某轻型客车防撞梁三点弯力学性能CAE分析与实物验证

摘 要：文章针对某轻型客车的前防撞梁系统三点弯力学性能进行了深入分析，采用计算机辅助工程（CAE）技术基于详细几何建模和材料属性定义，构建了精确的防撞梁有限元模型，详细分析了防撞梁在不同加载条件下的应力分布、塑性变形区域以及能量吸收情况。提出了整车64公里高速碰撞条件下防撞梁本体不发生断裂，分解至防撞梁三点弯力学性能接受标准及防撞梁耐挤压力计算方法，仿真结果表明，防撞梁设计能够有效分散冲击力，减少对车身结构的损害。为了验证仿真结果的有效性，进行了物理三点弯曲试验，将实际测试数据与CAE分析结果进行了对比。实物测试结果显示，实测数据与仿真分析吻合良好，证明了所采用的CAE方法在预测防撞梁的力学性能方面具有高度的可信度，为优化设计和提高轻型客车的被动安全性提供了理论依据和实践指导。

关键词：轻型客车 防撞梁耐挤压力 三点弯曲 优化设计

0 引言

随着汽车工业的迅速发展，车辆安全性能的研究已成为工程设计与改进的重要领域。在众多安全设计措施中，前防撞梁作为吸收和分散碰撞能量的关键部件，对于保护车辆乘员的生命安全起着至关重要的作用。轻型客车作为市场上广泛使用的交通工具，其安全性能的提升具有重要现实意义。本研究旨在通过计算机辅助工程（CAE）技术对某轻型客车防撞梁的三点弯力学性能进行深入分析，并通过实物实验验证CAE分析的准确性和可靠性。

目前业界对汽车正面低速碰撞GB17354-1998[1]的防撞梁安全性能提出了仿真分析与试验设计验证的方法，但一方面整车的碰撞试验周期长，若实车碰撞结果不满足要求，后期整改的影响范围大、成本非常高；另一方面少有关注高速碰撞GB/T 20913-2007[2]工况下前防撞梁抗弯强度对整车碰撞结构完整性和乘员安全性的影响。如李家顺[3]通过LS-DYNA 软件对前防撞梁进行低速碰撞仿真，提出三种结构优化方案，根据仿真结果确定耐撞性能最好的方案；刘伟东等[4]运用数值模拟建立了防撞梁低速碰撞模型，研究了铝合金和碳纤维防撞梁在碰撞过程中的最大侵入量、侵入加速度以及侵入力随时间的变化；李恒等[5]基于熵权TOPSIS法对C-GFRP复合材料前防撞梁进行多目标优化，结合正面低速碰撞仿真对比，分析了2种复合材料前防撞梁各自的优势。王雪梅等[6-7]对优化设计前后防撞梁总成的性能进行对比分析，选择正面100%重叠工况和40%偏置碰撞工况进行对比分析，获取加速度、承载力等变化曲线，优化设计显著改善了汽车的耐撞性并降低了汽车的轻量化系数。

本文针对轻型客车前防撞梁系统，提出了基于LS-DYNA软件计算的三点弯曲力学性能CAE分析方法，通过构建高精度的仿真模型，模拟了碰撞条件下防撞梁本体抗弯强度（大变形问题），节约了试验成本，保证了防撞梁总成的设计效率，为前防撞梁总成的实际生产提供指导。

1 前防撞梁三点弯仿真分析方法

1.1 三点弯静态挤压加载方法

三点弯静态挤压试验，可以模拟防撞梁在实际碰撞中的行为，从而评估其在低速碰撞中的维修经济成本以及在高速碰撞中对舱内成员的保护能力。本文所研究的防撞梁系统三点弯力学性能测试与分析包含三部分内容：（1）防撞梁单梁（本体横梁）三点弯静态挤压，如图1所示；（2）吸能盒轴向静态挤压；（3）防撞梁系统三点弯静态挤压，如图2所示。在三点弯曲试验中，防撞梁的失效位移和支反力是考核其结构完整性的重要指标。

1.2 三点弯CAE建模与仿真

根据1.1试验标准建立防撞梁单梁及防撞梁总成三点压弯的有限元模型。静态挤压压头静止在横梁上方5mm处，压头为圆柱形的刚体，其直径为254mm，长度覆盖横梁宽度即可。根据实际的试验要求对防撞梁总成进行施加载荷和边界条件设置：（1）在防撞梁单梁准静态试验中，横梁左右放置在R50的刚性支撑块上，约束支撑块所有节点的六个方向自由度；（2）在吸能盒轴向静态挤压试验中，吸能盒后隔板面放置在刚性平板上，约束平板所有自由度；（3）在防撞梁总成的准静态试验中，吸能盒下端的连接板通过螺栓固定在试验台上，约束吸能盒底端所有节点的六个方向自由度；（4）压头以恒定的速度向Z轴的负方向运动200mm，压头恒定速度v=2mm/s，计算总时间t≥80ms。前防撞梁系统三点弯/轴向挤压CAE仿真如图3-5所示。

2 前防撞梁三点弯实物验证

开展前防撞梁三点弯力学性能分析与实物验证之前，需要先定义满足整车64公里高速碰撞[2]条件下防撞梁本体不发生断裂，分解至防撞梁三点弯力学性能接受标准为：

测试过程中，压头最大接触力≥F（kN）；

横梁本体在刚性圆柱50%*吸能盒轴向长度行程内无裂纹；

横梁本体在200mm行程内不出现贯穿性裂纹。

其中，压头最大接触力计算方法：

F1*0.7L+F*0.5L-mv2

F1表示吸能盒的轴向压溃力，L表示吸能盒轴向长度，m表示整车整备质量，v表示碰撞速度，0.7为经验值，表示高速碰撞时吸能盒压缩至原长度的70%，0.5为经验值，表示横梁本体在挤压至50%的吸能盒轴向长度行程内无裂纹。

图6、7分别展示了前防撞梁本体三点弯静态挤压、吸能盒轴向挤压、前防撞梁系统三点弯静态挤压的CAE分析与实物测试变形情况，为考察实物测试结果的一致性，单项试验重复三次，具体CAE计算和实物测试的受力情况对比见表1。

小结：从表1的对比结果可知，某车型客车的前防撞梁系统三点弯力学性能CAE分析与实物验证的误差约5%，基于此仿真方法开展的防撞梁系统结构、材料、截面、厚度等参数优化，其计算结果可靠，可以用于指导实际工程设计。

3 前防撞梁三点弯力学性能优化

汽车前防撞梁三点弯力学性能优化涉及结构形状、材料类型、材料牌号、截面大小、材料厚度、本体与吸能盒的连接方式等诸多因素影响，本文采用HC550/980DP材料的防撞梁本体，对其厚度做不同变化进行研究，材料、厚度与横梁质量对应关系见表2。

根据本文第2部分所述的计算方法，某轻型客车的前防撞梁三点弯力学性能其压头最大接触力应当≥15kN。图8显示了6种防撞梁横梁设计方案的三点弯静态挤压力-位移曲线CAE仿真结果。

小结：CAE仿真结果表明，对本文所述的轻型客车面言，采用HC550/980DP钢制前防撞梁，其横梁本体厚度应当≥2.3mm，才能保证在三点弯静态挤压时压头最大接触力≥15kN，进而保证在高速碰撞过程中，前防撞梁系统的结构稳定性和完整性，因此，设计方案六最终被项目采用。

4 总结

本文以某轻型客车的前防撞梁系统为研究对象，针对三点弯力学性能测试（测试防撞梁的抗弯强度）场景进行CAE模拟，并与实物测试结果进行对比，CAE模型标定后，分别对6种不同的防撞横梁设计方案进行有限元分析，得到以下结论：

（1）为考察防撞梁整体的抗弯性能，分别对防撞梁横梁（本体）、吸能盒、防撞梁总成的耐挤压性能进行CAE仿真模拟，并准确复现实物测试各部件的变形情况。

（2）提出了整车64公里高速碰撞条件下防撞梁本体不发生断裂，分解至防撞梁三点弯力学性能接受标准及防撞梁耐挤压力计算方法，以本文所述的某轻型客车为例，其压头最大接触力应当≥15kN。

（3）从6种不同防撞梁本体三点弯力学性能仿真结果可知，采用HC550WybTFKcnQInvgw8CLQIkyQ==/980DP钢制前防撞梁，要保证防撞梁本体耐挤压力≥15kN，其横梁本体厚度应当≥2.3mm。

本文研究方法对于汽车中其它抗冲击性能的部件如侧面高速碰撞时车门防撞梁、B立柱等的抗弯强度CAE分析，同样具有参考意义。

基金项目：江西省重点研发计划项目“复杂场景下新能源汽车碰撞数字孪生关键技术”（20232BBE50008）研究成果。

参考文献：

[1]GB17354-1998.汽车前、后端保护装置［S］.

[2]GB/T20913-2007.乘用车正面偏置碰撞的乘员保护[S].

[3] 李家顺.基于LS-DYNA汽车前防撞梁仿真分析及其结构优化[J].农业装备与车辆工程，2021，59（04）：122-126.

[4]刘伟东，薄旭盛，何成.基于轻量化材料防撞梁的低速碰撞性能研究[J].材料导报，2019，33（S2）：468-472.

[5]李恒，邱睿，周甘华，等.纤维增强复合材料汽车前防撞梁的设计与分析[J].现代制造工程，2023（07）：79-88.

[6]王雪梅，薛振国，刘一扬.基于碰撞安全性汽车前防撞梁总成轻量化设计[J].机械设计与制造，2021（04）：244-247.

[7]邓利军，王书贤，杨芳庆.汽车前防撞梁的耐撞性与轻量化优化设计[J].现代制造工程，2021，（08）：64-69.