试论汽车前防撞梁低速碰撞性能分析及优化设计

陈红辉

摘 要：汽车前防撞梁低速碰撞性能分析对于当前汽车防撞梁碰撞安全性能、轻量化设计方面有很强的借鉴作用。文章主要对其进行相关研究，汽车低速碰撞时速在专业领域内是指时速是低于16km/h的情况下产生的碰撞事故，当发生事故之后，前防撞梁是主要吸收撞击力的主要部件，因此碰撞安全性能将会直接影响到汽车前端重要零件部本身性能的保护能力。

关键词：汽车 前防撞梁 低速碰撞 性能

Discussion on Low-speed Collision Performance Analysis and Optimal Design of Automobile Front Anti-collision Beam

Chen Honghui

Abstract：The low-speed collision performance analysis of automobile front anti-collision beams has a strong reference role for the current collision safety performance and lightweight design of automobile anti-collision beams. The article mainly conducts related research on it. In the professional field， the low-speed collision of a car refers to a collision accident that occurs when the speed is lower than 16km/h. After an accident occurs， the front anti-collision beam is the main component that absorbs the impact force. Therefore， the collision safety performance will directly affect the protection ability of the important parts of the front end of the car.

Key words：car， front anti-collision beam， low-speed collision， performance

随着汽车保有量不断增加，城市道路越来越拥堵，这种现象下汽车行驶速度会减慢，低速碰撞就成为城市交通事故当中最主要的类型。发生低速碰撞之后前端的防撞梁对汽车重要零部件起到很好的保护作用，因此防撞梁碰撞安全性能一直是汽车被动安全领域内被研究的重点方向。

1 低速碰撞法规与防撞梁性能评价

汽车防撞梁的评价指标主要有防撞梁系统总吸能、碰撞力、碰撞器侵入量。其中，防撞梁系统总吸能是指汽车在低速碰撞当中，防撞梁是主要吸能部件，应该尽可能吸收更多能量，减少发生碰撞传递到车身上的碰撞能量。防撞梁系统碰撞力可以表示为防撞梁、碰撞器两者之间的相互作用力。防撞梁系统碰撞力越来越小，传递到车身上的作用力就会越来越小，对车内部乘客、汽车零部件产生的危害也就越来越小，汽车的碰撞性能也就越小;汽车碰撞器侵入量：防撞梁系统后面安置了散热器与发动机等重要设备，因此防撞梁系统被撞击产生的力度必须小于许可量。在实际实验过程中如果是整车实验、零部件碰撞实验等成本都比较高;如果车辆防撞梁抗弯强度不足，就无法满足碰撞实验要求。

2 防撞梁碰撞安全性能分析

2.1 材料力学性能参数

本次研究使用拉伸实验来获取防撞梁材料力学性能参数，建立起防撞梁三点压弯有限元校验防撞梁的抗弯性能，同时验证校正模型建立起有限元模型，从而验证模型。利用该建模方式来建立汽车防撞梁低速碰撞有限元模型，计算基于ECE-R42法规、CFVSS215法规，验证设计是否满足要求。为获取防撞梁材料力学性能参数，使用WDW-100D 微机控制电子试验机进行金属材料的拉伸实验。实验使用材料为AA6082-T6 铝合金，科研用在制作横梁、连接板，以及AA6063-T4 铝合金，可以用来制作吸能盒。首先制作金属材料用来进行拉伸实验，实验标准以GB/T16865-2013为基准[1]。

2.2 防撞梁抗弯强度

为保证设计开发效率必須要节约实验成本，首先应该对防撞梁系统的抗弯强度进行校核，通过防撞梁三点压弯实验来验证设计强度是否满足标准，之后再次进行碰撞实验。实验过程中防撞梁三点压实验为准静态实验，主要用来描述低速度下的大变形、位移问题，实验条件简单且成本低廉，是测试防撞梁抗弯强度的最主要方式。汽车防撞梁构件为薄壁构件，只适合运用在壳单元模拟当中。壳单元主要分为两类，分别是Hughes-Liu与Belytschko-Tasy，在运用过程当中前者适合运用在模拟翘曲和扭转上，计算参数精准，但是计算速度很慢;最后，还能够很好模拟碰撞变形现象，计算精度较低，但是计算速度很快，而且还需要计算单积分应该控制的沙漏问题。压头材料为高强度钢，结构强度高于防撞梁强度，在仿真模拟当中应该进行刚体处理，选择LS-DYNA的 20号刚性体材料模型。实验当中使用的压板、摆锤与压头材料使用一致。在连接上，LS-DYNA将车身部件之间的连接方式划分为三种，变形体、刚性体、变形体与刚形体之间的连接。防撞梁不同位置之前使用焊点、焊缝连接，这就是变形体之间的连接。

2.3 防撞梁低速碰撞性能分析

在碰撞实验当中，存在成本高、周期长、实验数据难以准确获取的问题。当前有限元技术越来越成熟，逐渐替代碰撞实验成为研究防撞梁碰撞性能的主要技术手段。为防撞梁的碰撞性能进行分析，只考虑汽车防撞梁系统为主要研究对象，考虑防撞梁相连纵梁以及与车身结构构件视为刚体处理，不考虑其中碰撞变形的过程。在实际研究当中，零部件碰撞分析与整车碰撞分析两者之间存在差异，数据上的差异不影响碰撞响应趋势一致。而且与整车碰撞分析相比，仅仅针对防撞梁系统进行零部件碰撞分析与建模，消耗成本更少，而且针对性更强[2]。

3 防撞梁优化设计

3.1 防撞梁轻量化设计

防撞梁是车身结构当中重要的组成部分，防撞梁的轻量化设计对汽车的节能减排有重要意义。前防撞梁轻量化设计主要分为三种：结构化设计、运用轻质新型材料以及使用轻量化制造工艺机进行设计。基于CAE技术的防撞梁结构优化设计方式主要是尺寸优化、拓扑优化、多目标优化等。

3.2 优化设计方式

防撞梁的轻量化优化设计方式主要包括数学优化模型构建、实验设计、样本参数获取、构建模型、优化算法、求得结果等步骤，整体上可以划分为四个环节。在模型构建方面，根据实验工程确定模型当中的设计变量和约束条件、目标函数等，根据理论分析与工程实践来确定参数的取值范围。实验设计使用最优拉丁超立方实验设计，获取空间当中分布均匀且变量水平不重复的样本点，通过精准的设计，从而反映设计变量与性能指标响应值之间的关系，从而提高代理模型的拟合精度。接下来获取样本点，根据最优拉丁超立方试验设计对样本机械能有限元分析，通过仿真获取样本点[3]。构建起响应面模型、矫正响应面精度、之后使用数学模型优化求解，最终优化实验结果。

3.3 优化结果验证

将优化结果预测数与仿真结果数据进行对比分析，经过实验可以看出优化结果与仿真结果之间的误差相对比较小，最大误差值仅为2.92%，证明优化结果可信。防撞梁在优化设计之后，能看出优化之后的防撞梁明显减重，碰撞力峰值下降，支反力峰值与侵入量峰值设计均满足设计要求，防撞梁在实现轻量化设计的同时，碰撞安全性能也得到了保证。优化设计完成之后，防撞梁均满足各个工况具体设计要求，也实现了安全性能。

4 结语

综上，随着时代的发展，汽车的安全性能越来越受到了人们的重视。在研究当中，需要积极改进防撞梁的设计技术，推广使用轻量化设计方式，确保优化之后的防撞梁满足设计要求，实现轻量化的同时也可以改善碰撞性能。文章針对碰撞安全与轻量化设计方面作出了一些改动，但是实验条件受到限制，具体工作的开展，仍旧需要深入研究。

参考文献：

[1]唐友名，钟德良，吕娜. 基于Radioss的SUV低速碰撞耐撞性分析及优化[J]. 机电技术，2019，000（001）：56-58.

[2]仲伟东，王东方，李静. 复合材料防撞梁低速碰撞的研究与多目标优化[J]. 南京工业大学学报（自然科学版），2019，v.41;No.195（04）：64-72.

[3]赖诗洋，夏小均，徐中明. 汽车后防撞梁安全性能分析及优化[J]. 现代制造工程，2018，000（012）：66-72.