一种复合材料的轻量化商用车前下部防护装置

付赫涛 王雪

摘 要：商用车前下部防护装置，是汽车发生碰撞时保护车辆及人员安全的重要部件，国家发展与改革委员会也发布了GB26511标准，其中强制规定了商用车前下部防护装置的碰撞性能要求。近期，不断严苛的环保指标，为汽车零件的轻量化提出了新的要求。为了研发质量更轻的防护装置，本文在现有防护装置结构的基础上，利用拉挤工艺玻璃纤维复合材料的良好力学可设计性和抗弯曲性能，研发出新型商用车轻量化前下防护横梁。同时利用Abaqus有限元分析软件对轻量化结构进行碰撞试验仿真，结果满足GB26511法规要求，较原方案相比重量减轻50%，实现了该零件的轻量化。该项目在商用车上首次应用拉挤工艺复合材料。

关键词：前下部防护装置;拉挤工艺复合材料;碰撞仿真;Abaqus

1 引言

参考欧盟相关标准，2011年，我国制订了GB26511-2011《商用车前下部防护要求》，用以降低商用车与乘用车碰撞后给乘用车内人员造成的伤害。现有该产品大多采用金属结构，采用冲压及拼焊工艺，由一根横梁和两副对称的支架组成，通过螺栓将支架固定在前车架上。下图1为某国产商用车金属材质前下部保护装置：

我公司为满足客户需求，借鉴国外复合材料在防撞吸能产品上的应用，对现有的金属材质前下部保护装置产品进行了重新设计开发，开发全新的复合材料防护梁。

2 现有产品的性能分析

GB26511-2011《商用车前下部防护要求》规定了商用车前下部防护装置的碰撞试验方法和性能要求。主要对商用车前下防护装置进行三个点（P1、P2和P3）进行碰撞测试。要求如下：

（1）位置要求：如图2所示，P1点位于前轴轮胎最外侧（不包括轮胎的变形量）相切的纵向平面200mm处;P2点对称于车辆的纵向平面中心两侧，两P2点相互之间的距离为700-1200mm;如果与前下部防护相关的车辆的结构和部件位于完全与其纵向中间平面对称的位置，则在各P1和P2点上的试验应在一边上进行。详见上图2。

（2）加载要求：加载力平行于车辆的纵向中心平面，水平施加在各点上。加载头尺寸不大于400mm（宽）×250mm（高），试验时应尽可能快施加作用力，装置应经受住至少0.2 s的作用时间，P1、P3点施加80 kN，P2点施加160 kN。（客户要求）

（3）实验完成后，横梁变形不能超过200mm（客户要求）。

根据现有产品的数据，采用Abaqus有限元软件，对其碰撞性能进行分析，分析边界条件及参数如右图3示。Abaqus软件通过Expilcit求解器进行分析，详细分析结果详见表1。

从仿真结果可以看出，各试验点满足标准要求，但其应力最大值达到769Mpa，需要采用高强钢材。因其工艺采用冲压及拼焊工艺，因此导致整体横梁重量达到29Kg。

3 采用复合材料轻量化设计的前下部保护装置

为实对现有产品重量的优化，首先对现有产品的受力结构进行初步分析。从表1可以看出，支架和横梁的连接位置是受力集中部位，承受比较大的应力集中，而横梁本身利用金属材料的塑型形变吸收一部分撞击能量，其余部分通过连接处转到支架及车身上。因此轻量化的总体思路是，采用复合材料的横梁减轻产品的重量，同时设计两个金属连接件负责连接复合材料横梁与金属支架，同时承担集中的应力（因为复合材料不能承受太高的应力），以及塑性形变吸能的功能。

根据此思路经过反复优化，最终形成下图4的设计（只优化了横梁部分）：

优化后的设计界面为“日”字型，这样做是为了兼顾产品的抗弯曲性能和工艺性能，详见图2。在原有横梁结构的基础上，左右各增加一个壁厚为2 mm的金属连接件，与横梁通过高强度聚丙烯酸类结构胶粘连接。横梁部分总重量约为12.5kg（非金属件+金属件+结构胶），相对于原设计降低重量达57%，降重效果明显。

通过Abaqus Expilcit求解器进行碰撞仿真，结果显示P1、P2、P3位置均满足GB26511-2011《商用车前下部防护要求》中的相关性能要求以及客户要求。仿真分析显示，非金属部分最大应力为352Mpa，属于复合材料能够承受的应力值。金属材料应力最大为599Mpa，基本与优化前的方案相当。因此本方案在性能相近的情况下，成功降低产品重量50%以上，达到了预期的设计目标。详见上表2。

4 结论

纤维增强树脂基复合材料具有抗弯曲强度高、抗腐蚀、低密度等特点，适合于轻量化产品的开发。而相对于RTM、真空覆膜等工艺，采用拉挤工艺生产复合材料，又具有生产效率高、成本低等优点，其力学性能可通過铺层工艺进行设计和优化，目前广泛应用于能源、建筑等行业，但由于其不能生产弯曲产品的限制，在汽车行业内应用较少。目前国内商用车的前下部保护装置多采用金属材质，重量较大，且多为直梁形式，特别适合保护梁类产品的应用。本项目针对此开发出了采用拉挤工艺的复合材料横梁来替代金属产品，重量降低50%以上，性能满足法规要求。并通过Abaqus Expilcit求解器进行碰撞仿真验证，产品性能能够满足标准要求和客户要求，实现了此类产品的轻量化。

参考文献：

[1]GB26511-2011 《商用车前下部防护要求》.

[2]王丽荣.基于RADIOSS求解器的商用车前下防护装置结构模拟碰撞分析与改进. 北京：福田戴姆勒汽车有限公司，2013.

[3]侯路.轻型商用车前下部防护装置轻量化开发.武汉：东风汽车股份有限公司商品研发院，2018.