第3期2021年3月
机械设计与制造
Machinery Design & Manufacture189
覃炳恒，邱贵年，刘昌业，吕俊成
(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州540057)
摘要：以某微型车门槛梁为研究对象，分析在侧面碰撞过程中的变形模式，确定薄弱截面。为便于对抗弯性能影响因素 研究，将其等效简化为单帽梁。设计三点弯曲准静态试验，采用单一变量的方法，分析单帽梁的厚度、截面长宽比和材料 对抗弯性能的影响规律。结果表明：薄壁梁内板厚度对抵抗弯曲所起的作用较小，薄壁梁的抗弯性能主要由外板厚度来 体现，厚度越大，薄壁梁的抗弯性能越好。截面长宽比越小，所用材料的屈服强度越高，薄壁梁的抗弯性能越好。对后期门 槛梁结构设计提供参考。
关键词：侧面碰撞；门槛梁；单帽梁；抗弯性能；准静态三点弯曲试验
中图分类号:T H16;U467.1 文献标识码:A文章编号：1001-3997(2021 )3-0189-05
Research on Influence Factors on Bending Performance of Threshold Beam
QIN Bing-heng, QIU Gui—nian, LIU Chang—ye, LV Jun—cheng
(A C I-G M-W uling Automobile Co.,Ltd.,Guangxi Liuzhou540057, C h in a)
A b stract：77ie threshold beam o f a mini vehicle were selected as the research objects ^the weak section o f B-pillar is selected by analyzing its deformation mode during the side collision y which is simplified equivalently as single-hat thin-w alled beam for the convenience o f study o f influence factors on bending performance o f threshold beam. The three point bending test model is established study the influence o f thickness t cross-sectional aspect ratio and material on bending behavior o f singlehat beam by using a single variable method. The result are as follow: the thickness o f inner plate o f thin-^walled beam has little effect on resisting bending, the bending resistance of thin^walled beams is mainly reflected by the thickness o f outer panels. The greater the thickness isf the better the bending resistance o f the thin^walled beam is. The smaller the section aspect ratio is and the higher the yield strength o f the material is,the better the bending performance o f the thin-walled beam is. Provide reference for the structure design o f the threshold beam.
K ey W ord s：Side Im pact；T hreshold B eam；Single H a t-B eam；B ending P erform ance；Q ua
si-Static T h ree-P oin t B ending Test
l引言
如今的社会正在高速发展，汽车的出现使得人们的生活越 来越方便，它也逐渐成为人们出行的主要交通工具。但由于汽车 保有量的不断增加和车速的逐渐提高，随之而来的还有一系列的 安全隐患，各种的交通事故％汽车侧面事故不仅发生率高，而且 致死率、致死率高H。车辆碰撞事故主要分为以下四种：正碰、侧 碰、追尾和翻滚。其中正碰和侧碰占车辆碰撞事故的比例最高，并 且侧碰是造成乘员伤亡率最高的事故形式，重伤和死亡率高达 25%1\与正碰相比，侧碰时由于汽车侧面的缓冲件吸能较差，加 上车门距离乘员的距离较短，故乘员面临较高的人身安全风险。因此，发生侧碰事故而造成的重大经济损失及生命危害是不容忽视的。这种情况下，可知基于侧碰对汽车耐撞性的研究就显得很 有必要。
侧碰时，汽车侧围是主要的研究对象，而影响汽车侧面碰撞性能的零部件主要是车门、车门防撞梁、B柱及门槛梁等w。从汽 车侧面碰撞后侧围各部件损坏程度来看,B柱首当其冲，门槛梁 紧跟其后。由此可见，门槛梁是侧围零部件中除B柱外的又一关 键部件。文献过对汽车的侧面碰撞仿真分析，对汽车门槛加强 梁进行了形貌优化和尺寸优化，得到门檻加强梁厚度的最优尺寸 为丨.732mm，使汽车侧面的碰撞安全性得到明显提高。文献w基于 E-N C A P柱碰工况，对门槛梁结构开展拓扑优化和进行外形设计的完善，优化后改车型抗柱碰耐撞性能得到较大的提升。文献^新型高强钢材料应用于门槛梁等车身侧围，实现了车身侧围耐撞
来稿日期:2020~04-14
基金项目：小型纯电动乘用车集成开发与产业化(桂科AC16380043)
作者简介：覃炳恒,（1969-)，男，广西人，本科，工程师，主要研究方向：整车技术发展；
上汽通用五菱汽车股份有限公司邱贵年,（1977-)，男，广西人，硕士研究生，工程师，主要研究方向：整车技术发展
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性的提升。文献8通过对门槛梁等防撞杆件的改进提高了车门的 抗撞能力。
通过准静态三点弯曲试验对门槛梁弯曲性能进行研究，选 取门槛梁薄弱截面，将其等效简化为单帽梁，探究厚度、截面长宽 比和材料对抗弯性能的影响规律，为门槛梁结构设计提供一定指 导意见。
2分析传力路径
通过对侧面碰撞传力路径的分析可知，必须对汽车侧面结构进行合理的设计，使其侧面碰撞传力路径完整并且能够引导相 应结构件充分变形吸能I根据力传递的路径进行结构设计的好 处是使得侧面碰撞时汽车的结构能够进行充分的合理的变形，从 而吸能特性更好，吸收掉的能量更多，防止车内乘员受到二次
碰 撞带来的严重的伤害。某乘用车侧面碰撞时传力路径的模型图，如图1所示。由图1可以看出，碰撞力的传递路径分为垂向、横向 与纵向传递,B柱和门槛梁是其中最主要的两条传递路径。其中 B柱为垂向传力路径，向上传递至车顶纵梁，然后通过几根车顶支撑横梁横向传递；门槛梁为纵向传递路径，向前传递至A柱, 向后传递至C柱；同时，门槛梁也会通过地板横梁横向传递。由此 可知，门槛梁在侧围的地位很重要，其在侧面碰撞后的变形情况影响着汽车的耐撞性能。
图1某乘用车侧碰时传力路径模型图
Fig.l The Transmission Path Model of a
Passenger Vehicle During Side Impact
3门槛梁变形模式分析
汽车侧围由车门防撞杆、B柱、门植梁等薄壁结构组成，侧围 关键结构的抗弯性能直接决定着汽车侧围耐撞性能，对于降低乘 员损伤具有重要的意义。门檻梁结构分为外板、内板和加强部件，总体呈现为空腔梁结构，如图2所示。
图2门檻梁结构分解图
Fig.2 Structural Decomposition Diagram of Threshold Beam
纵向跨越汽车前门和后门固定安装，外板与B柱外板进行 焊接，内板与B柱内板进行螺栓连接，同时与地板横梁进行焊接。由于其在侧围特殊的位置，汽车发生侧面碰撞时首当其冲。对门 檻梁在侧碰工况下的变形模式进行分析，确定弯曲变形最严重的 截面，为了便于分析截面参数对抗弯性能影响，将薄弱截面进行等效简化代替门槛梁进行零部件实验，对于降低门槛梁的结构开
第3期发周期和成本降低有着重要的意义。侧面壁障碰撞时，门槛梁发 生了弯曲变形并伴随着一定扭转变形，门槛梁受到壁障前端蜂 窝铝下侧的直接碰撞对门槛梁产生向内推力，使得门槛梁向车内 弯曲变形。同时由于门槛梁上端与B柱搭接，下端受力小，上端 受力大，在其中心线产生一定的扭转变形，门槛梁变形，如图3所 示。侧面柱碰时，门槛梁直接与刚性圆柱体接触，由于接触面积 小，使得门槛梁接触面受到较大冲击，门檻梁弯曲刚度不足，门槛 梁弯曲变形严重，向乘员舱内部侵人量过大，门槛梁变形，如图4 所示。
由图可知，门槛梁弯曲变形在柱碰工况下更为严重，因此，选择在柱碰工况下门槛梁最薄弱截面作为研究对象。
图3整车侧面碰撞门槛梁变形前后
Fig.3 Before and After the Deformation of
the Vehicle’s Side Impact Threshold Beam
图4整车侧面柱碰撞后门槛梁变形后
Fig.4 The Threshold Beam Deforms After the
Vehicle’s Side Column Collides
4有限元模型建立
4.1门槛梁的简化模型
由于门槛梁的制造工艺，避让零部件，安装设计等原因，其 结构通常为不规则的非等截面曲梁。门槛梁结构的复杂性和不规 整性不仅加工难度大，成本高，而且由于各变量之间存在关联性，不易得出一般规律，甚至研究结果无法保证准确。根据门槛梁结 构特点，将其简化为截面为矩形的单帽梁结构。
根据弯曲变形理论当薄壁梁受到弯曲载荷时，在局部狭 窄的条状区域产生皱褶变形，形成塑性铰，冲击能量通过塑性铰 的转动得以吸收，而其它未变形区域仅仅发生刚性旋转，因此门 槛梁未发生摺皱变形区域内可以忽略，将其简化为等截面横梁。
根据E-N C A P侧面柱碰法规，刚性圆柱体中心对准假人头 部重心[111，此时门槛梁对应截面弯曲破损严重，可以作为简化截面的原型。由R点确定某款车型所对应的门槛梁截面，通过测量 该轮廓的尺寸，画出C A D图，如图5所示。
Y
图5侧面柱碰撞弯曲破损截面C A D图形
Fig.5 Side Column Collision Bending
Damaged Section C A D Graphics
覃炳恒等：门槛梁抗弯性能影响因素研
究
No .3Mar .2021
机械设计与制造
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如图7所示。仿真模型中，帽型梁单元选择尺寸为(5x 5 )m m 的
B elyschko -T s a y 壳单兀，其余结构采用（10x l 0)m m 六面体单元，
压头与帽型梁和模型梁与支撑圆柱体之间采用面面接触，帽型梁 外板与底板之间采用点面接触的点焊连接，其余连接方式采用
R igidbo dy 连接，底座进行6自由度约束。
(a)
(b)
图7准静态三点弯曲试验
Fig.7 Quasi-Static Three-Point Bending Test
4.3仿真结果有效性分析
对表1中仿真设计实验组进行有限元仿真，其中，一组仿真 的加载力-位移曲线，如图8所示。
25 50 75 100 125 150 175 200
位移(mm)
--原始门槛梁一780DP_1.0 一-590DP_1.2
图8加载力-位移曲线 Fig.8 Load-Displacement Curve
对比原始门槛梁，简化后的单帽梁较为简单，由于材料不 同，则屈服强度也不同。由图8可知，在前25m m 内，简化梁加载 力达到峰值早于门槛梁。为了较好的研究简化模型与门槛梁之间 的关系，现只研究原始门槛梁峰值力之后的一段曲线，即:（60~ 200)m m 的区间。
为后续的门槛梁简化模型的抗弯性能影响因素分析。将以 下几项指标作为后续研究的评估指标。
4.3.1加载力峰值l
加载力峰值与乘员的安全相关，对结构的失效有重要意义， 但是对能量的吸收贡献较小。根据实际情况考虑的是第一个峰值 点的峰值力，这个峰值力体现了抵抗初次变形的能力。较低的峰 值力可以使得加速度值较小，可以减少车内乘员的伤害m 。因此， 要尽量减小峰值力的大小:，
通过A u to C A D 中M ASSPR 0P 命令可知破损截面对于U
轴惯性矩分别为 12221723.07mm 4 和 24470577.09mm 4。
不妨令简化后的矩形单帽梁的长宽分别为a 和6。根据简化 前后惯性矩不变原则，则单帽梁截面尺寸满足：
12221723.07=^|- 24470577.09=^|-
求解可得:o =142.77mm ，6=100.9mm 。对结果进行取整，确定
o =143mm ，6=100.9mm 〇贝(J 该截面的形状，如图6所7K 〇
143
图6简化模型截面图
Fig.6 Simplify the Model Section Diagram
确定了简化模型的截面，接下来选择单帽梁模型的材料和 厚度。统计汽车门植梁常用材料，选择材料为:590D P 和780D P 。 统计汽车薄壁结构件常用厚度，确定厚度的区间为[0.6,1.4]。为 了门槛梁模型简化，约束2个条件:⑴内外板厚度相同;(2)内外 板材料相同。则进行对标的仿真试验组，如表1所示。
表1仿真设计试验组
Tab.1 Simulation Design Test Group
编号590DP
外板厚度/m m 内板厚度/mm
编号
780DP
外板厚度/m m 内板厚度/mm 1
0.60.61-10.60.620.70.72-20.70.730.80.8
3-30.80.8
40.90.9A-A
0.9
0.95 1.01.05-51.01.061.11.16-61.11.171.21.27-71.21.281.31.38-81.31.39
1.4
1.4
9-9
1.4
1.4
4.2准静态三点弯曲试验模型
由于准静态试验具有试验简单以及容易观察变形的特点， 且与低速碰撞变形模式基本一致，因此，采用准静态试验对侧围 关键部件进行抗弯性能影响因素分析。门槛梁作为薄壁构件，受 到冲击时，发生弯曲破损来吸收能量。为了验证优化设计后的关 键结构的力学性能和仿真模型的准确性，用一种改进的三点弯曲 试验对门槛梁的耐撞性能进行研究。从已建立的整车侧面碰撞模 型中提取在碰撞过程中的门檻梁车身结构件，建立其简化模型。 三点弯曲试验方法的确定主要由侧围结构变形形式决定的，是研 究薄壁梁抗弯性能方法之一。三点包括由两个支撑点和一个施力 点。
具体实验内容：根据门植梁在汽车侧围中的结构和位置特点, 确定单帽梁总长为1450m m ，对称放置在
跨距为1250m m 的支撑刚 性圆柱上，直径为30m m 压头以2m/S 沿样件中点垂直下压，加载 距离为200m m 。门槛梁准静态三点弯曲实物图和单帽梁仿真图,
S )-R
震
■USE A 一ONE
■■ISEA.ONE
一•-峰值力_〇NE 峰值力_〇NE —a -平均力_〇NE
-a -平均力_ONE
图9不同厚度仿真结果对比图
Fig.9 Comparison of Simulation Results of Different Thickness
5.2长宽比对门槛梁简化模型抗弯性能的影响
在本项研究中，需要样本点的厚度，焊接边，周长以及材料 一致，分析薄壁梁截面长宽比对抗弯性能的影响。进行截面长宽 比对抗弯性能的影响研究时，主要考虑的是周长一定的情况，因此薄壁梁的截面尺寸需满足约束条件为：
J a +26+c +28=424 ,.
la +28=c ()
式中a 、6—截面长度和宽度;c 一底板长度。
a 的取值范围为[103,183 ]，间隔1 Omm 进行取值，截面宽度
和底板长度根据约束条件进行取值，则样本点的设计，如表4所 示。仿真结果对比，如图10所示。由图10可知，截面宽高比对单 帽梁抗弯性能有较大程度的影响，改变截面长宽比时，由于截面 周长不变，样本质量不变，因此抗弯性能评价指标中比吸能和平 均加载力的变化趋势是一致的。随着截面长宽比的增加，加载力 峰值、平均加载力、比吸能都呈下降的趋势，表现出来的特征是抵 抗变形的能力降低，弯曲吸能的能力减弱。究其原因，从结构方面 分析，对于薄壁矩形截面梁而言，其弯曲刚度与截面对弯曲中性
4.3.2平均加栽力
平均加载力反应了加载过程整体的载荷水平，体现了受力 平稳性的能力。
式中:£>! 一总吸能;—位移变量;M x )—加载力;^~变形位移。 4.3.3比吸能S E A
比吸能反应了结构单位质量所吸收的能量，是轻量化设计中的一项重要指标。轻量化考虑的是一个成本的问题，构件越轻，所要的材料越少，成本就越低。S E A =^~
(2)
M
式中:£4 一总吸能;Af —样件质量。
由于门槛梁的简化是一个替换的过程，比吸能与质量将不 予考虑或者适当加以考虑。各评价指标值，如表2所示。
表2各评价指标值
T a b .2 Evaluation Indexes
编号
590DP
加载力峰值 平均加载力 f 值/k N 百分比值/k N 百分比7780DP
加载力峰值 平均加载力 值/k N 百分比值/k N 百分比
0 4.28
0% 3.050% 0 4.280% 3.050%1 1.35-68.46%
0.90-70.33% 1-1 1.88-56.07% 1.23-59.82%2 1.68-60.75% 1.18-61.20% 2-2 2.32-45.79%1.61-47.08%3 1.96-54.21% 1.43-53.21% 3-3 2.73-36.21% 2.03-33.53%4 2.32-45.79% 1.73-43.34% 4-4 3.23-24.53% 2.45-19.68%5 2.67-37.62% 2.06-32.50% 5-5 3.96-7.48% 2.94-3.64%6 3.06-28.50% 2.45-19.65% 6-6 4.34 1.40% 3.5014.89%7 3.55-17.06% 2.89-5.28% 7-7 5.0618.22% 4.15
36.14%
8 3.22-24.77% 1.96-35.72% 8-8 4.54 6.07% 2.71-11.15%
9
3.71-13.32%
2.27-25.55% 9-9 5.282
3.36%
3.14 2.80%
由表2可知，编号5-5的峰值力百分比与平均力百分比都 低于10%。则选择材料和厚度分别为:780D P , 1.0mm 。
综上所述，门檻梁简化模型参数：轴向长度1450mm ，截面长 143mm ，宽101mm ，焊接边宽14mm ，焊点间距60mm ，材料为 780D P ，板厚 1.0mm 。
5门檻梁简化模型抗弯性能影响因素分析
本节通过采用单一变量的方法，讨论分析验证厚度，长宽比 以及材料对门槛梁简化模型抗弯性能的影响，对后期门檻梁结构 设计提供参考。
5.1厚度对门槛梁简化模型抗弯性能影响
在本项研究中，需要样本点的截面形状，焊接边以及材料一 致，分析薄壁梁的板厚对抗弯性能的影响。进行厚度对抗弯性能 的影响研究时，主要考虑的是:（1)内板具有相同的厚度，外板厚 度以0.1 m m 递增;（2 )内板厚度以0.1 m m 递增，外板具有相同的 厚度。则样本点的设计，如表3所示。板厚不同的仿真结果对比, 如图9所示。由图9可以看出，板厚的改变对抗弯性能指标有较 为明显的影响。对同一组的仿真结果进行分析得出以下结论:（1) 单帽梁内板厚度不变时，随着外板厚度线性增加，比吸能S E A 也 近似呈线性增长，而加载力峰值和平均加载力的数值也随之增加 而提升且数值增长速度有上升的趋势。（2)单帽梁外板厚度不变
B 寸，随着内板厚度的线性增加，比吸能S E A 呈线性下降，但对加
载力峰值和平均加载力影响不大。由此可得与压头直接接触的外 板板厚对单帽梁抗弯性能的影响明显大于底板板厚，内板厚度对 加载力峰值和平均加载力灵敏度较低，因此底板厚度增加使得结 构质量增加，导致比吸能下降。综合考虑轻量化和抗弯性能指标， 在进行门槛梁厚度设计时可适当增加外板厚度，降低内板板厚。
表3厚度样本点的设计
T a b .3 Design of Thickness S 9ample Points
组
序号板厚/m 外板m 质量/kg 内板
板厚/m m 质量/kg 总质量11.0 4.170.7 1.33 5.5021.0 4.170.8 1.51 5.6831.0 4.170.9 1.70 5.87一41.0 4.171.0 1.89 6.0651.0 4.171.1 2.08 6.256 1.0 4.171.2 2.27 6.4471.0 4.171.3 2.46 6.6310.7 2.921.0 1.89 4.8120.8 3.341.0 1.89 5.233
0.9 3.761.0 1.89 5.65二
41.0 4.171.0 1.89 6.0651.1 4.591.0 1.89 6.4861.2 5.011.0 1.89 6.907
1.3
5.43
1.0
1.89
7.32
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2
o
M W
8
6 4 2 0
*000»00►0«)0
161420(86142--^•f /v a
s
BLD B210P1
440DP 590DP 780DP
材料
■■SEA
平均力一■«鐸值力
图11不同材料仿真结果对比图
Fig.l 1 Comparison of Simulation Results of Different Materials
6结论
基于某车型的门槛梁模型，根据柱碰工况确定薄弱截面，将 其等效简化为单帽梁，设计准静态三点弯曲试验，针对厚度、截面 长宽比和材料等研究因素，对单帽型薄壁梁的抗弯性能影响规律 进行分析，为侧围结构件门槛梁结构设计提供参考。得到了一定 的结论。对于厚度因素，薄壁梁内板对抵抗弯曲所起
的作用较小， 薄壁梁的抗弯性能主要由外板来体现，厚度越大，薄壁梁的抗弯 性能越好。故在考虑增加板厚以提高板件耐撞性能时，可以不考 虑内板，直接适当地增大外板的厚度，这样也有利于轻量化的实 现。对于截面长宽比，截面周长一定的情况下，长宽比越大，即薄 壁梁形状越扁平，其抗弯性能就会越差。对于材料因素，所用材料 的屈服强度越高，薄壁梁的抗弯性能越好。
参考文献
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(下转第 197 页)
_iS E A •平均力峰值力
图10不同长宽比仿真结果对比图
Fig. 10 Comparison of Different Aspect Ratio Simulation Results
再从能量吸收方面分析。随着截面的长宽比增加，单帽梁空 腔高度降低，则内部允许挤压的空间减小。弯曲变形的允许挤压 高度减小，则薄壁构件发生的弯曲变形并不完全，单帽梁的材料 空间得不到充分利用。弯曲变形过程中产生的塑性铰不能进行充 分转动，转角角度减小，导致单帽梁的弯曲吸能能力减弱。
5.3材料对门槛梁简化模型抗弯性能影响
在本项研究中，需要样本点的厚度，焊接边以及长宽比一 致。进行材料对抗弯性能的影响研究时，主要考虑的是某公司门 揽梁常用的几款材料。则样本点的设计，如表5所示。材料不同的 仿真结果对比，如图11所示。由于几种材料密度差异小，对结构 质量并无太大影响，因此在评价指标中比吸能和平均加载力的变 化趋势是一致的。随着屈服强度的增加，加载力峰值、平均加载 力、比吸能均增加，表现出来的特征是抵抗变形的能力增大，弯曲 吸能的能力增强。在单帽梁受到横向载荷作用时，首先发生弹性 变形，加载力随着下压距离的增加而增加，满足胡克定律。当弯曲 变形位移超过阈值时，即所受应变超过屈服极限时，薄壁梁开始 产生塑性变形，抵抗弯曲变形能力下降，冲击载荷能量的吸收形 成塑性铰。因此，材料的屈服强度越高，加载力峰值更大，出现的 时刻更晚，吸收的能量更多，对横向加载产生抵抗的能力更强，增 加了弯曲吸能的能力。
轴的惯性矩呈正相关。长宽比的增加，使得惯性矩减小，导致矩形 薄壁结构的弯曲刚度降低，抵抗弯曲变形的能力减弱，在发生相 同的弯曲变形时，所需的加载力减小。
表4长宽比样本点设计
T a b .4 Aspect Ratio S ample Point Design
序
号截面长/mm 外板截面宽/mr 截面长
n 宽比
内板
质量/kg 截面长/m m 质量/kg
总质量/kg 11031410.73 4.63131 1.44 6.0721131310.86 4.52141 1.55 6.0731231211.01 4.40151 1.67 6.074133111 1.20 4.29161 1.78 6.075143101 1.42 4.17171 1.90 6.07615391 1.68 4.06181 2.01 6.07716381 2.01 3.95191 2.12 6.07817371 2.44 3.83201 2.24 6.079
183
61
3.00
3.72
211
2.35
6.07
表5材料样本点的设计
T a b .5 Design of Material S a m p l e Points
序号名称
材料
屈服强度/MPa 质量/kg 外板
内板总质量/kg 1BL D
120-240 4.18 1.90 6.082B210P1
210-310 4.18 1.90 6.083440DP
280-420 4.18 1.90 6.084590DP
340-500 4.16 1.89 6.055
780DP 400-590
4.17
1.89
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