铝合金车门防撞梁设计

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摘 要：以汽车车门侧面防撞击零部件（防撞梁，又称防撞杆）为研究对象。分析在撞击过程中，防撞梁溪能效果。结合美国联邦机动车安全碰撞标准（FMVSS 214）和相关汽车静态碰撞强度实验要求，建立了不同结构的防撞梁结构模型，通过对不同结构防撞梁的碰撞吸能的测试，选出最优结构的防撞梁模型，并对该种防撞零部件进行有进一步的优化。

关键词：防撞梁;有限元分析;优化处理

1 绪论

我国经济飞速发展使人们对汽车需求急剧增加，也增加能源大量消耗和路面交通事故频繁发生，在道路交通事故中，汽车的侧面碰撞的频率居高不下，是很严重的一种事故形态。侧面碰撞导致的交通事故和人员受伤频率仅亚于车辆行驶过程中的正面碰撞。由于乘务员与汽车车门之间的空间较小，不能使汽车碰撞过程中，车门产生大的变形来吸收碰撞产生的能量，导致侧面碰撞在交通事故中变得很危险。为了能更好的减少乘员在侧面碰撞过程中的伤害，需要一个安全有效地被动安全装置[1]。车门防撞梁作为汽车车门的加固件来减少汽车交通事故中的车门侧面碰撞情况。在侧面碰撞的前期，车门防撞产生变形，通过变形吸收了碰撞所带来的能量，使车中的人员最大程度减少伤害。所以，车门防撞梁的数字化设计旨在通过改变其参数，优化设计，从而产生吸能性能优越的车门防撞梁。

2 铝合金车门防撞梁

2.1 铝合金材料及其发展

铝合金材料一般是使用铜、锌、锰、硅、镁等合金元素组合而成，这一材料是由德国人Alfred Wilm在20世纪初发明的。铝合金和普通的碳钢相比有更轻及耐腐蚀的性能，但其抗腐蚀性不如纯铝的抗腐蚀性能。在洁净而又干燥的环境中，铝合金的表面胡形成一层氧化层，使其免受进一步氧化。相对于铝合金而言純铝的密度小，熔点低，铝是面心立方结构，具有很高的塑性，方便其易于加工，可以制成各种型材、板材。抗腐蚀性能很好，不易被氧化;但是纯铝的强度很低，因此不可以作为结构材料。《中国新材料产业“十二五”发展规划》中指出，铝合金将作为我国未来五年内重点发展的新型材料，我国铝合金板材料在未来五年的发展中的需求量将持续上涨。铝合金材料是我国铸造产业重点发展的新型材料，在近几年来，“铝代铜”现象的出现，也让新型铝合金材料成为电缆行业的新宠，随着这些相关行业的快速发展，铝合金材料的发展也已经形成一个良性的产业链，轻量化等优点也将让铝合金材料越来越多的进入更多的行业来替代以前的材料，其发展在这些行业中倍受青睐，相信铝合金材料在未来的发展中会有更大更好的发展。

2.2 铝合金车门防撞梁简述

汽车侧门防撞梁（杆），英文表示Side Impact Beam， Door Beam等，具体指在汽车车门的内部结构中加上横梁，用来加强车辆侧面的结构，进而提高汽车侧面发生碰撞时，提高其对撞击产生的防撞抵抗力增强，以提升侧面的安全。

汽车车门防撞梁是用来减轻车辆在道路行驶过程中发生碰撞时吸收能量的一种保护驾驶员或者乘客安全的装置。主要由主梁，吸能盒，和连接在汽车车门的安装固定部分组成，主梁和吸能盒都可以在车辆发生碰撞过程中有效的吸收碰撞能量，尽可能的减轻车辆侧面碰撞过程中产生撞击力对车身及乘员造成伤害。

2.3 铝合金车门防撞梁结构

车门防撞梁形状：一般分为管状和帽形两种;日韩车常用管状车门防撞梁，欧美车常用门帽形防撞梁;管状防撞梁主要是圆管，也是矩形管、梅花形管、椭圆形管等当然，这要综合考虑许多因素，如车门内部空间;而帽形防撞梁主要有单帽形状（U形）和双帽形状（m形）。 在结构强度、刚度等约束条件下的寻优过程中，设计变量与刚度矩阵一般为线性关系，因此在结构分析与优化算法的链接中，由于设计参数均是以有限元中诸如杆单元或梁单元的截面尺寸、板壳单元厚度等为变量，最优解的搜索过程并不改变结构的有限元网格模型，所以是一种很有效的方法。但是如何对这些截面尺寸优化没有提出统一的方法。

Seong SikCheon提出了5种防撞梁，通过真实模拟实验和ABAQUS仿真，结果显示中间具有加强筋的方形截面为最优截面形式。

2.4 铝合金防撞梁的作用

汽车侧面碰撞，是仅次于汽车正面碰撞的高频率碰撞事故，加强对汽车侧面碰撞人员安全保障是不容忽视的。

车门防撞梁，又称车门防撞杆;是汽车交通事故中，侧面碰撞发生时，吸收碰撞能量的有效装置，通过防撞梁的变形，对汽车侧面碰撞中产生的能量吸收，从而保证驾驶人员和副驾驶的人身安全。防撞梁采取不同材料时候 ，由于本身材料性能的特殊性，其产生的吸能效果会有很大的区别，为了自身安全考虑防撞梁材料属性情况，是不可忽视，在有能力承担情况下，尽可能选择抗碰撞性能好的材料，作为车门防撞梁的选材。对于防撞梁结构的不同其吸收能量的效果也就不同，在交通事故中，对驾驶人员保护安全性也就不相同。

2.5 铝合金车门防撞梁的未来发展趋势

车门侧面碰撞是当前车辆碰撞事故中频率非常高的，仅次于汽车正面碰撞。通过对国内外目前汽车车门防撞梁开发[2]的比较分析，以铝合金材料作为车门防撞梁的制造，通过对其结构的优化，增强侧面车门的安全性能。通过对车门防撞梁建立模型，虚拟碰撞，有限元分析， 参数优化，从而进行安全性能最优的防撞梁设计。

3 Solid works建模及有限元分析

3.1 建模

3.1.1 软件介绍

Solid works软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，是一款基于特征的尺寸化建模设计软件。该软件采用Winds图形用户界面简单容易入门，对初学者用它建立比较简单的零部件设计，复杂的零部件需要对该软件有着很好的认识，和运用技巧才可以行得通。

3.1.2 软件特征

（1）基本特征。SolidWorks 提供了全面的、基于特征的实体建模功能，通过建立草图之后，对草图拉伸、旋转、薄壁 特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计。

（2）参数化。参数化用于使模型中的特征尺寸和装配关系可以被标记，并且记录在模型的数据库里。通过尺寸化设计不仅可以按照设计的意图修改模型，还可以快速的建立模型使得设计人员的思想得到充分体现。

（3）实体建模。实体建模就是在设计过程中利用计算机内部的基本元素来构建完整的可以表达完整信息的几何模型。实体模型是CAD系统中使用最为完整的几何模型类型，它包含了模型所要表达的线框和表面的相关几何信息和把这些几何信息可以关联到一起的拓扑信息。

（4）相关性。模型与其产生的工程图纸内容以及装配体是相互关联的，对模型的修改也会自动的保存，在工程图和装配体中体现出来，同样的道理，设计人员对工程图和装配的修改也会反应在模型中。

（5）约束。支持多种类型的约束。约束主要有平行、垂直、水平、竖直、同轴心、接触、重合（点到点、线到线）的几何关系。

装配体是将各种零部件通过约束条件，进行装配产生装配体。

3.1.3 Solid Works 软件的功能

软件功能强大，组件繁多。易学易用和技术创新是S-W 的三大特点，使得S-W成为领先的、主流的三维CAD解决方案。能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。

3.2 防撞梁的有限元分析

随着计算机仿真技术，有限元技术及多系统动力学的发展，采用计算机有限元仿真已经成为汽车被动安全研究的主要手段跟传统的实验相比较，计算机仿真不必等到产品产出后再试验，同时可以随意改变设计万案，对不同方案进行对比分析。虽计算机有无可比拟的优越性，但就真实性而言，仍然不能达到真车实验的水平。

4 车门防撞梁的设计方案

汽车侧面碰撞，防撞梁吸收能量的影响因素会有很多种，其中最为明显的就是防撞梁的选材和不同结构对吸能效果的影响。目前在汽车市场中应用较多的防撞梁的截面结构如图4.1所示，分别是（a）帽檐截面矩形梁、（b）全封闭矩形截面梁、（c）中间设置加强筋的矩形截面梁、（d）圆形截面梁、（e）工字截面梁。这几种截面梁的设计都是遵循各个国家或地区的车辆安全法规或标准下进行设计的。

采用最原始的模型如图（b），通过改变其结构，观察其在有限元分析得时候所产生的位移和应变图，判断吸能效果比较好的防撞梁结构模型，作为最优设计，通过对最优设计模型结构的细节优化，提高对该种防撞梁在碰撞过程中对能量的吸收。

4.1 防撞梁模型设计原则

防撞梁模型碰撞采用静态碰撞模拟。通过对比同一种铝合金材料（如图4.2）的不同设计方案，择优选取两种性能比较好的防撞梁结构模型进行细节优化;通过优化，对比两种防撞梁优化前后的变形区别，找出优化的关键点，作为防撞梁开发的关键技术研究，为设计人员提供参考依据。

4.2 防撞梁吸收的能量E

道路交通事故中汽车发生侧面碰撞，车门内陷152mm时将开始碰触到驾驶员，如果因过大冲击力，驾驶员将会受到伤害。根据FMVSS214规定，将撞击位移152mm处设置为碰撞临界点，在该位移处，防撞梁吸收的能量将会作为判断防撞梁是否合格的一个重要指标。通过对防撞梁的模拟分析计算，可以得到碰撞力和产生的位移曲线，假设撞击力是关于位移的函数，那么该函数积分就可以得到任何时刻的能量吸收值。防撞俩在碰撞过程中产生能量吸收计算公式如下：

4.3 不同截面形状梁的质量一致性计算方法

本章节主要依据方形截面防撞梁的模型尺寸，建立新的防撞梁模型，通过保持体积一致性的原则下，改变防撞梁结构，分析其抗撞性能的好坏。材料定义为铝合金，所以材料已保持一致性，无需对其再进行分析。由于这次防撞梁的材料都是铝合金其密度是一样的，恒定不变，所以只要考虑防撞梁的体积相等就可以。体积计算公式如下式：

本次论文中最原始模型的防撞梁长度858mm，为保持质量相等的情况下，即材料用量相同，固定防撞梁的总长度不变原则，即保持防撞梁截面面积相等的情况下研究各种结构防撞梁的抗碰撞性能的好坏。

4.4 防撞梁的设计方案分析

如表4.1所示为原截面方形防撞梁的基本尺寸数据，在改变截面形状时，保证与方形截面梁质量相等。

4.4.1 模型建立

在原有模型基础上保证防撞梁截面积不变，建立防撞梁模型结构。该模型通过Solid works2011版本设计。

4.4.2 方形实心防撞梁性能分析（有限元模拟过程）

（1）加载过程：如图4.4所示，选取加具两端固定对方形实心防撞梁进行加载，在1000兆帕的力下，分析其变形过程。

（2）网格划分：如图4.5所示对方形实心防撞梁进行网格划分。

（3）防撞梁应力应变示意图：方形实心防撞梁在静态碰撞模拟下，发生的应力应变如下图所示：

以下设计中模型的加载过程、网格划分和方形模型类似，不再做具体描述，直接进行模型数据展示和分析。

5 结论

以车门侧面防撞零部件（防撞梁，又称防撞杆）为研究对象分析在撞击过程中，防撞梁吸能效果并结合美国联邦機动车安全碰撞标准（FMVSS 214）和相关汽车静态碰撞强度实验要求，建立了不同结构的防撞梁结构模型，通过对不同结构防撞梁的碰撞吸能的测试，选出最优结构的防撞梁模型，并对该种防撞零部件进行有进一步的优化。主要研究结论如下：

（1）采用软Solid Works件进行建模，建立不同结构的防撞梁模型。采用静态碰撞试验对不同的防撞梁进行碰撞性能测试，基于有限元平台，对不同结构的防撞梁模型进行有限元分析。根据FMVSS214 碰撞标准和汽车静态碰撞试验对车门仿真运算，其结果符合法规标准要求。

（2）不同结构的防撞梁吸收能量的效果，又很大区别。防撞梁模型在静态碰撞过程中中间部位的变形程度最大，对防撞梁中间部位进行一定程度的加固有利于防撞梁的变形程度减小，提高其在侧碰撞过程中对碰撞所产生的能量吸收。

（3）通过对本次论文中的不同方案的防撞梁研究，进行数据对比，选取碰撞过程吸能效果比较好的防撞梁方案作为进一步优化处理的防撞梁模型，将选取的最优结构防撞梁进行圆角化，处理的防撞梁性能比之前有一定程度的提高，更有利于吸收能量，不易于防撞梁损坏。同质量的铝合金属防撞梁，有加强筋的防撞梁在有限元分析数据中可以看出，其防撞性能高于没有加强筋的防撞梁。

本文采取的思路，和防撞梁设计方案，对目前的汽车防撞梁的制造具有参考价值。由于经济条件限制本文是通过计算机仿真试验，缺乏实际的碰撞过程的数据支持。

参考文献：

[1]韩玉环.解析中国侧面碰撞乘员保护标准[J].上海汽车，2007 （10）：41-43，46.

[2]ThnguyenCrashworthinessEvaluationofSideDoorBeamofVehicle[J].Technischemechanik，Band28，Heft 3-4（2008），268-278.

[3]Y kitagawaetal Development of a collapse mode control method for side member in vehicle collisions.SAE 910809. 1991;30p.

[4]季多闻，倪建华，羊军.汽车车门防撞梁开发综述[J].上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海，2004：38.

[5]董学勤等.基于Hyperworks的汽车车架有限元建模及刚度分析[J].机械科学与技术，2008（07）.

[6]王东保.汽车前门防撞梁结构优化设计[D].哈尔滨工程大学论文，2009（01）.

[7]馮克建.汽车车门防撞梁结构改进与优化[D].哈尔滨工程大学论文，2012（06）.

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