【《汽车防撞梁结构设计分析案例》4600字】

汽车防撞梁结构设计分析案例引言汽车前、后端保护装置的重要组成部分是防撞梁，它的主要作用，汽辆在道路上行驶低速碰撞发生时，防撞梁部分能立刻的把碰撞能量传递给左、右吸能盒等吸能构件，充分吸收碰撞能量，减轻车辆低速碰撞损坏程度，可以对车辆的前后灯、锁体和冷却系统等主要部件的起到保护作用。传统防撞梁频繁运用高强度钢板冲压焊接而成，重量较重，加工过程也复杂。可是铝合金密度仅有钢的三分之一。把传统的钢制材料采用铝合金材料来代替，可以有效实现大概40%减重率，实现对车身的轻量化设计。本文以铝制前防撞梁阐述为例，重点是铝制防撞梁的结构设计和优化措施的阐述，经过对铝合金防撞梁对比于钢制防撞梁出的分析，推断铝合金防撞梁可以做到轻量化的同时，车辆低速碰撞的性能要求也能满足。1.1铝合金防撞梁介绍1.1.1铝合金防撞梁主要构成防撞梁和保险杠总成、吸能垫等等，是汽车前后的主干保护装置。防撞梁总成是由一些吸能部件组成的，铝合金防撞梁组成与传统防撞梁组成是基本相同的，防撞横梁、左右吸能盒、左右安装基板、拖钩套筒与支架类是防撞梁主干的组成。组件通常经过两个主要工艺来连接：=1\*GB3①焊接=2\*GB3②螺栓连接。其中，防撞横梁与吸能箱是吸能的主要部件，其结构的设计特别重要。1.防撞横梁2.吸能盒3.安装基板1.拖钩套筒及支架图4-1铝合金防撞梁构成1.2防撞梁的外轮廓尺寸设计为保正发生碰撞时防撞梁能有效的吸能，防撞梁长度方向为往内凹进的曲面。防撞梁前表面设计成弧形面，既兼顾美观，又在防撞梁出现碰撞时，材料弧形部分的压溃能吸收碰撞中产生的部分撞击力，把撞击点的力可以有效的分散给防撞梁全身，能达到维护驾驶员的意向。为新设计的防撞横梁确保在车上原有吸能盒上能合理的装上，并确保防撞梁和别的车身构件的装配关系，为正常使用车体纵梁、冷凝器以及车身外围、行李箱盖、保险杠、大灯和水箱，防撞梁Y向的长度设计为1320毫米，Z向高度设计为113毫米，X向宽度设计为56.5毫米。防撞梁的中心线曲率半径为R=2600毫米。1.3防撞梁的主断面结构设计车辆发生碰撞时，把能量传送到吸能盒的主要是防撞横梁，因而对防撞横梁的强度要求比较高。铝合金防撞梁的断面一般为多腔形，最常见的为“日”字形与“田”字形的。6系列或7系列合金挤压型材，如6082系列、6351系列、7A53系列等。吸能箱主要通过其破碎变形将碰撞产生的能量转化为内部能量，其承载能力需要低于前纵梁。因此，应选用吸能性能较好的材料，如常用的6063、6060，典型断面有长方形形、日字形和6边形。基材厚度2.2mm~3.0mm。底板和挂钩套要求承载能力高。6063、6082、6060等材料使用较多。基材厚度约为4mm~5mm。此次利用MPV车型为主的铝合金防撞梁为设计目标。结构设计以最大承载力9.2kN为目标值进行，通过对截面和材料厚度的不断优化，铝合金防撞横梁最终设计成为“B”型，两侧吸能盒截面设计为正方形。表4-1是防撞梁各零件材料和料厚清单。采用理论计算，与钢制防撞梁比，铝合金防撞梁减轻2.22kg，减重率达40.4%。表4-1各部件材料清单所得数据为：防撞梁中心线的曲率半径为R=2600、横梁断面设计为“B”字型截面、材料厚度=2.6mm。现有的“B”型防撞梁一般多为对称设计，即防撞梁上下部高度相同，但在现实生活中车辆发生碰撞时主要的力通常集中在防撞梁的下部，在车辆碰撞测试中也是如此。是汽车整备质量，乘客重量及其他原因导致的。防撞梁设计高度不一致，碰撞的主要力的集中点也会有所区别，防撞梁受力点常常在下部，这导致下部容易向内翻转，影响吸能效果。所以需要对对称的“B”型截面稍微改进，成为一种下部承受能力强、不易翻转的新“B”型截面防撞梁。设计部分包括上部腔体与下部腔体及两腔体的中部连接部分。上下腔体的高度要大小比例为5:5；上部腔体与下部腔体的截面为倒角成圆弧的矩形，中部连接部分为两条相互平行的直线段；中部高度为35mm，则上部腔体高度为39mm，下部高度为39mm。1.4铝合金防撞梁结构设计对于针对防撞横梁的弧度和吸能盒的大小的设计可以通过明确各型号的防撞梁和其对应的吸能盒的横截面以及对应的纵梁的空间设计分布还有前方保险杠的整体尺寸形状来实现需要的设计。MPV防撞大梁的拱度约为R2000。此外，为满足对铝合金防撞梁基本成型的工艺要求，可以对防撞梁在结构上进行一些专门的设计，亮点如下:=1\*GB3①为了适应铝合金的挤压成型工艺，为方便成型，防撞横梁和两个吸能盒的最小圆角都设计为R3。=2\*GB3②为了横梁和吸能盒焊接工艺达到要求，焊接边宽度设计为8mm。=3\*GB3③为了达到焊接枪头部操作空间达到焊接时要求，周边的安全间隙8mm。=4\*GB3④该车型的铝合金前防撞梁必须与整车的拖钩套筒对齐，将防撞横梁设计成“B”形时应结合整车拖钩的布置高度进行。=5\*GB3⑤为了保证通用和钢制防撞梁装配，铝合金防撞梁和前纵梁的固定仍采取八个螺栓，螺栓表面涂层锌铝处理会产生氧化膜，具备自愈作用，并且通过塑料前端模块把铝合金防撞梁与金属纵梁板之间相隔，避免因电位差导致腐蚀，耐腐蚀性优良。1.5铝合金前防撞梁建模使用inventor软件建立三维模型后、得到的防撞梁截面图如图4-2所示。图4-2防撞梁截面图使用inventor软件完成防撞梁侧面图的绘制并完成草图，下一步在几何图形框上绘制出防撞梁的中心曲率半径为2600mm、弧形长度调整为1320mm。然后把截面图形为目标，沿着弧形线使用扫掠功能得到防撞梁的模型图，如图4-3~图4-6所示。图4-3防撞梁模型侧视图图4-4防撞梁模型后视图图4-5防撞梁模型正视图图4-6防撞梁模型俯视图1.6防撞梁模型强度分析使用inventor做三维建模，和相比使用CAD做三维模型，inventor能减少（省）建模时间，可以提升工作效率。Inventor软件还自带有强度分析的功能，防撞梁的各项性能可以详细地了解。对防撞梁做的强度分析更加到位，时间也少。1.6.1相关软件介绍.inventor软件介绍inventor2018软件功能强大，操作容易，拥有命令也很多。inventor2018有着强大的功能、与机械制图规格保持一致，易于上手且易于学习，技术上也一直进步和更新。inventor2018比较广泛的应用于机械行业，技术也先进。有与CAD相互关联的好多成功的案例解决方案。inventor2018可以在设计中会提供不一样的设计建议，减少了不少的设计错误率提高了设计质量，同时提高的设计效率也很高，减少了不必要的一些中间环节。inventor2018不仅具备这么强大的功能，而且对每使用者来说，易学易用、操作简单又方便。inventor2018具有丰富的二维工程图功能，能快速、轻巧的把三维零件与装配图变换成二维加工图，并且命令也简单明了、一键标注各种标注。能导入dwg的CAD通用格式，方便生产加工。设计人可以在相对较短的时间内完成多量的工作，并且可以相对较快地把质量高的产品推向市场。做三维设计中，我们用inventor2018来可以检查装配干涉。使用运动仿真，来模拟机构真实运动，让我们早发现运动中的干涉。对于钢结构件，可用此软件来对做力学应力分析，零件的强度和刚度要求是否合格也可以校核。同时可以给设计出的产品进行渲染效果，让产品更美观，可以第一时间给客户展示产品。1.6.2材料参数定义由前段内容中可知，本文里汽车前防撞梁横梁材料选取的是高强度铝合金6082-T6。表4-2铝合金6082-T6的材料属性参数密度弹性模量泊松比屈服强度范围抗拉强度2.8g/cm370GPa0.30240MPa≥160~320MPa通过搜索相关的资料、文献和网站来获得防撞梁的材料属性、参数等重要的数据。在inventor中打开防撞梁模型，将其加载到工作区域，点击菜单命令应力分析切换到应力分析截面，如图4-6所示。图4-6inventor应力分析界面图在inventor应力分析界面选择指定材料命令，在指定材料对话框下选择材料自定义，见下图4-7所示。图4-7应力分析指定材料界面图在指定材料自定义界面，我们进行材料的自定义，材料名称6082-T6，在物理特性界面进行物理特性填写，如图4-8所示。热传导率：1.670E+02W/(m·K)，比热：0.897J/(g·°C)；热膨胀系数：23.600µm/(m·°C)；弹性模量为70GPa；泊松比为0.3；屈服强度：240MPa；抗拉强度：310MPa。图4-8应力分析指定材料物理特性图1.6.3网格划分在防撞梁模型网格划分时几何尺寸设置的过于精细，将导致网格规模过大，运算量会过大。当防撞梁模型网格划分时，必须对模型进行相应的简化，因此选择平均元素大小为0.01，最小元素大小0.01，分级系数为1。强度分析的要求可以满足。划分后主要采用四边形单元，少量三角形单元作为过渡，使整体网格尺寸更加对称。如图4-9所示，点击应力分析界面的网格设计命令，在弹出的对话框中输入网格划分的数值大小。点击生成网格，至此，完成网格划分。图4-9应力分析网格划分设置网格划分后如图4-10、图4-11所示。共有531956个节点，265937个单元。图4-10防撞梁网格划分图图4-11防撞梁网格划分图1.6.4添加约束与载荷车辆发生碰撞时，防撞梁会变形以吸收碰撞产生的能量，确保驾驶员的人身安全。由于此次设计以防撞梁横梁为主，没有吸能盒，为保证强度分析的正常进行，在防撞梁两边施加约束。在应力分析界面选择固定命令，选择防撞梁横梁在两边的固定约束的表面，完成固定约束定义，如图4-12所示，图中白色那部分作为约束点。图4-12防撞梁约束图本文中设计的汽车防撞梁是采用铝合金6082-T6，在进行防撞梁结构强度验证时，可以将汽车前端受到碰撞时看成一个刚性物体对防撞梁等结构件的挤压，碰撞时冲击力大小可以约等于碰撞接触面的挤压力。根据动力守恒定律可得：（1）公式中：Fq为碰撞时与接触面的最大挤压力，单位N。m为碰撞车辆的整备质量，本文选取的汽车质量为1256kg，且本文不考虑驾驶员质量。v为碰撞速度。本文采用低速碰撞的国家标准GB17354-1998规定的碰撞速度4km/h，即碰撞速度为1.11m/s。t为碰撞时间。在文献参考及书籍查询中可知汽车碰撞时冲击力最大的时间点为50ms，取0.05s。根据以上数据代入公式（1）中可得：F与上面添加约束步骤相同来添加载荷，在应力分析界面的力添加命令中填入27883N来添加载荷。因碰撞测试为100%正面碰撞，所以应力方向选择防撞梁正面中部向内。如图4-13所示，红色部分即为施加载荷的面，黄色箭头为载荷的法向量。至此，约束与载荷添加完毕。图4-13防撞梁载荷图1.6.5计算求解所有材料参数、约束与载荷添加完毕后，将进行计算。在应力分析环境中，点击分析按钮进行计算求解，程序会自动开始计算关键字文件。当弹出的状态对话框结束时，计算完成。如图4-14所示，运算过程花费了17s，使用内存为1.35GB，文件大小为45MB左右，可以看出使用软件进行分析大大缩短了实验的时间。至此，计算求解操作完毕。图4-14防撞梁计算分析图1.7防撞梁结构强度结果分析1.7.1应力分析经过以上步骤后得到了设计的防撞梁结构参数，在低速碰撞的标准过程验证中得到了防撞梁的应力云图，如图4-15所示。图4-15防撞梁应力云图由图4-15可知防撞梁横梁所受应力最大的部位为防撞梁约束的两端，而中部所受应力基本为0，最大应力为368MPa。根据材料力学对杆类零件强度的设计标准：（2）将求得的结果及材料的屈服强度代入公式（2）得：可知碰撞时的最大应力小于材料6082-T6的最小屈服强度。通过验证，本文中设计的防撞梁在低速碰撞时，不会因发生断裂而失去吸能作用，符合许用应力的要求。1.7.2应变分析应变考察的是防撞梁的变形值是否达到要求，是否符合设计标准。本文设计的防撞梁应变情况如图4-15所示。图4-15防撞梁应变云图由图可知本文的防撞梁最大应变约为0.024%，与设计时所需的应变范围比较，0.024%≥0.2%可得本文设