铝合金防撞梁设计及强度性能分析

张霖 覃永峰 林伟雄

摘  要：文章阐述了铝合金防撞梁总成的设计和优化方法，承载强度CAE分析，并通过试验验证了拖车钩强度性能。截面设计、空间布置和强度分析的方法，为铝合金防撞梁的开发提供了设计和验证参考。

关键词：铝合金防撞梁;拖车钩;强度分析

0 引言

随着汽车“双积分”政策实施，低能耗和高续航里程需求的发展，车身轻量化的要求日益突出。车身轻量化是在保证结构可靠性和安全性能的前提下，通过更合理的设计优化将重量做得更轻。探索新材料、新工艺条件下汽车重要安全零部件或总成的结构设计是汽车设计方面历久弥新的课题。实现轻量化的措施有两种：一是选用比强度高的新材料;二是设计更紧凑、承载性能优异的结构。通常这两种方式同时采用、相互促进。近年来，铝合金材料的研究和应用越来越成熟，铝合金零件在整车上占的比重不断增大。铝合金防撞梁结构简单，轻量化效果明显。

本文研究铝合金材料的前防撞梁总成设计方法，以及强度性能分析，并通过拉伸试验测试了拖车钩的承载能力。

1 铝合金防撞梁设计方法

1.1 结构设计和材料应用

铝合金防撞梁是钢铝混合车身的一个重要装配总成。前防撞梁总成的主体零件包括横梁与吸能盒。可根据吸能盒与前纵梁的连接方式，将防撞梁分成有连接板和无连接板板两种形式。这两种形式的区别在于：吸能盒与前纵梁的前端是否需要带着两块相互重叠的连接板作为过渡件。带连接板的防撞梁总成在正面碰撞传力、承载性能和维修方面更具有优势;无连接板的前防撞梁总成重量更轻，但是损坏后维修成本高。

铝合金防撞梁的生产工艺为挤压成形，这就决定了横梁本体与吸能盒的截面结构必须为等截面形式。防撞梁的横梁本体的截面通常采用日字形和目字形，截面中间支撑筋的数量越多，横梁的抗弯扭性能和强度越高，重量和成本也随之增加。横梁截面各边的料厚通常在2.0mm～4.0mm范围内。吸能盒的截面通常为四边形结构，随着截面形状的边数增多，吸能能力有提高的趋势，但是工艺更复杂，工程可行性的难度提高。吸能盒的断面尺寸还需要与前纵梁进行刚度强度匹配，合理地实现逐段顺序压溃，才能最有效的发挥出防撞梁和吸能盒的吸能作用。

目前铝合金防撞梁材料选择多采用6系。6系铝合金材料强度高、拥有较好的挤压成形性能和耐腐蚀性。6系材料在防撞梁上应用得较多的是6082和6063牌号。6082强度更高，抗断裂性能优于6063。某SUV车型的防撞梁本体采用6082，吸能盒采用6063。防撞梁本体对材料强度有较高要求，除了自身吸能，还需要良好稳定性，以便于将碰撞能量传递到吸能盒和前纵梁上。

横梁和吸能盒之间的焊接顺序对焊缝熔深、残余应力存在直接影响，应通过内部微观组织检测、优化焊接工艺参数和顺序以减小残余应力，提高焊接质量。

1.2 优化设计方法

前防撞梁的截面形式对刚强度和重量有密切的关联。不同车型的防撞梁，其刚强度和耐撞性通常都有一个最优的匹配组合形式。对铝合金防撞梁可以用三点抗弯的方法研究其强度以及吸能性，建立起关键的参数评价指标，使得防撞梁能够满足设计需求，即：强度性能得到提升，重量明显降低。采用DOE试验设计优化的方法寻找到防撞梁截面关键尺寸和厚度参数的最优设计。防撞梁的本体横梁和吸能盒截面厚度匹配的DOE优化可按照以下步骤开展。

（1）建立铝合金横梁的三点抗弯LS-Dyna模型。

（2）通过isight调用LS-Dyna，采用优化拉丁算法进行DOE试验分析。优化模型如图1所示。优化模型参数如下：m为防撞梁结构的质量;以轻量化重量目标，约束重量不得超过5.0kg;Ei为结构的三点抗弯内能;t为结构各截面板厚的取值范围。

（3）采用神经网络模型（RBF）构造响应面。

（4）基于响应面模型采用多目标遗传算法（NSGA-Ⅱ）进行数值优化，得出最优组合。

某SUV经过优化匹配后的结构形式和厚度如图2所示。

1.3 空间布置

根据GB 17354前后端保护装置法规要求，在低速碰撞中，为了降低车辆前端零部件的损坏程度，前防撞梁布置的安全空间至关重要。结合某SUV的碰撞研究，铝合金前防撞梁的空间布置设计可参考以下经验数值：

（1）防撞梁本体的弧度需要与前保的造型形状弧度相接近;防撞梁前端与前保蒙皮之间的X向空间间隙≥90mm，防撞梁两端空间间隙≥45mm;

（2）防撞梁与后端零部件的X向最小间隙≥40mm;

（3）防撞梁本体的Z向高度≥110mm，X向宽度≥60mm;

（4）在设计状态下，防撞梁本体与碰撞器的Z向高度有效重叠率≥40%;在空载状态下，Z向重叠高度≥25mm，如图3所示。

2 强度分析

2.1 拖车钩强度

根据GB 32087牵引装置法规，防撞梁必须满足在规定牵引力作用下的拖钩强度，要求不产生失效断裂现象。拖车钩强度CAE分析采用白车身前半车模型，在套管上装配拖车钩，分析模型如图4所示。整车满载质量按照1970kg计算，拉力载荷为9.65kN。由于水平侧向加载受力相对苛刻，考虑到设计的安全系数，CAE分析将法规标准要求的偏转25°提高到偏转30°。

拖车钩强度10种工况的应变结果如图5所示。在水平向左侧拉伸和压缩工况下，吸能盒的应变值最大为0.02，小于目标要求的0.05，满足强度设计要求。

2.2前端模块承载强度

前端模块通过螺栓安装在吸能盒后连接板上，按照冷却模块和前端框架总质量进行配重。前端模块承载分析模型和结果如图6所示。在向前加速行驶、转向和Z向跳动三个极限状态工况下，连接板的最大应力是23MPa，小于材料屈服强度，失效风险较小。

3 试验验证

将某SUV前防撞梁总成的试制样件，通过工装夹具安装到试验台架上。装配上拖车钩后，参考GB 32087-2015法规标准进行X向拉伸和压缩、水平偏25°和竖直方向偏5°的極限试验，如图7所示。试验得出：拉裂失效时刻的最小极限承载力为14.5kN，超过法规换算标准要求的9.65kN，拖车钩强度满足法规要求。

4 结论

本文研究了某SUV车型的铝合金防撞梁的截面设计优化、空间布置校核、拖车钩和承载强度分析，以及开展了拖车钩的承载强度试验，确认防撞梁满足拖车钩法规要求。

（1）防撞梁本体采用6082材料和目字形截面，吸能盒和连接板采用6063材料，可作为铝合金防撞梁的优选设计方案。推荐采用基于三点抗弯的DOE方法优化得到关键尺寸参数匹配组合。

（2）后续研究工作可提升铝合金材料等级应用，以及焊接工艺控制水平，改善焊缝合格率和进一步提高承载强度性能。

参考文献

[1] 中国国家标准化管理委员会. GB 17354-1998 汽车前后端保护装置[S].1998.

[2] 中国国家标准化管理委员会.. GB 32087-2015 轻型汽车牵引装置[S].2015.