的應(yīng)用存在如此多的優(yōu)點，因此各大主機廠也正在積極開發(fā)應(yīng)用。例如國內(nèi)自主品牌吉利（博越、帝豪）、江淮（S3），合資品牌起亞（K3）、現(xiàn)代（途勝、悅動）、雪佛蘭（科魯茲）、Jeep（自由俠）等。眾泰作為自主品牌后起之秀，也在積極開展塑料后防撞橫梁的開發(fā)工作。

本文以某款車型為例，首次系統(tǒng)地對塑料后防撞進行選材分析，確定最佳材料。再根據(jù)選定的材料特性進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過CAE仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化完成開發(fā)，開發(fā)的后防撞梁性能滿足使用要求并取得良好的減重效果。

1 選材分析

通過調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)目前市場上塑料后防撞梁方案有GMT、PC+PBT、和LFT-D三種方案，據(jù)調(diào)研GMT目前應(yīng)用車型較多，成熟度最高，同時PC+PBT也有成功應(yīng)用案例，例如吉利帝豪等，而LFT-D為新興方案，尚不成熟，故選取PC+PBT和GMT兩種方案做對比分析。

1.1 性能分析

選取兩種典型的塑料后防撞后梁材料牌號做對比，兩種材料的基礎(chǔ)性能參數(shù)見表1，從表1中可以看出，GMT材料各項性能均優(yōu)于PC+PBT材料，其具有以下優(yōu)點：（1）強度高，成型產(chǎn)品可達到傳統(tǒng)鈑金性能要求;（2）具有較高的沖擊韌性，承載性好;（3）具有較高的抗高溫變形的能力。

1.2 成本、輕量化效果分析

我們將2種復(fù)合材料方案與傳統(tǒng)方案的輕量化效果與成本進行對比分析，具體結(jié)果見表2。從輕量化效果來說，2種復(fù)合材料方案的減重均比較明顯，均在45%以上，2種方案之間減重效果相差不大，GMT后防撞梁減重比略高。然而將2種方案的價格與傳統(tǒng)方案進行對比，可以發(fā)現(xiàn)GMT方案比傳統(tǒng)方案增加30元/件左右，而PC+PBT方案的成本增加119元/件。因此從輕量化效果及成本方面考慮，GMT方案較為合適。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

常見的后防撞橫梁結(jié)構(gòu)為C型和反C型，C型結(jié)構(gòu)強度比較高，發(fā)生碰撞時對車身后結(jié)構(gòu)的保護作用較其它結(jié)構(gòu)更顯著^[5]。防撞橫梁的布置需要考慮各種法規(guī)試驗規(guī)范要求，還應(yīng)盡可能有效地保護車身其它部件。結(jié)合之前的各種低速碰撞要求，后防撞橫梁的布置需要考慮的因素主要有：后防撞橫梁中心離地高度、后防撞橫梁橫的長度（Y向）、后防撞橫梁距后保蒙皮等部件的距離、后防撞橫梁距后備箱蓋邊緣距離、后防撞橫梁距后尾燈表面距離等^[6]。

根據(jù)材料性能、后防撞梁的性能要求及常見的結(jié)構(gòu)，結(jié)合具體車型定位，設(shè)計形成C型后防撞梁結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計見圖1。該款塑料后防撞梁主要結(jié)構(gòu)有：（1）后保防撞梁本體;（2）托鉤螺紋管;（3）托鉤螺紋管安裝板，螺紋管通過螺紋管安裝板螺接的方式固定到防撞梁本體上，防撞梁通過六角法蘭面螺母安裝到后地板縱梁安裝板上。

該款GMT后防撞橫梁的與其他塑料后防撞橫梁的主要區(qū)別在于：受安裝位置限制，后防撞橫梁上集成了拖車安裝結(jié)構(gòu)，且其拖車安裝結(jié)構(gòu)不在安裝孔區(qū)域范圍內(nèi)。因此除了要滿足后碰的吸能要求外，同時要求在不同工況條件下，GMT材料在拖車過程中要有足夠的強度不致于破壞。對于此種塑料后防撞橫梁，拖車位置的強度性能要求較高。

3 CAE分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

接著進行CAE分析，驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性。塑料后防撞梁方案CAE分析主要包括碰撞安全分析（低速碰撞分析）和后拖鉤強度分析，涉及標準主要為GB 17354-1998《汽車前、后端保護裝置》、GB 32087-2015 《輕型汽車牽引裝置》。

3.1 碰撞安全分析

碰撞安全分析主要包括低速后正面碰撞、低速后偏置Y+300碰撞、低速60°后碰撞三方面。根據(jù)設(shè)定的邊界條件，對3種工況進行分析，具體結(jié)果見圖2。從圖中可以看出：①低速（4km/h）后正面碰撞過程中，碰撞器離后背門最小距離為21.52mm，后背門可以正常開閉，滿足要求;②低速（4km/h）后偏置Y+300碰撞過程中，碰撞器離后背門最小距離為22.51mm，后背門可以正常開閉;③低速（2.5km/h）60°后碰撞過程中，車輛的后背門在碰撞的作用下可以正常打開;車輛的后尾大燈在碰撞的作用下不會破壞，可以正常工作;在碰撞過程中保險杠上部分不會發(fā)生破壞，下部分發(fā)生局部點破壞。

3.2 后拖鉤強度分析

對后拖鉤強度的分析見表3，根據(jù)不同工況的受力分析及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，從蔡-吳變量和后防撞橫梁的應(yīng)力來看，沿X軸偏左25°正向、沿X軸偏左25°負向、沿X軸偏上5°正向、沿X軸偏上5°負向這4個工況的超出要求，存在風險。因此需要通過調(diào)整后防撞橫梁關(guān)鍵位置以及傳力路徑上的料厚分布以及加強筋板的布置，優(yōu)化后防撞橫梁結(jié)構(gòu)，提升抗拉拽強度。

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對后拖鉤強度問題將結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，主要優(yōu)化點為4個，如圖3所示：第1、2處位置修改過渡面，使其過渡平滑，從而減少應(yīng)力集中;第3處位置增加并調(diào)整加強筋，第4處位置調(diào)整安裝孔處的料厚從而加強安裝孔處的強度，通過優(yōu)化后，再次進行CAE分析，驗證結(jié)構(gòu)是否合適。

從優(yōu)化后的后拖鉤強度CAE分析中（表4）可以看出，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)的蔡吳變量均滿足要求，因此可以證明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足后防撞梁性能要求。

4 經(jīng)驗總結(jié)

通過該項目我們總結(jié)經(jīng)驗如下：后拖鉤結(jié)構(gòu)的布置位置對性能影響很大，布置位置不合理將會導(dǎo)致拖鉤強度不足。拖鉤結(jié)構(gòu)位置要避免直接集成在塑料后防撞橫梁上，該種設(shè)計對塑料后防撞橫梁強度要求較高，在拖鉤拉的過程中，塑料后防撞橫梁位移較大，局部區(qū)域存在應(yīng)力集中。拖鉤位置一般可以采用如下三種布置方式：（1）直接布置在車架后縱梁上;（2）布置在地板上，但該種方案減重效果不好，需增加加強版補強;（3）集成在塑料后防撞橫梁上，但必須保證在安裝孔區(qū)域范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

GMT材料在后防撞梁上的應(yīng)用可提高集成性，減少工序，具有更好的行人保護效果，輕量化效果明顯，已成為以塑代鋼以達到節(jié)能減排的有效途徑。本文以眾泰某款車型為例，首次系統(tǒng)地對塑料后防撞進行選材分析，確定最佳材料，同時介紹了眾泰塑料后防撞梁的設(shè)計開發(fā)過程，總結(jié)了后脫鉤位置布置的設(shè)計開發(fā)經(jīng)驗。

參考文獻

[1] 崔益華，陶杰.GMT片材及其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[J].汽車工藝與材料， 2003（4）：16-19.

[2] 頓棟梁，宋發(fā)寶，程康，等. GMT材料的制備工藝及其在汽車輕量化方面的應(yīng)用研究[J].汽車工藝與材料，2015（11）：51-54.

[3] 趙勇.新型復(fù)合材料在保險杠緩沖梁中的應(yīng)用[J].上海汽車，2010 （1）：41-44.

[4] 雷紹闊，鐘國留，劉偉.淺論復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用[J].上海塑料， 2017（2）：8-12.

[5] 李書利.GMT材料在汽車后防撞梁上的應(yīng)用[J].汽車工藝與材料， 2010（4）：54-56.

[6] 鄭明敏.一款SUV塑料后防撞梁設(shè)計方法[J].汽車實用技術(shù)， 2017（24）：49-51.