基于側(cè)面碰撞安全性的汽車車門輕量化研究

王萬泉，孫躍東，周萍

（200093 上海市 上海理工大學(xué)）

0 引言

車門是汽車車身上主要構(gòu)成部件之一，它由多塊鈑金件焊接在一起組成，減輕車門質(zhì)量對減少整車質(zhì)量具有非常重要的參考價值。據(jù)測算，如果一輛汽車的整體質(zhì)量減少1/10，則燃油使用效率提高1/14，排放量也會減少1/20。此外，各個汽車公司把將近60%的投資成本用于汽車車身的制作。目前汽車車身上各種零部件大半都是使用沖壓工藝生產(chǎn)，占到了汽車總質(zhì)量的30%～40%。在未載重的情況下，行駛中消耗在車身質(zhì)量上的燃油大概占到了總油耗7 成[1]。減少整車質(zhì)量不僅可以減少能源使用量，還可以減少汽車對環(huán)境的污染，并且對優(yōu)化汽車本身的性能有很大的幫助。

20 世紀(jì)90 年代末，全球范圍內(nèi)總計 35 家鋼鐵公司在針對歐洲 C 級車及美國中等級別設(shè)計概念車項目，開發(fā)了ULSAB-AVC 項目，同時提升了車輛的安全性能標(biāo)準(zhǔn)[2]。此外，美國在 PNGV項目以及后來的FreedomCar 項目中，通過改進(jìn)制造工藝和整車生產(chǎn)的材料，使整車的結(jié)構(gòu)和子系統(tǒng)的質(zhì)量降低了約一半[3]。SuperLight-CAR 項目即歐洲超輕量化車身，由歐洲的 38 家機(jī)構(gòu)共同研發(fā)，通過應(yīng)用先進(jìn)的制造成形工藝及采用多種輕量化材料如鎂、鋁等，在滿足汽車在碰撞安全、疲勞強(qiáng)度和剛度等性能的要求下，同時也在不增加汽車生產(chǎn)制造成本的前提下，實現(xiàn)了減少車身質(zhì)量近3/10，相比于高爾夫 V 的質(zhì)量減少了大概101 kg[4]。

實現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑有3 種，即優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)、使用新材料以及采用新工藝。以使用新材料（鋁合金）為例，如果在汽車上使用了1 kg 的鋁，那么就可以減少2.25 kg 的質(zhì)量，減重效果達(dá)到了125%，并且在整個汽車的使用壽命周期內(nèi)能夠減少20 kg 的廢氣排放。目前，汽車工業(yè)的用鋁量占到了全世界耗鋁量的12%～15%，而美、日等發(fā)達(dá)國家甚至超過了25%。早在2006，歐美日等汽車大國平均每輛轎車各部件用鋁量總和就已經(jīng)達(dá)到了127 kg。表1為一些新材料的減重情況。

表1 常見輕量化材料減重情況Tab.1 Weight loss of common lightweight materials

本文的內(nèi)容主要是在現(xiàn)階段我國汽車輕量化水平研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限元技術(shù)，對國內(nèi)市場上某款較為常見車型的前門結(jié)構(gòu)建立三維數(shù)字模型，并做輕量化分析，提出輕量化建議。

1 車門簡化模型及前處理

1.1 車門簡化模型

常見家用轎車車門大體類似，主要包括車門本體、車門附件如防撞鋼梁與車門內(nèi)外板等。車門作為一個相對獨立的總成通過鉸鏈連接在車上，主要給乘車人員及車載貨物提供進(jìn)出通道，同時對二者起到一定的保護(hù)作用。根據(jù)車門的結(jié)構(gòu)組成，車門可以分為3 類：整體式車門、無框式車門以及分體式車門[5]。

車門內(nèi)板結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，板體遍布著大大小小的窩穴、手孔，還有一些沖壓出的凸臺和安裝孔，若無廠家設(shè)計尺寸很難建模出來。在車輛側(cè)撞的過程中，主要是車門內(nèi)外板部分和防撞鋼梁吸收碰撞能量。本文主要分析對象為車門防撞鋼梁，無需把車門完整建模，故本文對原車門內(nèi)板上的窩穴、孔穴等用于安裝玻璃導(dǎo)軌及音響等的各個部件和外板上的門把手以及飾條等附件進(jìn)行相關(guān)簡化為平板，只保留了車門內(nèi)外板、內(nèi)外加強(qiáng)板、防撞鋼梁、鉸鏈以及鉸鏈加強(qiáng)板等車門主要部件。利用Pro/E 搭建簡化后的三維車門模型作為分析對象進(jìn)行仿真，三維簡化模型如圖1 所示，另外，防撞梁是由鋼板沖壓而成，結(jié)構(gòu)相對簡單，且該附件是本文研究的主要對象，故在此并未對其簡化。

圖1（a）中，為更好地觀察車門內(nèi)部結(jié)構(gòu)，車門外板已經(jīng)隱藏，可以看到內(nèi)板加強(qiáng)板、鉸鏈加強(qiáng)板以及防撞鋼梁安裝在內(nèi)板上，外板加強(qiáng)板與內(nèi)板相匹配。從圖1（b）中可以看到鉸鏈安裝在車門內(nèi)板內(nèi)側(cè)與車身連接的位置處。

圖1 車門總成簡化模型Fig.1 Simplified model of door assembly

1.2 車門簡化模型的前處理

車門簡化三維模型建好后，通過Pro/E 中的Mechanical 模塊對模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。由于網(wǎng)格劃分的大小和質(zhì)量直接影響著仿真實驗數(shù)據(jù)計算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，而且四面體更便于分析計算，故本文將網(wǎng)格的尺寸大小設(shè)置為10 mm左右的四面體。之后，再通過網(wǎng)格的相關(guān)控制參數(shù)對其進(jìn)行調(diào)整[6]，使其質(zhì)量達(dá)到仿真實驗要求。網(wǎng)格劃分好之后的車門有限元模型如圖2 所示。

圖2 車門總成有限元模型Fig.2 Finite element model of door assembly

1.3 車門簡化模型的材料選取

模型創(chuàng)建后，對模型定義材料可測量出模型的面積、體積、質(zhì)量等相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)本文模型參考的實際車型，車門絕大部分材料采用的是中碳鋼，故在Pro/E 材料庫中選中Fe40 作為車門各部件材料，測出各部件質(zhì)量，如表2 所示。

表2 車門各部件質(zhì)量Tab.2 Mass of door components

2 車門碰撞仿真實驗

2.1 車門碰撞應(yīng)力分析

為了解車門發(fā)生碰撞時的情況，本文選取一種比較常見且碰撞效果最為明顯的側(cè)面剛性柱碰撞。對車門各零部件施加方向相同、大小為1 000 N 的集中力，其各個部分的應(yīng)力分布情況如圖3 所示。

圖3 車門內(nèi)外板應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution of door interior and exterior panels

由圖3 可以看出，由于材料較薄，車門外板出現(xiàn)了應(yīng)力集中的情況，其應(yīng)力分布主要集中在中間區(qū)域，大小由1.717×105MPa 逐漸向邊緣遞減成1.546×105MPa、1.202×105MPa、6.507×104MPa，在外板平面上部和下部及有橢圓形區(qū)域應(yīng)力為3.435×104MPa，在左右及下邊緣處應(yīng)力大小為1.718×104MPa。對內(nèi)板的中間區(qū)域施加一個1 000 N 的集中力，其應(yīng)力分布主要集中在中間區(qū)域，大小由5.504×105MPa 逐漸向邊緣遞減成4.120×105MPa、2.752×105MPa、1.376×105MPa，內(nèi)板平面大范圍應(yīng)力為6.080×104MPa，下邊緣處應(yīng)力為2.064×105MPa。

2.2 防撞鋼梁碰撞應(yīng)力分析

單獨對車門內(nèi)的防撞鋼梁進(jìn)行分析，其碰撞時的應(yīng)力分布如圖4 所示。其應(yīng)力分布主要集中在中間及兩端，中間區(qū)域大小由2.483×104MPa逐漸向邊緣遞減成1.923×104MPa、1.392×103MPa、5.572×103MPa，而兩端應(yīng)力由1.658×104MPa逐漸向邊緣遞減成1.392×104MPa、8.324×103MPa、5.572×103MPa，其他區(qū)域為2.020×103MPa。其在碰撞應(yīng)力下的變形情況在后文繼續(xù)討論。

圖4 M 型防撞梁應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution of M-type anti-collision beam

3 防撞鋼梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真

3.1 輕量化材料的選取

車門模型所用材料為40 號鋼，而使用復(fù)合輕質(zhì)材料替換原有材料是汽車輕量化的主要途徑。目前常見的可以用于汽車輕量化的復(fù)合輕質(zhì)材料主要有鋁、鎂合金、塑料以及其他復(fù)合材料，其中鋁合金是使用最多的汽車輕量化材料，有著廣泛的前景。有研究表明，5000 系和6000 系的鋁合金可以用作車身輕量化材料，前者材料具有強(qiáng)度較高、較易成形、焊接性能較好且穩(wěn)定性好等優(yōu)點；而后者材料除了較易成形和強(qiáng)度較高外，則可以在加工成形后以及材料涂漆后的烘烤中增加自身強(qiáng)度和穩(wěn)定性等優(yōu)點。因此本文選取5182鋁合金和6010 鋁合金分別作為車門內(nèi)板和車門外板的材料[7]。

如表3 所示為車門各部件所用材料以及重新選取材料后內(nèi)外板材料的參數(shù)。可以看到，鋁合金5182 和6010 的密度分別為2.65×103kg/m3和2.73×103kg/m3，在相同體積下，二者的質(zhì)量相比原40 號鋼的內(nèi)外板部件分別減少了9.31 kg 和3.29 kg，車門總質(zhì)量由24.62 降低到了12.02，質(zhì)量下降了51.18%。

表3 車門各部件材料技術(shù)參數(shù)Tab.3 Material technical parameters of each door component

需要注意的是，為了保證汽車的碰撞安全性，車門內(nèi)部的防撞鋼梁材料應(yīng)繼續(xù)使用強(qiáng)度較大的40 號鋼。

3.2 防撞鋼梁結(jié)構(gòu)仿優(yōu)化方案

目前市面上常見的防撞鋼梁分為3 種：M 型防撞梁、U 型防撞梁和鋼管梁，本文所建車門模型采用的是M 型防撞梁與參照實車一致。為了實現(xiàn)輕量化的目的同時又保證安全性能，現(xiàn)分別設(shè)計一種U 形防撞梁和一種鋼管梁，分別對其進(jìn)行有限元分析，并與原車防撞鋼梁的防撞結(jié)果進(jìn)行對比。其模型在碰撞瞬間的應(yīng)力分布圖如圖5所示。

圖5 U 型防撞梁與鋼管防撞梁應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution of U-shaped anti-collision beam and steel tube

從圖5 中可以看到，U 型防撞梁由于結(jié)構(gòu)與M 型防撞梁接近，其應(yīng)力分布圖也與M 型防撞梁相似，而鋼管型防撞梁的應(yīng)力分布圖中受力區(qū)域中心應(yīng)力非常高，已經(jīng)達(dá)到了9.265×103MPa

3.3 仿真結(jié)果分析

圖6 所示為3 種結(jié)構(gòu)的防撞鋼梁的側(cè)面剛性碰撞變形情況，M 形防撞梁和U 形防撞梁都是帽形梁，它們的尺寸相差不是很大，并未改變其總體的長度和寬度，只是2 種防撞梁的橫截面形狀有些許改變，高度由85 變?yōu)榱?2；中間的凹槽寬度和深度有變化，寬度由22 mm 變?yōu)?0 mm，深度由50 mm 變?yōu)?5 mm；而鋼管梁橫截面為一橢圓形，其總體長度和帽形梁一致，寬度略微加寬了4 mm。3 種防撞梁厚度均為2 mm。

圖6 三種防撞鋼梁尺寸圖與變形圖Fig 6 Dimensions and deformation drawings of three kinds of anti-collision steel beams

由表4 可以看出，新設(shè)計的U 形防撞梁和鋼管梁質(zhì)量相差只有0.13 kg，質(zhì)量相差并不是很大。由圖6 可知，對U 形防撞梁中間區(qū)域施加一個1 000 N 的集中力，其應(yīng)力分布主要集中在中間及兩端邊角區(qū)域，中間區(qū)域大小由3.014×104MPa 逐漸向邊緣遞減成2.505×104MPa、1.727×104MPa、8.692×104MPa，而兩端應(yīng)力大小由2.156e+01逐漸向邊緣遞減成1.727×104MPa、1.298×104MPa、8.692×103MPa；其他區(qū)域應(yīng)力為4.390×103MPa。

鋼管梁的應(yīng)力分布同樣主要集中在中間區(qū)域，中間區(qū)域大小由9.265×104MPa 逐漸向邊緣遞減成8.000×104MPa、6.024×104MPa、4.204×104MPa；中間區(qū)域的上部和下部應(yīng)力大小由5.000×104MPa 逐漸向邊緣遞減成4.103×104MPa、3.014×104MPa、2.310×104MPa；其他區(qū)域應(yīng)力大小為1.000×104MPa。

分析對比可得相同壓力下3 種防撞梁的變形情況。M 形防撞梁與U 形防撞梁的變形度相差不多，而鋼管梁變形較大并且有明顯的破損趨勢。另外，在Pro/E 材料庫中選中Fe40 作為U 形防撞梁和鋼管梁的材料，測出它們的質(zhì)量，并計算出各防撞梁變形的最大入侵距離，如表4 所示。

表4 3 種防撞鋼梁實驗參數(shù)Tab.4 Experimental parameters of three kinds of anti-collision steel beams

3 種防撞梁中以鋼管梁最輕，只有3.22 kg；M 型防撞梁最重，有4.09 kg；U 型防撞梁居中，為3.35kg。通過3 種防撞梁的應(yīng)力分布情況的對比不難得出：鋼管梁較其余兩種有明顯的應(yīng)力集中，且最大應(yīng)力值達(dá)到了9.265×104MPa，最大入侵距離達(dá)到了70.06 mm，而M 形防撞梁最大應(yīng)力值為2.483×104MPa，U 形防撞梁最大應(yīng)力值為3.014×104MPa，M 形防撞梁與U 形防撞梁最大應(yīng)力值相差不大，二者最大入侵距離分別為56.25 mm 和49.72 mm。由3 種防撞梁變形情況可以看出：M 形防撞梁與U 形防撞梁的變形情況相對較小，其中M 形防撞梁比U 形防撞梁情況相對較好，而鋼管梁最大應(yīng)力值與最大入侵距離較其余兩種結(jié)構(gòu)的防撞梁明顯大出很多。

綜上分析，新設(shè)計的U 形防撞鋼梁可以替換原本的M 形防撞鋼梁，單個U 形防撞鋼梁較原本的M 形防撞鋼梁在質(zhì)量方面減少了0.74 kg,從而達(dá)到了車門防撞鋼梁部分的輕量化目的。

4 結(jié)論

本文主要在Pro/E 軟件中完成車門的三維建模，對其進(jìn)行有限元分析，設(shè)計不同的車門防撞鋼梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并對各種方案的仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，然后采用最優(yōu)的防撞梁結(jié)構(gòu)方案替換原防撞鋼梁，在保證其安全性的前提下實現(xiàn)車門防撞鋼梁的輕量化。

另外還根據(jù)車門內(nèi)外板不同的工作需求，分別選取5182 鋁合金和6010 鋁合金作其輕量化材料，在保證其安全性的前提下實現(xiàn)車門內(nèi)外板的輕量化。

本文所提出的車門防撞鋼梁輕量化方案與車門內(nèi)外板輕量化方案共為該車型單個車門減重12.76 kg。此二方案應(yīng)用到全車所有車門則可給整車減重約51.04 kg，為汽車輕量化提供了一定參考。