新能源汽車前防撞梁的抗撞性及輕量化設(shè)計(jì)①

高善平, 王忠達(dá)

(泉州信息工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

0 引 言

汽車運(yùn)行過(guò)程中往往伴隨著較高的速度，提高汽車安全性至關(guān)重要。汽車在出現(xiàn)碰撞事故時(shí)，絕大多數(shù)情況下前防撞梁都是第一個(gè)受到撞擊的部件，是汽車被動(dòng)安全的第一道屏障，不僅能夠?qū)噧?nèi)駕乘人員安全起到有效的防護(hù)，同時(shí)也可以最大程度的降低汽車損傷程度[1]。汽車前防撞梁的抗撞性不單單會(huì)關(guān)系到駕乘人員的生命安全，還會(huì)影響到汽車前端結(jié)構(gòu)的受損情況，決定了汽車后期的維修成本，所以采用有效的手段進(jìn)一步強(qiáng)化汽車前防撞梁的抗撞性十分有必要。

此外，為了積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能與環(huán)保的號(hào)召，汽車的輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了必然的發(fā)展趨勢(shì)。汽車輕量化不僅能夠改善燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也有助于降低污染物與碳排放量，汽車產(chǎn)業(yè)為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)進(jìn)行了大量研究，并取得了較好的成就。和傳統(tǒng)汽車相比，新能源汽車對(duì)輕量化的要求更為緊迫。在不降低汽車碰撞安全性能的基礎(chǔ)之上，盡可能的降低新能源汽車前防撞梁的重量，是當(dāng)下眾多研究人員共同探討的目標(biāo)[2]。現(xiàn)階段，要達(dá)到汽車前防撞梁輕量化設(shè)計(jì)要求，主要基于三個(gè)方面入手，分別是改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)用輕量化材料、引入先進(jìn)制造工藝[3]。

當(dāng)下新能源汽車前防撞梁采用的材質(zhì)一般為低碳鋼，相關(guān)研究顯示，假使運(yùn)用鋁合金、碳纖維復(fù)合材料等低密度的材料取代低碳鋼，可以在保證前防撞梁抗撞性不變的情況下降低重量，同時(shí)引入TRB(即一種柔性軋制工藝，其主要通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制和調(diào)整軋輥的間距，以獲得一種連續(xù)變截面薄板)等新型加工手段、運(yùn)用仿生技術(shù)改進(jìn)截面形狀等，也可以達(dá)到同樣的效果[4]。但是，這些方法都會(huì)因?yàn)椴牧弦蛩?、工藝因素等影響?dǎo)致成本大幅上漲。假設(shè)不改變前防撞梁材質(zhì)、生產(chǎn)工藝以及截面形式，只調(diào)整橫梁與吸能盒的厚度，對(duì)總體制造成本將不會(huì)產(chǎn)生較大影響，為此本文以此為切入口，在提高新能源汽車前防撞梁抗撞性的基礎(chǔ)之上，同步實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

1 前防撞梁碰撞有限元建模與分析

1.1 前防撞梁正面100%碰撞有限元建模

一般來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行汽車前防撞梁正面碰撞有限元模型建立時(shí)，可以從兩個(gè)方向入手，第一種是將前防撞梁與汽車前端結(jié)構(gòu)連接端固定，讓剛性墻以特定的速度與質(zhì)量接近前防撞梁，并發(fā)生碰撞；第二種是使剛性墻固定不動(dòng)，前防撞梁以設(shè)定的速度靠近并發(fā)生碰撞[5]。

因?yàn)槠囋趯?shí)際碰撞過(guò)程中，其場(chǎng)景與第二種碰撞方式更為吻合，所以本文研究中以第二種碰撞方式為基礎(chǔ)，結(jié)合C-NCAP正面碰撞試驗(yàn)要求[6]，構(gòu)建汽車前防撞梁正面100%碰撞模型，如圖1。

借助Hypermesh軟件完成有限元分析前的準(zhǔn)備工作。將前防撞梁中的橫梁與吸能盒部件均設(shè)定為殼單元，確定網(wǎng)格單元尺寸為5mm。使用不要求設(shè)置屬性與材質(zhì)的spotaweld單元連接橫梁和吸能盒以及吸能盒上蓋板與下蓋板[7]。設(shè)定橫梁、吸能盒上蓋板與下蓋板的厚度分別為1.7mm,2.0mm,2.4mm。前防撞梁模型共計(jì)涵蓋了16205個(gè)單元、16389個(gè)節(jié)點(diǎn)。前防撞梁各部件均采用低碳鋼材料，各部位材料性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 前防撞梁正面100%碰撞模型

表1 前防撞梁各個(gè)部件材料性能參數(shù)

在進(jìn)行碰撞模擬中，設(shè)定前防撞梁以固定速度50km/h撞向剛性墻，前防撞梁各個(gè)總成部件之間的連接方式是自動(dòng)單面接觸，并將動(dòng)靜摩擦系數(shù)都設(shè)定為0.19，剛性墻和前防撞梁之間的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.14。為了能夠獲得較高的運(yùn)算速度，依托于MASS單元進(jìn)行車輛配重，設(shè)定整車重量為1.45t。

1.2 正面100%碰撞結(jié)果分析

將處理好的有限元文件導(dǎo)入到LS-DYNA軟件進(jìn)行求解，同時(shí)借助于Hypermesh軟件完成后續(xù)處理工作。因?yàn)楸敬斡邢拊治龅年P(guān)鍵點(diǎn)在于獲得前防撞梁的整個(gè)碰撞過(guò)程，所以碰撞過(guò)程只需要進(jìn)行到吸能盒趨于完全壓潰即可。前防撞梁在不同時(shí)間點(diǎn)處的形變大小，如圖2。

圖2 前防撞梁在不同時(shí)間點(diǎn)處的形變情況

從圖2中能夠看出，時(shí)間在到達(dá)0.003s時(shí)，橫梁已經(jīng)發(fā)生明顯變形，而吸能盒仍然維持原狀；當(dāng)時(shí)間到達(dá)0.005s時(shí)，橫梁完全變形，吸能盒也開始被壓縮變形；當(dāng)時(shí)間到達(dá)0.010s時(shí)，吸能盒已經(jīng)趨于完全壓潰。

模擬軟件中的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，從碰撞開始到結(jié)束，總能量一直穩(wěn)定在148kJ左右，沙漏能以及滑移界面能總和為0.49kJ，僅占總能量的0.33%左右。總重量提高了0.001t左右，相比較于1.45t總質(zhì)量，其增加幅度遠(yuǎn)低于5%。由此可以得出，所構(gòu)建的前防撞梁正面100%碰撞模型真實(shí)、有效。

1.3 抗撞性與輕量化評(píng)估

在對(duì)汽車前防撞梁抗撞性進(jìn)行評(píng)估時(shí)，一般基于吸能量E、最大碰撞力值Fmax、平均碰撞力值Fare、比吸能SEA以及侵入值D等指標(biāo)進(jìn)行[8-9]。具體來(lái)說(shuō)，吸能量E表示的是在整個(gè)碰撞過(guò)程中，前防撞梁通過(guò)自身形變所吸收的能量大小，當(dāng)吸能量數(shù)值越大時(shí)，則表明汽車前防撞梁結(jié)構(gòu)的吸能性能越佳，所起到的安全防護(hù)效果也越優(yōu)秀。比吸能SEA表示的是前防撞梁?jiǎn)挝毁|(zhì)量吸收的能量大小，是抗撞性與輕量化中的重要考核指標(biāo)。最大碰撞力值Fmax表示在碰撞期間前防撞梁結(jié)構(gòu)受到的最大沖擊力大小，當(dāng)該指標(biāo)數(shù)值越小時(shí)，代表前防撞梁后部的車身結(jié)構(gòu)所承受的峰值力越小，相應(yīng)的安全性就越高[10]。前防撞梁正面100%碰撞中不同評(píng)估參數(shù)值，見(jiàn)表2。

表2 前防撞梁正面100%碰撞仿真中各評(píng)估參數(shù)值

圖3 前防撞梁能量吸收與碰撞力曲線圖

如圖3所示為碰撞過(guò)程中汽車前防撞梁能量吸收曲線圖以及碰撞力曲線圖。

從圖3中可以看出，從碰撞開始到結(jié)束期間，汽車前防撞梁吸收的最大能量為9.314kJ左右，并且還有較高的增長(zhǎng)空間。碰撞最大力數(shù)值為379.074kN左右，總體來(lái)看最大碰撞力數(shù)值較高。當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時(shí)，隨著碰撞力的越來(lái)越大，必然會(huì)導(dǎo)致碰撞加速度不斷增加，通過(guò)前防撞梁輸送到車身結(jié)構(gòu)的沖擊力也就越大，會(huì)降低汽車的安全性能。所以，為了有效改善汽車的碰撞安全性能，一方面要最大程度的提高吸能量，另一方面也可以盡可能的降低最大碰撞力。

2 汽車前防撞梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步提高汽車前防撞梁的防撞性能，降低前防撞梁的總體重量，并且盡可能的降低制造成本，在維持原有前防撞梁各個(gè)部件材質(zhì)、生產(chǎn)工藝以及截面樣式不改變的基礎(chǔ)之上，只從結(jié)構(gòu)改進(jìn)的視域出發(fā)探索前防撞梁橫梁以及吸能盒各個(gè)部件材料厚度的最優(yōu)組合。

值得注意的是，多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題往往具有多個(gè)非劣質(zhì)解，即Pareto解集。在面對(duì)希望獲取全局最優(yōu)解的多目標(biāo)問(wèn)題時(shí)，假如存在多個(gè)設(shè)計(jì)變量，那么應(yīng)當(dāng)盡可能的使用全局響應(yīng)面法(GRSM)。這種方法基于初始值周邊隨機(jī)選取優(yōu)化開始點(diǎn)，在后續(xù)的所有迭代步中均會(huì)產(chǎn)生較多全局檢索的設(shè)計(jì)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)響應(yīng)面的自主更新。該算法能夠很好的滿足整體檢索與局部檢索要求，可以在較短時(shí)間內(nèi)獲得全局最優(yōu)解。

受到篇幅的限制，表3中僅僅呈現(xiàn)了局部Pareto優(yōu)化解。較多的優(yōu)化解使得設(shè)計(jì)人員擁有了更多的選擇權(quán)，能夠依照相應(yīng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)與需求匹配適宜的方案。比如說(shuō)選擇第3、第4與第5組解，能夠有效提升前防撞梁的吸能量；顯然選擇第1、第2與第6組解，則更好達(dá)到前防撞梁的輕量化設(shè)計(jì)要求。

表3 部分Pareto優(yōu)化解

與最優(yōu)解相匹配的設(shè)計(jì)變量T1～T6數(shù)值各為1.0mm,1.2mm,1.0mm,1.1mm,2.8mm,3.0mm。將這些設(shè)計(jì)變量再次導(dǎo)入到LS-DYNA軟件中進(jìn)行計(jì)算，獲得相應(yīng)的仿真結(jié)果，同時(shí)將該結(jié)果和軟件近似模型中得到的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，如表4所示。從表4中能夠得知，近似模型預(yù)測(cè)結(jié)果基本上與仿真預(yù)測(cè)結(jié)果相仿，各項(xiàng)偏差均在5%以內(nèi)，由此可以說(shuō)明近似模型擬合與優(yōu)化結(jié)果具有良好的精準(zhǔn)性。

表4 近似模型和仿真結(jié)果比較

如下圖4所示為汽車前防撞梁改進(jìn)前與改進(jìn)后的總吸能曲線圖以及碰撞力曲線圖。

對(duì)圖4進(jìn)行分析能夠得出，汽車前防撞梁在改進(jìn)以后總吸能量較改前有明顯的提升，而最大碰撞力數(shù)值顯著降低。

改進(jìn)前和改進(jìn)后的汽車前防撞梁性能參數(shù)如表5所示。從中能夠看出，汽車前防撞梁在改進(jìn)之后，其總吸能數(shù)值提升了16.9%，總重量降低了5.8%，最大碰撞力數(shù)值降低了17.9%，比吸能數(shù)值增大了22.0%。由此可以得出，汽車前防撞梁在改進(jìn)之后不僅抗撞性得到了有效提升，同時(shí)在輕量化方面也有顯著改善。

表5 汽車前防撞梁改進(jìn)前后性能參數(shù)對(duì)比

圖4 改進(jìn)前后前防撞梁總吸能曲線圖以及碰撞力曲線圖

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，在本設(shè)計(jì)中將純電動(dòng)汽車前防撞梁橫梁以及吸能盒各個(gè)部件厚度作為設(shè)計(jì)變量，將前防撞梁總吸能量與輕量化設(shè)計(jì)為改進(jìn)目標(biāo)，以碰撞力最大值為限制，運(yùn)用全面響應(yīng)面算法得到了Pareto最優(yōu)解集。改進(jìn)以后，汽車前防撞梁總吸能量提升了16.9%、輕量化程度提高了5.8%。本研究為新能源汽車在抗撞性以及輕量化等方面的多目標(biāo)優(yōu)化研究工作提供了一定的幫助。