基于正面碰撞汽车前纵梁结构优化设计分析

赵世婧，樊继红，王贞涛

（1.苏州农业职业技术学院，江苏 苏州 215008；2.国家知识产权局专利局，北京100088；3.江苏大学能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013）

1 引言

汽车正面碰撞过程中，前纵梁是重要的吸能承载结构件，直接对整车的安全性起到重要影响[1]。正面碰撞分为100%重叠和偏置碰撞两种，实际中，绝对的完全重叠碰撞很少发生，最常见的是偏置碰撞工况，这就造成远离壁障侧的前纵梁受到的力并非完全轴向，使得前纵梁发生弯曲变形；弯曲变形使得前纵梁失去原有的轴向承载能力，起不到吸能保护乘员的作用。因此，对影响前纵梁折弯变形的因素进行分析，通过相关参数优化设计，提升此种工况下的承载能力，对提升前纵梁吸能特性具有重要意义，也是近年来研究人员研究的重要课题之一。

国内外学者对前纵梁吸能进行了一定研究：文献[2]采用试验方法对不同截面的前纵梁进行吸能对比分析，通过优化相关参数提升吸能效果；文献[3]基于落锤压溃对前纵梁的失效形式进行分析，对比不同失效形式的吸能比；文献[4]基于软件仿真对比不同材料厚度对前纵梁吸能的影响；文献[5]基于模型分析运动速度对前纵梁吸能特性的影响，速度直接影响压溃变形的长度。

针对前纵梁碰撞吸能过程进行分析，搭建有限元分析模型，对前纵梁的失效形式进行分析，折弯变形失效发生时，前纵梁失去承载吸能作用；临界角是发生折弯变形的重要指标；分析影响前纵梁弯曲变形临界角的影响因素，并获得影响规律；根据分析获得的影响规律，对某车型前纵梁进行优化设计，并采用试验方法验证优化设计和结果的准确性。

2 影响前纵梁变形因素分析

2.1 前纵梁分析模型

对汽车前纵梁进行简化[6]，如图1 所示。所以直接在Hyper-Mesh 中的几何面板中建立几何图形。

图1 汽车纵梁简化图Fig.1 Simplified Diagram of the Car Longitudinal Beam

前纵梁落锤冲击有限元分析技术路线图和主要仿真系统，如图2 所示。

图2 前纵梁仿真技术路线Fig.2 Front Longitudinal Beam Simulation Technology Route

首先建立前纵梁、落锤和底座等有限元模型，同时输入材料本构参数；在落锤和前纵梁之间以及前纵梁和底座之间设置面-面接触，防止变形过程中两部分穿透；为防止内外管壁自身穿透，设置来自接触；进行网格划分及位移和能量等各种场变量输出；根据吸能效果的评价标准进行有限元仿真[7]。

2.2 前纵梁失效形式分析

前纵梁是汽车发生正面碰撞时，重要的承载结构单元，完全100%重叠的正面碰撞在实际中出现概率较低，偏置工况则发生的概率较高[8]，如图3（a）所示。当车辆发生偏置碰撞时，壁障侧的前纵梁将发生轴向吸能，当承载力超过一定的限值时，将出现轴向压溃吸能变形，实现前纵梁的承载能力特性[9]，如图3（b）所示。而另一侧前纵梁由于承载力非完全轴向，将出现折弯，当前纵梁与保险杠角度超过一定的限值时，将出现完全折弯变形，前纵梁失去承载能力，如图3（c）所示。

图3 失效形式分析Fig.3 Failure Form Analysis

轴向压溃变形和弯曲变形是前纵梁失效的两种最重要形式，为了保证前纵梁在汽车发生碰撞时，更好的实现承载吸能作用，有必要对发生折弯的临界角进行分析，通过优化设计其结构，实现更大角度的临界角度[10]，以保证前纵梁能在发生弯曲变形时能最大限度的发挥承载吸能作用，提升整车的碰撞安全性。

2.3 影响因素分析

汽车发生正面碰撞时，完全的正面碰撞是不存在的，以一定的速度与壁障发生碰撞，远离壁障一侧的前纵梁将发生折弯变形，如图4 所示。前纵梁以一定的速度v 与壁障发生碰撞，二者之间的角度为θ。图中：d—前纵梁截面宽度；l—前纵梁长度；t—材料厚度。由静力学可知，当截面厚度远小于截面宽度时，梁的抗弯刚度基本由截面宽度决定，这里主要考虑宽度对前纵梁吸能的影响[11-12]。

图4 前纵梁折弯变形简图Fig.4 Schematic Diagram of Bending Deformation of Front Longitudinal Beam

所研究的前纵梁截面为（500×20×1.5）mm，长度为150mm 以50km/h 的速度发生碰撞时，当θ 超过19°时，前纵梁开始发生折弯变形，失去抵抗变形的能力。造成弯曲失效的因素包括：厚度t、d 与l 比值以及壁障的摩擦系数η 等。

2.3.1 d 与l 比值

改变d 与l 比值，其他参数不变的前提下，对前纵梁模型的临界角进行分析，d 与l 比值与临界角度之间的关系，如图5 所示。根据图5 分析结果可知，随着d 与l 比值增加，临界角度逐渐减小，在发生具有一定角度的碰撞时，梁抵抗变形的能力逐渐减弱，更容易发生折弯变形，发生弯曲溃缩，整个前纵梁失去承载变形的能力。

图5 d 与l 比值与临界角度之间关系Fig.5 The Relationship between d and l Ratio and Critical Angle

2.3.2 厚度t

改变前纵梁所用材料的厚度t，分别取1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm，分析厚度对前纵梁临界角度的影响，结果如图6 所示。

图6 厚度变化的影响Fig.6 Effect of Thickness Variation

由图可知，随着材料厚度的增加，前纵梁的承载能力逐渐增加，但厚度的变化对临界角基本没有影响，前纵梁的临界角度依然保持在19°左右，由此表明，前纵梁发生折弯变形的临界角对厚度变化不敏感。

2.3.3 壁障的摩擦系数η

前纵梁的尺寸保持不变，碰撞速度也保持恒定，调整壁障的摩擦系数η 从（0～1）之间变化，分析前纵梁发生弯曲变形时临界角度的变化，如图7 所示。

图7 摩擦系数的影响Fig.7 Effect of Friction Coefficient

由图可知，随着壁障摩擦系数的增加，前纵梁发生折弯变形的临界角度逐渐增加。临界角度的增加可有效提升前纵梁抵抗斜向载荷的能力，使前纵梁更好的发挥承载作用。

由以上分析可知，前纵梁的长宽比和壁障摩擦系数对前纵梁折弯变形具有较大影响，较小的长宽比有利于提升前纵梁抵抗折弯变形的能力，在前纵梁与保险杠接触的部位增大摩擦系数，有利于提升前纵梁抵抗弯曲变形的能力。

在结构优化设计中，对前纵梁的抗弯设计，以折弯角度作为优化目标，厚度t、d 与l 比值以及壁障的摩擦系数η 等作为参数，进行优化设计；结果可知，应采用具有较小长度/截面宽度比的薄壁梁结构，并尽可能提高梁端面的运动约束强度。一般情况下，汽车前纵梁的长度是确定的，在条件允许的情况下，应设计较大的梁截面或采用截面逐渐增大的前纵梁结构；并且在车辆结构的前端面（例如保险杠前端）布置一些摩擦系数较大的材料，可有效提高前纵梁的抗弯曲变形能力。

3 某车辆前纵梁优化设计

某车辆前纵梁采用DP780 材料，截面宽度为80mm、前纵梁的长度为480mm、材料厚度为1.5mm，长宽比为6，测得与其接触的前防撞梁的最大静摩擦系数为0.26，动摩擦系数为0.12。根据前文分析，对该前纵梁进行优化设计，截面宽度保持不变，梁长度优化为400mm，长宽比变化为5，最大静摩擦系数优化为0.46，最大动摩擦系数优化为0.46，材料依然为DP780，厚度保持不变为1.5mm。根据以上参数分别制作前纵梁。

通过落锤试验，对上述两种提高薄壁梁抗弯能力的方法进行试验验证。采用落锤压溃试验设备，落锤重量为290kg，最大提升高度为6mm，试验设备及各部分名称，如图8（a）所示。在试验台基座上设计了可调节角度的刚性平面，可以改变纵梁角度的调节装置，试验中设置为19°。试验过程中，落锤提升一定高度，自由落下，达到设定的冲击速度，携带薄壁梁撞击倾斜的刚性平面，通过高速摄像系统记录梁的变形情况。通过高速摄像和力传感器，记录整个过程相关参数的变化，试验后，如图8（b）所示。经测试，试验过程中冲击速度均为5.8m/s，结构优化调整后，前纵梁端的约束增强，在19°的倾角时，优化后在相同的冲击速度下，梁体依然保持了较高的稳定性，轴向依然呈现出褶皱变形，具有较强的承载能力，表明优化是可靠的；梁的截面积未发生变化，而长度减小1/6，材料不变的情况下，轻量化16.7%。

图8 试验验证分析Fig.8 Test Verification

4 结论

针对前纵梁失效进行分析，对影响前纵梁承载的弯曲失效因素进行分析，基于分析结果对某前纵梁进行优化设计，并采用试验进行验证，结果可知：

（1）前纵梁发生弯曲变形时存在临界角度，当小于临界角度时，轴向承载能力可以充分发挥；当大于临界角度时，失去轴向承载能力，整个梁体也失去承载吸能作用；

（2）前纵梁的长宽比、壁障接触面摩擦系数是影响临界角度的重要因素；材料厚度影响较小；较小的长宽比有利于提升前纵梁抵抗折弯变形的能力，在前纵梁与保险杠接触的部位增大摩擦系数，有利于提升前纵梁抵抗弯曲变形的能力；

（3）某前纵梁的长宽比由6 变为5，增大摩擦系数，在相同的倾角下，前纵梁依然可以保持轴向褶皱变形吸能，提高弯曲承载变形能力，同时整个梁体轻量化16.7%；

（4）试验验证表明分析结果和优化设计的准确性，为同类设计提供参考。