基于正交试验不同截面汽车前纵梁特性分析

2021-04-30冯如只

机械设计与制造 2021年4期

冯如只，秦颖

（1.河南机电职业学院汽车工程学院，河南新郑 451191；2.河南省工业科技学校，河南新乡 453000）

1 引言

在汽车正面碰撞中，乘员躯干的响应是乘员身体上最能够表征人体受车辆运动影响的物理量，通常采用胸部水平加速度作为躯干的运动状态评价指标。随着车体缓冲效率（即结构变形吸能）的提高，乘员躯干的响应将逐渐减小，所以前纵梁结构的合理设计是汽车正面碰撞安全性研究的一个重要内容。汽车车身结构几乎都是由薄板金属件构成，它们除了起外覆盖及承载功能外，受到强烈撞击时，会发生塑性变形吸收撞击能量，因此薄板结构件可作为一种有效的撞击能量吸收装置，能够满足现代汽车设计对车身结构强度、耐撞变形能力及轻量化设计的要求[1]。前纵梁结构的变形方式对整车的碰撞变形具有重要影响，对汽车耐撞性能的研究。国内外学者对此进行了研究：文献[2]分析厚度、材料、截面、连接方式等对前纵梁的影响；文献[3]基于有限元法分析材料、结构圆角等对前纵梁安全性的影响；文献[4]对焊点、间距和焊点直径对前纵梁性能的影响进行分析，基于结果对其进行优化设计；文献[5]针对铝材和钢材的前纵梁进行碰撞形式和吸能特性对比分析，并进行轻量化设计。

根据前纵梁的结构特点，对前纵梁进行结构简化为薄壁梁结构，采用建模仿真和试验分析相结合的方法对矩形截面前纵梁特性进行对比分析，并检验模型的准确性；在此基础上，采用正交试验法，对前纵梁的影响因素材料、厚度、截面形式、引导槽倾角等4 因素，分别选取不同的水平，建立L18 的正交试验表，将总质量、最大支反力力设为约束，单位质量承载支反力作为设计目标，对不同截面前纵梁特性进行对比分析。

2 前纵梁有限元分析

对汽车前纵梁进行简化，如图1 所示。简化为薄壁梁结构，可以直接有钢板冲压或弯曲成形之后焊接而成[6]，可以直接在在HyperMesh 中的几何面板中建立几何图形。

图1 汽车纵梁简化模型Fig.1 Car longitudinal Beam Simplified Model

2.1 建模

前纵梁正面碰撞过程，可以直接简化为薄壁梁结构的落锤冲击试验过程：首先建立前纵梁、落锤和底座等有限元模型，同时输入材料本构参数；在落锤和前纵梁之间以及前纵梁和底座之间设置面-面接触，防止变形过程中两部分穿透[7]；为防止内外管壁自身穿透，设置来自接触；进行网格划分及位移和能量等各种场变量输出；根据吸能效果的评价标准进行有限元仿真。

图2 前纵梁落锤仿真有限元模型Fig.2 Finite Element Model of Drop Weight Simulation of front Longitudinal Beam

根据模型本身特征，确定如下建模要点：前纵梁分为矩形截面和方形截面两种；落锤、底座和凹槽夹具简化为刚体[8]；根据单元基本尺寸2mm，得到的有限元模型节点总数23104，单元总数22952。具体建立的有限元模型，如图2 所示。

落锤、底座和凹槽夹具都已简化为刚体，材料特性主要是指前纵梁试件的材料。材料采用Johnson-Cook 本构模型进行参数设定[9]；计算中采用LS-DYNA 的shear damage 剪切失效模型，单元失效通过损伤控制（即损伤变量D达到1 时单元失效）。

根据实际工况中落锤和前纵梁的相互作用关系，在落锤和前纵梁之间定义面-面接触，并输出其接触力，前纵梁定义为带侵蚀的自接触[10]。根据模型边界简化特点，凹槽夹具和底座设置全部固定边界条件，同时由于落锤在下落过程中的速度随着前纵梁的压溃而改变，速度载荷在场变量中设置。

2.2 求解

求解过程主要分为四个阶段：阶段一，根据试验参数和前纵梁的试验照片确定仿真的基本参数，包括接触参数、失效参数以及边界条件等；阶段二，完成落锤冲击过程中位移和速度的计算；阶段三，完成落锤冲击过程中底座支反力和落锤-前纵梁接触力的比对；阶段四，完成落锤冲击过程中底座支反力和前纵梁吸收能量的计算。四个阶段皆采用显式动力学方法求解，为保证计算的准确性不使用质量缩放，并输出应力、应变、位移、损伤、接触力等计算结果。

3 矩形截面前纵梁特性分析

3.1 试验分析

试验是在高速落锤试验台上进行的[7]，如图3 所示。试验用试样根据图4 所示进行加工。该试验设备通过提高落锤高度（最大5m），以及增加落锤配重（最大234kg，包括锤头34kg）可以增加初始能量，该试验设备通过配置弹簧辅助蓄能装置可以实现最大冲击速度15m/s。

图3 试验机及试验试样Fig.3 Testing Machine and Test Sample

整个试验过程中，为了实现高精度、高响应、高频率采集应变片电压信号，使用了超动态应变采集仪。试验中，使用高速摄像机进行图像采集，满足本实验对于采样频率的要求，并能精确的记录试验中试件每个时刻的变形，记录的高质量图片保证了后处理软件对试件变形处理的精度。为了提高对试样加载力的测量准确度，同时减少贴应变片等重复性工作，自主设计了测力传感器夹具平台。传感器上端固定帽型试样，中间贴有应变片，在由加载力时可输出电信号。通过对数据和图像进行处理，可以获得位移、力、能量吸收等变化曲线。

3.2 矩形截面前纵梁特性对比分析

对矩形截面前纵梁分别进行试验和仿真分析，可以得到整个过程中，前纵梁各阶段变形云图，如图4 所示。

图4 各阶段变形云图Fig.4 Deformation Cloud Map of Each Stage

落锤和前纵梁接触力以及底座支反力对比分析，如图5 所示。

图5 落锤和前纵梁接触力与底座支反力对比Fig.5 Comparison of Contact Force and Counterforce

图6 试验和仿真对比Fig.6 Test and Simulation Comparison

从图5 可以看出，矩形截面前纵梁的落锤-试样接触力与底座支反力基本一致，因此可以通过检测底座支反力的方式来进行试样吸能求解。落锤位移和速度曲线试验-仿真对比分析，如图6所示。从以上图中的位移和速度曲线对比可知，矩形前纵梁在压溃过程中落锤的位移和速度曲线仿真和试验吻合的较好，并且都在20ms 左右到达最低点并且开始反弹。底座支反力和前纵梁吸能曲线试验-仿真对比，如图7 所示。

图7 试验与仿真对比Fig.7 Test and Simulation Comparison

从以上两图可以看出，刚开始时仿真和试验的支反力都有瞬间的突变，并且试验的偏大，同时稳定之后试验所测得的底座平均支反力稍大于仿真的，原因是在仿真中材料失效后单元即删除，因此不再有任何抵抗力，而试验中材料失效后依然和前纵梁有连接，依然可以向落锤和底座传递载荷，因此仿真底座支反力比试验的小。同样，能量是通过支反力和落锤下落位移积分所得到的，因此仿真的能量同样小于试验的。对比可知，试验值与仿真值误差在5%以内，可以认为仿真分析的模型及结果是准确的。

4 基于正交试验对比分析

4.1 优化设计

影响前纵梁吸能特性的因素包括截面形式、材料、材料厚度、引导槽设计倾角等，基于正交试验法，选取因素水平，其中截面形式A1 包括6 个水平：正方形、矩形、六边形、八边形、十二边形、十字交叉型等；材料A2 包括3 因素水平：低强度钢、高强度钢、铝；材料厚度A3 包括3 因素水平：1.2mm、1.6mm、2.0mm 等；引导槽设计倾角A4 包括3 因素水平：6°、3°、0°等。将前纵梁的总质量M、碰撞过程中的支反力最大值F作为约束条件，单位质量所承受支反力Δ（F/M）作为目标值，混合正交试验表L18（6×36），如表1 所示。

表1 混合正交试验表设计Tab.1 Hybrid Orthogonal Test Table Design

根据表4 分析结果可知，材料强度级别高的结构吸能性能最佳，铝合金其次；随着选用材料厚度的增加，前纵梁结构的吸能特性逐渐增强；根据设定的最优条件分析结果，最优组合形式为第17 组：A1（6）-A2（2）-A3（2）-A4（3），即前纵梁的截面形式为十字形、无设计倾角，材料则选择高强钢，厚度为1.6mm 时，前纵梁的吸能性能最优。

4.2 性能验证

图8 性能验证分析结果Fig.8 Results of Performance Verification Analysis

将最优方案与传统矩形截面设计进行对比，这里选取100%正面碰撞和40%偏置碰撞两种工况下的结构吸能特性进行对比分析。在正面100%重叠工况，壁障以50km/h 的速度与前纵梁总成发生碰撞，获取整个过程中结构的加速度-时间曲线，如图8（a）所示。在40%偏置碰撞工况下，两种设计的承载力变化曲线，如图8（b）所示。由图可知，优化设计前后，系统的加速度基本保持不变，波形无明显差异，二者的变化趋势基本一致，并且结构的最大加速度值基本不变。结果表明，在此工况下，方案是可行的，整个结构的性能基本保持一致。优化设计后，前纵梁总成的最大侵入量为114.1mm，此值满足设计使用要求。对比两种方案的承载力随位移变化曲线可知，两种设计的曲线变化趋势基本一致，优化设计后，结构的强度明显提升，而侵入量表现出明显减小的趋势。由图可知，整个碰撞过程中，在吸能盒发生压溃的时候结构的承载力为84kN，由前面的分析可知，结构的设计最大承载力为86kN，二者之间的误差为2.3%，满足设计要求。原矩形截面前纵梁重量为1.286kg，优化设计后重量为0.926kg，在碰撞性能基本一致的情况下，重量明显减轻达到28%。