鲁后国，李铁柱，阚洪贵（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）



基于截面承载分析的汽车前纵梁碰撞性能设计

鲁后国，李铁柱，阚洪贵
（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

摘要：汽车车体截面设计是零部件结构设计的基础和核心。截面性能反映了结构的碰撞安全和刚度性能，截面性能分析可以有效的、快速的为结构设计提供依据。文章针对某车型正面碰撞中前纵梁后端弯曲变形过大的问题，通过截面性能分析方法对其截面参数进行快速优化，大大提高了截面的抗弯能力，基于该优化截面完成了结构设计，最终整车碰撞仿真对改进方案进行验证。工程算例表明，该方法在纵梁结构的碰撞性能优化设计方面具有较强的工程实用性。

关键字：截面承载分析；前纵梁；正面碰撞；仿真分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: u467.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-51-04

引言

随着汽车保有量的不断增加，汽车碰撞事故越来越普遍。2013年，交通事故造成6万人死亡，21.4万人受伤，给社会带来巨大的经济损失[1]。所有的碰撞事故中，汽车正面碰撞事故发生率高，致伤率高[2]。为此我国制定了相应的正面碰撞乘员损伤标准GB 11551-2014《汽车正面碰撞的乘员保护》[3]，同时我国的C-NCAP管理规则也将整车正面碰撞作为重要考核项目[4]。汽车正面碰撞过程中，车体承载件的设计至关重要，纵梁是重要的能量吸收和载荷传递部件，其后端的抗弯能力设计对乘员舱前围脚部区域入侵量有着重要的影响，而纵梁后端的截面设计是决定抗弯性能的关键因素。

本文针对某车型前纵梁后端弯曲变形较大的问题，采用截面承载性能分析方法完成了截面的参数优化，大大提高了截面的抗弯性能，为结构提供了可靠的依据，部件级分析验证了优化后截面的性能，最终整车碰撞仿真验证了改进方案的有效性。

1、截面承载性能分析理论

针对汽车薄壁梁结构截面碰撞性能，国内外做了大量的研究。福特汽车公司的Mahmood对薄壁梁截面的轴向性能进行了系统研究，总结了截面轴向压溃性能和抗弯性能经验公式[5-6]。国内王大志对车体纵梁截面轴向压溃性能设计做了系统介绍[7]。

对于一般的汽车车体薄壁梁结构，通常承受轴向载荷和弯曲载荷，按照能量吸收和载荷传递的作用，通常分为能力吸收部件和抵抗变形部件，对于汽车纵梁来说，纵梁前端需要最大程度吸收动能，对于后端折弯区域需要抵抗前端的载荷传递，最小化弯曲变形。根据薄壁梁压溃理论，其理论化轴向压溃性能曲线如图1所示。图中Pmax为峰值载荷，P1为最大载荷，P2为平均载荷，P3为最小载荷。平均载荷P2及其压溃位移通常用于衡量薄壁梁能量吸收能力。对于方形截面薄壁梁，其平均载荷如式1所示。

式中σo为抗拉强度的0.9~0.95倍，t为壁厚，b为方形截面的边长。

图1　薄壁梁截面轴向压溃性能

对于薄壁梁截面的抗弯性能，其理论化弯曲性能曲线如图2所示，薄壁梁的弯曲载荷设计的重点在于其最大弯曲载荷Mmax。Mahmood进行了系统的、全面的研究，根据临界屈曲应力相对材料屈服强度的关系，推导出了不同的最大载荷Mmax计算公式如式2所示。

式中Mp为梁的塑性弯矩，σcr为临界屈曲应力，σy为材料屈服应力。

根据以上薄壁梁轴向和弯曲承载公式，目前出现了较为成熟的商用软件如ABSOLUT公司的SectionAD软件和IDE公司的VCS软件。这些软件不仅可以完成截面的承载能力分析，同时还可以完成截面参数的灵敏度分析和优化，确保不增加截面面积的前提下，最大化截面轴向和抗弯性能。本文通过使用SectionAD完成了纵梁的截面性能分析及优化。

图2　薄壁梁截面弯曲性能

2、汽车纵梁性能改进方案分析

针对某车型按照2015版C-NCAP管理规程要求完成了某车型整车40％ 64km/h偏置碰撞仿真分析如图3所示。分析结果显示左纵梁后端上翘弯曲变形较大，导致前围歇脚板区域最大入侵量达到了130mm远远超过了公司内部最大入侵量80mm的标准，如图4所示，该处入侵较大很大程度上增加了左小腿弯矩损伤指标和轴向力指标超标的风险，因此需要对该处进行优化设计。造成歇脚板入侵量超标的主要原因是纵梁后端的弯曲变形，纵梁后端截面抗弯能力不足是造成该处变形大的主要原因，同时也导致了中央通道区域出现了较大程度的变形，因此改进重点为增加该处的截面的抗弯能力，按照入侵量达成目标换算抗弯性能提升40％。

图3　整车碰撞分析

图4　左纵梁后端

纵梁后端折弯区域截面如图5所示，可见该处截面包括纵梁和前地板总共5层板，部件1为前地板材料为低碳钢，部件2和部件4均为双向钢DP800，部件3和部件5为低合金高强钢B410LA，截面积为1585 mm2。可见该处截面不但结构复杂，而且性能未满足要求，仍需继续改进，同时还将进一步考虑增加抗弯性能的同时减少截面面积实现结构轻量化的目的。本文使用截面载荷分析软件SectionAD进行了截面建模，截面有许多段组成，各段的材料和厚度按照实际进行了建模，材料参数主要包括密度，弹性模型，屈服和抗拉强度。材料可从该软件的材料库中提取，最终完成了截面抗弯性能评估，在任意段出现屈曲变形的情况下，截面最大抗弯载荷为4358.1Nm，如图6所示。基于上文分析截面抗弯性能提升40％以后为6101.4Nm，因此基于该目标完成下一步的截面性能改进。

图5　左纵梁后端截面

图6　左纵梁后端截面抗弯性能

3、汽车纵梁改进分析与验证

3.1截面性能改进分析

根据纵梁后端碰撞过程中的受力特性，截面承受沿X轴弯矩，截面上部承受压应力，下部承受拉应力。根据力学基本理论，加强压缩侧板件性能可以有效提高截面的抗弯能力，如增加受压侧板件的厚度，提升材料等级或是增加加强件和加强筋可以有效增加截面的抗弯能力。

图7　优化后左纵梁后端截面形状

因此针对截面性能改进，综合考虑不增加截面面积的前提下提升截面的抗弯性能，故考虑将图5中部件2去除，在受压侧增加部件6如图7所示，材料为B410LA，厚度1.6mm，截面面积为1671.2mm2，相比原始截面面积增加5％。通过使用SectionAD软件对改进后截面性能进行了分析，截面最大弯矩Mx为7408.7Nm，抗弯性能提升70％，抗弯性能大大提升。

3.2部件级截面性能验证

为了验证改进方案的有效性，首先建立基于截面的零部件级模型如图8所示，对该截面生成的薄壁梁结构进行了三点弯曲仿真分析，原始和优化后弯曲性能对比如图6所示，零部件级仿真分析中，原始最大弯矩为5108.4Nm，优化后最大弯矩为6921.5 Nm，抗弯性能提升35％，如图9所示，性能改进趋势和截面级承载分析基本一致，验证了截面分析的有效性。

图8　优化前后薄壁梁性能仿真分析

图9　纵梁后端截面抗弯性能对比

3.3整车级碰撞性能验证

根据改进后纵梁截面形状，纵梁后端上部增加部件6，如图10所示。

图10　纵梁后端优化方案

改进后纵梁后端弯曲变形如图11所示，纵梁后端截面抗弯能力增加后，纵梁弯曲变形明显降低，前围歇脚板区域入侵量减低到了85mm，性能提高了31％基本满足要求，最终验证了截面载荷分析方法的有效性。

图11　纵梁后端变形对比

4、结论

（1）截面承载性能分析可以有效、快速完成车身结构截面碰撞安全和刚度性能评估，为结构设计提供充分依据。

（2）概念阶段通过完成车身结构截面承载性能分析可以快速优化截面性能，为车身承载结构如纵梁、B柱、防撞梁等提供强有力的设计依据，大大缩短开发周期。

参考文献

[1]中国汽车技术研究中心. 中国汽车安全发展报告（2015）[M].北京：社会科学文献出版社，2015.

[2]连胜利，张向亮，刘剑，等. 汽车侧面碰撞B柱结构优化设计[J].汽车实用技术，2015，(4)：11-12.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, GB 11551-2014汽车侧面碰撞的乘员保护[S]. 中国标准出版社，2014.

[4]中国汽车技术研究中心. C-CNAP管理规程（2015版）[M]. 天津：中国汽车技术研究中心，2015.

[5]H.F. Mahmood, A. Paluzny. Design of Thin Walled Columns for Crash Energy Management- Their Strength and Mode of Collapse [J]. SAE, 811302.

[6]H.F.Mahmood,A.Paluszny. Axial Collapse of Thin Wall Cylindrical Column[J].SAE, 840727.

[7]王大志. 基于乘员保护的汽车正面碰撞结构设计与变形控制研究[D]. 北京：清华大学，2006.

Performance Improvement of the Automotive Front Middle RailBased on Section Load Analysis

Lu Houguo, Li Tiezhu, Kan Honggui
( Anhui Jianghuai Automotive Co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )

Abstract:Automotive body section design is the basis and core of the part structure design. Sectionperformance reflects the performance of collision safety and rigidity of the structure, a cross-sectional level performance analysis caneffectively and quickly provide the basis for the structural design. In this paper, aiming at the problem that the rear end of the front middle rail bend excessively in the frontal impact, rapid performance optimization through cross-sectional analysis is finished, which greatly improve the ability of bending.Based on the optimized cross-section, the structure is designed, and ultimately the whole car crash simulation validatesthe improvement program.The engineering examples show that the method has a strong engineering practicability for performance optimization design of the front middle rail.

Keywords:Section LoadAnalysis; Front Middle Rail;Front Impact; Simulation Analysis

中图分类号：U467.1

文献标识码：A

文章编号：1671-7988 （2016）05-51-04

作者简介：鲁后国，就职于安徽江淮汽车股份有限公司。主要研究汽车车身设计。李铁柱，就职于安徽江淮汽车股份有限公司。主要爱研究汽车车身设计。