汽车双帽型前纵梁设计

林 嘉 陈茂胜 陈 卓 邱 敏

（上汽通用五菱汽车有限公司，广西 柳州 545007）

0 引言

正面碰撞是交通事故中最常见的，发生率高达49%，这意味着正面碰撞的研究具有重大意义。前纵梁是正冲击情况下的主要变形能量吸收部件，其性能对于车辆安全性能在正冲击事故中的影响极为重要。所以，必须对提升前纵梁结构的耐撞安全性能的各个因素进行充分研究，并进行相应的优化设计。一方面需要充分考虑结构的安全性，在碰撞中能吸收尽可能多的能量；双帽型截面梁相比传统的单帽梁，耐撞性能更好。该文对双帽型梁的吸能特性进行研究，并对双帽型前纵梁进行了优化设计。

1 汽车碰撞优化设计理论

1.1 汽车有限元仿真

汽车碰撞的相关研究在很早的时候就已经有企业开展，最早可以追溯到1931年美国的福特汽车，并随着对汽车技术的需求变化一直在发展。直到1970年，欧美、日本等国家才开始使用计算机数值模拟仿真的方法对车辆碰撞中车身零部件的耐撞性能进行分析。近年来，在碰撞有限元分析中使用比较多的软件有LS-DYNA、MADYMO及PAM-CRASH等，这些软件以显式有限元理论为基础核心，基本能真实准确地描述结构的应力应变变化，模拟碰撞过程中的大变形、大转动，其精度已允许对工程进行指导[1]。

随着近年来各高校、企业的工作开展逐渐深入，汽车碰撞与计算机仿真的研究主要包括2个方面：1）从改进研究方法出发，致力于提高数值仿真的精度和效率。2）在乘员约束系统的匹配与优化方面，吉林大学、湖南大学的相关人员在该领域做了大量工作，取得了重大进展。

1.2 有关碰撞法规

国家相关部门对我国车辆碰撞安全性研究十分重视，发布了一系列法规和强制性标准，1999年的《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》CMVDR294是国内最早的国家级车辆安全法规，2003年，基于CMVDR294，推出了《乘用车正面碰撞的乘员保护》，相关正面碰撞试验也首次纳入新车检测项目。中国的新车评价程序（C-NCAP）从最早的2006版本到如今的2018版已历经了数个版本，国内汽车安全研究不断进步，法规标准不断完善，对新车型不断提出更高的要求，推动着汽车行业的发展[2]。

1.3 结构优化设计

在提高车辆耐撞性能的研究中，一般从2个方面来考虑车身相应部件的设计与优化。一方面，改变原有结构，增加新的结构特征特性来提高耐撞性能。湖南大学的段利斌等人对汽车变厚度前纵梁结构（TRB）进行了研究，提出了1种新型结构的TRB帽型薄壁结构，并对其功能区域进行了划分，取得了一定成果[3]；武汉理工大学的莫易敏等人研究了不同截面形状的薄壁梁结构对纵梁结构的轴向吸能压溃规律，发现通过设置更多交叉折叠单元的数量并增加相邻边之间的角度，可以显著改善薄壁梁的能量吸收特性，使变形模式更加稳定、规则，为前纵梁结构的创新设计提供了重要的理论基础[4]。另一方面，在原结构的基础上，调整结构本身的结构参数，如通过对前纵梁的长宽比、厚度搭配和诱导槽分布等参数的控制来进行优化，使较于原结构，使安全性能得到了一定的提升：因为其简单可行、成本低，目前大多数研究都集中在结构参数的优化；徐增宓等人基于响应面和克里金基模型对汽车B柱进行了优化，提高了碰撞性能，并且改善了结构的轻量化[5]；莫易敏等人创新地使用多目标骨干粒子群算法，对前纵梁的厚度匹配优化进行了研究，得到了分布更均匀的解集，取得了很好的效果[6]。

2 车身薄壁梁结构应用现状

2.1 车身薄壁梁结构及其应用

薄壁梁是汽车常用梁结构，因其具有强度高、质量轻和吸能效果好（碰撞时结构破坏而吸收能量）等特点，在汽车车身中得到了广泛应用。在汽车碰撞时可以起到吸能、缓冲的作用，最重要的是在受到撞击载荷时破坏模式稳定，并能以可控的方式通过塑性变形吸收能量[7]，对提高车身耐撞性有深远的意义。薄壁梁分类形式多样，根据薄壁梁截面形式的不同，可以分为规则截面梁和非规则截面梁、方形梁和帽型梁等。

2.2 方形梁

方形梁是结构最简单的薄壁梁形式，在制造时需要2个槽钢通过焊接连接起来，焊接难度相比于其他部件较大，生产效率不高。且由于其结构特性限制（闭口截面），在应用安装时不方便与其他零部件连接起来，因此其在车身上应用并不常见，只在前保险杠处的吸能盒应用。

2.3 帽型梁

帽型梁结构是汽车车身应用最为广泛的薄壁梁形式，与方形薄壁梁相比，帽型薄壁梁有更多的截面设计空间，且焊接边的存在使帽型薄壁梁和其他部件连接、装配更加方便，同时梁上诱导槽和焊接边上焊点分布可以控制薄壁梁的变形模式。帽型薄壁梁截面设计具有灵活性和可变性。同时帽型梁由于其结构规整、方便，在汽车安全碰撞结构设计中被广泛采用。帽型梁如图1所示。

图1 帽型梁

2.4 多胞结构

多胞结构是指在梁结构中包括多个元胞的结构，最典型的元胞结构如蜂巢结构。其优点在于其强度高、质量轻，所用材料少，相对于其他任何结构，多胞结构的强度质量比值最最大且稳定性好，有很强的抗弯曲和抗扭转能力，能很好地吸收能量。

现在的车型实际应用中多胞结构较少，因为多胞结构的复杂程度较高，且加工和装配难度大，应用于实际生产会大幅增加制造成本。

3 双帽梁轴向压溃简化模型

仿真过程的设计与落锤试验类似，给落锤以一定的初速度使其下落对梁造成冲击，模拟前纵梁在工作中所受到的碰撞工况，是模拟冲击的较好的试验方法。

3.1 仿真模型建立

此处的仿真模型设置如图2所示，结合试验法规标准中正面碰撞试验的参数，在梁的顶部设置1个质量为187 kg的刚性墙，施以沿Z轴向下，大小为50 km/h的初速度。将最底部一系列的点做1个全约束，使其在变形压溃的过程中固定不动，保证薄壁梁的轴向压溃方向不变。

图2是双帽型薄壁梁压溃过程的简化模型，用于模拟双帽梁落锤试验轴向压溃过程。

3.2 截面设计

通过仿真模型计算并探究其吸能变化规律，双帽型薄壁梁经过截面设计，建立7个不同焊接边宽度的模型，具体参数见表1。

表1 不同焊接边宽度设置

表1为建立简化模型①～模型⑦的重要几何参数。通过该简化模型的计算对双帽型薄壁梁的轴向压溃过程进行模拟，以得到相应的吸能特性指标，平均压溃力、峰值压溃力以及总吸能等。

图2 薄壁梁简化仿真模型

3.3 双帽梁轴向吸能特性分析

通过hyperworks后处理软件可以查看计算结果，在不同焊接边宽度下的仿真模型压溃结果如图3～图5所示。

图3 模型①压溃过程

图4 模型④压溃过程

图5 模型⑦压溃过程

图3、图4和图5分别为模型①、模型④和模型⑦仿真计算中的压溃过程。由图3可以看出，焊接边宽度较小时梁的顶部变形往外突出，产生1种外翻的效果。这种效果导致梁的变形不稳定，使压溃过程吸能不均匀。从图4和图5可以看出其压溃形变比较稳定，折叠均匀。

根据图6可知，在一定范围内，双帽型薄壁梁峰值压溃力随焊接边宽度增加呈线性增长。

图6 峰值压溃力变化

如图7所示，焊接边宽度为20 mm～50 mm，薄壁梁所吸收的能量随焊接边宽度增大呈线性增加。

图7 吸收总能量变化

如图8所示，在焊接边宽度为20 mm～50 mm，随着焊接边宽度的增加，双帽型薄壁梁轴向压溃过程中的平均压溃力和总能量吸收均呈现增长趋势，峰值压溃力呈现出很明显的线性增长趋势。

图8 平均压溃力变化

薄壁梁的平均压溃力、峰值压溃力以及梁结构吸收的总能量的变化规律均呈现出一定幅度的增长趋势，这表明双帽型薄壁梁焊接边宽度在一定范围内的增加可以改善梁的吸能特性。平均压溃力的增加意味着薄壁梁在压溃过程中变形折叠更加稳定，且较大的平均压溃力可以在一定位移内吸收更多能量，减小汽车内部所受到的冲击。

4 前纵梁结构参数设计

4.1 整车模型建立

第3章讨论了双帽型薄壁梁的轴向吸能特性，将其应用在汽车前纵梁结构上能改善整车碰撞安全性。为了验证双帽型前纵梁对耐撞性能的改善效果，以及便于后续结构参数优化，现基于Hyperworks建立整车正面碰撞模型。

该文以某款MPV车型为研究对象，结合试验法规标准，设立了该车型50 km/h的100%正面刚性壁碰撞仿真模型，如图9所示。

图9 整车正面碰撞模型

在软件中设置前纵梁的结构，将单帽梁替换为双帽梁，为了排除其他因素，使前后尺寸基本一致。在LSDYNA求解器中进行碰撞仿真，仿真结果见表2。相较于单帽梁，双帽梁的峰值压溃力显著降低、最大比吸能变化不大，可以改善整车碰撞性能。

表2 整车仿真结果对比

4.2 模型相关性分析

为了进一步设计双帽梁的结构参数，如截面长宽比、焊接边宽度等，需要进行多次碰撞仿真。而仅单次整车碰撞仿真就需要7 h～8 h，耗时巨大。下面将分析建立的轴向压溃模型是否能够代替整车模型来验证双帽梁不同参数等对耐撞性能的影响。在统计学中常用相关系数来描述2个变量x和y之间的相关性，其大小如公式（1）所示。

式中：E为数学期望；μx、μy分别为随机变量x和y的均值；σx、σy分别为随机变量x和y的标准差。

当ρxy的绝对值越接近1，则x和y的线性相关程度越好。

通过计算2个模型之间性能指标的相关性来验证模型的相关性。轴向压溃模型的指标与整车模型的相关程度很高，可以很好地表征整车模型，以下设计中以轴向压溃模型作为简化模型来优化结构参数，见表3。

表3 模型相关性分析

4.3 结构参数优化

根据轴向压溃模型的规律，在原有尺寸的基础上优化焊接边宽度参数，选择其为50 mm。将优化前后双帽梁结构分别代入整车碰撞模型求解，计算结果见表4。结果表明，改进后的方案与原方案的相比，峰值压溃力减小了4.5%，比吸能增大了5.7%，在提高安全耐撞性的同时，兼顾了轻量性。

表4 改进方案与原方案对比表

5 结语

基于Hyperworks建立了双帽型薄壁梁的轴向压溃模型，分析了双帽梁轴向吸能特性，随着焊接边宽度的增加，双帽型薄壁梁轴向压溃过程中的平均压溃力和总能量吸收均呈现增长趋势，峰值压溃力呈现出很明显的线性增长趋势。基于Hyperworks建立了整车正面碰撞模型，验证了双帽型前纵梁对耐撞性能的提高；并对轴向压溃模型和整车碰撞模型进行了相关分析，2个模型的峰值压溃力和最大比吸能指标相关程度高，结果表明简化的轴向压溃模型可以代替整车碰撞模型进行前纵梁的结构设计。该文对双帽型前纵梁进行了设计与优化，在原有尺寸的基础上，结合双帽梁的轴向吸能特性，对焊接边宽度参数进行了优化；与原方案对比，优化方案的峰值压溃力减小了4.5%，比吸能增大了5.7%，提高了安全耐撞性的同时，兼顾了轻量性。