鋁合金下車體前壁板橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

王東升，柯旭東，肖榮光，馬麗春

(1.忠旺(遼陽)鋁模板制造有限公司，遼寧 遼陽 111003；2.遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003；3.青島大學 材料科學與工程學院，山東 青島 266071)

0 引言

鋁合金由于具有質(zhì)量輕、較高的強度、易回收加工、可焊接性好被譽為汽車輕量化的理想結(jié)構(gòu)材料[1]。鋁合金車身平臺是以平臺技術(shù)為大背景的車身設(shè)計和開發(fā)策略，全部或部分關(guān)重零部件使用鋁合金材料，具備平臺可延展屬性[2]。目前，汽車工程領(lǐng)域存在4種主流鋁合金車身技術(shù)方案。第1種是以蔚來ES8車型為代表的上下車體均使用鋁合金材質(zhì)的全鋁車身結(jié)構(gòu)方案，使用了鋁型材、鋁鑄件、鋁板材等多種鋁加工工藝，技術(shù)難度最高、成本最高。第2種是以極狐阿爾法S車型為代表的“上鋼下鋁”車身結(jié)構(gòu)方案，即上車體使用成本低廉、制造難度低的鋼制車身，下車體使用輕量化效果顯著的鋁制車身，車身總成達成了技術(shù)難度與成本和輕量化三者的均衡。第3種以特斯拉model 3車型為代表，進一步降低鋁合金材質(zhì)的使用比例，僅在下車體關(guān)鍵梁系部位使用鋁合金型材，技術(shù)難度和成本最低。第4種是以奇瑞小螞蟻車型為代表的，上下車體使用鋁型材組焊的框架式全鋁車身，封板部位使用鋁合金板材，在最優(yōu)輕量化效果的前提下，技術(shù)難度最低、成本最低。

前壁板橫梁是鋁合金車身平臺的關(guān)鍵承載零部件，要求其強度高、抗疲勞耐久，是汽車車身系統(tǒng)的重要安全結(jié)構(gòu)件。因鋁合金車身下車體縱梁前段多采用鋁合金型材，設(shè)計時無法做到局部避讓及滿足“前弱后強”的碰撞要求，碰撞時無法有效引導縱梁前段的壓饋過程，因此對前壁板橫梁的結(jié)構(gòu)強度要求進一步增加。

本文針對某純電動汽車鋁合金下車體結(jié)構(gòu)前壁板橫梁的設(shè)計任務，從總體架構(gòu)上考慮前壁板橫梁的布局位置，從結(jié)構(gòu)細節(jié)上考慮前壁板橫梁的分件方案，最終提出兩種前壁板橫梁結(jié)構(gòu)后備設(shè)計方案。從整車碰撞安全仿真分析的角度，在滿足C-NACP管理規(guī)則(2018年版)整車耐撞性設(shè)計目標的前提下，驗證兩種結(jié)構(gòu)的合理性。經(jīng)驗證合格后，再從工程實現(xiàn)的角度對比前壁板橫梁的設(shè)計參數(shù)，最終確立了一種結(jié)構(gòu)方案。

1 總體設(shè)計思路

前壁板橫梁是車身重要的橫向連接梁系結(jié)構(gòu)，承擔連接左右縱梁、支撐前壁板、圍合電池包安裝框架的作用。

(1)在布置設(shè)計領(lǐng)域：應考慮設(shè)計邊界，還應結(jié)合前機艙、乘員艙相關(guān)部件的布置要求，如前壁板位置、真空助力泵安裝、輪胎運動包絡(luò)、制動踏板運動包絡(luò)、歇腳板位置，甚至于整車管線路設(shè)計等。

(2)在性能設(shè)計領(lǐng)域：除應考慮強度設(shè)計相關(guān)的截面大小、搭接方式、連接類型，還應考慮碰撞安全方面的性能表現(xiàn)。

(3)在工藝設(shè)計領(lǐng)域：需要對型材擠出模具進行模流分析，以保證型材截面尺寸的可成型性。

(4)在結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域：依據(jù)布置要求、性能要求、工藝要求，進行詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計，進而提出兩種可行方案，即整體式結(jié)構(gòu)方案和分體式結(jié)構(gòu)方案。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

2.1 整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計

整體式前壁板橫梁采用鋁合金牌號為6082-T6的材料，運用擠壓工藝，Y向(整車坐標系)出模而成，如圖1所示。采用擠壓工藝生產(chǎn)的鋁合金零部件相比于使用沖壓工藝而言，零部件結(jié)構(gòu)自帶型腔，從而增大了強度和剛度[3]。左右兩端分別與左/右前縱梁總成搭接，上端連接前壁板，下端與前地板連接，與周邊零件連接主要采用MIG焊和SPR、結(jié)構(gòu)膠。

圖1 整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

2.2 分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計

分體式前壁板橫梁總成由三部分組成，從上往下分別為前壁板前橫梁、前圍下?lián)醢濉㈦姵匕惭b前橫梁，并通過SPR與結(jié)構(gòu)膠連接為總成，與周邊零件連接主要采用MIG焊和SPR、結(jié)構(gòu)膠，如圖2所示。

圖2 分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

3 方案驗證分析

3.1 仿真分析對比

前壁板橫梁是碰撞過程中橫向傳遞碰撞力的結(jié)構(gòu)件，對整車碰撞安全性能開發(fā)起到舉足輕重的作用。本文研究對象采用一致的有限元分析模型，在其他結(jié)構(gòu)不變的情況下，替換前壁板橫梁作為單一變量，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)劣在碰撞安全分析工況下的對比分析。分析標準選用國內(nèi)碰撞安全標準較為嚴苛的C-NACP管理規(guī)則(2018年版)中，正面40%可變形壁障碰撞(又稱ODB)作為考核[4]，分別對整體式與分體式兩種結(jié)構(gòu)前壁板橫梁在整車模型下建立有限元分析模型，使用相同的邊界條件進行ODB碰撞分析。

分析網(wǎng)格模型如圖3所示，由于造型涉密原因，只展示底盤及下車體部分，碰撞安全仿真分析過程不作為本文討論的重點。

圖3 整車碰撞分析網(wǎng)格模型

兩種結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如表1所示。14種分析指標中，兩種結(jié)構(gòu)分析結(jié)果有12項低于目標值，僅有B柱門檻處加速度峰值、OLC值兩項分析結(jié)果略超越目標值，屬于可讓步接收的程度。綜合以上表述，分析模型合格。以上分析表明兩種結(jié)構(gòu)的前壁板橫梁均能滿足正面C-NACP管理規(guī)則(2018年版)中，正面40%可變形壁障碰撞分析目標的要求。

表1 兩種結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

3.2 工程實現(xiàn)對比

兩種結(jié)構(gòu)的前壁板橫梁設(shè)計參數(shù)如表2所示，兩種結(jié)構(gòu)形式在工程實現(xiàn)層面各有優(yōu)劣勢。整體式前壁板橫梁的優(yōu)點是零件開發(fā)周期短，一次成型，模具成本較低、精度高，無須其他連接工藝，管理方便；缺點是零件成型比較困難，模具成本高，質(zhì)量較大。分體式前壁板橫梁的優(yōu)點是零件成型簡單，質(zhì)量較輕，設(shè)計空間要求較低；缺點是零件數(shù)量較多，不利于生產(chǎn)管理，總成零件以冷連接為主，運輸困難，制造模具較多，周期較長。

表2 兩種結(jié)構(gòu)的前壁板橫梁設(shè)計參數(shù)

3.3 方案驗證結(jié)論

在滿足碰撞性能要求的基礎(chǔ)上，筆者通過工程實現(xiàn)因素對比分析，結(jié)合整車質(zhì)量目標及成本，優(yōu)選分體式方案作為本文討論的某電動車鋁合金下車體前壁板橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

4 結(jié)語

本文論述了兩種結(jié)構(gòu)的前壁板橫梁設(shè)計，通過創(chuàng)造相同的對比邊界，以滿足整車碰撞安全性能開發(fā)目標為先決條件，羅列兩種結(jié)構(gòu)在工程實現(xiàn)各個層面的優(yōu)劣勢，最后通過質(zhì)量設(shè)計和布置空間目標設(shè)定選定分體式前壁板橫梁為開發(fā)車型的最優(yōu)方案。本文在鋁合金前壁板橫梁設(shè)計，乃至鋁合金下車體設(shè)計層面具備一定的工程參考價值。實際開發(fā)過程中，可基于不同的開發(fā)背景及開發(fā)目標，依據(jù)本文所列舉的設(shè)計參數(shù)，參考選擇適合的前壁板橫梁設(shè)計方案。