基于正碰CAE分析的车身纵梁结构优化设计

张立强

摘要：

对某车型进行50 km/h、100%正面碰撞CAE仿真分析，发现车身前纵梁溃缩变形不充分，导致B柱加速度峰值超过45g目标要求。对前纵梁结构和前防撞梁吸能盒进行优化，由CAE分析可知：车身前纵梁结构变形得到明显改善，B柱加速度峰值降低到45g以下，满足目标要求。该优化可有效提高车身正面碰撞的安全性能。

关键词：

正面碰撞； 防撞梁； 吸能盒； 加速度； 溃缩变形； 高强钢板； 轻量化

中图分类号： U463.326

文献标志码： B

Structure optimization design of vehicle longitudinal beam

based on CAE analysis of frontal impact

ZHANG Liqiang

Abstract：

The CAE simulation analysis of some vehicle at 50 km/h velocity and 100% frontal impact is carried out. The crushing deformation of the front longitudinal beam is insufficient. The peak acceleration of Bpillar is more than the target requirement 45g. The front longitudinal beam structure and the energy absorbing box of the front bumper beam are optimized. The CAE analysis results on the optimized vehicle body show that the deformation of the front longitudinal beam structure is improved obviously， and the peak acceleration of Bpillar is reduced to less than 45g， which can meet the target requirement. The optimization can effectively improve the safety performance of vehicle frontal impact.

Key words：

frontal impact； bumper beam； energy absorbing box； acceleration； crushing deformation； high strength steel plate； lightweight

0 引 言

汽車正面碰撞是汽车事故中发生最多、对人体伤害最大的碰撞形式之一，提高汽车安全性、降低交通事故对人体的伤害是设计者的重要任务。[1]车辆结构设计缺陷直接影响车辆的整体安全性能。CNCAP对车辆关键位置在碰撞试验中的变形情况进行规定和限定，以最大限度地保证车辆的安全性能。[2]本文根据CAE碰撞模拟分析结果优化车身纵梁材料、厚度和结构，提高车身正面碰撞的安全性能。

1 问题描述和分析

1.1 问题描述

根据该车型对应的安全碰撞CNCAP 5星目标要求，进行50 km/h、100%正面碰撞CAE仿真分析，结果显示车身纵梁结构存在以下问题。

前防撞梁和前纵梁变形（见图1）。前防撞梁吸能盒只有少量溃缩变形，没有起到最大限度吸收碰撞能量的作用，导致B柱位置加速度峰值较大。前纵梁后部变形严重并发生搓动变形。

前地板纵梁变形（见图2）。纵梁局部位置变形比较严重，说明此处纵梁刚度较小，碰撞时能量传递连续性不好，导致A柱相对位移较大，超出位移目标值≤8 mm的要求。

1.2 问题分析

前防撞梁总成为铝合金挤压件，其优化前结构见图3。由于考虑车身轻量化，防撞梁吸能盒没有设计导向溃缩结构，因此车辆发生碰撞后未引导吸能盒变形，不能有效吸收碰撞能量，导致B柱加速度峰值较大。前纵梁总成材料牌号强度等级和板材厚度分别定义为：前纵梁内板材料为SAPH440，厚度为2.0 mm；前纵梁后加强板材料为HC340/590DP，厚度为1.0 mm；前纵梁外板材料为HC250/450DP，厚度为1.5 mm。另外，为避让前轮运动包络，前纵梁设计时在纵梁外板进行避让，见图4中圆圈内。纵梁结构形成突变容易造成应力集中产生变形，支撑力不足。

优化前前地板纵梁前、后2个零件的材料牌号强度等级、板材厚度相差较大：前地板纵梁前段为热成型钢板WHT1500HF，厚度为2.0 mm；前地板纵梁后段为普通高强度双向钢HC340/590DP，厚度为1.0 mm。前地板纵梁示意见图5。前地板纵梁在零件强度低的位置产生应力集中导致变形，能量传递路径的连续性不好。

（1）增加吸能盒长度，改善吸能空间。由于空间限制，防撞梁在车身纵向方向不能向车前移动，所以在保证防撞梁强度的前提下，纵向截面尺寸由70 mm改为45 mm，吸能盒长度由160 mm改为185 mm，增加25 mm吸能空间。

（2）在吸能盒上增加导向溃缩筋，保证碰撞时能引导吸能盒溃缩变形，尽可能多地吸收碰撞能量、降低碰撞加速度。

2.2 前纵梁材料选型优化设计

提高前纵梁材料牌号强度等级和板材厚度，增加前纵梁强度可抑制前纵梁变形，见图7。

（1）前纵梁内板材料由SAPH440改为HC340/590DP；前纵梁外板材料由HC250/450DP改为HC340/590DP；前纵梁后加强板材料由HC340/590DP改为热成型钢板WHT1500HF，且厚度由1.0 mm改为1.2 mm。

（2）在截面突变位置增加加强板，改善由于截面变化大造成的应力集中。在前纵梁外板增加加强板，材料为HC340/590DP，厚度为2.0 mm。

2.3 前地板纵梁材料选型优化设计

平衡地板纵梁前、后2个零件的材料强度等级和厚度差异，可抑制地板纵梁在碰撞过程中由于刚度不均匀产生的变形，保证碰撞能量传递路径的连续性。

（1）将前地板纵梁后段材料由普通高强度钢板HC340/590DP改为热成型钢板WHT1500HF，厚度由1.0 mm改为1.5 mm。

（2）前地板纵梁前段厚度由2.0 mm改为1.5 mm，钢板材料等级与后段保持一致。

3 CAE仿真分析验证

在优化设计后，进行整车50 km/h、100%正面碰撞仿真分析，优化前、后仿真结果对比见图8～10。优化后的车身纵梁结构变形模式明显提升，前防撞梁吸能盒溃缩变形充分，可有效吸收碰撞能量；前纵梁变形由搓动变形变为弯曲变形，前地板纵梁后段变形基本消除。

优化后B柱加速度见图11。根据以往项目设计经验，在50 km/h、100%正面碰撞时，B柱位置加速度理想目标值应控制在45g以下。由于前防撞梁吸能盒溃缩变形比较充分，可有效吸收车辆碰撞时的能量，所以B柱位置加速度已经控制在目标值范围内。

4 结束语

对某车型50 km/h、100%碰撞性能进行仿真并优化车身结构，充分利用铝合金防撞梁的溃缩吸能作用，改善前纵梁后段的支撑刚度，提升前纵梁前段的吸能效果，使前纵梁达到合理的弯折变形模式，降低正面碰撞过程中B柱的加速度，提升碰撞的被动安全性能。

参考文献：

[1]

李伯栋. 简化车身B立柱结构参数抗弯曲冲击特性研究[D]. 长春： 吉林大学， 2007.

[2] 王月， 龚洁， 孙立志， 等. 某车型正面偏置碰撞中油门踏板问题优化分析[J]. 汽车零部件， 2016（9）： 15.

（编辑 武晓英）