汽车防撞梁的结构强度分析及优化

摘 要：汽车前防撞梁对于汽车的安全有着重要的意义，它前连吸能盒和保险杠，后连前纵梁。在进行遇到安全事故时，它能够有效地吸收正面碰撞冲击力，将其转化到中，通过防撞梁将能量传递给前纵梁，前纵梁吸收能量并传递给车后的其它结构，尤其是在撞树模型中，必须依靠前防撞梁才能将力分散到车后。然而，本文的研究假设就是认为前横梁结构正常，因此，从受载和强度分别进行分析了前防撞梁。

关键词：汽车防撞梁；结构强度；优化

中图分类号：U49 文献标识码：A

在本文中，三维几何模型以捷达2010款车型为例，前防撞梁系统模型最为分析对象。首先，动力性数据是在建立整车碰撞模型的前提下得到的，然后分析撞梁强度，实现对仿真方法的优化，前防撞梁在高速碰撞后的应变以及应力是在仿真方法的基础上分析计算出来的，同时优化了内在结构，这样就使得前防撞梁和前纵梁系统的结构强度大大提高。

1 防撞梁结构失效的判定准则

判定原则包括：（1）发生严重形变的防撞梁结构；（2）大幅度降低结构承载能力。因为材料的特性极限无法承受载荷，这是造成结构失效的主要原因。可以把防撞梁的结构失效分成以下两种：①塑性大变形失效；②强度失效：其中包括断裂失效和屈服失效。在汽车的碰撞过程中，屈服失效很发生在防撞梁和纵梁系统中，而断裂失效通常发生在很大碰撞冲击力的情况下。

在考虑前防撞梁以及前纵梁的前提下，实现在模型中对汽车碰撞结构强度的分析研究，这是基于防撞梁与车底纵梁相连接的特点完成的。要严格校核和分析前纵梁和前防撞梁的结构，这是因为在汽车碰撞的过程中，防撞梁可能会产生很大的现状改变和位置移动，这时车身、发动机船或者乘客都会收到严重的伤害。防撞梁的结构变形图是在对模拟仿真计算结果的总结概括的基础上构建的。基于对有关文献资料的分析研究可知：前防撞梁和纵梁系统发生的形变的最大可能是在0.05时刻，这是在整车碰撞过程中，基于对车辆的加速度、能量、速度以及位移的结果数据分析预测得出的。前防撞梁和纵梁的结构变形中最小的是100%正面碰撞，然后是40%偏置，最大的是正中撞树。

本文分析前防撞梁的结构强度的过程中，基于对整车碰撞仿真的计算可以获得数据，从而实现约束和加载防撞梁和纵梁的目的。其次，当防撞梁和纵梁遭到最大冲击力的时候，判断材料的屈服应力极限在防撞梁和纵梁符合的范围内，从而保持防撞梁和纵梁的有效性，这样就达到了优化防撞梁和纵梁结构的效果，同时针对防撞梁和纵梁系统的强度在实现结构的优化后进行分析。

2 防撞梁有限元模型的建立

在网格划分整车模型过程，假如几何尺寸设置的太过精细，就会致使过大的网格规模，防撞梁有限元模型就是根据该原则简历的。对整车模型进行了适当简化，同时选择了大约25mm的网格，采用壳单元应用于大多的结构，这样就简化了防撞梁结构。在文章，基于对防撞梁的结构强度的分析，精确的前防撞梁和前纵梁三维几何模拟的建立有着重要的意义。同时，网格密度需要结合分析对象和计算机计算能力进行。

本文分析的为大众公司生产的捷达2010款，其防撞梁结构为典型的冲压钢板，属于薄壁板壳缓冲结构。并且，在此结构上有经过冲压形成的分散应力孔，在过渡处有连接加强肋。然而，这些结构影响到整体碰撞结果，在许多研究者进行的分析中都进行了简化，而本文在为了获得更加准确的结构，将这些结构都进行的创建。由于前防撞梁的前表面横向弯曲弧度很小，简化为直钢梁。

在前防撞梁和纵梁系统的质量己知情况下，加速度值已知，结合整车碰撞过程和防撞梁所受冲击力的分布情况的分析，在保证所受总冲击力之和不变的前提下，将防撞梁和纵梁系统所受的冲击力合理加载在防撞梁节点上（如100%正面碰撞冲击力主要加载在纵梁和前防撞梁的结合部位，40%偏置碰撞冲击力主要加载在碰撞一侧的纵梁前端，正中撞树冲击力主要加载在防撞梁的中部），纵梁的尾端面自由度全部约束。等效分析在最大冲击力的情况下防撞梁和纵梁的结构强度。

3 防撞梁结构强度的分析及优化

在经过建立FEM模型后，通过软件结算获得了前防撞梁和纵梁在最大冲击力时的结构应变和应力的计算结果。由于在实际中可能存在由于碰撞导致大变形，出现断裂，选择两种形式来验证碰撞结果，并进行对比强度结果。根据计算结果，所获得的前防撞梁和前纵梁的应力和应变云图如图1。为100%正面碰撞，前防撞梁和纵梁的变形图和应力云图。

根据以上结果可知，在当进行100%正面碰撞过程，前防撞梁和纵梁的局部应力已经接近了所使用材料的强度极限，而正中撞树前防撞梁和纵梁的应力局部应力已经超过材料的拉伸强度极限，这对于汽车的安全性非常的不利。因此，必须对以上结构采用优化方法，对出现局部应力过大的区域进行重新设计，保证期符合安全性要求。在以上应力的结果中，防撞梁的中部、防撞梁和纵梁的交接部位往往应力过大，这都是由于焊接工艺集中区域。此外，前纵梁的过渡结构应力分布也较集中。本文指出这些位置需要重新考虑，进行优化结构，从而提高防撞梁和前纵梁的结构强度，达到能够缓解应力集中的效果。

参考文献

[1]T.W.Kim，H.Y.Jeong，W.Jin.Astochasticanalysis on variation in injury numbers at automobile frontal crash tests. Int. J. Automotive Technology . 2010.

[2]刘伟香，周忠于. 汽车与汽车碰撞交通事故分析模型[J]. 汽车科技，2003（05）.

[3]周忠于，刘伟香. 汽车车身结构的布设与安全性研究[J]. 机械设计与制造，2003（04）.