摘 要：車身前縱梁是汽車發(fā)生正碰時(shí)吸能和傳遞載荷的重要部件。為提高車身前縱梁的耐撞性和輕量化水平，利用CAE 分析研究了不同截面形狀鋁合金前縱梁50km/h 沖擊載荷下的總吸能量、碰撞力峰值及其變形模式。結(jié)果表明，“日”字形截面前縱梁適用性最佳。搭載某純電動(dòng)車型，50km/h 全正碰試驗(yàn)后，前縱梁前端發(fā)生軸對(duì)稱變形，吸能模式合理，后段未發(fā)生折彎失穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：車身前縱梁；輕量化；耐撞性

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的日益進(jìn)步，汽車輕量化設(shè)計(jì)和碰撞安全性設(shè)計(jì)成為汽車工業(yè)的兩大挑戰(zhàn)；而輕量化和碰撞性能經(jīng)?；ハ嗝?。因此，同時(shí)提升汽車的輕量化水平和碰撞安全性能一直是汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

車身前縱梁在汽車發(fā)生正碰時(shí)承受50%-70%的沖擊動(dòng)能，是汽車車身的重要吸能部件。傳統(tǒng)的前縱梁結(jié)構(gòu)由鋼制鈑金焊接而成。陳吉清[1]、Elmarakbi[2]和Beik[3]、張家波[4]、劉博[5]探討了鋼制結(jié)構(gòu)截面形狀或截面參數(shù)對(duì)前縱梁碰撞吸能的影響。

Libin Duan[6][7]基于鋼制鈑金結(jié)構(gòu)提出了連續(xù)可變厚度和截面的前縱梁結(jié)構(gòu)，通過參數(shù)化建模和多目標(biāo)碰撞設(shè)計(jì)優(yōu)化方法改善了鋼制前縱梁的輕量化水平和耐撞性。Weiwei W[8]基于新的多學(xué)科優(yōu)化方法設(shè)計(jì)車身前縱梁鈑金厚度，改善了車身正碰性能。以上研究通過研究鋼制結(jié)構(gòu)截面形狀和鈑金厚度的方式改善了前縱梁的碰撞安全性和輕量化水平，但是鋼材輕量化效果有限。

鋁合金密度是鋼的1/3，吸能性能是鋼的2 倍，且可回收，耐腐蝕[9]；當(dāng)選用鋁合金制造車身前縱梁時(shí)，不僅可以減輕車身重量，同時(shí)提高整車碰撞安全性。姚威[10]提出內(nèi)嵌碳纖維復(fù)合材料的鋁合金前縱梁結(jié)構(gòu)，利用碳纖維高的吸能特性顯著改善鋁合金前縱梁的比吸能和碰撞力效率。沈斌[11]基于非線性有限元研究了“目”字形鋁合金前縱梁替代鋼制薄壁梁的可行性。Chang Q[12]基于正碰和偏置碰模型研究了圓形管和錐形管鋁合金的耐撞性和輕量化。為本文研究鋁合金前縱梁的碰撞吸能特性提供借鑒。

本文通過CAE 對(duì)比分析不同截面形狀的擠壓鋁合金前縱梁吸能特性，搭載某電動(dòng)汽車進(jìn)行實(shí)車50km/h 正碰試驗(yàn)驗(yàn)證，從而為擠壓鋁合金前縱梁的耐撞性設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 鋁合金前縱梁正碰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車身前縱梁結(jié)構(gòu)的正面碰撞安全設(shè)計(jì)主要著眼于前縱梁的總吸能量、碰撞力峰值和變形模式?？偽芰渴窃谡麄€(gè)碰撞過程中構(gòu)件通過彈塑性變形（金屬材料等）或脆性斷裂（復(fù)合材料等）等破壞形式吸收的沖擊能量，其值越大越好。碰撞力峰值大小直接決定了碰撞過程中汽車安全性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)——人體頭部損傷值HIC，其值越小越好[1]。軸向沖擊載荷作用下，前縱梁的變形模式主要有軸對(duì)稱變形、金剛石變形、歐拉彎折變形，如圖1 所示。

軸對(duì)稱變形是縱梁呈現(xiàn)規(guī)律性波紋，沿縱梁軸向出現(xiàn)突出和內(nèi)縮交替出現(xiàn)的波紋形式；金剛石變形指在縱梁的周向出現(xiàn)三個(gè)及以上的波紋；歐拉彎折變形是一種較為危險(xiǎn)的變形模式，指縱梁在沖擊載荷下發(fā)生彎折，總吸能量大大降低，導(dǎo)致碰撞力傳至乘員艙，降低汽車安全性能。


圖1 直梁主要變形模式

薄壁結(jié)構(gòu)前縱梁的截面形狀對(duì)其總吸能量、碰撞力峰值和變形模式有很大影響。本文設(shè)計(jì)九種不同截面形狀前縱梁，如表1 所示。材料面積統(tǒng)一為1000mm2，研究同一輕量化水平下，各截面縱梁的總吸能量、碰撞力峰值及其變形模式。

表1 九種截面形狀縱梁


建立圖2所示的沖擊壓潰模型，初速度50km/h，方向?yàn)榭v梁軸向，配重400kg，前縱梁長(zhǎng)度240mm，料厚3mm，材料輸入6063-T6 鋁合金材料特性。圖3 展示了不同截面縱梁的總吸能量和碰撞力峰值情況：截面邊數(shù)越多，結(jié)構(gòu)越強(qiáng)，總吸能量和碰撞力峰值大體呈現(xiàn)增高的趨勢(shì)。值得注意的是，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)1 方案中三種結(jié)構(gòu)的總吸能量和碰撞力峰值相差不大，表明前縱梁增加一條加強(qiáng)筋可降低截面形狀對(duì)縱梁總吸能量和碰撞力峰值的敏感度，設(shè)計(jì)自由度高，對(duì)前縱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很好的借鑒意義。


圖2 壓潰變形加載方式


圖3 不同截面縱梁總吸能量與碰撞力峰值

表2 為不同截面縱梁的壓潰變形模式，包括壓潰開始時(shí)刻和最后一個(gè)變形波形成時(shí)刻?？梢钥吹?，隨著邊數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)，縱梁的變形模式逐漸從軸對(duì)稱變形向金剛石變形轉(zhuǎn)變，未加強(qiáng)圓形結(jié)構(gòu)和一條筋加強(qiáng)正六邊形結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱和金剛石變形的混合變形模式，變形穩(wěn)定性較差。同時(shí)看到未加強(qiáng)矩形截面縱梁壓潰開始在縱梁中間，不利于縱梁穩(wěn)定吸能，汽車縱梁正面碰撞安全性設(shè)計(jì)通常不希望出現(xiàn)從縱梁中間開始?jí)簼⒌淖冃文Ｊ健?br />
表2 不同截面縱梁壓潰變形模式


對(duì)于純電動(dòng)車型，前縱梁Y向設(shè)計(jì)空間受限于前端模塊、電機(jī)總成、輪胎包絡(luò)等，Z 向設(shè)計(jì)空間受限于底盤懸架包絡(luò)，導(dǎo)致擠壓成形前縱梁的設(shè)計(jì)自由度較低。因而為提高前縱梁的設(shè)計(jì)自由度，提升后續(xù)優(yōu)化空間，同時(shí)考慮前縱梁的裝配和壓潰變形穩(wěn)定性，一條加強(qiáng)筋的矩形截面縱梁（“日”字型截面）的適用性最佳。

2 鋁合金前縱梁應(yīng)用與正碰驗(yàn)證

圖4（a）為某純電動(dòng)汽車“日”字型鋁合金前縱梁，采用擠壓成形工藝，壁厚3mm，材料為6063-T6 態(tài)鋁合金，重量3.1kg，相比鋼制結(jié)構(gòu)縱梁減重約47%。圖4（b）為截面材料面積、縱向長(zhǎng)度與鋁合金縱梁相當(dāng)?shù)匿撝平Y(jié)構(gòu)。


圖4 前縱梁類型

因裝配需求前縱梁上開設(shè)有較多工藝孔，研究表明[13]，縱梁上的孔洞可作為變形引導(dǎo)結(jié)構(gòu)，對(duì)縱梁的變形模式和吸能特性產(chǎn)生影響。因而為使縱梁前端更好的發(fā)生軸對(duì)稱變形且降低其碰撞力峰值，在前端四條棱邊上各設(shè)置三個(gè)誘導(dǎo)棱角，沿梁軸向?yàn)榱庑?。同時(shí)，誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)可使前縱梁在更為嚴(yán)峻的偏置碰工況中減少發(fā)生歐拉彎折變形的概率，有效引導(dǎo)前縱梁發(fā)生穩(wěn)定的軸對(duì)稱變形，提高變形穩(wěn)定性。

圖5 為整車50km/h 全正碰試驗(yàn)后前縱梁變形狀態(tài)。前縱梁前端發(fā)生軸對(duì)稱變形，吸能模式合理，碰撞結(jié)束后縱梁后段未折彎失穩(wěn)，左右縱梁加速度峰值達(dá)標(biāo)，整車位移量和前圍板侵入量較小。


圖5 50km/h 正碰后前縱梁狀態(tài)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于某純電動(dòng)車型，討論了同一輕量化水平下不同截面形狀鋁合金前縱梁的吸能特性和變形模式。結(jié)果表明：

（1）前縱梁增加一條加強(qiáng)筋可降低截面形狀對(duì)縱梁總吸能量和碰撞力峰值的敏感度，縱梁設(shè)計(jì)自由度高，提升后續(xù)優(yōu)化空間。

（2）隨著縱梁邊數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)，總吸能量和碰撞力峰值升高，變形模式由軸對(duì)稱變形向金剛石變形轉(zhuǎn)變。

（3）前縱梁受限于前端模塊、電機(jī)總成、底盤包絡(luò)等，設(shè)計(jì)空間小，為提高其設(shè)計(jì)自由度及后續(xù)優(yōu)化空間，同時(shí)考慮前縱梁的裝配和變形穩(wěn)定性，一條加強(qiáng)筋的矩形截面（“日”字型）縱梁的適用性最佳。

（4）“日”字型擠壓鋁合金前縱梁，重量3.1kg，相比鋼制結(jié)構(gòu)縱梁減重約47%。50km/h 全正碰后前端發(fā)生軸對(duì)稱變形，吸能模式合理，后段未折彎失穩(wěn)，左右縱梁加速度峰值達(dá)標(biāo)，整車位移量和前圍板侵入量較小。