刘伟，钞永兴, 杨健
（北京汽车研究总院，北京100021）
摘要：安全与轻量化已成为汽车产业发展的重要趋势。然而，在提高车辆安全性能的同时往往会导致车身重量的增加。如何同时满足车辆安全性能和轻量化两项重要指标已成为车身设计开发迫切需要解决的课题。针对传统高强度钢和先进GMT（玻璃纤维增强热塑性复合材料）材料制成后保险杠横梁，本文依据
GB17354-1998法规，建立了保险杠低速碰碰分析的有限元模型。通过车辆的变形模式、碰撞器侵入量以及关键部件的最大应变等的对比分析表明与传统高强度钢相比，先进GMT复合材料制成的后保险杠不仅可以达到与前者相当的低速碰撞安全性能，且质量轻了50%以上，从而实现了车辆轻量化的目的。
关键词：轻量化；低速碰撞；保险杠；GMT
1. 引言
为了满足安全、排放、舒适性、可靠性、智能化等要求，车内各种配置不断增加，使得车辆的自重不断增加，对轻量化技术的发展提出了要求。
世界铝业协会的报告指出，汽车自重每减少10%，燃油消耗可降低6%-8%。油耗的降低，意味着汽车的排放量的降低。可见，汽车轻量化是实现车辆节能减排的一项重要手段。
汽车轻量化技术包括汽车结构合理设计和轻量化材料的使用两方面：
（1）车身结构轻量化技术。改进汽车结构，使部件薄壁化、中空化、小型化和复合化，对内饰、发动机和底盘等汽车零部件进行结构和工艺改进等。
（2）车身材料轻量化技术。采用轻量化的金属和非金属材料，主要是指铝合金、镁合金、高强度钢材、工程塑料及纤维增强复合材料等。
国内现有碰撞安全法规主要分为高速碰撞和低速碰撞两类。低速碰撞法规主要要求车辆的前后端保护装置在车辆发生低速碰撞时能够有效保护不便于维修或维修成本较高的部件，从而达到降低车辆维修成本的目的。
本文在某项目车的基础上，后保险杠横梁分别采用传统高强度钢和GMT两种材料，采用
有限元分析法，对比其低速碰撞性能。
2. 法规要求和评价指标
国内的低速碰撞法规为《GB17354-1998汽车前、后端保护装置》，它的相关要求简介如下：2.1. 与低速碰撞相关的术语定义
车角：车辆与车辆纵向对称面呈60°角的铅垂面的切点。
基准线：在碰撞器的A面与地面垂直时，撞击头对称水平面与撞击头本身轮廓的交线。
基准高度：能过碰撞器基准线的水平面离地面的高度，在此高度上，该车无论处于整车整备质量状态时或是处于加载试验车质量状态时均具有有效的保护装置。
2.2. 法规性能要求
法规要求：碰撞试验后，“发动机罩、行李箱盖和车门应能正常开闭。照明和信号装置应能正常工作并清晰可见。车辆的燃料和冷却系统应无漏油，不发生油、水路堵塞，其密封装置与油、水箱盖亦应能正常工作。车辆的排气系统不应有妨碍其正常工作的损坏或错位。车辆的传动系统、悬架系统（包括轮胎）、转向和制动系统应保持良好的调整状态并能正常工作”。
2.3. 分析结果评价指标
为了便于评价仿真分析结果是否满足法规性能要求，需要将法规要求转换为可行的评价指标。本文根据上述法规要求，定义了如下的仿真分析评价指标：
(1)车体的变形模式，查看刚性碰撞器是否与除后保险杠横梁之外的其它部件发生接触，如果不发生接触，即不会对其它部件造成损害，可认为符合法规要求；
(2)刚性碰撞器的侵入量，检查侵入量是否低于设定的目标值，如果低于目标值，可认为符合法规要求，其中目标值设定为碰撞器处于初始位置时，其A面与后照明系统间的最小直线距离。
(3)关键部件的最大应变，如果最大应变低于其延伸率，即关键部件没有发生损害，符合法规要求。
3. 模型建立
车牌号的意义3.1. 模型信息
(1)碰撞器有限元模型建立：依据GB17354-1998的要求，
碰撞器结构见图1。由于碰撞器在实际碰撞过程中的变形很小，
为减少运算时间，采用壳单元建立碰撞器的有限元模型，并将其
设置为刚性体。碰撞器的质量设置为与被测试车辆整备质量相
同。
(2)被测试车辆有限元模型建立：为节省运算时间，整车模
型采用了简化方法，主要建模与后碰性能密切相关的B柱以后的
结构，忽略其余部分，用集中质量点弥补该部分的质量。同时调
整集中质量点的位置来保证整车质心与实际质心位置一致。网格
图1刚性碰撞器
划分时，对一般部件，采用10mm单元进行划分；对于后纵梁和后保险杠等关键结构部件，采用8mm的单元，为了保证模型的计算精度，整个模型中三角形单元的比例应控制在5%以下。螺栓螺母采用刚体单元（*CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY）建模，通常主节点位于孔的中央，以连接件上螺母直径范围内的的节点作为从节点，约束所有的自由度。而点焊连接则采用实体单元建模，单元自身通过*CONTACT_TIED_OPTION 关键字约束在连接件上。后保险杠横
梁是影响低速碰撞性能的关键件，本文所研究的后保险杠横梁分别采用了GMT材料和高强钢材料，如图2所示，其中前者料厚为5mm，重量为2.6kg，后者料厚为1.5mm，重量为5.1kg。可见，采用GMT复合材料制成的保险杠横梁质量明显减小。
a GMT材料后保险杠b高强度钢后保险杠
图2 后保险杠模型
图3 低速碰撞有限元模型
所建立的低速碰撞有限元模型见图3，其中使用高强度钢的模型总单元数为343,076，节点数为351,663；使用GMT材料的模型总单元数为335,010，总节点数为343,336。
3.2. 材料信息
材料参数对碰撞模拟的分析精度有着重要的影响。为了准确地描述材料的力学行为，必须选用合理的材料模型。对于钢材力学行为的描述已经比较成熟，通常使用
*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY材料模型，高强钢所对应的材料参数见表1。而GMT
表1 高强度钢材料参数
材料名称密度（Ton/mm3）杨氏模量(MPa)泊松比屈服应力(MPa)
表2 GMT材料参数
材料作为复合材料，其材料行为具有明显的正交各向异性特征，材料的失效也比较复杂，本文采用*MA T_ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE进行描述以反映材料的典型力学行为，对应的材料参数定义如表2所示。
金华汽车违章查询3.3. 分析工况及边界条件
法规规定的加载工况较为复杂，对车辆质量和碰撞位置均有不同的要求，例如整车状态按质量可分为：整备质量，加载质量；按碰撞器冲击位置可分为：纵向碰撞中间位置，纵向碰撞偏置300mm位置，“车角”碰撞位置，多种组合形成了复杂的工况将分析工况用代号表示为：A1(加载质量中间位置),A2(加载质量偏置位置)，A3(加载质量“车角”位置)，B1（整备质量中间位置），B2(整备质量偏置位置)，B3（整备质量“车角”位置）。尽管加载工况不尽相同，但考虑到分析和评估方法的一致性，本文主要考虑加载质量状态，选取A1,A2和A3工况，进行重点分析见图4。其中纵向碰撞试验碰撞器的初始速度为4km/h,“车角”碰撞试
验碰撞器的初始速度为2.5km/h。基准高度为445mm。
4. 分析结果
以下针对法规要求，结合前节中所建立的评估标准，从不同的方面对该车型的低速碰撞性能进行了评价。
上海牌照拍卖网4.1. 车体变形模式的对比
车体的变形模式可通过分析结果的动画进行直观的判断，其中后保险杠的变形模式和碰撞器的运动是关注的重点。从图5可以看出，碰撞过程中，后保险杠没有发生明显的折弯，且碰撞器未与后车灯、行李箱盖等关键部件发生接触。
由此判读，碰撞不会引起除后保险杠横梁之外的其它部件的损坏，因而符合法规要求。
a 高强度钢后保险杠纵向碰撞
b GMT材料后保险杠纵向碰撞
c高强度钢后保险杠“车角”碰撞 d GMT材料后保险杠“车角”碰撞
图5碰撞器最大侵入量时车辆变形模态
思迪改装4.2关键部件的应变对比
除车辆的变形模态外，部分与后保险杠安装相关的部件，如左右后纵梁、后围板、保险杠安装支架等，在碰撞结束后如果出现撕裂现象，同样会提高维修的成本。因此，应保证这些部件在碰撞过程中不会失效。本文采用最大应变失效准则，因而，碰撞过程中各部件的的应变应始终低于材料的最大失效应变。图6给出了各关键件的应变云图，工况A1下，高强度钢后纵梁所产生的最大应变为4.6e-3，后围板最大应变为1.06e-1，后保险杠安装支架最大应变为1.7e-2，均低于其自身材料的最大失效应变。
图6 A1工况下关键部件应变云图（高强钢后保险杠）
图7所示为对应工况下，GMT后保险杠横梁的应变云图，后纵梁的最大应变为1.4e-2，后围板最大应变为1.35e-1，后保险杠安装支架最大应变为8.2e-2，均低于其自身材料的最大失效应变。
图7 A1工况下关键部件应变云图（GMT后保险杠）
同样，通过对另外两种工况的计算得出，使用上述两种材料后保险杠横梁的模型中，左右后纵梁、后围板、保险杠安装支架等部件的最大应变均发生在安装孔或加强筋倒角位置，且均低于材料的最大失效应变。五菱宏光上市
4.3 刚性碰撞器侵入量的比较
刚性碰撞器的侵入量是指在碰撞过程中，碰撞器沿与其A面垂直的方向相对于车辆最大位移。通过判断碰撞器侵入量与相应目标值的大小可以判断各工况是否满足法规要求。表2和表3
是两材种料的后保险杠横梁模型在A1，A2，A3三种工况下的碰撞器侵入量。可以看出，两种材料的后保横梁均能满足GB17354-1998的要求。
表3 高强钢后保险杠模型碰撞器侵入量
工况A1工况A2工况A3
目标值<103<103<93
碰撞器侵入量40.5 42.718.2
宝马idrive表4 GMT后保险杠模型碰撞器侵入量
工况A1工况A2工况A3
目标值<113<113<117
碰撞器侵入量43.75211.4
5. 结论
通过有限元分析结果的对比可以看出，无论使用高强度钢，还是GMT材料的后保险杠横梁，被测车辆均满足GB17354-1998的要求。然而，同样满足性能要求的情况下使用GMT材料可将保险杠横梁的重量减小50%。因此，GMT材料的后保险杠横梁方案在整车减重方面可为车辆设计提供一个新的思路。注意到，本研究是基于有限元分析得出的结论，还须通过试验进一步验证其有效性。
参考文献：
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[4]赵勇，GMT材料在轿车轻量化设计中的应用，硕士学位论文，上海交通大学，2009，4.
[5]GB17354-1998汽车前、后端保护装置
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