侯路 童鑫 黃歡 李浩亮

摘要：將國內(nèi)輕卡前下部防護(hù)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)對比分析，對現(xiàn)有前下防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計。在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，利用GFRH材料的良好的可設(shè)計性和抗彎性能設(shè)計新前下防護(hù)橫梁，并采用HyperWorks和Ls-Dyna分析軟件對新結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞分析。新結(jié)構(gòu)滿足法規(guī)要求，較原方案相比實物重量減輕36%，實現(xiàn)該零件輕量化的開發(fā)目標(biāo)。該項目在國內(nèi)輕型商用車首次采用GFRH材料，具備行業(yè)領(lǐng)先水平。

關(guān)鍵詞：前下部防護(hù)裝置;輕量化;GFRH材料

中圖分類號：U461.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2018） 02-0021-06

國外許多商用車生產(chǎn)廠家和研究機(jī)構(gòu)都已深入開展商用車的被動安全性的仿真和試驗研究工作，其中包括商用車駕駛室的抗撞性分析、前后防護(hù)裝置分析和碰撞過程中駕駛室內(nèi)乘員傷害分析等。2011年國家借鑒了歐洲ECE-R93法規(guī)制訂了GB26511-2011《商用車前下部防護(hù)要求》，在商用車前部設(shè)計安裝前下防護(hù)裝置，旨在降低乘用車與商用車碰撞后帶給乘用車司機(jī)及乘客的致命傷害。

國內(nèi)商用車前下防護(hù)裝置隱藏于保險杠后，前下防護(hù)由一根橫梁與兩固定支架組成，固定支架固定于車架上。為滿足GB26511-2011中的前下防護(hù)裝置碰撞性能要求，目前大多數(shù)前下防護(hù)裝置采用金屬材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計笨重。

目前飛漲的國際原油價格和日益嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境對汽車的節(jié)能減排提出了更高的要求，在保證安全的前提下，汽車輕量化成為一種有效手段，主機(jī)廠不斷挖掘可輕量化的零部件。

我院為滿足DFAC 2017款年度車型輕量化開發(fā)需求，通過與國內(nèi)知名新材料廠商合作，借鑒國外商用車高分子保險杠的設(shè)計思想，分析競品與自身結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，進(jìn)行了前下部防護(hù)輕量化開發(fā)工作。

1 國內(nèi)前下防護(hù)結(jié)構(gòu)分析

國內(nèi)商用車大多采用金屬保險杠，前防撞梁布置于保險杠下側(cè)，二者為獨立零件。為滿足法規(guī)碰撞要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計笨重，影響整車經(jīng)濟(jì)性、裝配工藝性差、影響整車接近角。結(jié)合市場主流競品，對其結(jié)構(gòu)、重量和法規(guī)性能與公司現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行對比，見表1。

以上五款車型的橫梁都為封閉管梁結(jié)構(gòu)，其中天錦、江淮威斯達(dá)和東風(fēng)D9車型為矩形管梁，一汽解放J6L為雙槽型疊加拼焊成封閉管梁，柳汽乘龍為等直異型斷面橫梁;除天錦安裝支架為鑄件外，其余4款車型都為鈑金拼焊件;天錦重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余四款車型，江淮威斯達(dá)和東風(fēng)D9車型重量差別不大。

2 國內(nèi)前下防護(hù)性能分析

2.1前下防護(hù)裝置強(qiáng)度要求

GB26511法規(guī)適用于安裝在N2和N3類車輛上的前下部防護(hù)裝置，規(guī)定了商用車前下部防護(hù)裝置的設(shè)計要求和碰撞試驗方法，主要對卡車前下防護(hù)裝置進(jìn)行以下三點進(jìn)行碰撞測試。具體碰撞試驗要求如下：

第一、各P1點與切向前軸上的輪胎的最外側(cè)點的縱向平面的距離最大為200 mm，但不包括靠近地面的輪胎的膨脹;各P2點與相互距離為700-1200 mm（包括）的車輛的中間縱向平面相對稱。P3點位移車輛的垂直縱向中間平面上。如果與前下部防護(hù)相關(guān)的車輛的結(jié)構(gòu)和部件位于完全與其縱向中間平面對稱的位移，則在各P1和P2點上的試驗應(yīng)在一邊上進(jìn)行，見圖1。

第二、加載頭的加載面高度不大于250 mm，寬度不大于400 mm，加載力平行于車輛的縱向中心平面，水平施加在各測點上（若結(jié)構(gòu)對稱，可單側(cè)加載）。試驗時應(yīng)盡可能快地施加作用力，裝置應(yīng)經(jīng)受住至少0.2 s的作用時間，P1點施加相當(dāng)于車輛最大總質(zhì)量的50%的水平載荷，最大不超過80 kN，P2點施加相當(dāng)于車輛最大總質(zhì)量100%的水平載荷，最大不超過160 kN。

第三、在試驗過程中以及試驗完畢后，前下部防護(hù)前端面的各測試點到車輛最前端的水平距離應(yīng)不大于400 mm，P1點之間的前下部防護(hù)下邊緣的最大離地間隙應(yīng)不大于450 mm。

2.2前下防護(hù)裝置有限元分析

按照企業(yè)內(nèi)部碰撞分析網(wǎng)格建模要求，采用主流高性能的有限元前處理軟件HyperMesh對以上5種前下防護(hù)進(jìn)行有限元建模，車架縱梁、車架橫梁、前下防護(hù)等鈑金件采用10 mm基本尺寸劃分殼網(wǎng)格，鑄件采用5 mm基本尺寸劃分四面體網(wǎng)格，零件之間連接采用rigidbody單元模擬。

約束車架縱梁截斷處的6個自由度，并根據(jù)法規(guī)要求在P1點和P2點給剛性壓板施加1.5 m/s的速度邊界，見圖2。將模型邊界設(shè)定好后，采用通用顯式動力學(xué)分析軟件Ls-Dyna進(jìn)行求解計算，通過接觸力輸出判斷結(jié)果，P1點結(jié)果見圖3。

從仿真結(jié)果表2得出，東風(fēng)天錦P1點和P2點仿真結(jié)果都滿足法規(guī)要求，但重量較重;一汽解放J6L比江淮威斯達(dá)性能略好，且總量還輕;柳汽乘龍車型性能最差，這也是總量最輕原因之一;雖然東風(fēng)D9車型和江淮威斯達(dá)車型的橫梁截面尺寸一樣，但東風(fēng)D9車型在P1點處承載比江淮威斯達(dá)要差，主要原因是因為東風(fēng)D9車型非等直梁，在安裝支架處有向后折彎結(jié)構(gòu)，其抗彎性能比等直梁差。在P2點承載東風(fēng)D9車型表現(xiàn)比一汽解放J6L和江淮威斯達(dá)好，因東風(fēng)D9車型橫梁安裝支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比二者好。東風(fēng)天錦性能最好，重量最重，一汽解放J6L性能次之，但重量最輕（不考慮柳汽乘龍），性價比最好，見圖3。

東風(fēng)D9車型有一系列車型，其最大設(shè)計總質(zhì)量從8噸至16噸不等，目前前下防護(hù)結(jié)構(gòu)只能滿足部分車型法規(guī)要求，如果在采用鈑金結(jié)構(gòu)或鑄件結(jié)構(gòu)，使P1點承載載荷提升至80 kN，預(yù)估其前下防護(hù)總重會達(dá)到60-80 kg左右，結(jié)構(gòu)會顯得非常笨重。目前市場上諸多輕卡車型的前下防護(hù)性能類似柳汽乘龍車型，采用鈑金件，且總量較輕，但不滿足法規(guī)。東風(fēng)輕卡D9車型根據(jù)項目開發(fā)目標(biāo)，不僅需要滿足承載80kN要求，還需考慮輕量化目標(biāo)，針對開發(fā)目標(biāo)，項目組決定采用新材料和新結(jié)構(gòu)進(jìn)行前下防護(hù)輕量化設(shè)計。

3 前下防護(hù)裝置輕量化開發(fā)

3.1前下防護(hù)裝置輕量化設(shè)計

東風(fēng)D9車型前下部防護(hù)橫梁采用DL510矩形鋼管結(jié)構(gòu)，為使性能滿足法規(guī)碰撞要求，需提高防撞橫梁的X向彎曲剛度，斷面尺寸設(shè)計為120×80mm，零件本體重量達(dá)34.5kg，見圖4。

為實現(xiàn)前下防護(hù)裝置橫梁進(jìn)行了輕量化設(shè)計，橫梁總成采用CFRT+LFT復(fù)合材料。該材料密度小、彎曲強(qiáng)度高，加工工藝性較好，采用模壓工藝成型，見表3。橫梁由原始重量34.5 kg降至12kg。橫梁總成兩端與原始結(jié)構(gòu)形式一樣向后有一定角度折彎，槽型面板材料為CFRT材料，內(nèi)部布置高度密集的加強(qiáng)筋LFT材料，橫梁安裝支架不做更改，見圖5。

通過Ls-Dyna分析，該材料、結(jié)構(gòu)的橫梁P1點受力情況見圖6，其最大承載為40 kN，不滿足80 kN性能目標(biāo)要求。

3.2前下防護(hù)裝置輕量化改進(jìn)

通過不斷調(diào)整橫梁里加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)形式，其效果依然不理想，由于結(jié)構(gòu)本身缺陷即橫梁兩端向后有一定角度折彎，導(dǎo)致其P1點承載始終無法達(dá)到80kN。為了解決此問題，與總布置協(xié)調(diào)，現(xiàn)將橫梁改為等直結(jié)構(gòu)，且橫梁材料改為強(qiáng)度更高的復(fù)合材料GFRH，見表3。新結(jié)構(gòu)設(shè)計成類似“目”字型，為增加X向抗彎剛度，在內(nèi)部設(shè)計了三條加強(qiáng)筋，豎直方向一條加強(qiáng)筋，見圖7。

前下防護(hù)總成在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，左右各增加一個料厚為3 mm的金屬矩形盒，金屬矩形盒與原有安裝支架進(jìn)行焊接，再與橫梁通過高強(qiáng)度膠粘連接。橫梁與金屬矩形盒總重為15 kg，比原有橫梁結(jié)構(gòu)34.5 kg降重比達(dá)56.5%，新前下防護(hù)總成總量為34.2 kg，比原始前下防護(hù)總成53.7 kg降重比達(dá)36.3%。

通過Ls-Dyna分析，該材料結(jié)構(gòu)的橫梁P1點受力情況見圖8，其在承受80 kN時P1點位移為90 mm左右，滿足法規(guī)要求。P2點同樣滿足法規(guī)要求，其變形量更小。

4總結(jié)

目前國內(nèi)輕卡前下防護(hù)都采用的金屬結(jié)構(gòu)，如開發(fā)滿足P1點80kN和P2點160kN承載要求的前下防護(hù)，其結(jié)構(gòu)會比較笨重;DFAC針對輕量化課題，通過與國內(nèi)知名新材料廠商一時代新材合作，采用復(fù)合材料替代金屬橫梁，開發(fā)出了較輕總成質(zhì)量34.2kg，性能滿足法規(guī)要求的前下防護(hù)，具備行業(yè)領(lǐng)先水平。

GFRH（纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）是一種高性能新型材料，具有抗拉強(qiáng)度高、抗腐蝕、重量輕、可設(shè)計性良好等特點。本項目零件利用該材料的良好的可設(shè)計性，根據(jù)前防護(hù)設(shè)計需求采用不同纖維材料和鋪層方式，通過有限元軟件LS-DYNA分析其P1或P2點承載能力，判斷其結(jié)構(gòu)是否滿足法規(guī)要求，最終橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計為金屬材料無法制造的類似“目”型方管型材，在實現(xiàn)輕量化的同時結(jié)構(gòu)極大的增加了防撞橫梁的彎曲強(qiáng)度。