门槛梁抗弯性能影响因素研究

覃炳恒，邱贵年，刘昌业，吕俊成

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 540057）

1 引言

如今的社会正在高速发展，汽车的出现使得人们的生活越来越方便，它也逐渐成为人们出行的主要交通工具。但由于汽车保有量的不断增加和车速的逐渐提高，随之而来的还有一系列的安全隐患，各种的交通事故[1]。汽车侧面事故不仅发生率高，而且致死率、致死率高[2]。车辆碰撞事故主要分为以下四种：正碰、侧碰、追尾和翻滚。其中正碰和侧碰占车辆碰撞事故的比例最高，并且侧碰是造成乘员伤亡率最高的事故形式，重伤和死亡率高达25%[3]。与正碰相比，侧碰时由于汽车侧面的缓冲件吸能较差，加上车门距离乘员的距离较短，故乘员面临较高的人身安全风险。因此，发生侧碰事故而造成的重大经济损失及生命危害是不容忽视的。这种情况下，可知基于侧碰对汽车耐撞性的研究就显得很有必要。

侧碰时，汽车侧围是主要的研究对象，而影响汽车侧面碰撞性能的零部件主要是车门、车门防撞梁、B 柱及门槛梁等[4]。从汽车侧面碰撞后侧围各部件损坏程度来看，B 柱首当其冲，门槛梁紧跟其后。由此可见，门槛梁是侧围零部件中除B 柱外的又一关键部件。文献[5]通过对汽车的侧面碰撞仿真分析，对汽车门槛加强梁进行了形貌优化和尺寸优化，得到门槛加强梁厚度的最优尺寸为1.732mm，使汽车侧面的碰撞安全性得到明显提高。文献[6]基于E-NCAP 柱碰工况，对门槛梁结构开展拓扑优化和进行外形设计的完善，优化后改车型抗柱碰耐撞性能得到较大的提升。文献[7]将新型高强钢材料应用于门槛梁等车身侧围，实现了车身侧围耐撞性的提升。文献[8]通过对门槛梁等防撞杆件的改进提高了车门的抗撞能力。

通过准静态三点弯曲试验对门槛梁弯曲性能进行研究，选取门槛梁薄弱截面，将其等效简化为单帽梁，探究厚度、截面长宽比和材料对抗弯性能的影响规律，为门槛梁结构设计提供一定指导意见。

2 分析传力路径

通过对侧面碰撞传力路径的分析可知，必须对汽车侧面结构进行合理的设计，使其侧面碰撞传力路径完整并且能够引导相应结构件充分变形吸能[9]。根据力传递的路径进行结构设计的好处是使得侧面碰撞时汽车的结构能够进行充分的合理的变形，从而吸能特性更好，吸收掉的能量更多，防止车内乘员受到二次碰撞带来的严重的伤害。某乘用车侧面碰撞时传力路径的模型图，如图1 所示。由图1 可以看出，碰撞力的传递路径分为垂向、横向与纵向传递，B 柱和门槛梁是其中最主要的两条传递路径。其中B 柱为垂向传力路径，向上传递至车顶纵梁，然后通过几根车顶支撑横梁横向传递；门槛梁为纵向传递路径，向前传递至A 柱，向后传递至C 柱；同时，门槛梁也会通过地板横梁横向传递。由此可知，门槛梁在侧围的地位很重要，其在侧面碰撞后的变形情况影响着汽车的耐撞性能。

图1 某乘用车侧碰时传力路径模型图Fig.1 The Transmission Path Model of a Passenger Vehicle During Side Impact

3 门槛梁变形模式分析

汽车侧围由车门防撞杆、B 柱、门槛梁等薄壁结构组成，侧围关键结构的抗弯性能直接决定着汽车侧围耐撞性能，对于降低乘员损伤具有重要的意义。门槛梁结构分为外板、内板和加强部件，总体呈现为空腔梁结构，如图2 所示。

图2 门槛梁结构分解图Fig.2 Structural Decomposition Diagram of Threshold Beam

纵向跨越汽车前门和后门固定安装，外板与B 柱外板进行焊接，内板与B 柱内板进行螺栓连接，同时与地板横梁进行焊接。由于其在侧围特殊的位置，汽车发生侧面碰撞时首当其冲。对门槛梁在侧碰工况下的变形模式进行分析，确定弯曲变形最严重的截面，为了便于分析截面参数对抗弯性能影响，将薄弱截面进行等效简化代替门槛梁进行零部件实验，对于降低门槛梁的结构开发周期和成本降低有着重要的意义。侧面壁障碰撞时，门槛梁发生了弯曲变形并伴随着一定扭转变形，门槛梁受到壁障前端蜂窝铝下侧的直接碰撞对门槛梁产生向内推力，使得门槛梁向车内弯曲变形。同时由于门槛梁上端与B 柱搭接，下端受力小，上端受力大，在其中心线产生一定的扭转变形，门槛梁变形，如图3 所示。侧面柱碰时，门槛梁直接与刚性圆柱体接触，由于接触面积小，使得门槛梁接触面受到较大冲击，门槛梁弯曲刚度不足，门槛梁弯曲变形严重，向乘员舱内部侵入量过大，门槛梁变形，如图4所示。

由图可知，门槛梁弯曲变形在柱碰工况下更为严重，因此，选择在柱碰工况下门槛梁最薄弱截面作为研究对象。

图3 整车侧面碰撞门槛梁变形前后Fig.3 Before and After the Deformation of the Vehicle’s Side Impact Threshold Beam

图4 整车侧面柱碰撞后门槛梁变形后Fig.4 The Threshold Beam Deforms After the Vehicle’s Side Column Collides

4 有限元模型建立

4.1 门槛梁的简化模型

由于门槛梁的制造工艺，避让零部件，安装设计等原因，其结构通常为不规则的非等截面曲梁。门槛梁结构的复杂性和不规整性不仅加工难度大，成本高，而且由于各变量之间存在关联性，不易得出一般规律，甚至研究结果无法保证准确。根据门槛梁结构特点，将其简化为截面为矩形的单帽梁结构。

根据弯曲变形理论[10]，当薄壁梁受到弯曲载荷时，在局部狭窄的条状区域产生皱褶变形，形成塑性铰，冲击能量通过塑性铰的转动得以吸收，而其它未变形区域仅仅发生刚性旋转，因此门槛梁未发生褶皱变形区域内可以忽略，将其简化为等截面横梁。

根据E-NCAP 侧面柱碰法规，刚性圆柱体中心对准假人头部重心[11]，此时门槛梁对应截面弯曲破损严重，可以作为简化截面的原型。由R 点确定某款车型所对应的门槛梁截面，通过测量该轮廓的尺寸，画出CAD 图，如图5 所示。

图5 侧面柱碰撞弯曲破损截面CAD 图形Fig.5 Side Column Collision Bending Damaged Section CAD Graphics

通过AutoCAD 中MASSPROP 命令可知破损截面对于X、Y轴惯性矩分别为12221723.07mm4和24470577.09mm4。

不妨令简化后的矩形单帽梁的长宽分别为a和b。根据简化前后惯性矩不变原则，则单帽梁截面尺寸满足：

求解可得：a=142.77mm，b=100.9mm。对结果进行取整，确定a=143mm，b=100.9mm。则该截面的形状，如图6 所示。

图6 简化模型截面图Fig.6 Simplify the Model Section Diagram

确定了简化模型的截面，接下来选择单帽梁模型的材料和厚度。统计汽车门槛梁常用材料，选择材料为：590DP 和780DP。统计汽车薄壁结构件常用厚度，确定厚度的区间为［0.6，1.4］。为了门槛梁模型简化，约束2 个条件：（1）内外板厚度相同；（2）内外板材料相同。则进行对标的仿真试验组，如表1 所示。

表1 仿真设计试验组Tab.1 Simulation Design Test Group

4.2 准静态三点弯曲试验模型

由于准静态试验具有试验简单以及容易观察变形的特点，且与低速碰撞变形模式基本一致，因此，采用准静态试验对侧围关键部件进行抗弯性能影响因素分析。门槛梁作为薄壁构件，受到冲击时，发生弯曲破损来吸收能量。为了验证优化设计后的关键结构的力学性能和仿真模型的准确性，用一种改进的三点弯曲试验对门槛梁的耐撞性能进行研究。从已建立的整车侧面碰撞模型中提取在碰撞过程中的门槛梁车身结构件，建立其简化模型。三点弯曲试验方法的确定主要由侧围结构变形形式决定的，是研究薄壁梁抗弯性能方法之一。三点包括由两个支撑点和一个施力点。

具体实验内容：根据门槛梁在汽车侧围中的结构和位置特点，确定单帽梁总长为1450mm，对称放置在跨距为1250mm 的支撑刚性圆柱上，直径为30mm 压头以2m/s 沿样件中点垂直下压，加载距离为200mm。门槛梁准静态三点弯曲实物图和单帽梁仿真图，如图7 所示。仿真模型中，帽型梁单元选择尺寸为（5×5）mm 的Belyschko-Tsay 壳单元，其余结构采用（10×10）mm 六面体单元，压头与帽型梁和模型梁与支撑圆柱体之间采用面面接触，帽型梁外板与底板之间采用点面接触的点焊连接，其余连接方式采用Rigidbody 连接，底座进行6 自由度约束。

图7 准静态三点弯曲试验Fig.7 Quasi-Static Three-Point Bending Test

4.3 仿真结果有效性分析

对表1 中仿真设计实验组进行有限元仿真，其中，一组仿真的加载力-位移曲线，如图8 所示。

图8 加载力-位移曲线Fig.8 Load-Displacement Curve

对比原始门槛梁，简化后的单帽梁较为简单，由于材料不同，则屈服强度也不同。由图8 可知，在前25mm 内，简化梁加载力达到峰值早于门槛梁。为了较好的研究简化模型与门槛梁之间的关系，现只研究原始门槛梁峰值力之后的一段曲线，即：（60～200）mm 的区间。

为后续的门槛梁简化模型的抗弯性能影响因素分析。将以下几项指标作为后续研究的评估指标。

4.3.1 加载力峰值Fmax

加载力峰值与乘员的安全相关，对结构的失效有重要意义，但是对能量的吸收贡献较小。根据实际情况考虑的是第一个峰值点的峰值力，这个峰值力体现了抵抗初次变形的能力。较低的峰值力可以使得加速度值较小，可以减少车内乘员的伤害[12]。因此，要尽量减小峰值力的大小。

4.3.2 平均加载力Fmean

平均加载力反应了加载过程整体的载荷水平，体现了受力平稳性的能力。

式中：EA—总吸能；x—位移变量；F（x）—加载力；d—变形位移。

4.3.3 比吸能SEA

比吸能反应了结构单位质量所吸收的能量，是轻量化设计中的一项重要指标。轻量化考虑的是一个成本的问题，构件越轻，所要的材料越少，成本就越低。

式中：EA—总吸能；M—样件质量。

由于门槛梁的简化是一个替换的过程，比吸能与质量将不予考虑或者适当加以考虑。各评价指标值，如表2 所示。

表2 各评价指标值Tab.2 Evaluation Indexes

由表2 可知，编号5-5 的峰值力百分比与平均力百分比都低于10%。则选择材料和厚度分别为：780DP，1.0 mm。

综上所述，门槛梁简化模型参数：轴向长度1450mm，截面长143mm，宽101mm，焊接边宽 14mm，焊点间距60mm，材料为780DP，板厚 1.0mm。

5 门槛梁简化模型抗弯性能影响因素分析

本节通过采用单一变量的方法，讨论分析验证厚度，长宽比以及材料对门槛梁简化模型抗弯性能的影响，对后期门槛梁结构设计提供参考。

5.1 厚度对门槛梁简化模型抗弯性能影响

在本项研究中，需要样本点的截面形状，焊接边以及材料一致，分析薄壁梁的板厚对抗弯性能的影响。进行厚度对抗弯性能的影响研究时，主要考虑的是：（1）内板具有相同的厚度，外板厚度以0.1 mm 递增；（2）内板厚度以0.1 mm 递增，外板具有相同的厚度。则样本点的设计，如表3 所示。板厚不同的仿真结果对比，如图9 所示。由图9 可以看出，板厚的改变对抗弯性能指标有较为明显的影响。对同一组的仿真结果进行分析得出以下结论：（1）单帽梁内板厚度不变时，随着外板厚度线性增加，比吸能SEA 也近似呈线性增长，而加载力峰值和平均加载力的数值也随之增加而提升且数值增长速度有上升的趋势。（2）单帽梁外板厚度不变时，随着内板厚度的线性增加，比吸能SEA 呈线性下降，但对加载力峰值和平均加载力影响不大。由此可得与压头直接接触的外板板厚对单帽梁抗弯性能的影响明显大于底板板厚，内板厚度对加载力峰值和平均加载力灵敏度较低，因此底板厚度增加使得结构质量增加，导致比吸能下降。综合考虑轻量化和抗弯性能指标，在进行门槛梁厚度设计时可适当增加外板厚度，降低内板板厚。

表3 厚度样本点的设计Tab.3 Design of Thickness S9ample Points

图9 不同厚度仿真结果对比图Fig.9 Comparison of Simulation Results of Different Thickness

5.2 长宽比对门槛梁简化模型抗弯性能的影响

在本项研究中，需要样本点的厚度，焊接边，周长以及材料一致，分析薄壁梁截面长宽比对抗弯性能的影响。进行截面长宽比对抗弯性能的影响研究时，主要考虑的是周长一定的情况，因此薄壁梁的截面尺寸需满足约束条件为：

式中a、b—截面长度和宽度；c—底板长度。

a的取值范围为［103，183］，间隔 10mm 进行取值，截面宽度和底板长度根据约束条件进行取值，则样本点的设计，如表4 所示。仿真结果对比，如图10 所示。由图10 可知，截面宽高比对单帽梁抗弯性能有较大程度的影响，改变截面长宽比时，由于截面周长不变，样本质量不变，因此抗弯性能评价指标中比吸能和平均加载力的变化趋势是一致的。随着截面长宽比的增加，加载力峰值、平均加载力、比吸能都呈下降的趋势，表现出来的特征是抵抗变形的能力降低，弯曲吸能的能力减弱。究其原因，从结构方面分析，对于薄壁矩形截面梁而言，其弯曲刚度与截面对弯曲中性轴的惯性矩呈正相关。长宽比的增加，使得惯性矩减小，导致矩形薄壁结构的弯曲刚度降低，抵抗弯曲变形的能力减弱，在发生相同的弯曲变形时，所需的加载力减小。

表4 长宽比样本点设计Tab.4 Aspect Ratio Sample Point Design

图10 不同长宽比仿真结果对比图Fig.10 Comparison of Different Aspect Ratio Simulation Results

再从能量吸收方面分析。随着截面的长宽比增加，单帽梁空腔高度降低，则内部允许挤压的空间减小。弯曲变形的允许挤压高度减小，则薄壁构件发生的弯曲变形并不完全，单帽梁的材料空间得不到充分利用。弯曲变形过程中产生的塑性铰不能进行充分转动，转角角度减小，导致单帽梁的弯曲吸能能力减弱。

5.3 材料对门槛梁简化模型抗弯性能影响

在本项研究中，需要样本点的厚度，焊接边以及长宽比一致。进行材料对抗弯性能的影响研究时，主要考虑的是某公司门槛梁常用的几款材料。则样本点的设计，如表5 所示。材料不同的仿真结果对比，如图11 所示。由于几种材料密度差异小，对结构质量并无太大影响，因此在评价指标中比吸能和平均加载力的变化趋势是一致的。随着屈服强度的增加，加载力峰值、平均加载力、比吸能均增加，表现出来的特征是抵抗变形的能力增大，弯曲吸能的能力增强。在单帽梁受到横向载荷作用时，首先发生弹性变形，加载力随着下压距离的增加而增加，满足胡克定律。当弯曲变形位移超过阈值时，即所受应变超过屈服极限时，薄壁梁开始产生塑性变形，抵抗弯曲变形能力下降，冲击载荷能量的吸收形成塑性铰。因此，材料的屈服强度越高，加载力峰值更大，出现的时刻更晚，吸收的能量更多，对横向加载产生抵抗的能力更强，增加了弯曲吸能的能力。

表5 材料样本点的设计Tab.5 Design of Material Sample Points

图11 不同材料仿真结果对比图Fig.11 Comparison of Simulation Results of Different Materials

6 结论

基于某车型的门槛梁模型，根据柱碰工况确定薄弱截面，将其等效简化为单帽梁，设计准静态三点弯曲试验，针对厚度、截面长宽比和材料等研究因素，对单帽型薄壁梁的抗弯性能影响规律进行分析，为侧围结构件门槛梁结构设计提供参考。得到了一定的结论。对于厚度因素，薄壁梁内板对抵抗弯曲所起的作用较小，薄壁梁的抗弯性能主要由外板来体现，厚度越大，薄壁梁的抗弯性能越好。故在考虑增加板厚以提高板件耐撞性能时，可以不考虑内板，直接适当地增大外板的厚度，这样也有利于轻量化的实现。对于截面长宽比，截面周长一定的情况下，长宽比越大，即薄壁梁形状越扁平，其抗弯性能就会越差。对于材料因素，所用材料的屈服强度越高，薄壁梁的抗弯性能越好。