王剛剛，張海波，張西富，龔利全，張寶杰

（河南速達(dá)電動(dòng)汽車科技有限公司 技術(shù)中心 產(chǎn)品工程部，河南，三門峽 472000）

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)汽車的節(jié)能減排、舒適性及安全性要求不斷提高，各大主機(jī)廠著力研發(fā)適應(yīng)各種不同目的和用途的車型以及車輛的更新?lián)Q代，被動(dòng)安全性又是整車開發(fā)性能的核心。整車被動(dòng)安全性主要用于保護(hù)乘員及減少碰撞對(duì)乘員帶來的損害[1]。由此可見，輕量化又是有效解決節(jié)能、安全、環(huán)保的手段之一。因此，一個(gè)既能滿足輕量化要求，又具有良好耐撞性的整車結(jié)構(gòu)是各大汽車主機(jī)廠研發(fā)產(chǎn)品時(shí)所追求的目標(biāo)[2]。近年來，胡遠(yuǎn)志等[3]通過有限元法及實(shí)車碰撞試驗(yàn)對(duì)某車型的正面耐撞性及輕量化進(jìn)行研究，在保證車身滿足各性能要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)車身輕量化。洪求才等[4]通過對(duì)前縱梁、副車架和前防撞梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研發(fā)了一款五星級(jí)碰撞車身，并通過有限元法對(duì)其進(jìn)行分析研究，在車身達(dá)到輕量化要求的同時(shí)，改善了整車安全性。

本研究以速達(dá)公司某款車型為基礎(chǔ)，進(jìn)行改型開發(fā)，通過優(yōu)化前防撞梁、前縱梁及防火墻等主要吸能部件的結(jié)構(gòu)和材料，研發(fā)了一款既滿足耐撞性、又達(dá)到輕量化要求的A 級(jí)轎車。通過有限元法及實(shí)車碰撞試驗(yàn)對(duì)耐撞性及輕量化方案進(jìn)行分析和驗(yàn)證，分析結(jié)果可為后續(xù)車型開發(fā)提供技術(shù)參考。

1 基礎(chǔ)車型仿真分析

以速達(dá)公司某款車型為基礎(chǔ)，進(jìn)行50 km/h 的正面100%剛性墻碰撞試驗(yàn)，同時(shí)建立整車正面碰撞仿真模型，得到如圖1 ～3 所示的碰撞結(jié)果。從前防撞橫梁、吸能盒及車身B 柱左側(cè)碰撞加速度結(jié)果可以看出，前防撞梁、吸能盒變形模式仿真與試驗(yàn)結(jié)果一致，碰撞加速度曲線的波形變化趨勢(shì)及峰值與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件變形模式經(jīng)過對(duì)標(biāo)也與試驗(yàn)一致，說明建立的碰撞模型能夠準(zhǔn)確地反映試驗(yàn)狀態(tài)，可作為整車仿真分析及優(yōu)化的基礎(chǔ)模型。

圖1 試驗(yàn)與仿真基礎(chǔ)模型碰撞結(jié)果

圖2 試驗(yàn)與仿真前防撞梁及吸能盒結(jié)果對(duì)比

圖3 車身B 柱下部左側(cè)加速度試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

2 性能優(yōu)化方案

從碰撞仿真及試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，吸能盒的壓潰變形不理想，偏離軸向壓潰，沒有達(dá)到良好的吸能效果，如圖2 所示，這是由于吸能盒截面長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成吸能效果不理想?？紤]到車型開發(fā)及輕量化要求，將基礎(chǔ)車型拼焊的鋼制前防撞梁替換為T6 熱處理工藝的6061 鋁合金前防撞梁，吸能盒優(yōu)化為加長(zhǎng)六邊形結(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)引導(dǎo)孔，防撞橫梁優(yōu)化為擠壓工藝成型，如圖4 所示。通過碰撞試驗(yàn)及仿真分析，鋁合金前防撞梁的強(qiáng)度、剛度、壓潰變形及吸能效果均優(yōu)于鋼制防撞梁[5]。

圖4 前防撞梁優(yōu)化

在碰撞仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)中發(fā)現(xiàn)，縱梁前部和根部無壓潰變形，前縱梁中部折彎變形效果較差，如圖9 所示，前縱梁吸收碰撞能量較少，更多能量傳遞到乘員艙，導(dǎo)致防火墻對(duì)乘員艙的侵入量較大?；谲囆烷_發(fā)要求，優(yōu)化前縱梁結(jié)構(gòu)，在滿足耐撞性的前提下，輕量化達(dá)到最優(yōu)。優(yōu)化方案如圖5、圖6 所示，前縱梁截面結(jié)構(gòu)優(yōu)化，截面結(jié)構(gòu)由原來的寬到窄到寬設(shè)計(jì)優(yōu)化為截面寬度基本不變；前縱梁內(nèi)外板結(jié)構(gòu)優(yōu)化，且材料均由B250P1/2.0 mm 改為（B340/590DP）/1.5 mm。

圖5 前縱梁截面及內(nèi)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖6 前縱梁外板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

吸能盒和前縱梁沒有達(dá)到良好的吸能效果，防火墻的侵入量達(dá)到158.5 mm，不利于乘員生存。為了提高車輛的安全性，對(duì)防火墻進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方案如圖7 和圖8 所示。防火墻材料由DC05 改為DC04，厚度不變；防火墻左/右加強(qiáng)板材料由B170P1 改為B340LA；防火墻兩側(cè)新增防火墻左/右加強(qiáng)梁，材料為（B340/590DP）/1.2 mm。

圖7 防火墻及防火墻加強(qiáng)板優(yōu)化

圖8 防火墻加強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)

3 優(yōu)化結(jié)果分析

在車輛改型開發(fā)中，根據(jù)前艙布置的變化，對(duì)車身前防撞梁、前縱梁及防火墻等部件進(jìn)行優(yōu)化，在整車耐撞性指標(biāo)達(dá)到改型開發(fā)要求的前提下，達(dá)到輕量化目的，優(yōu)化前后的質(zhì)量變化見表1。對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行實(shí)車碰撞試驗(yàn)及模擬仿真，結(jié)果如圖9 ～13 所示。前縱梁的變形模式明顯改善，前部和中部發(fā)生折彎變形，變形效果優(yōu)于優(yōu)化前，說明前縱梁的截面形狀影響縱梁的變形模式，前縱梁前后截面形狀設(shè)計(jì)一致時(shí)，變形效果理想。吸能盒壓潰變形充分，未偏離軸向壓潰，變形效果及軸向穩(wěn)定性優(yōu)于優(yōu)化前。這與圖10 中的試驗(yàn)結(jié)果相吻合，說明優(yōu)化后的前縱梁和吸能盒吸能效果較優(yōu)，使更少的能量傳遞到乘員艙，這也與圖12 的模擬結(jié)果相吻合，說明優(yōu)化后前縱梁吸收能量是優(yōu)化前的2.37倍，吸能盒吸收能量是優(yōu)化前的1.23 倍，同時(shí)，優(yōu)化后防火墻的最大侵入位移由原來的158.5 mm降低為143.9 mm，車身B 柱下部加速度由原來的431.592 m/s2降低為416.304 m/s2，見表2。優(yōu)化后碰撞加速度曲線的波形變化趨勢(shì)及峰值與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。

圖9 前縱梁變形模式優(yōu)化對(duì)比

圖10 優(yōu)化后前防撞梁的變形模式

表1 優(yōu)化部件質(zhì)量變化

表2 優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

圖11 防火墻侵入位移優(yōu)化對(duì)比

圖12 前縱梁和吸能盒吸能優(yōu)化對(duì)比

圖13 優(yōu)化后B 柱下部左側(cè)加速度試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

對(duì)改型開發(fā)前后白車身的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行仿真模擬，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算，得到結(jié)果如圖14、圖15 及表3 所示。通過對(duì)比可知，改型開發(fā)后白車身的一階模態(tài)、彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度得到提高，說明此優(yōu)化方案可以改善整車的NVH 性能。

圖14 優(yōu)化前白車身扭轉(zhuǎn)剛度曲線

圖15 優(yōu)化后白車身扭轉(zhuǎn)剛度曲線

表3 優(yōu)化前后白車身性能對(duì)比

4 結(jié)論

基于車型開發(fā)要求，對(duì)前防撞梁、前縱梁及防火墻等車身主要吸能部件結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行優(yōu)化，采用有限元法和實(shí)車正面碰撞試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化前后車型的耐撞性及輕量化方案進(jìn)行分析和驗(yàn)證，結(jié)果表明：

（1）實(shí)車碰撞試驗(yàn)與仿真模擬結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了改型開發(fā)中車型的耐撞性及輕量化方案是可行的。

（2）優(yōu)化后，吸能盒、前縱梁的變形模式明顯改善，吸能效果提升；防火墻的最大侵入量減少14.6 mm；整車加速度降低；白車身一階模態(tài)、扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度提升，有效地改善了整車行駛被動(dòng)安全性能和NVH 性能，實(shí)現(xiàn)了車身輕量化。

（3）本研究的優(yōu)化結(jié)果已在速達(dá)某款車型得到應(yīng)用，可為其它車輛改型或開發(fā)提供技術(shù)參考。