某车型前横梁结构优化

王月 孙立志 龚洁 周大永，2 刘卫国，2

（1.浙江吉利汽车研究院有限公司；2.浙江省汽车安全技术研究重点实验室）

前横梁作为车身结构的一个部分，主要承担着抵御碰撞变形和吸收碰撞能量的作用。在正面偏置碰撞中，前横梁可以将碰撞侧的冲击能量传递到非碰撞侧，为碰撞能量的分配与吸收提供传递路径[1]，但其前提条件是碰撞过程中，前横梁不发生断裂失效。要保证前横梁在偏置碰撞中不发生断裂失效或者较为严重的折弯变形，其强度等性能需要满足设计要求。

1 问题分析

在对某车型进行路试试验中，怠速工况水温达到111℃，根据热力学试验标准[2]，此温度值超标。在爬坡和停走工况下，水温均为110℃，水温达到试验标准的最大值，未能达到热平衡，存在风险。

前格栅开孔的正对散热器芯体面积与散热器芯体面积比值，一般要求大于30%。图1示出某车型前格栅结构示意图。蓝色线圈标注的绿色部分的面积为格栅开孔正对的散热器芯体的面积，经计算该车型散热器芯体面积为0.285 m2，格栅开孔正对散热器芯体面积为0.031 m2，格栅开孔正对散热器芯体面积与散热器芯体面积比值为10.8%，即进风比值仅为10.8%，远低于30%的参考值，因此该车型散热器的有效进风面积存在较大风险。

2 技术方案对比

2.1 热成型技术

热成型技术是指将钢板经过950℃的高温加热后一次成型，又迅速冷却，从而全面提升了钢板强度，屈服强度达1 000 MPa，即1 cm2能承受10 t以上的压力。如果将这种材料用在车身上，在车身质量几乎没有太大变化情况下，其承受力能提高30%，使汽车的刚强度达到全新水准。

热成型钢板技术的优势在于极高的材料强度及延展性。一般的高强度钢板的抗拉强度在400～450 MPa，而热成型钢材加热前抗拉强度就已达到500～800 MPa，加热成型后则提高至1 300～1 600 MPa，为普通钢材的3～4倍。其不足之处在于模具的开发周期比较长，成本比较高[3-4]。

2.2 辊压技术

辊压成型是由多对成型辊轮顺次对板料变形，并向前送进的辊压成型。辊压成型生产工艺简单，设备轻巧，便于维护和调整，基本建设投资少，产品截面形状可做到灵活多变，长度也不受限制；厚度均匀，断面上金属分布合理，因而单位质量的断面系数较高；产品尺寸精度高，表面粗糙度低，接近于机械加工零件，开发周期短，相应的成本也较低[5]。

3 优化方案及结果分析

3.1 优化方案

为满足前部的进风量要求，将前横梁的宽度缩小，同时考虑到项目的开发进度和模具的成本及周期，改用辊压成型的横梁。前横梁高度由168 mm减小为100 mm，优化前后结构对比，如图2所示。其断面尺寸，如图3所示。

从车身结构轻量化角度分析，前横梁结构的优化，采用辊压结构，质量减轻了1.5 kg。

3.2 结果分析

3.2.1 进风面积分析

经计算该车型散热器芯体面积为0.285 m2，格栅开孔正对散热器芯体面积为0.085 m2，格栅开孔正对散热器芯体面积与散热器芯体面积比值为29.8%，基本接近30%，理论计算可以满足要求。

3.2.2 前横梁抗弯情况分析

对优化前后的横梁总成运用Hypermesh前处理软件，对3D数据进行网格划分及模型搭建，设定相应的参数[6]。分析的依据关键在于保证优化后前横梁的抗弯性能与原结构的性能一致。

通过对不同车型在64 km/h偏置碰撞仿真分析中前横梁能量的吸收情况，根据能量守恒定理进行相关参数的设置，运用LS-DYNA进行分析计算，断面设置位置，如图4所示。

图5示出1-1，2-2截面抗弯性能仿真分析结果。碰撞中前横梁关键位置的截面抗弯性能与原结构的抗弯性能基本相同。从图5a中可以看出，1-1截面处弯矩平均在3.2 kN·m，从图5b可以看出，2-2截面处弯矩平均在3.2 kN·m。采用辊压技术，缩短前横梁的高度这样既实现增加进风量空间，同时保证其横梁的抗弯性能与原结构相同。

3.2.3 整车仿真分析

对整车进行64 km/h偏置碰撞仿真分析，前横梁在碰撞位置处的变形折弯程度相同，如图6所示，其中红色部分为基础结构，蓝色部分为优化结构，吸能盒及碰撞侧纵梁的变形情况基本相同。

图7示出整车加速度波形，整车加速度波形的变化趋势基本一致，表面优化后横梁的结构性能与原结构性能基本一致。

图8示出优化前后围板在X方向不同位置的侵入情况。从图9中可以看出，优化前后前围的整体侵入情况基本相同，表明横梁的强度与原结构基本相当。

4 试验验证

4.1 路试试验

对修改后的横梁进行路试试验，试验结果为怠速、爬坡及停走工况下水温值分别是：96.2，103.7，98.7℃。试验后各工况均满足要求。

4.2 碰撞试验

对改进前后的前横梁结构进行整车的偏置碰撞试验，试验后前横梁变形情况，如图9所示，从图9可以看出，横梁的变形弯折程度基本相同。

图10示出偏置碰撞试验中前横梁三坐标测量结果。在64 km/h正面偏置碰撞试验中，前横梁的变形折弯情况相同。

5 结论

1）采用辊压技术可以达到与现有技术相同的性能要求，同时解决进风量不足的问题；

2）辊压技术的运用可以达到车身结构轻量化的效果，对其他车型的轻量化设计提供参考与借鉴；

3）文章针对某车型前横梁结构的优化方案，已通过仿真和试验验证有效，能够应用于相关平台车型安全性能的设计开发，具有实际意义。