一種鋁合金汽車防撞梁設(shè)計(jì)方法

一種鋁合金汽車防撞梁設(shè)計(jì)方法吳向東;張倩【摘要】文章詳細(xì)闡述了鋁合金汽車防撞梁在整車設(shè)計(jì)階段的開發(fā)流程，包括空間布置、材料、結(jié)構(gòu)等方案設(shè)計(jì);以及靜載分析、低速碰撞、正面碰撞等方案驗(yàn)證兩大內(nèi)容.總結(jié)了一些通用性的設(shè)計(jì)方法和要點(diǎn)，為鋁合金汽車防撞梁的設(shè)計(jì)提供了步驟和思路.【期刊名稱】《汽車實(shí)用技術(shù)》【年(卷)，期】2018(000)024【總頁(yè)數(shù)】3頁(yè)(P214-216)【關(guān)鍵詞】鋁合金;防撞梁;仿真分析【作者】吳向東;張倩【作者單位】安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽合肥230601;合肥市一六八中學(xué)安徽合肥230601【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】U465.2隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，各國(guó)對(duì)汽車節(jié)能、安全、環(huán)保等要求不斷提升，輕量化技術(shù)、材料、工藝的研究和開發(fā)已經(jīng)成為世界各大汽車生產(chǎn)廠家提高競(jìng)爭(zhēng)能力的關(guān)鍵之一。我國(guó)乘用車燃油消耗限值第四階段指標(biāo)即將實(shí)行，對(duì)各車企是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。需要通過(guò)廣泛應(yīng)用輕量化材料，降低車身重量，從而降低燃油消耗，達(dá)成乘用車燃油消耗限值第四階段指標(biāo)要求，提升其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力［1］。鋁合金作為關(guān)鍵的輕量化材料，其密度僅為鋼的1/3，被各大汽車企業(yè)用于替換原有的鋼制件，在不降低零部件性能的前提下，鋁合金替代傳統(tǒng)鋼制零部件可以實(shí)現(xiàn)約30%以上的減重。本文基于江淮某款車型論述了鋁合金前防撞梁的設(shè)計(jì)開發(fā)流程。鋁合金防撞梁無(wú)論從設(shè)計(jì)階段還是驗(yàn)證階段與傳統(tǒng)的汽車防撞梁有所區(qū)別，在研發(fā)設(shè)計(jì)階段需要建立一個(gè)完整的開發(fā)流程，鋁合金防撞梁的一般開發(fā)流程如下圖1所示。首先根據(jù)GB17354汽車前后端保護(hù)裝置法規(guī)要求，以碰撞基準(zhǔn)高度為445mm來(lái)布置防撞梁高度位置，防撞梁離地高度與碰撞模擬器基準(zhǔn)高度一致時(shí)，防撞梁才能最大限度的發(fā)揮前端保護(hù)裝置的作用［2］。一般情況下，可以按照如下法規(guī)進(jìn)行校核，如下圖2所示。在低速碰撞中，前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)應(yīng)具備最佳的吸能效果，以求最大程度保護(hù)車輛零部件不受損壞。鋁合金前防撞梁布置的有效空間也是至關(guān)重要的，防撞梁與保險(xiǎn)杠之間需要足夠的空間布置吸能塊，同時(shí)防撞梁與布置在其后的冷凝器之間要留有足夠的安全間隙，否則低速碰撞將會(huì)直接損壞冷凝系統(tǒng)，對(duì)這些空間布置在前期造型開發(fā)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。一般情況下，可以按照以下經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行鋁合金前防撞梁的布置：）防撞梁與保險(xiǎn)杠之間的X向空間間隙280mm;）與布置在身后的冷凝器在Y0處最小間隙（X向）250mm;3）角碰位置與冷凝器最小間隙220mm;4）防撞梁Z向有效高度280mm,X向有效寬度240mm;5）防撞梁的Z向位置處于碰撞區(qū)域內(nèi)，且與設(shè)計(jì)載荷、空載兩個(gè)位置的碰撞器有交攵重疊區(qū)域內(nèi)Z向重疊尺寸220mm;6）角部碰撞處，前霧燈后部潰縮空間要求240mm。目前鋁合金防撞梁成型多采用擠壓工藝，材料選擇多采用6系鋁合金和7系鋁合金，6系鋁合金具有較高的強(qiáng)度、較好的擠壓性能和優(yōu)良的耐腐蝕性，7系鋁合金雖然強(qiáng)度更高，但由于7系硬度高，擠壓工藝性能和抗應(yīng)力腐蝕能力較差，一般在航空領(lǐng)域應(yīng)用較多。6系鋁合金目前在防撞梁應(yīng)用上較多的是6082和6063兩種牌號(hào)的材料。以江淮某車型擠壓鋁合金防撞梁為例，防撞梁本體選用6082-T6，吸能盒選用6063-T6材料。防撞梁本體主要作用是將碰撞中產(chǎn)生的能量均勻傳遞到吸能盒上，對(duì)材料強(qiáng)度有較高要求，6082-T6強(qiáng)度高，且6082屬于新開發(fā)合金，有更好的機(jī)械性能，同時(shí)降低了Cu含量，有更好的耐腐蝕性能。吸能盒作用是通過(guò)自身的壓潰變形將碰撞中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成內(nèi)能，并將碰撞力均勻的傳遞到縱梁上，需要具備較好的吸能性能，6063-T6強(qiáng)度適中，且6063-T6強(qiáng)度較高，具有更好的變形吸能能力。具體材料技術(shù)指標(biāo)見表1。通過(guò)調(diào)研，擠壓鋁合金防撞橫梁本體截面常用的有〃日”與〃目”型，基本料厚2.0mm-3.0mm，如表2所示；徐中明等以鋼制性能參數(shù)為指標(biāo)，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化確定了防撞梁的最優(yōu)的截面形狀為“日”字型，這與我們調(diào)研的結(jié)論一致［3］。吸能盒常用的有四邊形、六邊形、八邊形等結(jié)構(gòu)，米林等通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)多腔結(jié)構(gòu)中八邊形的吸能盒吸收能量最大，隨著結(jié)構(gòu)棱邊的增多，吸能量與比吸能都有增大的趨勢(shì)［4］。吸能盒的選擇需要與縱梁的剛度進(jìn)行匹配，在縱梁壓潰前吸能盒完全壓潰才能最大限度的發(fā)揮吸能盒的吸能作用。綜合考慮橫梁、吸能盒與縱梁剛度的關(guān)系，我們以“日”字型作為橫梁與吸能盒的斷面。三點(diǎn)靜載分析可以初步判斷鋼制防撞梁與鋁合金防撞梁的強(qiáng)度，檢驗(yàn)鋁合金防撞梁的強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。以某款車型為例，建立四面體實(shí)體單元有限元模擬模型，如下圖3所示。邊界條件及分析工況設(shè)置如下：1）部件屬性：使用殼單元，定義實(shí)際厚度；2）材料屬性：輸入材料拉伸試驗(yàn)得出材料應(yīng)力應(yīng)變曲線，定義材料失效準(zhǔn)則；3） 部件連接：主梁、上、下加強(qiáng)板、吸能盒采用焊接；4） 邊界條件定義：吸能盒采用螺栓方式固定支座，約束6個(gè)自由度；5） 分析工況：采用剛性半徑為100mm壓頭，以50mm/s速度下壓防撞梁100mm。靜壓分析得到的防撞梁支反力的峰值反映了其強(qiáng)度，其值越大相應(yīng)性能越好，從分析結(jié)果可以看出，鋁合金防撞梁最大承載力為23.9kN，鋼制件最大承載力為9.2kN，鋁合金防撞梁最大承載力要優(yōu)于鋼制防撞梁，如下圖4所示。根據(jù)法規(guī)要求，針對(duì)鋁合金防撞梁進(jìn)行低速碰撞仿真分析，應(yīng)分別在整車整備質(zhì)量和加載試驗(yàn)車質(zhì)量?jī)煞N狀況下對(duì)車輛的前后端保護(hù)裝置各進(jìn)行三種條件的碰撞，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，判定在低速情況下防撞梁對(duì)相應(yīng)零部件的保護(hù)程度，如下圖5模型所示。根據(jù)法規(guī)要求，車輛碰撞后應(yīng)能滿足燈和其他信號(hào)裝置能正常工作，供油和冷卻系統(tǒng)應(yīng)無(wú)泄漏，發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋因能正常開啟等。從分析結(jié)果來(lái)看，三種工況下測(cè)量值均小于目標(biāo)值，說(shuō)明鋁合金防撞梁強(qiáng)度滿足ECER42和GB17354法規(guī)要求，如下表3所示。針對(duì)鋁合金防撞梁，進(jìn)行100%正面偏置碰撞仿真模擬，主要依據(jù)2015版C-NCAP規(guī)定的正面100%剛性墻壁障碰撞試驗(yàn)進(jìn)行的仿真模擬，以50km/h速度撞擊剛性墻壁，同時(shí)對(duì)整車模型施加向下的重力加速度1g，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，分析結(jié)構(gòu)的耐撞性，如下圖6所示。前圍入侵量、鉸鏈位移、方向盤中心位移、離合踏板位移、加速度等參數(shù)是整車碰撞試驗(yàn)過(guò)程中的重要測(cè)試參數(shù)，直接評(píng)判整車的耐碰撞性能。考慮到防撞梁與縱梁等零部件在碰撞過(guò)程中對(duì)能量的吸收是一個(gè)相對(duì)立的關(guān)系，基于整車碰撞的鋁合金防撞梁加速度目標(biāo)分解設(shè)計(jì)前防撞梁。從整車分析結(jié)果來(lái)看，左側(cè)加速度稍高出目標(biāo)值，其他都滿足目標(biāo)要求，如下表4所示。本文以某車型的鋁合金汽車防撞梁為例，基于整車的輕量化目標(biāo)，選用6082作為防撞梁橫梁材料，6063作為吸能盒材料，〃日”字型作為橫梁與吸能盒的截面，并且以有限元模擬分析為基礎(chǔ)，確認(rèn)了鋁合金防撞梁的可靠性，總結(jié)了鋁合金汽車防撞梁設(shè)計(jì)的一般思路與方法。10.16638/ki.1671-7988.2018.24.077【相關(guān)文獻(xiàn)】朱平，張宇，葛龍，等.基于正面耐碰撞性仿真的轎車車身材料輕量化研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2005,41(9):207-211.中華人民共和