某车型铝合金前防撞梁轻量化研究

石登仁 ¹ ，杨甄鑫 ² ，李云 ¹ ，廖礼平 ¹

1.东风柳州汽车有限公司

2.广西科技大学机械与交通工程学院

【摘要】 针对某车型前防撞梁总成的轻量化需求，将钢制材料替换为铝合金。使用HyperMesh软件进行前处理，LsDyna软件进行计算，通过仿真分析对比钢制防撞梁和铝合金防撞梁的行人保护柔性腿型碰撞性能，结果表明可以使用铝合金替换钢材。依据工程经验和仿真分析相结合的方法对铝合金防撞梁进行结构优化与尺寸优化，并进行整车碰撞试验，验证了仿真分析的准确性。最终铝合金防撞梁质量为5.0kg，相比钢制防撞梁减重5.31kg，且碰撞性能满足要求。

【关键词】 轻量化，铝合金防撞梁，碰撞安全

Research on the Lightweight of Aluminum Alloy Front Anti-collision Beam of a Certain Model

Shi Dengren ¹ , Yang Zhenxin ² , Li Yun ¹ , Liao Liping ¹

1. Dongfeng Liuzhou Automobile Co ., Ltd .

2. School of Mechanical and Traffic Engineering , Guangxi University of Science and Technology

Abstract: In response to the lightweight requirement of the front anti-collision beam assembly of a certain model, the steel material was replaced with aluminum alloy.Using hyperMesh software for pre-processing, LsDyna software for calculation, through simulation analysis and comparison of the pedestrian protection flexible leg impact performance of steel anti-collision beams and aluminum alloy anti-collision beams, the results show that aluminum alloy can be used to replace steel.According to the method of combining engineering experience and simulation analysis, the aluminum alloy anti-collision beam is optimized in structure and size, and the vehicle collision experiment is carried out to verify the accuracy of the simulation analysis.The final weight of the aluminum alloy anti-collision beam is 5.0kg, which is 5.31kg lighter than the steel anti-collision beam, and the collision performance meets the requirements.

Key words: lightweight, aluminum alloy anti-collision beam, collision safety

引言

防撞梁总成是汽车车身一个重要的组成部分，当汽车与其他车辆或障碍物发生低速碰撞时，保护翼子板、散热器、发动机罩和灯具等部件；当汽车与行人发生碰撞时，最大限度地保护行人。由于防撞梁总成在低速碰撞和行人保护这两方面的关键性作用，因此是国内外汽车被动安全领域中的一项重要研究内容。

汽车前防撞梁总成的轻量化设计主要包括材料替换和结构优化两个方面。材料替换即在保证碰撞安全的前提下使用铝合金、碳纤维复合材料等代替原防撞梁达到轻量化效果；结构优化即通过仿生结构、拓扑优化、尺寸优化等来达到防撞梁的轻量化效果。国内外学者对防撞梁的轻量化做了大量研究。肖金涛 ^[1] 等根据原钢制防撞梁的碰撞结果，使用碳纤维复合材料替代原钢制材料，并对铺层厚度及顺序进行优化。张君媛 ^[2] 等建立了前防撞梁总成的独立评价工况，实现了性能上的解耦，并对前防撞梁进行结构优化和轻质材料替换。刘伟东 ^[3] 等对比了铝合金和碳纤维复合材料防撞梁在开口和闭口时的性能差异。胡红舟 ^[4] 等通过建模和仿真研究了波纹板的不同结构和参数对防撞梁加强作用的影响，并进行了试验验证。张友国 ^[5] 等对比了口字形、梯度形、蜗牛壳形、蜘蛛网形和胚胎球形5种截面形状防撞横梁的正面碰撞仿真结果及静态弯曲刚度。Zeng，F ^[6] 等对防撞梁进行了正面碰撞仿真分析，使用果蝇优化算法提高了防撞梁的能量吸收并降低重量。Park，D.K ^[7] 等提出了一种优化车辆保险杠形状的设计技术，以达到保护行人的目的。

本工作以原钢制防撞梁为研究对象，使用铝合金进行材料替换。对比钢制防撞梁和铝合金防撞梁在行人保护柔性腿型碰撞工况下的得分，验证了铝合金防撞梁的合理性。在此基础上对铝合金防撞梁进行结构优化和尺寸优化，实现了铝合金防撞梁的轻量化设计。最后，通过整车碰撞试验验证了铝合金防撞梁仿真分析的准确性。

1 铝合金前防撞梁总成初版方案及验证

1.1 铝合金前防撞梁总成初版方案

针对某车型原钢制防撞梁的轻量化需求，现采用铝合金代替钢制防撞梁，并对其结构进行改进。原钢制防撞梁使用B400_780DP号钢材，铝合金材料选用6082_T6铝合金，防撞梁与吸能盒之间采用MIG焊接而成。使用HyperMesh软件进行碰撞模型前处理，在LsDyna中进行计算。钢制防撞梁与铝合金防撞梁结构对比如图1所示，防撞梁重量及材料属性对比见表1。

1.2 C-NCAP行人腿部碰撞

按照《C-NCAP管理规则（2021年版）》的规定，对于保险杠下部高度小于425mm，或者保险杠下部高度大于425mm但小于500mm车辆（可选择下腿型也可选择上腿型试验），适用于下腿型对保险杠的试验。采集碰撞中小腿4个弯矩T1、T2、T3、T4以及膝部韧带延伸量MCL、ACL和PCL七个指标；评分办法对这七个指标按相应规则评分。

在保险杠上部基准线上，从车辆纵向中心平面与保险杠上部基准线的交点开始，分别向车辆两侧每隔100mm进行标记，此100mm距离应在车辆横向垂直平面内，沿水平方向进行测量，直到腿型试验区域边缘停止。模型如图2所示。使用HyperMesh软件进行前处理，对行人腿部模型施加40km/h的速度，进行整车正面碰撞，模型如图3所示。碰撞结果见表2。

行人保护柔性腿型碰撞工况下，铝合金防撞梁整体结果偏好；L500、R500撞击小腿吸能盒，导致小腿下弯矩过大。铝合金防撞梁腿型总得分高于钢制防撞梁，说明铝合金防撞梁更优。

2 铝合金防撞梁结构与尺寸优化

由行人保护柔性腿型碰撞分析可知铝合金防撞梁对行人有更佳的保护效果。除此以外，前防撞梁还要满足汽车的碰撞要求，本文基于正碰和偏置碰两方面考虑防撞梁对汽车的保护性能。首先，根据工程经验和仿真分析结果对防撞梁总成结构进行改进，再通过多目标优化对防撞梁总成各部件的厚度进行确定。

1）综合考虑行人保护性能，防撞梁下边增加翻边。通过增加翻边增加行人碰撞时的接触面积，减少行人碰撞的伤害。模型如图4所示。

2）考虑避障高度，吸能盒高度减小，防撞梁取消下边的翻边。模型如图5所示。

3）防撞梁中间隔板加厚，考虑抗弯刚度。模型如图6所示。

4）为了提高防撞梁抗弯刚度，将结构由“日”字形改成“目”字形， Z 向高度增加，同时增加厚度。模型如图7所示（保证发动机进气量，吸能盒下移）。

5）对铝合金防撞梁及吸能盒进行尺寸优化。以车身最大加速度、部件侵入量、防撞梁总成质量为响应，以Kriging代理模型构建响应面，NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化。模型如图8所示。

3 整车CAE仿真与试验验证

3.1 防撞梁总成整车碰撞仿真

对优化完成的铝合金防撞梁进行整车碰撞仿真分析，验证是否满足性能要求。整车正面50%偏置碰撞仿真分析结果见表3。整车正面100%刚性碰撞结果见表4。由碰撞仿真结果可知铝合金防撞梁满足要求。

3.2 整车碰撞试验

对优化完成的前防撞梁进行整车正面50%偏置碰撞试验，如图9所示。仿真结果如图10所示，可知防撞梁的折弯距离为458mm。整车碰撞试验如图11所示，防撞梁折弯距离为450mm。对比可知防撞梁和吸能盒的变形情况，仿真与试验一致。

对优化完成的前防撞梁进行整车正面100%刚性碰撞试验，如图12所示。防撞梁碰撞仿真结果如图13所示，碰撞结果如图14所示，对比可得防撞梁和吸能盒变形情况，仿真与试验一致。

4 结论

1）将原车型钢制防撞梁采用铝合金进行替换，并通过C-NCAP行人保护柔性腿型碰撞工况结果，得出可以使用铝合金防撞梁替换钢制防撞梁。

2）通过工程经验对铝合金防撞梁的结构进行优化，在确定防撞梁的结构后使用多目标优化对其厚度进行优化。最终铝合金防撞梁质量为5kg，减重5.31kg。

3）对比整车碰撞仿真与试验结果，可得防撞梁和吸能盒变形结果，仿真与试验一致，验证了仿真结果的准确性。

参考文献

[1]肖金涛，张帅，徐锐良，等.碳纤维复合材料防撞梁与铝合金吸能盒低速碰撞轻量化设计优化[J].河南科技大学学报（自然科学版），2021，42（03）：25-32+3-4.

[2]张君媛，刘茜，张乐.基于多工况的乘用车前防撞梁总成轻量化设计[J].汽车安全与节能学报，2017，8（03）：252-260.

[3]刘伟东，薄旭盛，何成.基于轻量化材料防撞梁的低速碰撞性能研究[J].材料导报，2019，33（S2）：468-472.

[4]胡红舟，钟志华.一种汽车防撞梁轻量化结构的仿真分析与试验研究[J].汽车工程，2018，40（08）：918-925.

[5]张友国，宋小文，李卓富，等.电动车仿生铝防撞梁耐撞性设计[J].汽车工程学报，2019，9（02）：89-96.

[6]ZENG F, XIE H, LIU Q.et al.Design and optimization of a new composite bumper beam in high-speed frontal crashes[J].Struct Multidisc Optim 53, 115-122 (2016).https://doi.org/10.1007/s00158-015-1312-2.

[7]PARK D K, JANG C D, LEE S B, et al.Optimizing the shape of a bumper beam section considering pedestrian protection[J].Int.J Automot.Technol.11, 489-494 (2010).https://doi.org/10.1007/s12239-010-0060-y EucWi1Rq5JXCWOMNL0L2XDyV71G+agU48PKXutEtqBdCRU7bmih6D0smoUV7ZZoo