高强度保险杠横梁结构形式对轿车耐撞性的影响_叶平

设计研究收稿日期 : 2011 01 01*本文为上海市汽车工程学会 2010 年学术年会优秀论文 。高强度保险杠横梁结构形式对轿车耐撞性的影响*叶 平 王永光 杨志刚 ( 上海汽车集团股份有限公司技术中心 ， 上海 201804)【摘要 】 介绍了一款新型 “口 ”断面结构的轿车保险杠横梁 ， 并利用 件针对不同强度 、厚度及断面结构的保险杠横梁进行低速碰撞 ( 仿真分析 。结果表明在应用超高强度钢时 ， 新型 “口 ”断面结构横梁具有更好的耐撞性能 ， 同时具有轻量化效果 。【A is of is in of of 【关键词 】 低速碰撞 保险杠 断面结构 轻量化10. 3969/j. 00701109030 引言汽车保险杠是汽车安全防护装置之一 ， 是现代汽车结构的重要组成部分 ， 主要有横梁 、泡沫及吸能盒组成 ， 其主要作用是在低速碰撞时能有效保护前大灯 、发动机罩 、水箱和其他维修费用较高的零件不受破坏 。对于好的保险杠系统设计 ， 在低速碰撞时 ， 碰撞能量基本上由保险杠 ( 横梁 + 吸能盒 ) 变形吸收 ， 其他车身结构件保持完好 1， 2; 同样在高速碰撞中 ， 保险杠吸能也相当可观 ， 如某款两厢轿车 50km/h 全宽正碰中 ， 保险杠保持轴向压溃变形吸收约 18%的碰撞能量 。不同国家地区 、不同行业组织的法规标准规定的碰撞速度各有差异 ( 2 2 15 km/h) ， 但均要求车辆在碰撞后除保险杠外 ， 其他部件正常工作 ，为此汽车设计者开展了大量的研究工作 。由于保险杠系统的行人保护功能主要与其泡沫以及附属的小腿保护杆以及前蒙皮有关 ， 与横梁本体结构关联不大 ， 故本文仅针对不同断面结构的保险杠横梁进行较详细的保险杠耐撞性对比分析 ， 推荐了一 “口 ”型保险杠横梁 ， 在采用高强度钢制作时 ，不仅具有较高的能量吸收能力 ， 同时具有一定的轻量化效果 。1 汽车保险杠的设计思路及其横梁断面结构图 1 是保险杠的简单示意图 。车辆发生前碰时 : 保险杠横梁变形吸能 ， 随后吸能盒压溃变形 ，最后前纵梁及其他车身结构件才发生塑性变形 。实现这种逐级溃缩模式 ， 且达到能量吸收的最大化 ， 就必须保持零件各自之间刚度 /强度的合理匹配 3。碰撞方向上 ， 刚度 /强度保持一定的梯度关系 : 横梁 吸能盒 纵梁 。一旦这个梯度关系处理不当 ， 则影响后续部件的变形情况 ， 最终影响整车安全性能 。图 2 列举了一些轿车保险杠横梁的断面结31上海汽车2011. 09设计研究图 1 保险杠结构图构 : “U”型结构 、“B”型结构 、“8”型结构以及新型“口 ”结构横梁 。其中 “U”型横梁基本上无吸能效果 、主要是为了匹配结构完整性及抵抗轻微程度碰撞 ， 主要用作后保险杠横梁 ; “B”型横梁最为常见 ， 一般轿车均采用该结构形式 ( 如新上市的荣威350 轿车 ) 。“8”型横梁 ( 如丰田 车 )和 “口 ”字诱导型横梁 ( 如 车 ) 的断面结构较为少见 ， 尤其是后者 ， 属于较为新型的横梁结构形式 。在相同的长 宽 高条件下 ， “口 ”诱导型横梁表面积最小 ， 即质量最小 。图 2 轿车保险杠横梁断面结构图2 基于耐撞性的 真分析为了考察保险杠横梁的吸能性能 ， 采用车速为 15+10km/验进行车辆低速碰撞仿真分析 ， 碰撞示意图如图 3， 碰撞壁障为不可变形的刚性壁障 。该碰撞过程中 ， 碰撞能量基本由保险杠系统变形吸收 ， 而后部纵梁件应保持完好 ， 可直接反映保险杠系统的变形吸能状况 。本文选用国内主流轿车最常用的 “B”型保险杠横梁结构以及新型 “口 ”诱导型横梁作为研究对象 ， 采用00000 相 钢 材 料 ， 以 及20 6 采用碰撞模拟显式非线性动力分析有限元软件 行整车碰撞仿真模拟分析 ， 其主要算法为 量法 。基于上海汽车某两厢车整车 型 ( 经过与碰撞试验对标分析 ) ，分别安装不同断面结构的保险杠横梁进行计算分析 。车模型总质量 1 270 保险杠断面结构的宽 高为 45 112 真输入基本参数如表 1。图 3 撞示意图表 1 仿真基本输入参数杨氏模量 E( 度 ( kg)泊松比 屈服强度 ( 车质量( 10000 78E 9 030000050127021 结构轻量化分析构件的质量与其结构形式以及采用的材料有关 。本文分析的两种形式横梁均采用金属材料 ，密度可视为相同 ， 因此构件质量完全由结构变化引起 。在相同的长度 、宽度与高度条件下 ， 与 “B”型横梁相比 ， “口 ”型横梁结构简单 ， 具有更小的断面周长 ， 即具有更小的质量 。两种横梁质量比较结果 ( 表 2) 表明 : “口 ”型横梁比 “B”型横梁质量轻 10%左右 ， 轻量化效果较明显 。表 2 不同结构的横梁质量比较厚度 ( 险杠横梁质量 ( 口 ”型横梁 “B”型横梁减重 ( 重比率( %)16 4478 4961 0483 9720 5598 6201 0603 9741 上海汽车2011. 09设计研究22 变形吸能仿真情况4 组保险杠低速碰撞后的断面变形结果如图4。保险杠吸能盒的材料 、厚度及几何结构均相同 ， 因此其变形吸能容量必然相同 ， 影响保险杠系统整体吸能容量的唯一因素就是保险杠横梁 。观察断面变形结果发现如下现象 。图 4 保险杠横梁变形图( 1) 006 两种结构形式的横梁均处于完全压溃状态 。( 2) 000 以及 0006 “口 ”诱导型横梁处于完全压溃状态 ， 而“B”型横梁未能完全压溃 ， 处于半压溃变形状态 。( 3) 0000 “口 ”诱导型横梁压溃变形相对比较充分 ， “B”型横梁则几乎无变形 。( 4) 在同样强度和厚度状态下 ， “口 ”诱导型横梁变形程度均远大于 “B”型横梁 。两种断面结构的横梁变形结果表明 ， “口 ”诱导型结构刚度较小 ， 在同等外力撞击下有利于产生稳定的塑性变形 ， 在 000 0 料时 ， 仍然可以较充分的压溃变形 ， 有利于碰撞安全性能的稳定及提高 。而目前轿车保险杠横梁材料强度普遍在 1 000 或更高强度 ， 厚度一般在 16 2 0 间 。汽车设计中 ， 应该选用 “口 ”诱导型断面结构的保险杠横梁 ， 使之在碰撞中能得到较充分的塑性变形 。对应的横梁吸能对比状况如表 3。“口 ”型横梁随着厚度增加或者强度的增加 ， 其吸能逐步增加 ， 并且在 000 其吸能达到最大值 ; 而 “B”型横梁则随着厚度 ， 强度的增加 ， 吸收能量逐步减少 ， 这主要是由于其变形程度越来越低所致 。表 3 保险杠横梁能量吸收状况比较材料参数保险杠横梁吸收能量 ( J)“口 ”型横梁 “B”型横梁006 250 2780000 730 24900006 640 21300000 420 125051上海汽车2011. 09设计研究构件吸收能量的前提是发生塑性变形 ， 变形越充分 ， 吸收的能量越多 。同时变形模式也影响着构件的吸能效果 ， 有资料表明 ， 轴向压溃模式具有最佳的吸能效果 。对于同样的变形模式及变形程度 ， 构件变形吸收的能量主要与其板厚 、材料强度有关 ， 它们之间具有一定的比例关系 :AE1/2 2/7 ( 1)其中 : t 为厚度 ; n 为常数 ， 通常 n 值大小由变形模式决定 。可以看出 ， 通过增加板厚或者提高材料强度两种途径 ， 均可以提高构件吸收的能量 4。构件吸能与其变形程度直接相关 : 板厚太小或强度太低 ， 容易变形 ， 但可能不具备足够的吸能能力 ， 板厚太大或强度太高 ， 又不易变形吸能 。图4 的变形图中 ， 相同状态下 ， “口 ”诱导型横梁能完全压溃变形或近似完全压溃变形 ， 而 “B”型横梁不充分变形或基本不变形 ， 说明 “B”型断面结构在应用超高强度钢时 ， 刚度太大而不易变形 ， 达不到碰撞吸能效果 ， 不利于汽车的碰撞安全性能 。从表 3结果看 ， 随着强度 、厚度增加 ， “B”型横梁吸能呈递减趋势 。此外 ， 一般构件的强度越高 ， 尤其是屈服强度 ， 其变形越不稳定 ， 屈服强度越高 ， 发生初始变形位置的离散性越大 ， 如无变形导向设计 ， 变形行为难以预计 、控制 5。就保险杠横梁而言 ， 在高屈服强度时 ， 若无诱导变形设计处理 ， 如 “B”型横梁 ， 则在碰撞中可能向上或向下弯曲变形 ， 影响后方构件 ， 甚至纵梁的受力状况及其变形状态 ， 最终影响整车的高速碰撞安全性能 。因此在应用超高强度钢进行轻量化设计时 ， 有必要对零件原有的几何结构进行优化设计 ， 如 “口 ”诱导型横梁 ， 在上下两侧面设计成为有利于轴向变形的波浪形结构 ， 使其在碰撞过程中达到轴向充分压溃变形吸能的效果 。3 碰撞试验验证针对 “口 ”诱导型横梁采用某两厢车 15 km/车碰撞试验验证 。试验车质量 1 270 验 速 度 1569 km/h， 保险杠横梁采用 16 撞后保险杠横梁及吸能盒基本被完全压溃 ， 被撞侧前纵梁 、翼子板 、散热器 、发动机罩盖无明显变形损伤 ， 保险杠碰撞仿真变形状况与实际试验一致 ， 能量几乎完全由保险杠系统吸收 ， 满足 撞法规要求 。碰撞试验结果可以表明 ， 上述针对保险杠耐撞性进行的横梁截面结构的仿真研究分析是切实可行的 。4 结语通过上述不同断面结构形式的保险杠横梁的变形吸能分析研究 ， 推荐介绍了一新型 “口 ”诱导型结构的保险杠横梁 ， 碰撞过程中能较充分的变形吸能 ， 同时具有一定的轻量化效果 。在新车型开发设计或原有车型的性能优化提升过程中 ， 特别是应用高强钢 、超高强度钢替代设计时 ， 选择合理的结构形式设计 ， 以及材料强度 、厚度的合理匹配 ， 可有效提高构件的碰撞吸能性能 ， 从而改善汽车的碰撞安全性能 ，