镁合金轿车车门防撞杆设计与仿真*

于会涛

(上海大众汽车有限公司，上海 201100)

镁合金轿车车门防撞杆设计与仿真*

于会涛

(上海大众汽车有限公司，上海 201100)

为实现汽车车身轻量化，尝试将镁合金应用在国内某桥车的车门防撞杆上。根据镁合金变形特点，把原来的一段式钢结构车门防撞杆更换为两段式镁合金防撞杆。利用有限元仿真软件，对镁合金防撞杆的动态碰撞性能进行了仿真。

轻量化;镁合金;车门防撞杆;仿真

1 引言

进入21世纪以来，随着汽车保有量的持续高速增长，对社会能源供给、环境保护和交通安全带来日益巨大的影响。研究表明，车重每减轻10%，油耗可降低6% ～8%［1］。据统计，客车、轿车车身质量约占整车质量的40% ～60%［2］，因此，车身轻量化可达到节能减耗的目的。

镁的密度是1.74 g/cm3，是铝的2/3，钢的1/5，是目前最轻的金属结构材料之一［3］，世界各大汽车公司都已经把镁合金零部件作为其重要发展方向。目前为止，汽车上共有60多个零部件采用镁合金，如顶盖、发动机罩盖、后备箱盖、仪表盘基座等［4］，但镁合金在汽车车身承载件上的应用还很少，相关文献资料也不多。

本研究镁合金防撞杆设计的主要思路是采用一种新型镁合金材料，在不改变原有车门及附件的结构、安装工艺的前提下，通过增加车门防撞杆的板材厚度及改变原来结构的方法，使整车碰撞性能尽量接近原来性能。

2 车门防撞杆设计

图1、2是国内某款轿车车门及车门防撞杆实物照片，车门框架及防撞杆都为钢结构零部件，二者连接方式采用焊接。

研究发现:当镁合金板厚与钢板厚度比为1.2∶1时，镁合金板与钢板具有相同的强度;镁合金板厚与钢板厚度比为1.7∶1时，镁合金板与钢板具有相同的刚度。所以，增加板件厚度，镁合金板件就能够达到钢板件的强度和刚度，这也是镁合金替代设计的一种常见方法。此外，一般情况下，镁合金冲压板件的最小弯曲半径是板厚的3倍［5］，在复杂的弯曲结构处，最小弯曲半径的要求则更高。若仅对车门防撞杆结构进行镁合金厚度替代，则结构的工艺可行性无法满足。

图1 前门防撞杆

图2 后门防撞杆

镁合金的化学性质十分活泼，是目前所有工业合金中化学活泼性最高的金属，使用时镁合金件表面极易受到腐蚀。由于此项镁合金设计只针对车门防撞杆，与之相连的部件仍然是钢结构件，因此在选用连接方案时尤其要注意腐蚀的问题。综合考虑各种条件后，首先选择在镁合金件与钢结构件直接接触处涂上一层PVC涂层来防腐。

考虑到镁合金件与钢结构件焊接时，焊后易形成脆性相和夹杂，使接头的力学性能显著下降。此外，本方案设计时尽量不要增加额外的工艺步骤，所以螺栓连接或铆接也都没有考虑，而且螺栓连接由于开孔的缘故，也会出现应力分布不均匀和腐蚀的问题。

胶粘连接的结构应力分布比较均匀，从而使连接部位具有更高的强度，而且胶粘连接不会使结构发生翘曲变形，可以简化工艺，也减少了后处理。由于以上优势，本次轻量化设计最终选择了高强度结构胶的连接方案。

综合以上各种因素，设计完成的车门防撞杆如图3、4所示。

图3 前门防撞杆

图4 后门防撞杆

前门防撞杆中，原来的一段式钢结构防撞杆改为两段式结构(图3中A处)，二者焊接，与车门或支架之间采用胶水连接，胶水厚度为1.5 mm。

前门防撞杆中，原钢结构件重1.322 kg，厚度为1.35 mm。新镁合金件重0.732 kg，厚度为2.5 mm。其中，中间部分重0.673 kg，新加部分重0.059 kg。与原零件相比，左右两扇前门的防撞杆共减重1.18 kg，较原件轻44.6%。

后门防撞杆中，原来的一段式钢结构防撞杆也改为两段式结构(图4中B处)，二者焊接，与车门或支架之间采用胶水连接，胶水厚度为1.5 mm。

后门防撞杆中，原钢结构件重0.798 kg，厚度为1.25 mm。新镁合金件重0.497 kg，厚度为2.5 mm。其中，中间部分重0.43 kg，新加镁合金部分重0.067 kg。与原零件相比，左右两扇后门的防撞杆共减重0.602 kg，较原件轻37.7%。

3 碰撞仿真

以上海大众的侧碰为例，对镁合金车门防撞杆的变形情况进行仿真，结果如下。

图5 前门防撞杆变形情况

由图5可以看出，镁合金车门防撞杆虽然在某些点的变形较大，但仍然满足要求。前、后门结构胶的塑性变形最大为18%，超过了8%的限值。

4 结语

(1)部分验证了镁合金在桥车承载件上的应用，当然，这还需要更多的碰撞仿真和实车试验。

(2)镁合金代替钢结构零部件时，不能简单地进行厚度变化，要根据镁合金变形特点适当修改原来结构。

(3)尝试用高强度结构胶粘接镁合金与钢质材料，仿真结果显示，所选结构胶不能满足要求，需要更换结构胶或者选择其它的连接方式。

［1］ 朱 平，张 宇，葛 龙.基于正面碰撞性仿真的轿车车身材料轻量化研究［J］.机械工程学报，2005(9):207－211.

［2］ 李桂华，熊 飞，龙江启.车身材料轻量化及其新技术的应用［J］.材料开发与应用，2009(4):87－93.

［3］ 郭千里.镁合金在汽车上的应用［J］.汽车与配件，2007(22):40－41.

［4］ 黄宜松，陈吉清，龙江启.车身轻量化材料的应用进展［J］.中国制造业信息化，2009(10):74－78.

［5］ 姜奎华.冲压工艺与模具设计［M］.北京:机械工业出版社，1997.

Design and Simulation of Magnesium－Alloy Car Door Reinforcement

YU Hui－tao
(Shanghai Volkswagen Automotive Company Limited，Shanghai201100，China)

In order to lighten the weight of one kind of domestic car，magnesium－alloy is used for designing its door reinforcements.Considering the deformation characteristics of magnesium－alloy，the original one－piece steel－made door reinforcements are redesigned to two－piece magnesium－alloy－made door reinforcements.Finally，the dynamic crash performance of the new door reinforcements is simulated.

light－weight structure;magnesium－alloy;door reinforcement;simulation

TH122

A

1007－4414(2013)05－0086－02

2013－07－02

于会涛(1976－)，男，山东淄博人，工程师，博士，主要从事新能源汽车开发方面的研究工作。