李亞妮 楊麗 張澤昭 習(xí)呂鵬

（陜西重型汽車有限公司，西安 710200）

1 前言

前下防護裝置是由橫向構(gòu)件組成的安裝或連接在車架或其他結(jié)構(gòu)件上的裝置，在商用車整車碰撞安全中起重要作用[1]。前下防護裝置設(shè)計直接影響整車碰撞結(jié)果。因此，標(biāo)準(zhǔn)GB 26511—2011《商用車前下部防護要求》強制規(guī)定了商用車前下防護裝置的安全性能要求。

目前，已開發(fā)使用的前下防護裝置，按照制造材料類型，主要有以下2 種：普通鋼材及鋁合金前下防護裝置。普通鋼材前下防護裝置優(yōu)點為成本低，缺點是質(zhì)量大，有悖于產(chǎn)品輕量化需求；鋁合金材料密度低，達到同樣強度條件下，比鋼材可降重40%左右，但應(yīng)用在前下防護裝置成本高[2]。熱成型鋼是減輕車身質(zhì)量、提高汽車抗沖擊和防撞性能的主要材料之一，將其應(yīng)用在前下防護橫梁，能夠很好地解決普通鋼材前下防護裝置笨重及鋁合金前下防護價格昂貴問題。與傳統(tǒng)冷沖壓工藝相比，輥壓成型工藝更容易控制回彈而實現(xiàn)較好的成型精度，尤其適宜于超高強鋼等低延伸率、高回彈的材料成型[3]。因此，采用熱成型鋼材料，通過零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從輕量化角度出發(fā)開發(fā)出一種滿足法規(guī)要求的前下防護裝置，并完成CAE 靜態(tài)結(jié)構(gòu)強度分析及剛性試驗臺碰撞試驗驗證。

2 前下防護裝置設(shè)計要求

前下防護裝置一般位于車架下方、保險杠的后方，根據(jù)商用車前下防護法規(guī)要求，前下防護裝置設(shè)計時應(yīng)滿足相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸及強度要求。

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸要求

a.前下防護裝置的橫向構(gòu)件的斷面高度，對N3 類車輛不小于120 mm，寬度小于前輪擋泥板的最外寬，且單側(cè)至前輪最外處距離小于100 mm。裝置最下邊緣離地間隔小于400 mm。

b.前下防護裝置的外表面應(yīng)為光滑表面。螺釘或鉚釘?shù)念^部凸出該表面的高度不大于10 mm。

2.2 結(jié)構(gòu)強度要求

2.2.1 加載點位置確定

按照法規(guī)要求，對N3 類商用車前下防護裝置，各P1 點與切向前軸上輪胎的最外側(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700～1 200 mm（包括）的車輛的中間縱向平面相對稱，P3 點位于車輛的垂直縱向中間平面上。如果與前下防護相關(guān)的車輛結(jié)構(gòu)和部件位于完全與其縱向中間平面為軸對稱，則P1 和P2 點可只測左右兩側(cè)中的一個點，見圖1。

圖1 P1、P2、P3點示意

2.2.2 試驗載荷的確定

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，水平施加在各測試點上（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，裝置可經(jīng)受住至少0.2 s 的作用時間，加載力值如表1所示。

表1 碰撞試驗各測試點加載力

3 前下防護橫梁開發(fā)現(xiàn)狀

商用車前下防護裝置一般由防撞橫梁、加強板、左右安裝支座、塑料堵蓋等組成。防撞橫梁主要承受車輛碰撞時的沖擊力，加強板根據(jù)下防護裝置強度要求設(shè)計，使前下防護總成在滿足結(jié)構(gòu)強度要求的同時，盡可能實現(xiàn)輕量化。安裝支座的作用是連接防撞橫梁和車架，同時起到傳遞沖擊力到車架的作用；塑料護蓋安裝在防撞橫梁的兩端起保護作用，防止金屬邊緣劃傷行人。

傳統(tǒng)的前下防護橫梁是由低強度鋼板經(jīng)冷沖壓成形，然后各零部件經(jīng)焊接加工成橫梁總成，隨著整車輕量化及碰撞安全性能要求的提升、先進材料開發(fā)及工藝技術(shù)的完善，逐漸開發(fā)出高強度鋼板輥壓成型的橫梁、熱成型橫梁和鋁制橫梁。目前開發(fā)的各種工藝及典型斷面結(jié)構(gòu)橫梁如圖2所示。

圖2 不同工藝及其典型前橫梁截面形狀示意

根據(jù)前期研究[4]，在抗彎性能相當(dāng)?shù)那闆r下，輥壓成型橫梁的料厚最薄，熱成型橫梁的質(zhì)量最輕，而傳統(tǒng)的冷沖壓橫梁質(zhì)量最重；在等質(zhì)量的情況下，熱成型橫梁的抗彎性能最好，而傳統(tǒng)冷沖壓橫梁抗彎性能最差；在等料厚的情況下，輥壓前橫梁的抗彎性能較好，且隨著變形量的推移，同等抗彎強度的輥壓前橫梁的抗彎性能隨時間的推移衰減最小。根據(jù)上述研究成果，采用熱成型鋼是提高橫梁抗彎性能和實現(xiàn)輕量化的最佳方案。熱成型鋼橫梁采用輥壓成型工藝，在滿足結(jié)構(gòu)強度要求的同時，可進一步實現(xiàn)輕量化。

4 前下防護裝置方案優(yōu)化

4.1 傳統(tǒng)前下防護方案

某企業(yè)已開發(fā)的滿足法規(guī)要求前下防護橫梁總成有高強鋼與鋁合金2 種方案。高強鋼方案橫梁采用750 MPa 高強鋼材料，斷面外形尺寸120 mm×68 mm，橫梁重約17 kg?？紤]到P1、P2 點的強度要求，采用“U”型槽鋼對橫梁進行加強，加強板重約14 kg；加強板焊接在橫梁內(nèi)側(cè)構(gòu)成橫梁總成，橫梁總成與左右連接支座螺接固定。鋁合金前下防護橫梁采用6xxx 鋁合金，橫梁截面為“目”字型，截面外形尺寸為120 mm×60 mm，橫梁通過布置在橫梁后方的斜支撐進行加強。橫梁總成重約19 kg。橫梁總成與左右連接支架焊接。圖3 為傳統(tǒng)前下防護橫梁總成方案示意。

圖3 傳統(tǒng)前下防護橫梁總成方案示意

4.2 輕量化熱成型鋼方案

熱成型鋼前下防護裝置是在傳統(tǒng)高強鋼前下防護裝置基礎(chǔ)上，對橫梁進行材料、工藝及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4.2.1 材料及工藝優(yōu)化

將橫梁材料由750 MPa 高強鋼優(yōu)化為1 500 MPa 超高強鋼，橫梁成型工藝由冷輥壓升級為熱輥壓成型。

4.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

橫梁截面尺寸由“日”字型優(yōu)化為異型截面管材，根據(jù)前期對不同材料強度級別、不同厚度前下防護研究結(jié)果可知[4]，截面寬度由68 mm 優(yōu)化為80 mm。結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖4 所示。

按照彎曲強度理論，彎曲作用下的變形或撓度不僅取決于載荷的大小，還與界面的幾何特性有關(guān)。矩形截面的慣性矩計算公式為表示的矩形截面尺寸如圖5 所示。

圖5 矩形截面示意圖

從上述公式可以看出，Ix與矩形截面尺寸b3成正比，增加b值，可顯著提高型材Ix值。因此，熱成型鋼輕量化方案將型材b值由68 mm 提高到80 mm，在高度和厚度等同的情況下，顯著提升其彎矩值。在橫梁彎矩增加的情況下，考慮將加強板尺寸由1 700 mm 整體式“U”型優(yōu)化為分段式“U”型結(jié)構(gòu)，以期保證強度及剛度的前提下，實現(xiàn)橫梁總成輕量化。因加強板主要增加P1、P2 位置的強度及剛度，結(jié)合前期研究結(jié)果，在P2 點位置對稱布置長300 mm 加強板與橫梁焊接。橫梁總成與支架采用螺栓連接，橫梁上螺栓孔為長圓孔，方便安裝時進行位置調(diào)整，熱成型鋼橫梁總成示意圖如圖6 所示。

圖6 熱成型鋼前下防護總成示意

5 強度分析驗證

5.1 CAE結(jié)構(gòu)強度分析

碰撞仿真分析時車架托架、支架總成及連接支架總成設(shè)為剛體并對以上零件全約束。

采用寬400 mm，高250 mm 的平面壓頭對P1、P2 點施加相應(yīng)的加載力，各加載點位置及載荷大小，按照法規(guī)GB 26511—2011《商用車前下部防護要求》的要求確定。施加載荷后防撞梁Z方向離地≤450 mm，X方向距離車輛最前端≤400 mm。

分析時，P1、P2 點加載頭施加一加載曲線，加載總時間為0.3 s，其中前0.1s 加載力從0 增加到80 kN（P2 點加載力為160 kN），后0.2 s 加載力保持80 kN（P2 點160 kN），加載面與下防護橫梁面面接觸。加載過程P1、P2 點X向位移及應(yīng)變結(jié)果如圖7 所示。

圖7 CAE分析結(jié)果

從分析結(jié)果可知，P1 點加載時，X向最大位移為64 mm；P2 點加載時，X向最大位移19 mm。兩點加載時，橫梁總成變形均小于法規(guī)要求的400 mm，加載過程所有材料的最大應(yīng)變也均小于其所使用材料得斷裂延伸率。CAE 分析結(jié)果表明優(yōu)化方案滿足法規(guī)結(jié)構(gòu)強度要求。

5.2 碰撞試驗分析

為進一步證明熱成型鋼前下防護橫梁總成的吸能性及耐撞性，采用剛性試驗臺進行碰撞試驗，驗證碰撞過程橫梁加載力與位移的變化過程，如圖8 所示。

圖8 剛性試驗臺碰撞試驗結(jié)果

從碰撞試驗結(jié)果可知，按照GB 26511—2011《商用車前下部防護要求》的試驗要求，P1、P2、P3點均滿足結(jié)構(gòu)強度要求，該前下防護裝置滿足要求。

5.3 優(yōu)化方案分析

傳統(tǒng)前下防護方案與熱成型鋼方案其質(zhì)量對比分析如表2 所示。

表2 不同方案橫梁總成質(zhì)量及成本分析

6 結(jié)論

a.熱成型鋼前下防護裝置CAE分析結(jié)果與剛性試驗臺碰撞試驗驗證結(jié)果吻合，驗證結(jié)果均滿法規(guī)GB 26511—2011《商用車前下部防護要求》的要求；

b.相比普通高強鋼前下防護橫梁總成，在同等抗彎強度情況下，熱成型鋼前下防護橫梁總成可實現(xiàn)降重11kg，降幅37%。

c.相比鋁合金前下防護橫梁總成，熱成型鋼前下防護方案在質(zhì)量接近的情況下成本降低40%。