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前防撞梁总成作为车身的最前端，在行人保护、提高车辆的维修经济性、提升碰撞安全性、提高白车身的扭转弯曲刚度等方面起着重要的作用。前防撞梁总成一般由防撞梁主梁、两侧的吸能盒、端部封板三个部分组成。前防撞梁总成属于总装件，如果是全铝合金零件，则可以不通过涂装车间，直接送到总装车间进行装配。
上一案例描述和验证了前纵梁材料选型的情况；本案例将以前防撞梁型材件为例，阐述主梁截面仿生设计选型。在车辆碰撞过程中，防撞梁主梁需要将碰撞能量尽可能均匀地传递给两侧的吸能盒部件，因此主梁需要具备较高的抗弯强度。同时，防撞梁主梁本身的型材强度发生溃缩变形时也会吸收一部分的碰撞能量。为了使防撞梁主梁达到有效传递能量和吸能的作用，需要从结构及材料两方面进行设计。市场上大部分车型的铝合金前防撞梁主梁截面以“日”字形、“目”字形、“田”字形为主。考虑到挤压工艺，截面以“日”字形、“目”字形居多，基本料厚多为3mm。
为了进一步研究截面与防撞梁碰撞性能之间的关系，从自然界典型的承力结构中借鉴了蝎子壳梯度形（以下简称梯度形）、蜗牛壳形、蜘蛛网形和胚胎球形，得到四类不同的仿生截面B、C、D、E方案，并和对照组A进行对比，如图2-41所示。这四类截面保留了生物体原有的基本特征，并进行了抽象和重构。
图2-41 铝合金前防撞梁主梁的仿生截面
梯度形设计是生物材料普遍采用的基本性能优化策略之一，可获得梯度变化的力学性能，实现局域刚度、强度与韧性的优化分布与相互匹配；蜗牛壳作为蜗牛的“房子”，能承受比自重大2200倍的压力，为蜗牛免受其他生物的伤害和冲击提供了有力的保护，这与贝壳仿生结构的力学特性类似；蜘蛛网所具有的独特几何外形，具有较高的强度和柔性；胚胎球形是大部分卵生动物或哺乳动物在母体胚胎时的形态，当受到冲击时，能最大限度地分散吸收的能量以减少损伤。基于一款两座高速电动汽车的工况进行分析，整备质量约为933kg，防撞梁主梁中心线离地间隙 h = 455mm。模拟正面碰撞速度为50km/h，壁障等碰撞模型依据GB 11551—2014《汽车正面碰撞的乘员保护》，简化后的铝合金前防撞梁正面碰撞模型如图2-42所示。
图2-42 简化后的铝合金前防撞梁正面碰撞模型
为了分析车辆发生正面100%刚性壁障碰撞（FFB）时铝合金防撞梁仿生截面的作用，通过减少弱相关因素的影响，对模型进行了简化。选择 X 向长度 D 1 = 200mm的前防撞梁总成，以及前纵梁 D 2 =400mm的数据作为碰撞零件，将车体其他部分简化为一个长方体。分析时，重点关注前防撞梁和纵梁前段变形区压溃的仿真结果。
在正面40%偏置可变形壁障碰撞（ODB）工况下，良好的防撞主梁刚度能使碰撞力较均匀地传递到左右前纵梁，从而对碰撞结果产生积极影响。因此，建立了三点弯曲模型对防撞主梁的静态刚度进行分析计算，如图2-43所示。
图2-43 防撞主梁三点弯曲模型
式中， k 是弯曲刚度（N/mm）； F 是施加在主梁的作用力（N）； δ 是由力产生的最大位移（mm）。
利用Hypermesh软件建立有限元模型，零部件网格主要采用四边形壳单元模拟，网格平均尺寸为5mm×5mm；防撞梁总成内部的缝焊连接采用Rigid单元模拟，防撞梁总成和纵梁之间的螺栓连接采用Rigid单元模拟，纵梁内板和纵梁外板之间的点焊焊接采用六面体单元模拟。使用Radioss软件进行非线性求解，各主要零件的力学性能参数见表2-10。
表2-10 各主要零件的力学性能参数
分别对对照组防撞梁和四类仿生截面防撞梁对应的模型在同等计算条件下进行求解。不同截面防撞梁在15ms时的碰撞变形图如图2-44所示，从碰撞变形来看，方案A、B、E的防撞主梁两端完全压溃，而方案C、D的防撞主梁两端并未完全变形；从碰撞主梁中间区域的位移量来看，方案A和方案E的位移量最大，方案B的位移量最小。从弯曲刚度的计算结果来看（图2-45），方案A的弯曲刚度最小，方案B和方案E的弯曲刚度相差不大，方案C和方案D的弯曲刚度最大，基本和正面碰撞时主梁的变形模式吻合。
图2-46所示为5个方案碰撞压溃过程中的防撞主梁的吸能量对比。分析5条吸能曲线，总吸能量大小顺序为：梯度形>蜘蛛网形>胚胎球形>蜗牛壳形>对照模型。
图2-44 碰撞15ms时的变形图
图2-45 防撞主梁的弯曲刚度
图2-46 不同截面防撞主梁吸能量对比
5个方案碰撞前20ms的B柱加速度变化曲线如图2-47所示。图中B柱加速度达到最大时，是吸能盒压溃后的加速度值。根据工程经验值，在前20ms防撞梁压溃的过程中，B柱加速度值在275～343m/s 2 之间比较理想。过大，则对乘员伤害加大；过小，则影响安全气囊的及时点爆。对比碰撞过程，分析图2-47的加速度曲线可以发现，方案A和方案B的峰值都超过了343m/s 2 ，而方案C、方案D和方案E的峰值都在理想区间内。
图2-47 碰撞前20ms的B柱加速度变化曲线
对于防撞梁方案优劣的评估，最重要的4个评估因素分别是防撞梁总成重量、20ms内B柱最大加速度、防撞主梁吸能量大小和防撞主梁弯曲刚度。5个方案的评估因素值见表2-11。
表2-11 5个方案的评估因素值
根据统计学方法，将各评估因素的工程数值依照线性一次方程量化为得分：重量从1.5～3kg的得分分别是10～6分；综合车身结构耐撞性以及约束系统匹配要求，设定加速度在275～343m/s 2 区间内的评为10分，343～392m/s 2 区间内的得分分别为10～6分，245～275m/s 2 区间内的得分分别为6～10分；结合前防撞梁吸能量对碰撞的影响，设定吸能量在4.5～10kJ区间内的得分分别为6～10分，吸能量在3～4.5kJ区间内的得分分别为3～6分；结合弯曲刚度对偏置碰撞时均匀分配力的影响，设定刚度值在0～6000N/mm区间内的得分分别为0～6分，刚度值在6000～18000N/mm区间内的得分分别为6～10分。
建立数学模型。对于多变量的方程为
式中， Y 是方案的综合得分，满分是10分；自变量 X 1 、 X 2 、 X 3 、 X 4 分别是重量、加速度、防撞主梁吸能量和弯曲刚度的得分； a 、 b 、 c 、 d 分别是相关性系数，根据本项目的偏好与侧重点，取值分别定义为35%、20%、30%和15%。
各方案具体的评分见表2-12。
表2-12 A～E方案综合得分
由表2-12可知，方案E的综合得分最高，为8.57分，在几个仿生截面中最符合本项目的设计目标要求。从表2-11可得，与对照组的口字形防撞梁相比，E方案重量增加18%，防撞主梁吸能量增加37%，最大加速度降低18.3%达到314.5m/s 2 ，在理想目标区间内，弯曲刚度则提升16.3%。
以上研究对比了四类仿生截面对防撞梁的正面碰撞影响，从而得出胚胎球形是最佳方案。将具有胚胎球形截面的防撞梁结构作为测试对象，探索了不同数量的胚胎球形对防撞梁耐撞性仿真结果的影响。建立数学模型为
式中， Y （ β ， δ ）是目标函数，它也是式（2-2）中的方案综合得分； β 是不同球形数量和排布； δ 是防撞主梁不同区域的料厚。
为探究不同数量胚胎球形在防撞主梁腔体内的不同排布对正面碰撞的影响，先取 δ =2。为了简化计算过程，又设计了2个球形、3个球形、4个球形、5个球形共四个方案与1个球形方案进行对比，如图2-48所示。
图2-48 防撞梁不同球形数量和排布
由LS-DYNA仿真计算后得出各方案在碰撞15ms时的变形结果，如图2-49所示。由图可知，方案E、E1、E3的防撞主梁两端压溃变形良好，方案E2和E4防撞主梁两端变形不够充分。各方案主梁的弯曲刚度结果如图2-50所示，从E、E1、E2、E3到E4，弯曲刚度逐渐提升，基本和正面碰撞时主梁的变形模式吻合。
图2-49 碰撞15ms时的变形结果
各方案的评估参数见表2-13。由表可知：在防撞主梁吸能量方面，吸能量最多的是方案E3，吸能量为8.35kJ；在碰撞20ms内加速度的表现方面，方案E和E1是最优的；在重量和弯曲刚度方面，球形数量越多，重量越重，弯曲刚度越大。
根据式（2-3）的计算方式，各方案的综合得分见表2-14。
图2-50 弯曲刚度结果
表2-13 E～E4方案的评估参数
表2-14 E～E4方案综合得分
从力的传递路径角度分析，E、E1和E3由于传力路径是直线，容易压溃；E2的3个球形组成三角形，结构稳定，不容易压溃变形；E4更是组成了两个稳定的三角形稳定路径，如图2-51所示。从几个方案的碰撞变形结果以及吸收能量的大小来看，也验证了这一点。
图2-51 防撞主梁受力分析图
通过对上述不同结构的分析得知，方案E1的两个球形防撞主梁的综合得分最高，为8.75分，在几种球形排布方案中最符合本项目的设计目标要求；在受到同样冲击载荷情况下，球的排布沿着受力方向“一”字形排布，比三角形排布方式更有利于压溃变形；在球的排布为沿着受力方向“一”字形排布时，如果压溃变形良好，那么球的数量越多，吸收的能量越多。
在方案E1的基础上，仅通过更改两个球形防撞主梁的不同料厚组合，研究料厚对碰撞结果的影响。研究结果表明，如果料厚太厚，则压溃变形不充分，吸能水平降低。如果料厚太薄，则可压溃的材料不足，吸能量也会降低。
通过模拟仿真，对基于仿生形状截面的铝合金前防撞梁的正面碰撞进行了系统研究，得出以下结论：
1）研究了梯度形、蜗牛壳形、蜘蛛网形和胚胎球形四类不同的截面形状防撞梁应用在电动汽车上时对正面碰撞的影响。综合考虑轻量化、碰撞加速度、防撞主梁的吸能量和弯曲刚度，发现胚胎球形截面防撞梁的设计能够使前防撞梁的传力合理，提高耐撞性能和吸能效果。与对照组口字形防撞梁相比，防撞主梁的重量增加18%，吸收能量增加37%，最大加速度降低13.8%，刚好在理想的目标区间内，而弯曲刚度则提升16.3%。
2）为了探究不同球形数量在防撞主梁腔体内的不同排布对正面碰撞的影响，又设计了2个球形、3个球形、4个球形、5个球形共4个方案的仿真计算，再将其结果与1个球形方案进行对比，得出2个球形方案的综合得分最高。与1个球形方案对比，2个球形方案的防撞主梁重量几乎不增加，加速度仍然在理想范围内，但是吸收能量增加14.5%，刚度提升0.5%。
3）对于每个车型的铝合金防撞主梁，其耐撞性一般都有最优匹配值。在材料和结构不变的情况下，防撞梁的料厚过厚或者过薄都会减少正面碰撞的吸能量。