防撞梁耐撞性及轻量化多目标优化设计

陈士伟，于志新

（长春工业大学 机电工程学院，吉林 长春 130012）

前言

车辆前防撞梁是车身的关键结构，对车辆正碰安全性能具有重要意义。近年来，众多学者从不同角度对防撞梁进行了研究：设计碳纤维防撞梁[1]；研究不同材料防撞梁截面形状对其耐撞性能的影响[2]；应用相应软件进行仿真以对全铝防撞梁进行形状和尺寸优化[3]；依据正碰安全要求及保险杠结构尺寸，建立有限元模型并进行分析，为汽车防撞梁的优化设计提供了参考[4]。

以上防撞梁的研究均针对单一材料均一厚度，而防撞梁不同区域对提高车辆耐撞性的贡献度不同，单一材料均一厚度则无法最大限度发挥材料利用率。因此，为充分提高防撞梁耐撞性及轻量化，应对其进行多材料变厚度优化设计。

1 有限元建模及耐撞性能分析

1.1 对标防撞梁有限元建模

基于对标防撞梁三维数模，采用四边形壳单元进行网格划分，使用“RigidBody”单元模拟防撞梁间的点焊连接，赋予其相应的材料属性。

图1 对标防撞梁有限元模型

1.2 耐撞性能分析

在LS-Dyna中对所建防撞梁低速碰撞有限元模型进行求解，从对标防撞梁性能评价指标图可看出，最大变形量、最大吸能量及前纵梁截面力峰值分别为44mm、444000mJ及24800N。

图2 防撞梁耐撞性评价指标

2 防撞梁截面设计

防撞梁不同截面形状对耐撞性能有不同影响。在此设计如下四种不同截面的防撞梁。

图3 防撞梁截面设计

按照GB17354-1998搭建防撞梁系统低速碰撞分析工况，如图4所示，采用六面体实体单元建立摆锤碰撞器有限元模型，对4种截面防撞梁进行网格划分，再对摆锤设置4km/h的碰撞速度，以及约束保险杠前纵梁后端6自由度。……