车辆工程技术77车辆技术
杨 青1,2，胡于进2，胡 淼1，孔德佳1，陈 雨1，李 欣1
（1.凌云工业股份有限公司，上海 201708;2.华中科技大学机械科学与工程学院，武汉 430074）
摘 要：轻量化是未来汽车技术发展的三大趋势之一，目前，国内外主流汽车企业已致力于轻量化技术研发。高性能、轻质的非金属复合材料已受到越来越多的汽车厂的关注，并开始尝试将非金属复合材料应用于防撞梁等汽车安全结构件。本文将以塑代钢，设计一款GMT后防撞梁，采用RADIOSS软件对其进行低速碰撞分析，通过优化结构，完成性能指标，实现减重39%。完成一种结构轻量化、集成化、生产自动化、周期短、效率高的GMT模压成型后防撞梁开发方法研究。
关键词：GMT；后防撞梁；模压成型；耐撞性；RADIOSS；轻量化
0 前言
我国经济在高速发展的同时，环境问题也日益显现出来。在2020
年，我国乘用车油耗指标需要达到5L/100km，目前我国燃油消耗指
标为6.2L/100km，同时我国北方冬季雾霾日益加重，在国家法规和环境因素双重作用下，汽车轻量化是未来汽车技术发展的三大趋势之一，已经受到国内外主流汽车企业的广泛关注。高性能、轻质的非金属复合材料层出不穷，很多非金属复合材料都具有一定程度的形状记忆功能，在发生轻微道路交通事故之后可以复原，越来越多的汽车厂开始尝试将非金属复合材料应用于防撞梁。这不仅是基于力求进一步降低汽车的总质量，更是处于对行人安全保护的考虑[1]。
汽车后保险杠防撞梁总成位于汽车最后端，当汽车发生追尾碰撞时，后保险杠最先受到碰撞接触。防撞梁总成要能够吸收碰撞能，以减小对车内乘员和车外行人的人身伤害，同时减小碰撞车辆的损坏程度以减少维修成本[2]。保险杠在汽车碰撞中起到了重要的保护作用，而防撞梁总成则是保险杠的核心部件。本文以某M1型轿车的后防撞梁为轻量化优化设计对象，通过运用HyperWorks与RADIOSS软件进行防撞梁有限元碰撞仿真来分析新方案防撞梁的碰撞特性，并以仿真得到的各数据作为参考，进行优化设计，从而设计出一款全新的汽车防撞梁。不仅有效改善了原钢制后防撞梁的刚度、强度，保证了其追尾碰撞安全性能，同时实现了降低汽车总质量的目的，为汽车轻量化设计提供可靠依据。
1 材料介绍
玻璃纤维毡增强热塑性复合材料（Glass mat re-inforced thermoplastics），简称GMT材料，是以热塑性树脂为基体，以玻璃纤维毡为增强骨架的板片状结构材料。GMT材料性能参数如表1所示。GMT材料
具有轻质、强度高、抗冲击、易成型和可回收等特点，耐腐蚀性、耐热性优良且设计自由度高，是实现整车轻量化的主要材料之一。在欧洲、美国和日韩等汽车工业发达的国家和地区，汽车前/后防撞梁、蓄电池支架和行李架等已大量应用GMT材料。
表1 GMT
材料性能参数
测试项目测试值测试方法
玻纤含量(%)40ISO 1172/PA_073
密度(g/cm3) 1.21ISO 1183/PA_138
拉伸强度(MPa)110ISO 527/PA_098
拉伸模量(MPa)6400ISO 527/PA_098
断裂伸长率(%) 2.5ISO 527/PA_098
弯曲强度(MPa)165ISO 178/PA_100
弯曲模量(MPa)5900ISO 178/PA_100
冲击强度(MPa)100ISO 179/PA_097
2 后防撞梁轻量化方案设计
2.1 GMT后防撞梁结构设计
后防撞梁总成在汽车发生低速追尾碰撞时，应该起到缓冲碰撞冲击、保护后端各总成系统的重要作用[3-4]。基于轻量化的考虑，本文将以某M1型轿车钢制后防撞梁为依据，进行GMT后防撞梁轻量化设计。 汽车后防撞梁GMT设计方案如图1所示，该防撞梁采用不等厚设计，内侧布有加强筋，提高防撞梁
的刚性和强度。GMT后防撞梁采用模压一体成型，脱钩套在模压时嵌入防撞梁内。后防撞梁零件个数由原来的8个减少到1个，减少了零件的焊接工序，同时增强了连接强度。
图1 GMT后防撞梁方案
汽车追尾2.2 后防撞梁摆锤分析
在防撞梁总成的研发和优化设计中，为减少研发设计成本，常采用有限元仿真分析方法[5]。本论文采用有限元摆锤仿真分析方法，对后防撞梁总成进行摆锤仿真分析，得出防撞梁总成的耐碰撞性能。摆锤分析是一个大位移、动态大变形的过程，具有材料非线性、几何非线性和接触非线性等多重非线性特性[6-7]，因此针对于线性小位移系统的有限元分析方法不再适用，而应采用动态显示有限元分析方法。该方法主要涉及到弹塑性材料本构关系、接触、沙漏能控制、滑移能控制、时间步长控制和质量缩放等仿真理论[8-9]。
本文参照国标GB 17354-1998汽车前、后端保护装置的要求[10]，采用RADIOASS软件对GMT新方案进行摆锤仿真分析，侵入量结果如表2所示，仿真结果云图如图2所示。仿真结果显示，除半载偏置碰外，其他五个工况均不满足要求，GMT后防撞梁结构还需进一步优化。
表2 GMT
方案不同工况入侵量
工况侵入量(mm)侵入量要求(mm)结论
半载正碰67.1165不合格
半载偏置碰49.9755合格
半载角碰11.5410不合格
空载正碰104.9965不合格
空载偏置碰58.2755不合格
空载角碰20.1010不合格
a）半载正碰 b）半载偏置碰 c）半载角碰
e）空载正碰 f）空载偏置碰 g）空载角碰
图2 GMT新方案位移云图
车辆工程技术
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3 后防撞梁优化
3.1 GMT 后防撞梁结构优化设计
汽车后防撞梁GMT 设计方案不符合设计要求，其主要原因为防撞梁与碰撞器垂向重合度不够，且接触面积小。优化设计方案在原GMT 设计方案的基础上，横梁主体部分沿z 负向延伸，增加防撞梁与碰撞器垂向重合度，横梁表面采用变曲面设计，横梁曲面与碰撞器角度一致，增大碰撞时接触面积，减小应力集中，优化设计方案如图3
所示。
图3 GMT 后防撞梁优化方案
3.2 后防撞梁碰撞分析
表3 GMT 方案不同工况入侵量
工况侵入量(mm)侵入量要求(mm)结论
半载正碰60.9965合格半载偏置碰46.7055合格半载角碰 5.2610合格空载正碰66.6865合格空载偏置碰53.0955合格空载角碰 5.9210
合格
a）半载正碰 b）半载偏置碰 c）半载角碰
e）空载正碰 f）空载偏置碰 g）空载角碰
图4 优化方案位移云图
优化设计方案采用与GMT 后防撞梁出版方案同样的仿真分析方法，针对低速碰撞的六个工况进行仿真分析，GMT 优化方案各工况侵入量如表3所示，各工况仿真结果云图及侵入量曲线如图4所示。仿真结果显示，优化后GMT 后防撞梁满足设计要求。
4 结论
本文以某M1型轿车的钢制后防撞梁为参考依据，进行了轻量化优化设计，根据GB/T 17354-1998标准要求，运用HyperWorks 与RADIOSS 软件进行防撞梁有限元碰撞仿真，验证了设计结果的合理性和应用性，通过对GMT 后防撞梁方案进行多次优化分析，得到了GMT 后防撞梁合格方案和碰撞特性数据。GMT 后防撞梁最终方案质量为1.97kg，较钢制后防撞梁减重39%，且零件个数由8个减少到1个，大大缩减了零件个数和工序数，提高了生产效率，为汽车轻量化设计提供可靠依据。
参考文献：
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[9]胡红舟，钟志华.一种汽车防撞梁轻量化结构的仿真分析与试验研究[J].汽车工程,2018,40(08):918-925.
[10]GB17354-1998，汽车前、后端保护装置[M].北京，中国标准出版社,1998.
作者简介：杨青（1984-），女，河北定州人，硕士，工程师，研究方向：汽车部件数值模拟仿真。
（上接第131页）5.1 DPF 故障
车辆达不到主动再生的温度而被动再生效率低。颗粒物会逐渐堵塞DPF，轻的导致年检排放检测通不过，影响发动机动力。严重的车辆无法启动只有更换新的DPF、更换DPF 总成的价格较高。对于怎样节省这笔维修费用，怎样修复DPF 我做了很多方法。最终选择了超声波清洗修复。
5.2 超声波清洗机的原理
图3
超声波清洗机原理主要是通过换能器，将功率超声频源的声能转换成机械振动，通过清洗槽壁将超声波辐射到槽子中的清洗液。由于受到超声波的辐射，使槽内液体中的微气泡能够在声波的作用下从而保持振动。液体在高频交替变化作用下形成无数空化泡（“空化效应”），并在内部发生快速爆裂，在声波对空化泡保持振动，能有效高频率撞
击污物表层，污物被层层破坏和剥离，从而达到清洗效果。5.3 清洗方法
我们首先用专用药水进行侵泡，通过超声波机机长时间清洗撞击污物表层，污物被层层破坏和剥离，然后取出用高压水再次清洗直到水流从DPF 中可以完全流出，清洗好之后装车测试正常。通过这种方法我们已经维修了一批车辆，使用下来都未发生问题，这种维修方法是可行的。维修成本和更换DPF 相比节约了百分之九十。
作为一个合格的维修工必须了解车辆的每个原件的原理，构造。更要懂得维护和保养才能降低维修率，返修率。只有维修人员不断的学习，经验不断的积累技术水平不断地提高。这样才能保证车辆的维修质量，降低车辆维修成本。
参考文献：
[1]陈朝辉，张韦，李泽宏等.柴油机CDPF 被动再生特性及机理分析[J].农业工程学报,2019,35(23):80-86.
[2]钱枫，薛常鑫，许小伟等.国六柴油机DPF 再生时VOCs 排放特性[J].环境科学,2020,41(02):674-681.
作者简介：柏聪明（1985-），男，安徽宿州人，大专，汽车维修高级技师，汽车机电维修工程师，研究方向：汽车新技术。
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