某汽车后防撞梁轻量化设计研究

杨武 黄涌 潘汉钦 马天航

摘要：考虑复合材料成型工艺和力学性能特点设计出一款复合材料防撞梁，结合欧洲ECE R42低速碰撞法规，分别对高强度钢和复合材料防撞梁进行低速碰撞仿真分析，对比了碰撞过程中的侵入量、碰撞力、吸能量等多项性能指标，发现两者均能满足性能要求，并且相比于高强度钢防撞梁重量降低了21.6%。

关键词：轻量化;后防撞梁;复合材料;碰撞仿真

随着汽车工业的迅猛发展和人类物质生活水平提高，全球汽车数量不断攀升，同时，人们不得不面临着严峻的能源危机和大气污染问题，降低汽车质量能够有效地减少排放和降低油耗，汽车质量每下降 10%，排放下降 4-10%，油耗下降6-8%[1]，轻量化材料的开发和应用是实现汽车轻量化的最有效途径之一[2]。研究证明，汽车的被动安全性能与汽车质量正相关，如何在降低能车重的同时，又要提高汽车安全性能，已成为学者和工程师们需要长期努力的研究方向。本文是在保证不降低汽车防撞梁碰撞安全性的前提下，将钢制防撞梁替换为复合材料防撞梁，为将来实现更多汽车零部件的“以塑代钢”提供一定的借鉴和参考。

1几何模型

本文基于某钢制后保险杠，由主横梁、吸能盒及安装板组成，其中后防撞梁和吸能盒均采用高强度钢，横梁与吸能盒料厚为2mm，通过烧焊连接。考虑连续纤维增强复合材料的结构和工艺性能。对横梁重新设计，吸能盒与复合材料横梁通过胶接连接。

2有限元模型的建立

在汽车保险杠碰撞法规中，应用最为广泛的欧洲ECE R42汽车前后端保护装置（保险杠等）认证的统一规定[4]，

为了提高碰撞仿真的计算效率，在有限元仿真中将碰撞器设置为刚体。钢制和复合材料防撞梁为shell单元，四边形网格尺寸约为5mm，局部加密，其中钢制防撞梁碰撞模型的节点共25816个，单元共25328个，复合材料防撞梁碰撞模型的节点共26733个，单元共26325个，均采用增强沙漏控制方法来控制沙漏。

钢制防撞梁，吸能盒及连接板的材料为HC420LA高强度钢，复合材料使用某玻璃纤维综缎织物，纤维面积重量为 295 g/m2，铺层方式为[（0/90）]30，参数见表1和表2。

此车整备质量设置为1600 kg，由于低速碰撞中，车体本身基本不发生变形，为提高碰撞仿真的计算效率，对防撞横梁进行分析，将防撞梁的前部车身结构设置为刚性单元，汽车质量通过集中质量点加载在刚体上。集中质量点应与撞击中心位于同一高度，离地445 mm。在碰撞仿真过程中，给碰撞器沿X方向4 km/h的初速度，使其撞击防撞横梁，防撞横梁X方向可自由移动，约束其他方向的自由度。

3碰撞仿真结果对比分析

3.1性能评价指标

ECE R42法规规定对防撞梁按照规范进行碰撞试验后，车辆应能够满足一系列要求：1）防撞梁的最大侵入量。应该保证防撞梁的最大侵入量不能超过其许用变形量120 mm。2）防撞梁的总吸能。总吸能的定义是碰撞过程中防撞梁的弹性变形能与塑性变形能之和。希望尽可能大，进而减少传递到汽车前部结构上的碰撞能量。3）碰撞器与防撞梁之间的碰撞力。希望碰撞力峰值尽可能的小，进而降低通过后纵梁传递车身结构的冲击力。4）防撞梁的失效。防撞梁尽可能少的发生失效，以降低维修成本。

3.2  两种材料防撞梁仿真结果分析

图3为防撞梁的碰撞变形过程，碰撞器首先与防撞梁接触，随后冲击防撞梁，防撞梁瞬时发生变形，很短时间后两者分离，防撞梁发生回弹，直至碰撞结束。整个碰撞过程中，钢制防撞梁最大应力为963.4 MPa，已超过该高强度钢的屈服极限。从图中可以看出防撞横梁发生了一定的变形，最大侵入量为30 mm。复合材料防撞梁出现的最大应力为546.3Mpa，最大侵入量为36.7 mm，比钢制的稍大，但均小于许用的最大变形量。

图4为低速碰撞工况下，两种材料防撞梁的碰撞力对比图，从图中可以看到，钢制防撞梁碰撞接触时间较短，约为100 ms，碰撞力峰值较大，约为12.5 kN。复合材料防撞梁接触时间较长，碰撞力峰值较小约为10 kN，可以更好地起到缓冲的作用。

图5、6为低速碰撞工况下两种材料防撞梁的能量变化图，碰撞器的初始动能约为617.2 J。当碰撞器撞击防撞梁时，总动能降低，系统的内能增加，其中系统的内能包括弹性变形能和塑性变形能，系统总能量保持不变，从图中可以看出，鋼制防撞梁系统内能最大值为310 J，复合材料的为260 J，分别占总能量的50.2%及42.1%，说明两者吸能都比较充分。随后，碰撞器与防撞梁逐渐分离，系统动能开始增加，内能减小，弹性变形能全部释放。沙漏能最大值分别为5.85 J及30.2 J，占总能量的0.9%及4.9%，均小于总能量的5%，说明沙漏可控[3]，仿真结果可信度较高。

钢制和复合材料防撞梁均能满足性能要求，且均具有不错的碰撞吸能性，其中钢制防撞横梁质量为2.36 kg，复合材料防撞横梁质量为1.85 kg，重量降低了21.6%。

4结论

钢制和复合材料防撞梁的各项碰撞性能指标比较接近，均能满足性能要求，但复合材料防撞梁的质量减少了21.6%;证明了复合材料可以应用于汽车结构件上。但本文仅对防撞梁进行了低速碰撞仿真分析，与实车试验相比，会存在一定的误差，因此，为验证仿真结果准确性仍需通过真实的碰撞试验，获取相关的试验数据来进行模型校正。

参考文献

[1]范子杰，桂良进，苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报.2014（01）：1-16.

[2]路洪洲，王智文，陈一龙.汽车轻量化评价[J].汽车工程学报，2015，5（1）：1-8.

[3]高晖，李光耀.汽车碰撞仿真中沙漏控制算法研究[J].汽车工程，2008，30（8）：671-675.

作者简介：

杨武（1992.12）男，汉族，硕士，工程师，从事车身结构设计