危海烟;吴朝晖;董瑞强
【摘 要】为了高效评估防撞梁系统变化对整车碰撞性能的影响,基于整车正向开发流程,创新定义了防撞梁系统在整车碰撞中的性能要求,创建了防撞梁系统变化对汽车整车碰撞性能影响的等效评估方法.即从材料参数、材料高速拉伸性能、CAE分析、子系统试验4个方面进行评估和对比,可有效判断防撞梁系统的差异性及对整车碰撞性能的影响.通过研究某平台汽车铝前防撞梁原材料供应商切换对整车碰撞性能的评估案例,验证了等效评估方法的有效性,避免了整车碰撞验证,提升效率,降低费用.
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2019(048)006
【总页数】5页(P120-123,162)
【关键词】防撞梁系统;碰撞性能;评估方法
【作 者】危海烟;吴朝晖;董瑞强
【作者单位】泛亚汽车技术中心有限公司,上海 201201;泛亚汽车技术中心有限公司,上海 201201;泛亚汽车技术中心有限公司,上海 201201
【正文语种】中 文
【中图分类】U463
0 引言
汽车碰撞安全性是交通安全重要问题之一，也越来越引起消费者的关注。防撞梁系统是汽车碰撞“第一承力点”，与整车碰撞性能强相关。整车开发过程中通过进行系列原材料级、零件级和整车级的性能认证，防撞梁系统的刚度和强度会保持在与车身匹配的一定范围内，以确保每辆车的碰撞安全性。
铝型材防撞梁的应用有效提升了汽车轻量化。当整车完成认证后的铝防撞梁系统的原材料、制造工艺或生产厂商等发生变化时，可能会造成防撞梁系统的刚度和强度性能发生变
化，从而影响整车的安全性能。如果通过基于新状态零件重新进行整车碰撞试验及标定，费用非常高，且时间长。
本文通过研究某车型铝前防撞梁采用不同原材料供货差异性，结合碰撞性能要求，建立了防撞梁系统碰撞性能等效评估方法，通过材料性能参数对比、高速拉伸曲线对比、基于高速拉伸曲线的CAE整车性能分析、子系统试验对比来实现风险评估和判断。
1 汽车防撞梁系统及碰撞安全性介绍
汽车防撞梁系统位于汽车前后端，安装在车身结构(纵梁)上，是整车碰撞安全的架构件。根据其安装位置不同，分为前防撞梁系统和后防撞梁系统。
图1 汽车前/后防撞梁系统
防撞梁系统与整车碰撞相关的安全性能如表1所示，分为高速碰撞[1]、标定工况、低速碰撞[2]、行人保护和牵引性能。碰撞发生时，防撞梁系统和汽车车身结构能有效的实现能量传递、吸收，避免前舱和车厢挤压变形致车内人员挤压受伤。在碰撞速度较大时，可正确引爆安全气囊，避免传递到车内人员身上的加速度超过人体的承受极限致人体器官受损。防
撞梁系统还保护车体和功能件在低速碰撞时不损坏，给牵引装置提供安装点，保证牵引性能[3]。
刚度和强度不合适的防撞梁系统将影响汽车碰撞安全性能。如图2所示的高速碰撞失效形式，防撞梁断裂将影响力的传递和能量吸收；防撞梁系统刚度和强度与车身纵梁不兼容，出现纵梁“失稳”，防撞梁系统在高速碰撞中将不能有效压缩纵梁来实现逐级吸能。
表1 防撞梁系统碰撞性能要求碰撞类型对防撞梁系统性能要求正面高速碰撞 有效进行能量吸收和传递，正碰标定工况追尾高速碰撞低速碰撞行人保护牵引装置碰撞描述正面刚性墙碰撞40%偏置可变形障碍壁碰撞25%偏置刚性障碍壁碰撞系列正面碰撞工况后端撞壁碰撞前后端低速碰撞正碰/角碰小腿撞击/大腿撞击各角度牵引拉伸/压缩碰撞标准48kph（GB11551） 48.3kph（GB11557） 50kph（C-NCAP）56kph（GBT20913） 64kph（C-NCAP)64kph（C-IASI）16kph～40kph 50kph（GB 20072）4kph,2.5kph(GB17342)40kph（GB/T24550）(GB 32087)防撞梁不断裂，其与车身的连接不失效合适的碰撞变形量来保护法规定义零件合适的吸能空间，合适的刚度和强度来保护腿部牵引变形量不影响拆装，结构无开裂
图2 高速碰撞失效形式
2 防撞梁系统碰撞性能评估方法的创建
2.1 碰撞性能正向开发过程及评估方法
汽车防撞系统整车碰撞性能正向开发过程一般为：根据项目规划确定整车碰撞要求，制定能量管理策略，定义前后端布置空间。汽车数字化技术的发展，实现了用CAE虚拟技术对整车碰撞工况进行模拟。从材料特性中开发出CAE标准材料卡，输入整车CAE结构模型，进行整车碰撞性能和标定性能CAE分析，完成设计开发和样车试制后，进行系列整车碰撞性能和标定试验验证，确保车辆的碰撞安全性能。
如图3所示，笔者通过模型转化和评价指标转化，创建了防撞梁系统在整车碰撞中的性能要求定义和评估方法。经过了近5年系列全新项目开发实践检验，形成了设计开发指导。模型转化：通过CAE虚拟分析，把整车碰撞转化为防撞系统+一部分纵梁的子系统模型，子系统优化完成后再代入整车验证。评价指标转化：把Pulse曲线对乘员损伤的评估转化为防撞梁的截面力、能量和Z向弯矩性能评估。
图3 防撞梁系统在整车碰撞中的性能要求
因此，防撞梁系统的开发需根据其在整车碰撞中所需的性能要求，通过截型壁厚设计、曲率设计、原材料选择，实现所需的刚度和强度。考虑制造和装配的工差，整车开发中需考虑系统与车身的兼容性和设计带宽，防撞梁系统的刚度和强度可保持在一定的设计范围内。
2.2 防撞梁系统碰撞性能影响因素分析
如图4鱼骨图所示，从人、机、料、法、环5个方面分析防撞梁系统碰撞性能的影响因素。超高强度钢材结构稳定，受环境影响小，各原材料供应商按标准进行开发和生产，完成认证后差异性较小，在防撞梁生产过程中，钢原材料的机械性能基本上不发生变化。而铝防撞梁材料成分和工艺热处理对零件性能影响大，从原材料生产到产品生产过程，机械性能都会发生变化。因此，铝防撞梁的差异性研究是重点[4-5]。
人：技术人员的专业程度，开发经验，管理人员的素质直接影响设计质量和产品质量。对于新增供应商，需特别关注。如果是已认可且长期稳定供货且人员稳定的现有供应商，则人方面可认为基本不变。
机：熔炼工艺、挤出和成型模具、挤出成型工艺、时效炉的变化、时效处理温度和时间设置的差异性对性能都会产生影响。生产工艺差异性及生产设备差异性影响需评估。
料：铝锭的产地、材料参数波动、零件尺寸变化需评估。
环：材料对焊接性能有影响，焊接性能需评估。
法：按正向开发进行全过程评估，需要进行系列整车碰撞试验，成本高。开发等效性能评估方法需验证其有效性。
图4 鱼骨图-防撞梁系统性能影响因素
2.3 防撞梁系统碰撞性能等效评估方法的创建
基于上述分析，在整车正向开发的基础上进行改进，创建了防撞梁系统碰撞性能等效评估方法。从材料参数、材料高速拉伸性能、CAE分析、子系统试验四个环节进行评估。
防撞梁系统等效评估方法既可用于正向开发，也可以用于后期原材料和工艺变更的评估，效率高、成本低。如图5所示，原材料参数稳定和固化后，可采用ISO标准，基于实际零件
开发不同速率下的高速拉伸应力应变曲线，合成高速拉伸曲线。制定CAE零件材料卡进行整车性能CAE分析及子系统CAE分析，并进行防撞梁子系统的碰撞试验，验证CAE分析和碰撞试验结果的一致性，以此来评估防撞梁系统性能及整车碰撞安全性能。如果是进行供应商切换，可进行不同供应商零件的子系统试验，对比分析差异性来进行可行性判断。如果出现较大差异性，则需要重新进行零件状态调整和试验工作，直到差异性满足项目开发设定的带宽要求。必要时需进行整车碰撞试验验证。
图5 防撞梁系统性能评估方法流程图
3 防撞梁系统等效评估方法实施案例
某原材料供应商A由于业务战略转型，提前4个月通知将停止铝型材的供货，影响公司D平台车型前铝防撞梁的供货。通过应用防撞梁系统等效评估方法，切换为原材料供应商B，顺利地完成了整车碰撞性能评估。主要工作分为以下几个方面。
3.1 原材料参数及性能
原材料的差异性主要通过化学成分和机械性能来评估。如图6所示，材料标准GMW15665[
6]化学成分规定了最大值或最小值，不同原材料供应商会采用不同的成分形式来达到机械性能要求。供应商B的原材料化学成分满足标准的要求。
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