保險杠前防撞梁材料結(jié)構(gòu)一體化輕量化設(shè)計

汪永嘉，董紅順，張代勝，譚繼錦

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 智能制造技術(shù)研究院，合肥 230051)

0 引言

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車使用的化石燃料造成的環(huán)境污染等問題日趨嚴(yán)重，汽車輕量化已成為汽車技術(shù)開發(fā)的重要內(nèi)容[1]。保險杠前防撞梁是汽車被動安全的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一。碰撞性能的輕量化設(shè)計方法主要有2種[2-4]：

1)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。對汽車部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在保證性能的情況下減輕質(zhì)量。朱國華等[5]結(jié)合RBF建模技術(shù)和NSGA-Ⅱ算法，設(shè)計了一種新的變截面保險杠防撞梁，實現(xiàn)了多目標(biāo)優(yōu)化，滿足耐撞性和剛度性能需求，且質(zhì)量較小。夏磊等[6]基于變形與剛度的匹配關(guān)系，優(yōu)化了防撞梁結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了防撞梁合理變形模式。

2)輕量化材料應(yīng)用。根據(jù)汽車零部件的性能要求，優(yōu)選相適應(yīng)的低質(zhì)量新材料替換傳統(tǒng)材料[7]，同時也充分利用創(chuàng)新材料的可塑性和協(xié)調(diào)性[8]。林佳武等[9]選取鋁合金材料，運用真空壓鑄工藝，設(shè)計并制作某型汽車后縱梁，結(jié)果證明比傳統(tǒng)鋼制鈑金部件具有更好的耐撞性和剛度性能。廖鶯等[10]探討了鋁合金后副車架性能目標(biāo)的制定與輕量化設(shè)計方法，得到滿足目標(biāo)要求的最優(yōu)形狀。

顯然，以上結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與輕量化材料應(yīng)用這2種方法的結(jié)合能產(chǎn)生更好的輕量化效果，其中的關(guān)鍵問題是材料-結(jié)構(gòu)一體化[11]和多性能優(yōu)化組合[12]問題。

本文結(jié)合精密鑄造結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用鑄鋁材料在結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化方法與評價指標(biāo)，建立準(zhǔn)確模型及設(shè)計方法，可以有效解決上述2個關(guān)鍵問題，實現(xiàn)鑄鋁保險杠前防撞梁的輕量化設(shè)計。

1 鑄造工藝及材料選擇

1.1 鑄造工藝的選擇

相對于傳統(tǒng)鑄造工藝，運用精密鑄造技術(shù)制作的鑄件尺寸精度更高，表面光潔度更好[13]。目前汽車零部件生產(chǎn)采用的特種精密鑄造方法主要包括壓力鑄造、消失模鑄造和熔模精密鑄造[14-15]。

壓力鑄造是在高壓作用下將金屬溶液注入型腔并快速凝固的鑄造方法，其精度一般為CT6～8級，表面粗糙度可達(dá)Ra 1.6～3.2 μm。壓力鑄造的生產(chǎn)率相對較高，且易于實現(xiàn)自動化操作，但是該方法所需壓鑄設(shè)備和模具費用較高，壓鑄型制造周期長，只適合大批量生產(chǎn)。

消失模鑄造也稱實型鑄造，其工藝特點是用泡沫塑料制作模樣，澆鑄高溫金屬液將模樣溶解，注滿型腔。這種鑄造技術(shù)綠色環(huán)保、工藝流程簡單，但不適合復(fù)雜內(nèi)腔的鑄件，同時也有泡沫模樣分解帶來的氣孔、夾雜等缺陷問題。

熔模精密鑄造又稱失蠟鑄造，其工藝特點是用易熔材料制成模樣，在模樣表面包覆耐火材料制成型殼，然后加熱熔失模樣，制成模具。其尺寸精度可達(dá)CT4～6級，表面粗糙度可達(dá)Ra 0.8～2.2 μm。該技術(shù)可以鑄造結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的零件，且適合高溫合金材料，甚至鑄件只留打磨、拋光余量，不必機(jī)械加工即可使用，但工藝較復(fù)雜，不適合大批量生產(chǎn)。

綜合比較，熔模精密鑄造技術(shù)在鑄造薄壁、復(fù)雜、小批量的保險杠防撞梁鑄件方面有一定的優(yōu)勢。

1.2 材料的選擇

現(xiàn)今汽車輕量化常用的輕質(zhì)材料包括鋁合金、鎂合金、鈦合金、碳纖維復(fù)合材料和塑料等。其中，鋁合金比強(qiáng)度高，足以保證車身部件的結(jié)構(gòu)性能。同時，鋁合金回收利用率高，同等條件下碳排放量低，是實現(xiàn)汽車輕量化的理想材料。相比其他輕質(zhì)材料，其成本明顯較低。此外，加入硅元素的鋁硅合金具有極好的鑄造性能和抗蝕性，硅元素在鑄造過程中可以降低鑄件的膨脹系數(shù)，提高鑄件的耐磨性能。

通過以上分析，優(yōu)選鋁硅合金材料代替原鋼制保險杠前防撞梁，同時結(jié)合熔模精密鑄造工藝，充分利用鋁硅合金材料低密度、低膨脹系數(shù)等材料特點，為進(jìn)一步的材料-結(jié)構(gòu)一體化優(yōu)化設(shè)計作好準(zhǔn)備。

2 保險杠前防撞梁優(yōu)化設(shè)計

本文所研究的保險杠前防撞梁系統(tǒng)包括橫梁和吸能盒結(jié)構(gòu)。鑄鋁保險杠前防撞梁重新設(shè)計了橫梁截面形式和吸能盒結(jié)構(gòu)，并運用自適應(yīng)響應(yīng)面法，完成前防撞梁系統(tǒng)的材料-結(jié)構(gòu)一體化優(yōu)化設(shè)計。

2.1 前防撞梁橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

保險杠橫梁常見的截面形式有“凸”型、“弓”型等，為了簡化鑄造工藝，采用半開放的“凸”型結(jié)構(gòu)作為其截面形狀。依據(jù)鋁合金鑄造規(guī)范HB963-2005要求，最小壁厚應(yīng)達(dá)到2 mm，橫梁曲面應(yīng)進(jìn)行加筋布局設(shè)計，橫梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 橫梁結(jié)構(gòu)

2.2 前防撞梁吸能盒結(jié)構(gòu)設(shè)計

保險杠設(shè)計中很重要的一個特性是碰撞中的吸能特性，這是汽車行駛安全性的一個重要指標(biāo)[16-17]。本小節(jié)通過對比不同結(jié)構(gòu)吸能盒碰撞時的吸能特性完成吸能盒的設(shè)計，并按鑄造要求與橫梁設(shè)計成一體結(jié)構(gòu)。

1)單胞吸能盒結(jié)構(gòu)。吸能盒在汽車碰撞過程中發(fā)生壓潰變形從而起到緩沖吸能的作用，它在受到軸向沖擊時的變形模式和吸能特性與其截面形狀有較大關(guān)系。常用的吸能盒截面形狀一般為多邊形，考慮到鑄造工藝和汽車上安裝定位的要求，初選四邊形、長方形、六邊形、八邊形和圓形作為吸能盒的截面方案。

為比較不同截面形狀對吸能盒吸能特性的影響，建立相應(yīng)的單胞吸能盒結(jié)構(gòu)模型，對其碰撞性能進(jìn)行評估。通過對剛性墻施加16 km/h的初速度進(jìn)行正面低速碰撞仿真分析，對所得結(jié)果進(jìn)行整理，得到5種截面沖擊力響應(yīng)如圖2所示，5種截面單胞結(jié)構(gòu)碰撞性能見表1所示。

圖2 5種截面沖擊力響應(yīng)

表1 5種截面單胞結(jié)構(gòu)碰撞性能

由表1可以看出，5種截面吸能盒中，圓形、六邊形和八邊形結(jié)構(gòu)的吸能特性優(yōu)于正方形和長方形結(jié)構(gòu)。圓形、六邊形和八邊形結(jié)構(gòu)三者的吸能特性近似，而正六邊形結(jié)構(gòu)的最大侵入位移較小。另外，由圖4中可以看出，正六邊形結(jié)構(gòu)的沖擊力響應(yīng)曲線較為平滑。綜上因素，選取正六邊形結(jié)構(gòu)用于吸能盒。

2)多胞吸能盒結(jié)構(gòu)。多胞結(jié)構(gòu)是在單胞吸能盒里添加橫向內(nèi)壁結(jié)構(gòu)，以達(dá)到更好的吸能特性。內(nèi)壁結(jié)構(gòu)主要有“十”字形、“T”形、“V”形3種連接形式，其中“十”字形結(jié)構(gòu)的中心位置在鑄造澆注過程中容易產(chǎn)生縮孔，因此初選“T”形與“V”形結(jié)構(gòu)作為主要的橫向內(nèi)壁結(jié)構(gòu)。

建立以上2種結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行仿真對比分析，其中吸能盒壁厚取3 mm，材料為ZL114A，設(shè)置剛性墻，初速度為16 km/h，碰撞時間為0.04 s，2種截面多胞結(jié)構(gòu)有限元仿真結(jié)果如圖3所示，2種截面多胞結(jié)構(gòu)的碰撞性能參數(shù)如表2所示。

圖3 2種截面多胞結(jié)構(gòu)有限元仿真結(jié)果

表2 2種截面多胞結(jié)構(gòu)碰撞性能

從表2可以看出，2種吸能盒的吸能在碰撞過程中的吸能特性相當(dāng)，但是截面A的多胞結(jié)構(gòu)有效限制了吸能盒的侵入量，即截面A在相同吸能特性時有較小的變形，所以選擇截面A作為吸能盒的結(jié)構(gòu)。

基于以上設(shè)計方案，得到鑄鋁保險杠前防撞梁的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 鑄鋁保險杠結(jié)構(gòu)

2.3 前防撞梁材料-結(jié)構(gòu)一體化優(yōu)化設(shè)計

保險杠前防撞梁的材料和結(jié)構(gòu)對其輕量化性能至關(guān)重要，同時，精密熔模鑄造工藝的優(yōu)勢在于可以根據(jù)需要在不同的平面自由調(diào)整壁厚參數(shù)。因此，以橫梁壁厚T1、橫梁加強(qiáng)筋厚度T2、吸能盒壁厚T3這3個厚度值，以及保險杠前防撞梁材料T4為設(shè)計變量，如圖5所示。為達(dá)到輕量化目的，以保險杠最小質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，吸能盒最大碰撞吸能量以及橫梁最大位移為設(shè)計約束條件，對保險杠的各個變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

圖5 壁厚參數(shù)示意圖

構(gòu)建數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

式中：M為保險杠質(zhì)量；E為吸能盒最大碰撞吸能量；S為橫梁最大位移，分別以原保險杠參數(shù)值為約束；T1、T2、T3、T4分別為優(yōu)化的設(shè)計變量。保險杠前防撞梁材料初選為3種鑄鋁合金，其力學(xué)性能參數(shù)如表3所示。

表3 鋁合金性能參數(shù)

運用自適應(yīng)響應(yīng)面法對模型進(jìn)行優(yōu)化。該方法將數(shù)學(xué)與統(tǒng)計相結(jié)合，適用于多個變量影響的響應(yīng)問題。響應(yīng)和設(shè)計變量間的關(guān)系通常表現(xiàn)為一個多項式近似函數(shù)對響應(yīng)y進(jìn)行逼近，并運用統(tǒng)計量確定性系數(shù)R2來評估近似模型的誤差：

(2)

(3)

將Isight中構(gòu)建的近似模型進(jìn)行優(yōu)化求解，在42次迭代后達(dá)模型收斂。將優(yōu)化結(jié)果與按照最優(yōu)點處的設(shè)計變量值進(jìn)行仿真的結(jié)果對比，如表4所示，可以看出，保險杠的優(yōu)化結(jié)果與仿真驗證結(jié)果誤差較小，近似精度較高。

表4 優(yōu)化結(jié)果與仿真結(jié)果對比

2.4 新型鑄鋁保險杠前防撞梁試制

熔模精密鑄造的特點是使用可溶性模具并一次性使鑄件成型，其工藝流程有蠟?zāi)?、型殼、熔蠟、焙燒、澆注及后處理等工序。通過熔模工藝對前防撞梁進(jìn)行鑄造試制，得到鑄造后的前防撞梁，其線性尺寸公差達(dá)到ISO標(biāo)準(zhǔn)中CT4級，表面粗糙度Ra為0.8 μm。2種前防撞梁實物如圖6所示。

圖6 保險杠前防撞梁實物

3 保險杠前防撞梁仿真及試驗

保險杠前防撞梁是汽車配備的安全保護(hù)部件，在發(fā)生低速碰撞中能夠有效保護(hù)車身主體結(jié)構(gòu)，在高速碰撞中則提升安全性。為實現(xiàn)該要求，模態(tài)和碰撞特性是分析保險杠前防撞梁性能的重要方面。

3.1 保險杠前防撞梁模態(tài)仿真及試驗

3.1.1保險杠前防撞梁模態(tài)仿真

保險杠前防撞梁有限元模型建立在Hypermesh軟件中完成，采用尺寸為 5 mm 的單元對鋼制前防撞梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分，鑄造鋁結(jié)構(gòu)的前防撞梁總成采用3 mm的實體網(wǎng)格。對處理后的保險杠前防撞梁模型，使用Nastran求解器進(jìn)行求解計算。保險杠前防撞梁一階模態(tài)的位移云圖如圖7所示，鋼制件與鑄鋁件均呈整體一階彎曲振型。保險杠前防撞梁的模態(tài)對比分析結(jié)果見表5所示，鑄鋁前防撞梁的一階模態(tài)頻率與原鋼制前防撞梁相比提高了31.24%，符合模態(tài)頻率的設(shè)計要求，且對動態(tài)性能有一定提升。

圖7 保險杠前防撞梁模態(tài)云圖

表5 保險杠杠前防撞梁模態(tài)對比分析結(jié)果

3.1.2保險杠杠前防撞梁模態(tài)試驗

汽車部件結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是汽車部件新產(chǎn)品開發(fā)中結(jié)構(gòu)分析的重要手段。通過模態(tài)仿真及試驗得到車身部件低階模態(tài)，掌握汽車部件常規(guī)振動的關(guān)鍵參數(shù)，避免設(shè)計缺陷。

該模態(tài)測試采用自由模態(tài)方式。由于保險杠前防撞梁質(zhì)量相對較輕，為保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，試驗采用懸掛法測試方式，將防撞梁用彈簧繩懸掛，使防撞梁處于近似自由狀態(tài)。懸掛方式如圖8所示。試驗采用力錘激勵，通過力錘對處于自由狀態(tài)的防撞梁同一位置進(jìn)行激勵，作為輸入信號，并使用三向加速度傳感器采集10個測點的加速度輸出信號。通過動態(tài)信號分析儀記錄數(shù)據(jù)，將實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)測點模型導(dǎo)入軟件，得到試驗數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖8 保險杠前防撞梁模態(tài)試驗懸掛方式

圖9 保險杠前防撞梁模態(tài)試驗數(shù)據(jù)

針對保險杠前防撞梁三維模型以及測點信息，建立測點模型，并結(jié)合多項式擬合方法和PolyLSCF方法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別。

基于振型動畫辨識振型，得到前防撞梁振型如圖10所示，呈整體一階彎曲振型。模態(tài)頻率如表6所示，相比于傳統(tǒng)鋼制結(jié)構(gòu)的防撞梁總成，一體化成型的熔模精密鑄造保險杠防撞梁具有更高的一階模態(tài)值。

表6 保險杠前防撞梁模態(tài)參數(shù)識別

圖10 保險杠前防撞梁模態(tài)分析圖

對比2種保險杠前防撞梁的模態(tài)分析仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)，如表7所示，可以看出誤差范圍8%以內(nèi)，驗證了仿真數(shù)據(jù)的可靠性。

表7 保險杠前防撞梁模態(tài)參數(shù)

3.2 保險杠防撞梁碰撞仿真及試驗

汽車的被動安全性在汽車碰撞事故中能夠?qū)噧?nèi)乘客及外部行人提供避免或降低傷害的保護(hù)措施，其社會效益和經(jīng)濟(jì)效益是巨大的。汽車前部正面碰撞發(fā)生的概率占所有碰撞的40%，占比較大[18]，因此具有重要的研究價值。下面將從正面碰撞仿真和試驗兩方面對比分析2種保險杠防撞梁的碰撞性能。

3.2.1保險杠防撞梁碰撞仿真

保險杠防撞梁碰撞試驗是驗證汽車行駛安全性的一個重要指標(biāo)，各國對汽車碰撞試驗都有嚴(yán)格的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。按照中國汽車前后端保護(hù)裝置標(biāo)準(zhǔn)GB17354-1998要求，分別對原車和鑄鋁保險杠防撞梁建立有限元模型，進(jìn)行分析評價。

根據(jù)仿真試驗設(shè)置防撞梁有限元模型殼網(wǎng)格尺寸為5 mm，擺錘單元尺寸為10 mm。按照能量等效原則設(shè)置試驗碰撞條件。保險杠防撞梁及擺錘的碰撞有限元模型如圖11所示，仿真得到的擺錘加速度曲線如圖12所示。

圖11 擺錘碰撞有限元模型

圖12 碰撞仿真擺錘加速度曲線

3.2.2保險杠防撞梁碰撞試驗

目前，汽車保險杠防撞梁耐撞性試驗一般采用擺錘式?jīng)_擊試驗，對照標(biāo)準(zhǔn)GB17354—1998要求，根據(jù)能量等效原則實施防撞梁正面碰撞試驗。將加速度傳感器置于擺錘碰撞位置的后側(cè)，按照整車質(zhì)量1 190 kg、4 km/h(1.11 m/s)的速度撞擊，碰撞總能量為739.35 J。試驗擺錘質(zhì)量為208.54 kg，則撞擊速度為9.62 km/h(2.67 m/s)，擺錘應(yīng)提升到0.37 m的相對高度。擺錘試驗如圖13所示，碰撞后實物變形如圖14所示。

圖13 保險杠前防撞梁碰撞試驗

圖14 保險杠前防撞梁實物碰撞變形圖

圖15所示為2種材料保險杠防撞梁碰撞試驗和仿真擺錘加速度曲線。由仿真和試驗結(jié)果可以看出，碰撞試驗結(jié)果與碰撞仿真結(jié)果基本一致，驗證了碰撞仿真的準(zhǔn)確性。

圖15 碰撞試驗擺錘加速度曲線

2種保險杠的仿真和試驗數(shù)據(jù)較為接近，對比原車鋼制保險杠防撞梁與新型鑄鋁保險杠防撞梁的各項性能見表8所示。

表8 保險杠前防撞梁碰撞性能對比

新型鑄鋁保險杠防撞梁在采用輕質(zhì)材料實現(xiàn)20.5%輕量化的情況下，其吸能量與原車鋼制保險杠防撞梁相近，而最大入侵位移小于原車鋼制保險杠防撞梁，碰撞性能有所提升。

4 結(jié)論

針對某款電動汽車保險杠前防撞梁，按照材料和鑄造工藝設(shè)計技術(shù)要求，對其進(jìn)行產(chǎn)品材料-結(jié)構(gòu)一體化輕量化設(shè)計。重點闡述了汽車保險杠防撞梁與吸能盒優(yōu)化設(shè)計過程，以及原保險杠和新型保險杠模態(tài)和低速碰撞性能的仿真及試驗測試。驗證了試制的新型鑄鋁保險桿防撞梁達(dá)到碰撞等性能要求，同時保險杠防撞梁由原車的4.15 kg減到了3.30 kg，實現(xiàn)了輕量化設(shè)計目標(biāo)。