基於熱衝壓成型技術的汽車前防撞梁設計
白昆程 高藝紅
摘要：為了達到車身輕量化的目的， 文章以某款轎車基於熱衝壓成型技術的前防撞梁為例， 模擬分析了該車型的前防撞梁在低速碰撞時的工況， 通過計算和對比不同料厚下， 前防撞梁對碰撞時所產生能量的吸收， 為汽車的前防撞梁的設計提供依據。 通過分析表明， 在汽車設計時使用料厚為2．0 mm的熱衝壓防撞梁， 不僅碰撞時所產生的能量吸收最大， 而且是實現汽車輕量化的有效途徑。 該研究為前防撞設計開發提供了一定的理論依據，
關鍵字：汽車；前防撞梁；熱衝壓成型
汽車前防撞梁設計品質的好壞對整車安全性有著重要的影響。 由於汽車前防撞梁在碰撞中吸收衝擊能量的有效性主要取決於防撞梁的彎曲剛度而不是其扭轉剛度， 所以要想達到汽車的輕量化及低成本目的， 可通過開口截面的保險杠防撞梁替代閉口截面的橫樑來實現
。 熱衝壓工藝的使用則解決了這一問題。 文章採用熱衝壓工藝來替代傳統工藝， 實現車輛碰撞吸能和輕量化的雙重目的。 同時借助有限元模擬分析的方法， 在相同的截面和材料的前提下， 進行模擬碰撞分析， 對比不同料厚的前防撞梁在碰撞發生時對能量的吸收，
1汽車低速碰撞要求和模擬方法
1.1汽車低速碰撞的法規要求
GB 17354--1998中對汽車低速碰撞的要求進規定。 要求試驗車輛必須進行對中碰撞試驗和“車， 撞試驗。 “車角”碰撞試驗要求車輛和與車輛縱向對呈60。 角的鉛垂面的切點。 對中碰撞的試驗要求速
km／h， 角度碰撞的試驗要求速度為
km／h撞器的有效品質與試驗車輛的“整車整備品質”豐或者和試驗車輛的“載入試驗車品質”相等。 擺錘高度要求445 mm。
GB 17354--1998也對汽車低速碰撞的評價方行了規定。 要求汽車低速碰撞試驗後，
1.2整車品質模擬方法
由於法規中要求其試驗是在整車上進行的， 所以在分析中必須體現出整車品質。 文中所用車型整車品質為1300 kg， 把該品質載入到保險杠支架後端， 就可以體現出整車品質了。 這種類比方式和試驗方式相同， 所以其類比結果真實有效。
1.3碰撞器(擺錘)系統的類比方法
碰撞器(擺錘)採用剛性體shell單元進行建模， 碰撞時擺錘在錘擊方向速度為4.25 km／h， 其餘方向初始速度為0， 擺錘品質採用1 300 kg。
1.4約束條件
由於法規規定試驗時車輛制動器鬆開， 變速器掛空擋， 而且車輪放正， 由於碰撞速度只有4.25 km／h，
2不同料厚條件下的前防撞梁模擬結果
在汽車前防撞梁設計中， 由於結構、料厚及材料的不同， 會產生不同的機械性能， 所以文章在CAE分析之前， 選擇不同的料厚做模擬分析， 其他條件均不變， 並得出結論。
2.1不同料厚下的材料特性
通過選擇料厚分別為1.2， 1.5， 2.0， 2.5， 3.0 mm的前防撞梁進行模擬分析， 並對比不同料厚的前防撞梁在碰撞發生時能量吸收的大小， 最終選擇合適的料厚並反映到設計當中。 表1示出熱衝壓材料的參數。
2.2不同料厚對碰撞結果的影響
2.2.1料厚為1.2 mm時能量的吸收圖1示出能量吸收曲線(料厚1．2 mm)。 從圖1可以看出， 當擺錘與防撞梁接觸後， 前防撞梁對能量的吸收迅速增大， 當時間為0.07 ms時，防撞梁吸收的能量最大，為8.9 X 10²J，而後衰減。
2.2.2料厚為1.5 mm時能量的吸收
圖2示出能量吸收曲線(料厚1.5 mm)。從圖2中可以看出，當擺錘與防撞梁接觸後，前防撞梁對能量的吸收迅速增大，當時間為0.06 ms時，防撞梁吸收的能量最大．為9.3×10²J．而後衰減。
2.2.3料厚為2.0 mm時能量的吸收
圖3示出能量吸收曲線(料厚2.0mm)。從圖3可以看出，當擺錘與防撞梁接觸後，前防撞梁對能量的吸收迅速增大，當時間為0.05 ms時，防撞梁吸收的能量最大，為9.4×10² J，而後衰減。
2.2.4料厚為2.5 nllll時能量的吸收
圖4示出能量吸收曲線(料厚2.5 mm)。從圖4可以看出，當擺錘與防撞梁接觸後，前防撞梁對能量的吸收迅速增大，當時間為0.05 ms時，防撞梁吸收的能量最大，為8.6×10²J，而後衰減。
2.2.5料厚為3.0 mm時能量的吸收
圖5示出能量吸收曲線(料厚3.0 mm)。從圖5可以看出，當擺錘與防撞梁接觸後，前防撞梁對能量的吸收迅速增大，當時間為0.045 ms時，防撞梁吸收的能量最大，為8.45×10²J，而後衰減。
3結論
為了研究在相同材料和截面情況下，料厚對碰撞能量的吸收情況，對其不同料厚的前防撞梁進行模擬分析。通過計算料厚為1.2，1.5，2.0，2.5，3.0 mm 5種前防撞梁在碰撞發生時對能量的吸收，可以看出，料厚為1.5 mm和2.0 mm時，前防撞梁的能量吸收分別為9.3 X 10²J和9.4×10²J，達到最大，但由於料厚在2.0 mm時吸收能量達到最大值的時間比1.5 mm料厚時短，對碰撞最為有利。所以，在汽車前防撞梁設計時，可以直接採用料厚為2.0 mm的熱衝壓鋼板，不僅可以實現汽車輕量化的目的，而且在汽車低速碰撞時能很好地吸收能量，確保司乘人員和汽車的安全。
當時間為0.07 ms時，防撞梁吸收的能量最大，為8.9 X 10²J，而後衰減。
2.2.2料厚為1.5 mm時能量的吸收
圖2示出能量吸收曲線(料厚1.5 mm)。從圖2中可以看出，當擺錘與防撞梁接觸後，前防撞梁對能量的吸收迅速增大，當時間為0.06 ms時，防撞梁吸收的能量最大．為9.3×10²J．而後衰減。
2.2.3料厚為2.0 mm時能量的吸收
圖3示出能量吸收曲線(料厚2.0mm)。從圖3可以看出，當擺錘與防撞梁接觸後，前防撞梁對能量的吸收迅速增大，當時間為0.05 ms時，防撞梁吸收的能量最大，為9.4×10² J，而後衰減。
2.2.4料厚為2.5 nllll時能量的吸收
圖4示出能量吸收曲線(料厚2.5 mm)。從圖4可以看出，當擺錘與防撞梁接觸後，前防撞梁對能量的吸收迅速增大，當時間為0.05 ms時，防撞梁吸收的能量最大，為8.6×10²J，而後衰減。
2.2.5料厚為3.0 mm時能量的吸收
圖5示出能量吸收曲線(料厚3.0 mm)。從圖5可以看出，當擺錘與防撞梁接觸後，前防撞梁對能量的吸收迅速增大，當時間為0.045 ms時，防撞梁吸收的能量最大，為8.45×10²J，而後衰減。
3結論
為了研究在相同材料和截面情況下，料厚對碰撞能量的吸收情況，對其不同料厚的前防撞梁進行模擬分析。通過計算料厚為1.2，1.5，2.0，2.5，3.0 mm 5種前防撞梁在碰撞發生時對能量的吸收，可以看出，料厚為1.5 mm和2.0 mm時，前防撞梁的能量吸收分別為9.3 X 10²J和9.4×10²J，達到最大，但由於料厚在2.0 mm時吸收能量達到最大值的時間比1.5 mm料厚時短，對碰撞最為有利。所以，在汽車前防撞梁設計時，可以直接採用料厚為2.0 mm的熱衝壓鋼板，不僅可以實現汽車輕量化的目的，而且在汽車低速碰撞時能很好地吸收能量，確保司乘人員和汽車的安全。