汽车铝质防撞梁的轻量化设计及分析

作者：金泉军，陈伟，张然然，牛丽媛，刘慧军，王纳新，李志虎
单位：众泰汽车工程研究院前瞻技术中心

引言

全球汽车工业的发展使汽车保有量在不断攀升，同时带来了能源、环境、安全等一系列的问题。汽车轻量化是降低能源消耗、减少污染物排放、提升安全性最有效的措施之一[1]。汽车防撞梁作为保障汽车被动安全性能重要的零部件之一，可以吸收碰撞撞击的能量，缓和外界对车身的冲击，对车体结构起重要的防护作用；同时在碰撞事故中还可以保护行人安全，避免行人撞击时出现死亡，降低事故率[2-4]。因此各大汽车企业及科研院所均将防撞梁的车身安全和轻量化优化设计作为重要课题开展研究。

目前，国内外防撞梁安全性研究主要集中在四个方面：①质量更轻；②低速碰撞时对前后端高成本易损部件保护效果更好；③高速碰撞时前段尽可能多吸收碰撞能量，乘员舱侵入量最小；④行人保护效果更优越[5-7]。铝合金是能够满足汽车安全性能要求的同时又能有效实现汽车的轻量化的最理想的结构材料。

文章采用结构优化方法，基于防撞梁零部件的性能要求，通过对铝合金、高强度钢制备的防撞梁开展刚度、模态、强度、碰撞等综合对比分析，获得最优的结构，满足产品需求。

1碰撞仿真基础理论
1.1 碰撞动力学理论
碰撞过程是一个动态的大位移和大变形过程，而对于大变形问题，仿真软件LS-DYNA主要采用更新拉格朗日增量算法。更新拉格朗日增量算法描述如下。
任意质点的运动轨迹方程：

（1）
式中，Xj为质点的初始位置。质点X在任意时刻的空间坐标为：（2）
式中，NI为节点I的形函数。由此可得单元内任一点X的位移为：
（3）
式中，uiI为节点I的位移。同理，单元内任一点的速度、加速度、变形率和虚速度可表示为：

（4）
式中Dij为变形率，BI为拉普斯变换式，δvi为质点X的虚速度，δviI为节点I的虚速度。t0时刻的初始条件为：

（5）
动量守恒方程式：

（6）
满足以下边界条件
1）位移边界条件

（7）
2）应力边界条件

（8）
式中，σji为Euler应力，ρ为现时构形中的介质密度，bi为作用于单位质量上的应力。取虚速度为加权系数，利用加权余量法，并利用分步积分，式（6）还可以写成：

（9）
式中，ti为面力，v为瞬时速度，dA为物质面元，为单元元的加速度。将式（4）写成矩阵式，并代入式（9）中，可得动力学微分方程：

（10）

式中，
为系统质量矩阵，与时间无关；

为结构载荷向量。

1.2 基于中心差分法的汽车碰撞动力学解析
对于动力学微分学方程的求解，仿真软件LS-DYNA主要采用显示中心差分法，其描述如下。
如果0，t1，t2，....，tn时刻的节点位移、速度和加速度均已知，先求解tn+1（t+∆t）时刻的结构响应。中心差分法对加速度的导数采用中心差分替代，即

（11）
把上式代入式（10）中，整理得

（12）
式中，

分别称为有效质量矩阵与有效载荷向量。
求解线性方程组（12），可得t+∆t时刻的节点位移向量Ut+∆t，将Ut+∆t代入几何方程与物理方程中可获得t+∆t时刻的单元应力与单元应变。
几何方程：

（13）
物理方程：

（14）

式中，σ、ε为材料受力后的单元应力、应变和位移；
为材料的lame常数；δij为Kronecher符号；
为材料体积弹性模量。

1.3 刚度模态理论
模态分析是结构动态特性分析中一项重要内容，对于实际连续的非线性物理结构，可离散为一个N自由度的线弹性系统，根据达朗贝尔原理，其运动的微分方程为：

（15）
式中，[M]为系统质量矩阵；[C]为系统的阻尼矩阵；[K]为系统刚度矩阵；{X}，，分别为系统结构的位移。速度，加速度的响应向量；{f(t)}为系统的激振力向量。

结构的固有频率用于表示结构在受到外界激励容易发生振动的频率。结构在固有频率下的振动变形称为主振型。固有频率和主振型是表示系统振动特征的重要参数。

自由模态分析中，系统的激振力向量{f(t)}为零向量，且忽略系统的阻尼，则系统的无阻尼自由振动方程矩阵形式为：

（16）
对于常系数线性齐次微分方程组，其解的形式为：

（17）
则系统的无阻尼自由振动方程可以简化为：

（18）
此时求解结构的固有频率就转化为求解矩阵特征值ω2得问题，将特征值ω2带入式（17）中可得到相应特征向量，即相应的主振型，由此计算得到系统的固有频率和相应的主振型。由此计算得到系统的固有频率和相应的主振型。

2防撞梁有限元模型的建立
文章所建立的防撞梁模型是基于某汽车前防撞横梁实际尺寸而建立的，并对其进行了简化。防撞梁由横梁和左右两个吸能盒元件通过双脉冲MIG焊接而成，结构如图1所示。

（a）钢质防撞梁总成 （b）铝质防撞梁总成
图1 防撞梁总成结构示意图

通过借助Hyper-work、Nastran和Ls－dyna软件进行建模与求解，对比分析防撞梁在不同工况下的模态、刚度、强度及高速碰撞等性能，来总体评价防撞梁的设计合理性及性能指标。由于碰撞时速度较高，因此应考虑应变率对材料性能的影响。本文试验采用Pam-crash中的材料模型，Elasticplastic（102），应变率模型为Cowper-Symonds，应变率模型为：

（19）
式中，σn为考虑应变率之后的屈服应力，σγ为静态的屈服应力，ε为应变率，D和P为Pam-crash模型中的参数，一般取D=40，P=5。
防撞梁总成网格大小为6mm，吸能盒与防撞梁通过条焊方式连接。在碰撞分析中，防撞梁总成与刚性墙为面面接触，防撞梁之间为单面接触。动、静摩擦系数均设为0.2，计算时间设置为0.1ms。

3材料静态性能与高速拉伸性能
本试验选用高铝合金进行轻量化设计并与高强度钢防撞梁进行对比分析。传统横梁主要是HC550/980DP的双相钢，吸能盒采用是HC340/590DP材料。基于轻量化考虑，将横梁的双相钢替换为强度高、塑性好的6082-T6铝合金材料，吸能盒采用吸能效果好的6063-T6铝合金材料。所用材料、规格及静态性能如表1和表2所示。通过对比高速拉伸曲线可看出：不同的应变率对材料曲线影响较大，随着应变率的增加，材料的性能相应提升，测试结果如图2、3所示。

表1 防撞梁材料及规格



表2 防撞梁材料静态性能





（a）HC550/980DP材料曲线 （b）HC340/590DP材料曲线
图2 高强度钢高速拉伸的材料曲线



（a）6082-T6材料性能曲线 （b）6063-T6材料性能曲线
图3 铝合金材料高速拉伸曲线

4防撞梁多工况分析

本设计通过对比方式进行结构分析，在同一种工况下，利用铝合金材料替换高强度材料，观察每种工况下两种材料制备的防撞梁的模态、刚度、安全性能变化。

4.1 防撞梁模态分析
分别对钢质与铝质防撞梁的自由模态、约束模态进行分析，结果发现：①自由模态工况下：铝质材料一阶弯曲模态比钢质材料模态略有提高；铝质材料一阶扭转模态比钢质材料模态提高43.7%以上。②约束模态工况下：铝质材料上下摆弯曲模态比钢质材料模态提升44%以上；铝质材料左右摆弯曲模态相比钢质提升约40%以上；铝质材料前后摆弯曲模态比钢质材料提高35.6%以上；上下扭转模态铝质材料比钢质材料模态提高62%以上。通过对自由、约束模态对比分析发现：采用铝合金材料的防撞梁的总成频率均高于高强度钢。模态分析结果如表3、4与图4- 9所示。

表3 高强度钢与铝合金自由模态对比数据





（a）钢质 （b）铝质
图4 一阶弯曲模态（自由模态）



（a）钢质 （b）铝质
图5 一阶扭转模态（自由模态）

表4 高强度钢与铝合金约束模态对比数据



（a）钢质 （b）铝质
图6 上下摆弯曲模态（约束模态）



（a）钢质 （b）铝质
图7 左右摆弯曲模态（约束模态）



（a）钢质 （b）铝质
图8 前后摆弯曲模态（约束模态）



（a）钢质 （b）铝质
图9 上下扭转模态（约束模态）

4.2 防撞梁刚度分析
采用铝合金材料实现轻量化的同时，必须保障刚度要求，因此需要对材料的刚度值进行评价。刚度加载模型如图10所示，分析结果如表5与图11- 13所示。基于防撞梁零部件的刚度性能要求，分别在X方向加载10N、Y方向加载100N、Z方向加载100N的力，分析钢、铝防撞梁结构刚度。结果表明：X方向，铝合金的刚度值为5.68N/mm，高强度钢的刚度值为2.92N/mm，采用铝合金刚度值提升近1倍；Y方向，铝合金的刚度值为129.53N/mm，高强度钢的刚度值为235.63N/mm，采用铝合金刚度值降低约45%；Z方向，铝合金的刚度值为33.68N/mm，高强度钢的刚度值为37.65N/mm，两种材料Z方向基本持平。虽然铝合金防撞梁在Y、Z方向的刚度值比钢质低，但影响产品性能的主要是X方向，因此该结构满足刚度性能要求。



图10 防撞梁刚度加载模型

表5 高强度钢与铝合金刚度对比数据





（a）钢质 （b）铝质
图11 防撞梁总成X向刚度



（a）钢质 （b）铝质
图12 防撞梁总成Y向刚度



（a）钢质 （b）铝质
图13 防撞梁总成Z向刚度

4.3 防撞梁拖钩强度分析
由于防撞梁安装有拖钩，在牵引力的作用下，防撞梁必须满足拖钩强度要求。防撞梁拖钩三种工况模型如图14所示，分析结果如表6与图15- 19所示。基于防撞梁拖钩强度性能要求，需考核三种工况：①工况1（直拉），施加载荷8365N力；②工况2（向左斜拉30°），施加载荷7529N力；③工况3（向右斜拉30°），施加载荷为7529N力。铝合金与高强度钢防撞梁拖钩强度的加载最大变形与卸载残余变形如表6所示。通过对比分析发现，工况1、2作用下铝合金加载最大变形均小于钢质材料，工况3铝合金加载最大变形与钢质基本持平；而针对三个工况作用下的卸载残余变形，铝合金均小于钢质变形。



图14 防撞梁拖钩三种工况示意图

表6 高强度钢与铝合金防撞梁拖钩强度对比数据





（a）钢质 （b）铝质
图15 防撞梁拖钩直拉加载最大变形分析结果（工况1）



（a）钢质 （b）铝质
图16 防撞梁拖钩直拉卸载最大变形分析结果（工况1）



（a）钢质 （b）铝质
图17 防撞梁拖钩30°向左加载最大变形分析结果（工况2）



（a）钢质 （b）铝质
图18 防撞梁拖钩30°向左卸载最大变形分析结果（工况2）



（a）钢质 （b）铝质
图19 防撞梁拖钩30°向右加载最大变形分析结果（工况3）



图20 防撞梁拖钩30°向右卸载最大变形分析结果（工况3）

4.4 防撞梁刚性墙碰撞性能分析
在防撞梁刚性墙碰撞过程中，仅截取汽车前端主要结构模型进行分析，并在模型的后部部分耦合试验台车，试验台车质量与整车整备质量设置相等，为1425kg，如图21所示。采用碰撞速度为30km/h，汽车质量通过试验台车所附加的集中质量来弥补，同时设置相应的惯性矩和质心。有限元模型建立好后，导入LS-DYNA进行计算碰撞过程中防撞梁的吸能性能。分析结果如图22所示，在碰撞过程中，钢质防撞梁吸能盒首先被压溃，然后横梁被挤压，变形不充分；而铝质防撞梁横梁弧形段首先压溃，原来有一定弧度的横梁被压直，然后吸能盒被挤压，碰撞盒充分变形，变形状态良好。
刚性墙碰撞测试结果如表7和图23所示。由表7可知，铝合金防撞梁具有更高的强度，在相同的碰撞条件下能够吸收更多的能量，其整体吸能效果优于钢质防撞梁。通过图23可以看出：在吸能方面，为保护行人安全，铝合金防撞梁部位设计相对偏软一些，因此在碰撞初期吸能位移相对比钢质材料略有提升，同时为避免碰撞能量传递到乘员舱空间内，降低乘员舱的侵入量，因此碰撞后期采用铝合金吸能盒部位的吸能位移远低于高强度钢，同时采用铝合金材料替换传统高强度钢材料，其质量从原来的6.604kg，降低至3.254kg，实现减重50.7%以上，在汽车轻量化方面效果明显。



图21 防撞梁刚性墙碰撞示意图

表7 高强度钢与铝合金防撞梁刚性墙碰撞对比数据





（a）钢质 （b）铝质
图22 防撞梁总成刚性墙碰撞示意图



图23 防撞梁总成刚性墙碰撞能量位移对比分析结果

5结论
通过数值分析，对铝质与钢质防撞梁多工况性能进行了系统研究，得出以下结论。
（1）通过对两种材料防撞梁进行模态工况对比分析，可
以得出：铝合金防撞梁在实现轻量化的同时，可使自由模态与约束模态都得到提高。
（2）针对防撞梁总成上安装的拖钩三种工况下的强度分析，可发现：两种材料均能够满足拖钩强度技术标准要求，但采用铝合金的加载最大变形与卸载残余变形均小于钢质材料，能够给设计提供更好的设计空间。
（3）综合考虑法规要求的碰撞工况，铝合金材料设计能够使防撞梁总成质量合理分布，在保证一定的轻量化效果的前提下，铝合金材料的防撞梁在碰撞工况中耐撞性能得到提高。
（4）将铝合金材料与传统的高强度钢材料对比发现：铝合金在汽车车身轻量化方面有明显的效果，减重50.7%的质量，且该铝合金材料能够满足碰撞标准要求，可以应用于车身结构件。