CN106484979A - 基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法 - Google Patents

基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法 Download PDF

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CN106484979A CN201610860567.5A CN201610860567A CN106484979A CN 106484979 A CN106484979 A CN 106484979A CN 201610860567 A CN201610860567 A CN 201610860567A CN 106484979 A CN106484979 A CN 106484979A
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Abstract

本发明公开了基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法,克服前防撞梁总成在结构改进及轻量化设计阶段缺乏考虑多种碰撞工况对其性能影响及对其性能的验证只在整车中进行的问题，步骤：1)选取多种碰撞工况：选择能综合反映前防撞梁总成抗撞性能的多种形式的碰撞工况；2)确定前防撞梁总成的轻量化设计性能目标：在各个碰撞工况下基于整车抗撞性确定前防撞梁总成的性能目标；3)建立前防撞梁总成独立评价工况与其有效性验证：建立前防撞梁总成的独立评价工况，并对独立工况进行有效性验证；4)基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计：以确定的防撞梁总成的性能目标为约束条件，以独立评价工况为载体，对前防撞梁总成进行轻量化设计。

Description

基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法
技术领域
本发明涉及汽车被动安全性研究领域的一种设计方法，更确切地说，本发明涉及一种基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法。
背景技术
汽车正面碰撞实验工况形式繁多，分不同的碰撞速度，不同的壁障形式以及整车与壁障不同的重叠面积等。对于不同的碰撞工况，由于边界条件的不同，对整车碰撞安全性考察的侧重点也不同，相应的，对于前防撞梁总成在整车安全性中的性能要求也略有不同。目前对前防撞梁总成的结构优化以及轻量化设计方法大多针对单一工况，缺少基于多种碰撞工况下对前防撞梁总成设计的指导方法。
前防撞梁总成在实际的设计和生产制造中，大部分零部件由供应商提供，由于对于前防撞梁总成抗撞性能缺乏独立的试验方法以及评价工况，导致目前主机厂不能及时的对前防撞梁总成设计方案进行考核，对其性能的验证也只能集成在整车中进行，而整车试验及仿真计算时间长，成本高，不利于做大量修改。因此，将前防撞梁总成从整车中剥离出来，建立独立的评价工况，可以实现在无需带入整车模型验证的情况下对前防撞梁总成进行快速设计与评价，大大提高了车身结构抗撞性的开发效率，进而缩短开发周期，降低开发成本。
通过国内外相关文献检索，未发现有类似的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是解决前防撞梁总成在结构改进以及轻量化设计阶段由于缺乏考虑多种碰撞工况对其性能的影响以及对其性能的验证只能集成在整车中进行的问题，提供了一种基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法的步骤如下：
1)选取多种碰撞工况：
选择能综合反映前防撞梁总成抗撞性能的多种形式的碰撞工况；
2)确定前防撞梁总成的轻量化设计性能目标：
在已选各碰撞工况下基于整车抗撞性确定前防撞梁总成的轻量化设计性能目标；
3)建立前防撞梁总成独立评价工况与其有效性验证：
基于选择的碰撞工况建立前防撞梁总成的独立评价工况，并对独立评价工况进行有效性验证；
4)基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计：
以确定的前防撞梁总成的轻量化设计性能目标为约束条件，以独立评价工况为载体，对前防撞梁总成进行轻量化设计。
技术方案中所述的选取多种碰撞工况是指：
1)高速碰撞：
对于前防撞梁总成来说，当汽车发生高速碰撞时，希望防撞横梁不发生弯折，起到很好的力传导作用以保证发动机舱的连续变形，希望左侧吸能盒、右侧吸能盒发生稳定的褶皱变形，通过完全压溃以吸收能量；所以本技术方案选用中国新车评价规程C-NCAP中的正面全宽刚性壁障碰撞-Front Rigid Barrier-工况来讨论前防撞梁总成在高速碰撞中的性能要求；
2)低速碰撞：
为汽车在停车、起步、倒车低速行驶时发生的一种碰撞，汽车散热器、纵梁、大灯免于损害，要求前防撞梁总成在碰撞中吸收能量并阻止碰撞力向后传递，所以本技术方案选用保险协会采用的正面40％重叠低速碰撞工况来讨论前防撞梁总成在低速碰撞中的性能要求；
3)静压工况：
考虑的是汽车在正面行驶过程中，局部受到硬性撞击，前防撞梁总成在静态刚度上的要求；本技术方案通过建立防撞横梁三点静压仿真模型来讨论前防撞梁总成在静压工况的性能要求。
技术方案中所述的确定前防撞梁总成的轻量化设计性能目标是指：
1)确定基于正面全宽高速碰撞工况的前防撞梁总成性能目标：
对于防撞横梁选取其截面力作为优化设计目标，要求其与基础车型的截面力相差不大于δ；
根据1，2，3号截面处位置的截面力曲线可知基础车型的截面力曲线的第1峰值、第2峰值分别为N1和N2，优化后的峰值用T1、T2表示，
Δ＝∣T1-N1∣+∣T2-N2∣
式中：Δ表示优化前、后2个截面力峰值的总偏差,则比例因子δ＝Δ/(N1+N2)，根据经验，δ不超过8％，Δ﹤0.08(N1+N2)；
对于左侧吸能盒、右侧吸能盒，以其平均轴向结构力为优化设计目标,借助有限元软件对基础车型进行正面全宽高速碰撞仿真模拟，得到整车碰撞波形与简化双台阶波形示意，并将基础车型的简化双台阶波形作为整车抗撞性的设计目标波形,将目标波形的加速度-位移曲线积分并乘以质量求得该纵向空间总吸能量E0，其中占比例为b的为E＝E0×b；左侧吸能盒与右侧吸能盒纵向长度为L，压缩系数为k，是轴向压溃变形模式，左侧吸能盒、右侧吸能盒的平均轴向结构力F由公式1计算,
F＝1/2×E/(L×k) (1)
式中：F为左侧吸能盒、右侧吸能盒的平均轴向结构力，单位为kN，E为左侧吸能盒、右侧吸能盒吸能量，单位为kJ，L为左侧吸能盒与右侧吸能盒纵向长度，单位为mm，k为压缩系数；
2)确定基于正面40％重叠低速碰撞工况的前防撞梁总成性能目标：
对于防撞横梁以其侵入量为优化设计目标,对于左侧吸能盒、右侧吸能盒，以其平均轴向结构力为优化设计目标；
对于低速碰撞来说，为避免汽车散热器、纵梁、大灯受到损坏，要求防撞横梁的侵入量不能过大，结合该车的空间布置关系，设定防撞横梁的优化设计目标为基础车型,在正面40％重叠低速碰撞工况下最大的侵入量不超过d；
为实现碰撞中各部件发生合理的变形次序，要求左侧吸能盒、右侧吸能盒的极限平均轴向结构力Fc＝FL/1.2/1.2；防撞横梁(1)的峰值力Fa＜1.2Fc,FL为纵梁发生屈服的极限平均轴向结构力；根据上述约束条件，应用能量守恒可求得左侧吸能盒、右侧吸能盒的平均轴向结构力为Fm并得到目标接触力位移曲线；
3)确定基于静压工况的前防撞梁总成轻量化设计性能目标：
以防撞横梁静压反力峰值Fmax作为性能目标，约束其大于基础车型静压结果的105％，但不超过130％，即大于105％Fmax小于130％Fmax。
技术方案中所述的建立前防撞梁总成独立评价工况与其有效性验证是指：
1)建立基于正面全宽高速碰撞工况的前防撞梁总成独立评价工况：
(1)将前防撞梁总成中左侧吸能盒与右侧吸能盒的后端采用高速左侧底端约束与高速右侧底端约束固定，建立一刚性墙(14)，用以代替散热器模拟其与防撞横梁(1)接触的过程，刚性墙的相对位置、大小与质量均与整车中散热器组件一致，用刚性壁障撞击前防撞梁总成这种形式来等效；
(2)根据前防撞梁总成在整车碰撞中的吸能量与能量守恒原理确定刚性壁障的初始动能Eaf与刚性壁障(3)的质量mf；
2)建立正面40％重叠低速碰撞工况的前防撞梁总成独立评价工况：
(1)将前防撞梁总成中左侧吸能盒与右侧吸能盒的后端采用低速左侧底端约束与低速右侧底端约束固定，用刚性壁障撞击前防撞梁总成的方式建立；
(2)根据前防撞梁总成在整车碰撞中的吸能量对刚性壁障的初始动能进行校正，最终确定刚性壁障的初始动能Ear与刚性壁障的质量mr；
3)基于前防撞梁总成独立评价工况的有效性验证：
(1)对独立工况与整车各工况下前防撞梁总成变形模式、侵入量与各部件吸能量进行统计与对比，若侵入量与各部件吸能量误差不超过5％，则认为独立工况下前防撞梁总成的吸能效果与在整车中保持一致；
(2)在独立工况中提取截面位置的截面力和整车正面全宽高速碰撞工况与正面40％重叠低速碰撞工况中纵梁处的截面力进行对比，若截面力误差不超过5％则说明独立评价工况的有效性。
技术方案中所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计的步骤如下：
1)基础车型的防撞横梁设计目标
约束条件：正面全宽高速工况:Δ﹤0.08(N1+N2)
正面40％重叠低速工况:侵入量＜d
静压工况：105％Fmax＜最大接触反力＜130％Fmax
优化目标：质量最小；
2)基础车型的左侧吸能盒与右侧吸能盒设计目标
将平均结构力max(F,Fm)作为左侧吸能盒与右侧吸能盒轻量化设计的设计目标；
3)前防撞梁总成轻量化方案设计
(1)轻量化措施包括结构优化、使用轻质材料以及使用先进的成型工艺以提升材料性能，挤压成形根据需要在防撞横梁结构各处设置不同壁厚，因此，将对日字形截面形式的铝合金6061T6防撞横梁进行参数优化设计，选择最优拉丁超立方方法对壁厚进行试验方案设计,在建立的独立工况中以性能指标为输出结果进行仿真计算，通过比较正面全宽高速碰撞工况下的截面力、正面40％低速碰撞工况下的侵入量与静压工况下的接触反力，寻找最优的防撞横梁各参数组合方案；
(2)对左侧吸能盒与右侧吸能盒进行轻量化设计的过程即对吸能盒参数进行优化组合的过程，采用正交试验方法，借助有限元软件改变截面形式、材料选择、厚度和倾角，得到左侧吸能盒与右侧吸能盒平均结构力F，以平均结构力F与质量M的比值作为评价指标，分析截面形式、材料选择、厚度和倾角对左侧吸能盒与右侧吸能盒特性的影响程度以及寻找最优的参数组合，为轻量化方案设计提供指导；
4)前防撞梁总成轻量化方案性能验证
根据以上步骤确定轻量化方案，并将轻量化方案与整车集成在不同碰撞工况下计算，分别选择碰撞波形的简化波形的第一台阶高度G1和第二台阶高度G2值、最大侵入量和左侧吸能盒与右侧吸能盒平均结构力与目标波形、目标接触力位移曲线进行对比，若误差值均不超过5％，则验证了轻量化方案的可行性。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法综合考虑了不同碰撞工况下整车抗撞性对前防撞梁总成性能的不同要求，相比单一工况，该方法对前防撞梁总成性能要求的考虑更加全面，根据此方法设计得到的前防撞梁总成能够满足多种碰撞工况的要求。
2.本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法可以避免前防撞梁总成性能验证只能集成在整车中进行的弊端，将其从整车中剥离出来，建立独立的评价工况，实现了在无需带入整车模型验证的情况下对前防撞梁总成的快速设计与评价，该方法为前防撞梁总成的结构改进以及轻量化设计提供了便利，大大提高了车身结构抗撞性的开发效率，缩短了开发周期，降低了开发成本。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法的流程框图；
图2为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中前防撞梁总成位置示意图；
图3为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中正面全宽高速碰撞工况示意图；
图4为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中正面全宽高速碰撞工况原始详细波形和简化双台阶波形示意图；
图5为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中前防撞梁总成截面位置示意图；
图6为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中正面40％重叠低速碰撞工况碰撞示意图；
图7为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中正面40％重叠低速碰撞工况简化的接触力—位移曲线示意图；
图8为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中防撞横梁与散热器之间的极限距离示意图；
图9为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中三点静压工况示意图。
图10为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中静压工况接触反力曲线；
图11为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中正面全宽高速碰撞独立工况碰撞示意图；
图12为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中正面40％重叠低速碰撞独立工况碰撞示意图；
图13为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中基础车型的正面全宽高速碰撞工况碰撞波形与简化双台阶波形图；
图14为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中减速度-位移曲线图；
图15为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中能量密度曲线图；
图16为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中整车正面全宽高速碰撞工况截面力曲线；
图17为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中目标接触力—位移曲线；
图18为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中整车工况和独立工况前防撞梁总成截面力曲线；
图19为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中独立工况前防撞横梁侵入量曲线；
图20为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中整车工况和独立工况前防撞梁总成截面力曲线；
图21为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中日字形截面设计参数示意图；
图22为本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法中单侧吸能盒的加载方式示意图；
图中：1.防撞横梁，2.左侧吸能盒，3.刚性壁障，4.1号截面，5.2号截面，6.纵梁，7.3号截面，8.右侧吸能盒，9.散热器，10.静压左侧底端约束，11.静压右侧底端约束，12.高速左侧底端约束，13.高速右侧底端约束，14.刚性墙，15.低速左侧底端约束，16.低速右侧底端约束，17.单侧吸能盒底端约束。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
参阅图2与图8，本发明以某一乘用车为基础车型，并将防撞横梁1、左侧吸能盒2和右侧吸能盒8定义为一个总成，称为前防撞梁总成。前防撞梁总成位于车身前端的变形区，是车辆正面碰撞事故中首先接触的部件，前防撞梁总成是汽车保险杠系统重要的组成部分，是汽车发生正面碰撞时首先发挥作用的部件，是重要的被动安全部件之一,其性能的优劣对车身前端碰撞安全性有重要影响。
本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法首先选择能综合反映前防撞梁总成抗撞性能的多种形式的碰撞工况，其次，在已选各碰撞工况下基于整车抗撞性确定前防撞梁总成的轻量化设计性能目标，再次，基于选择的碰撞工况建立前防撞梁总成的独立评价工况，并对独立评价工况进行有效性验证。最后，以确定的前防撞梁总成的整车性能目标为约束条件，以独立评价工况为载体，对前防撞梁总成进行轻量化设计。
本发明所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法的步骤：
1.选取多种碰撞工况
1)高速碰撞
作为国内外汽车碰撞安全法规中较为常见的一种碰撞形式，是衡量整车碰撞安全性以及考虑约束系统合理匹配的重要碰撞形态。对于前防撞梁总成来说，当汽车发生高速碰撞时，一般希望防撞横梁1不发生弯折，能起到很好的力传导作用以保证发动机舱的连续变形，希望左右两侧吸能盒能够发生稳定的褶皱变形，通过完全压溃以吸收能量。基于上述考虑，本发明选用中国新车评价规程(C-NCAP)中的正面全宽刚性壁障碰撞(Front RigidBarrier)工况来讨论前防撞梁总成在高速碰撞中的性能要求。
2)低速碰撞
作为实际生活中最为常见的一种碰撞形式，当汽车在停车、起步、倒车等低速行驶时发生，为了降低维修以及保险费用，一般要求发生低速碰撞后，汽车散热器等车身部件尽可能免于损害，这就要求前防撞梁总成在碰撞中吸收尽可能多的能量并阻止碰撞力向后传递，以减少车身部件的损坏程度以及汽车维修的成本。基于上述考虑，本发明选用保险协会采用的正面40％重叠低速碰撞(Research Council for Automobile Repairs)工况来讨论前防撞梁总成在低速碰撞中的性能要求。
3)静压工况
考虑的是汽车在正面行驶过程中，局部受到硬性撞击，比如电线杆时，前防撞梁总成在静态刚度上的要求。前防撞梁总成静态刚度性能的好坏决定了车辆或者防撞横梁1是否发生损坏，防撞横梁1刚度不足时会发生弯折，对汽车后端部件造成较大损害。本发明通过建立防撞横梁1三点静压仿真模型来讨论前防撞梁总成在静压工况的性能要求。
综上所述，本发明选取了正面全宽高速碰撞工况、正面40％重叠低速碰撞工况和静压工况三种工况分别对基础车型的前防撞梁总成性能进行了研究。
2.确定前防撞梁总成的轻量化设计性能目标
1)确定基于正面全宽高速碰撞工况前防撞梁总成轻量化设计性能目标
参阅图3与图4，图3中所示为2012版中国新车评价规程的整车正面全宽高速碰撞工况的碰撞示意图，整车以50km/h的初速度与刚性壁障3发生碰撞。本发明借助有限元软件对基础车型进行正面全宽高速碰撞仿真模拟，其整车碰撞波形与简化双台阶波形示意如附图4所示，并将基础车型的简化双台阶波形作为整车抗撞性的设计目标波形。本发明中有限元软件是指HYPERMESH软件与Ls-Dyna软件。
对于左侧吸能盒2、右侧吸能盒8，以其平均轴向结构力为优化设计目标。将目标波形加速度-时间曲线转化为加速度-位移曲线，通过积分得到能量密度曲线，乘以质量即可获得能量。将车辆前端结构垂向分解即按照车体结构在正面全宽高速碰撞中的传力路径划分，中层包括前防撞梁总成。将目标波形的加速度-位移曲线积分并乘以质量求得该纵向空间总吸能量E0，其中占比例为b的左右两侧吸能盒吸能量为E＝E0×b。单侧吸能盒纵向长度为L，压缩系数为k，是轴向压溃变形模式，单侧吸能盒的平均轴向结构力F由公式1计算。
F＝1/2×E/(L×k) (1)
式中：F为左侧吸能盒(2)、右侧吸能盒(8)的平均轴向结构力，单位为kN，E为左侧吸能盒(2)、右侧吸能盒(8)吸能量，单位为kJ，L为左侧吸能盒(2)与右侧吸能盒(8)纵向长度，单位为mm，k为压缩系数；
对于防撞横梁1，以其截面力为优化设计目标。在正面全宽高速碰撞工况中，一般希望防撞横梁1不发生弯折，在此过程中，防撞横梁1吸能量较小，与吸收能量相比，对防撞横梁1的力传导性要求更高，因此在正面全宽高速碰撞工况中，对于防撞横梁1本技术方案选取其截面力作为优化设计目标，要求其与基础车型的截面力相差不大于δ。
参阅图5，在整车有限元模型中，通过设置输出截面力可以得到前防撞梁总成各截面在碰撞过程中的截面力传递情况，1号截面4所示为防撞横梁1最初发生弯折处位置，2号截面5和3号截面7分别可以得到左侧吸能盒2和纵梁6处的截面力。
根据1，2，3号截面处位置的截面力曲线可知基础车型的截面力曲线的第1峰值、第2峰值分别为N1和N2，优化后的峰值用T1、T2表示，优化前、后2个截面力峰值的总偏差用字母Δ表示，则Δ＝∣T1-N1∣+∣T2-N2，比例因子δ＝Δ/(N1+N2)，根据经验，δ一般不应超过8％，即Δ﹤0.08(N1+N2)。
综上所述，将正面全宽高速碰撞工况的前防撞梁总成性能目标设定为：防撞横梁前、后2个截面力峰值的总偏差Δ﹤0.08(N1+N2)，左侧吸能盒2、右侧吸能盒8的平均结构力F。
2)确定基于正面40％重叠低速碰撞工况前防撞梁总成轻量化设计性能目标
对于左侧吸能盒2、右侧吸能盒8，以其平均轴向结构力为优化设计目标。对于防撞横梁1，以其侵入量为优化设计目标。
参阅图6，在正面40％重叠低速碰撞工况中，整车以15km/h的初速度与倾角为10°的刚性壁障发生40％的偏置碰撞。
参阅图7，借助有限元软件对基础车型进行基于正面40％重叠低速碰撞工况的碰撞仿真，得到碰撞仿真的接触力-位移曲线(去除回弹阶段)与简化曲线，其中A、B、C、D、E为简化波形的特征点，B点为防撞横梁峰值力点，CD段表示左右两侧吸能盒轴向压溃阶段，DE为压实阶段。简化过程中保持车辆总吸能量不变，即接触力位移曲线所围成的面积不变。
参阅图8，对于正面40％重叠低速碰撞来说，重点考察的是车辆发生碰撞后，汽车散热器9、纵梁6、大灯是否发生损坏，车辆是否容易维修。为避免这些贵重部件受到损坏，对于低速碰撞中要求防撞横梁1的内侵量不能过大，结合该车的空间布置关系，本技术方案中设定防撞横梁1的失效定义为防撞横梁1最大侵入量超过它与散热器之间的极限距离d。
若基础车型在正面40％重叠低速碰撞工况下最大的侵入位移不超过d，则车身结构可不进行优化，目标接触力位移曲线为原基础车型的波形即可。
若基础车型在正面40％重叠低速碰撞工况下最大的侵入位移多于d，有损伤部件的风险，故需对车身结构进行优化，设定满足要求的目标接触力位移曲线。为实现碰撞中各部件发生合理的变形次序，即防撞横梁1先变形，左侧吸能盒2、右侧吸能盒8随后压溃而纵梁6不发生破坏，必须保持各部件之间合理的刚度与强度匹配关系。通过仿真可知纵梁6发生屈服的极限平均轴向结构力为FL，则左侧吸能盒2、右侧吸能盒8的极限平均轴向结构力Fc＝FL/1.2/1.2(其中第一个1.2为安全系数，以保证逐级压溃；第二个1.2是考虑到压溃力波动20％的上限)，即要求左侧吸能盒2、右侧吸能盒8的平均结构力不超过Fc，相应的，对于防撞横梁1要求其峰值力不大于左侧吸能盒2、右侧吸能盒8的弹性极限，即Fa＜1.2Fc。根据上述对侵入距离、防撞横梁峰值力和左侧吸能盒2、右侧吸能盒8平均轴向结构力的约束条件，应用能量守恒可求得附图7中CD段接触力值即左侧吸能盒2、右侧吸能盒8的平均轴向结构力为Fm，并得到目标接触力位移曲线。
综上所述，将正面40％重叠低速碰撞工况的前防撞梁总成性能目标设定为：防撞横梁的侵入量d，左侧吸能盒2、右侧吸能盒8的平均结构力Fm。
3)确定基于静压工况的前防撞梁总成轻量化设计性能目标
参阅图9，本发明通过三点静压工况对前防撞梁总成静态刚度进行了仿真分析。三点静压分析时，底端固定，采用半径为152mm的刚性压头对防撞横梁1中部施加恒位移，加载距离为100mm。试验的加载速度为0.001m/s，由于不考虑材料的应变率硬化效应，因此仿真过程中设置加载速度为1m/s以节约运算时间。基础模型的接触反力-位移曲线如附图10中所示，接触反力的峰值为Fmax。
在基于静压工况的前防撞梁总成性能目标设定中，本技术方案中以防撞横梁静压反力峰值Fmax作为性能目标，因为要使防撞横梁的反力峰值提高，吸能性能才越好。但防撞横梁须与整车性能相匹配，过强的防撞横梁1同样会导致其在低速碰撞时起不到应有的保护作用。故约束其大于基础车型静压结果的105％，但不超过130％，即大于105％Fmax小于130％Fmax。
3.建立前防撞梁总成独立评价工况与其有效性验证
判定一个零部件的独立评价工况是否有效，一方面是观察零部件在独立工况中的变形模式或者吸能量等信息是否与其在整车碰撞中保持一致，另一方面是看由其在独立工况中的状态是否能预估并且反推其在整车碰撞中的状态。这就要求评判独立评价工况有效性的指标具有全面性和代表性，不仅能反映零部件变形过程的重要特征，而且具有较高的辨识性和区分度。
详细观察前防撞梁总成在整车碰撞中的变形过程，本发明选用整车碰撞仿真时前防撞梁总成的变形模式、吸能量、截面力和侵入量四项指标综合评价前防撞梁总成独立评价工况建立的有效性。
1)建立基于正面全宽高速碰撞工况的前防撞梁总成独立评价工况
参阅图11，在整车正面全宽高速碰撞工况中采用的是整车撞击刚性壁障3这种主动的碰撞形式，本发明采用与其等效的被动碰撞形式，图中所示将前防撞梁总成中左侧吸能盒2与右侧吸能盒8的后端采用高速左侧底端约束12、高速右侧底端约束13固定，用刚性壁障3撞击前防撞梁总成这种形式来等效。
根据前防撞梁总成在整车碰撞中的吸能量初步确定独立工况中刚性壁障3的初始动能Eaf，假定刚性壁障3移动初速度与主动碰撞形式的整车碰撞初速度一致为50km/h。由公式E＝1/2mv2求得刚性壁障3的质量，并在独立工况中建立一刚性墙14，用此刚性墙14代替散热器9等部件来模拟其与防撞横梁1接触的过程，刚性墙14的相对位置、大小与质量均与整车中散热器9组件一致。
由于碰撞结束后刚性壁障3的初始动能并没有完全转化为前防撞梁总成吸收的内能，考虑到摩擦能以及部分能量耗散，需要对初始动能进行修正，本发明通过附图11的设置多次进行仿真试验，根据前防撞梁总成在整车碰撞中的吸能量最终确定刚性壁障3的初始动能Eaf与刚性壁障3的质量mf。
2)建立正面40％重叠低速碰撞工况的前防撞梁总成独立评价工况
参阅图12，基于正面40％重叠低速碰撞工况前防撞梁总成独立评价工况将前防撞梁总成中左侧吸能盒2与右侧吸能盒8的后端采用低速左侧底端约束15与低速右侧底端约束16固定，用刚性壁障3撞击前防撞梁总成的方式建立。
根据前防撞梁总成在整车碰撞中的吸能量初步确定独立评价工况中刚性壁障3的初始动能为Ear，假定刚性壁障3移动初速度与主动碰撞形式的整车碰撞初速度一致为15km/h。由能量守恒及公式E＝1/2mv2，求得刚性壁障3的质量，但考虑回弹动能、摩擦能等能量损失，通过附图12的设置多次进行仿真试验，根据前防撞梁总成在整车碰撞中的吸能量对刚性壁障3的初始动能进行校正，最终确定刚性壁障的初始动能Ear与刚性壁障的质量mr。
3)基于前防撞梁总成独立评价工况的有效性验证
参阅图11、图12，分别对修正后的独立工况进行仿真试验，对独立工况和整车正面全宽高速碰撞工况与正面40％重叠低速碰撞工况下前防撞梁总成变形模式对比。根据两种工况下前防撞梁总成变形模式与防撞横梁1侵入量判断独立评价工况是否有效。
对独立工况与整车下前防撞梁总成各部件吸能量进行统计与对比，若各部件吸能量误差不超过5％，在可接受范围内，则可认为独立工况下前防撞梁总成的吸能效果与在整车中保持一致。
在独立工况中，提取1号截面4、2号截面5与3号截面7截面位置的截面力和整车正面全宽高速碰撞工况与正面40％重叠低速碰撞工况中纵梁处的截面力进行对比，判断独立评价工况是否可以很好的反映前防撞梁总成在整车中的截面力。
通过对正面全宽高速碰撞工况及正面40％重叠低速碰撞工况的独立工况与整车碰撞工况在变形模式、吸能量、截面力、侵入量四个方面的对比，验证独立工况建立的有效性，判断是否可以利用独立工况反映前防撞梁总成在整车中的碰撞情况。
4.基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计
1)基础车型的防撞横梁设计目标
由于在不同的工况中，防撞横梁1发挥的作用不同，对其性能要求也各有不同，因此对于防撞横梁1的性能目标设定也需要综合多工况考虑，根据第2步骤即确定前防撞梁总成的性能目标的分析与讨论，得到防撞横梁1轻量化的设计目标为：
约束条件：正面全宽高速工况:Δ﹤0.08(N1+N2)
正面40％重叠低速工况:侵入量＜d
静压工况：105％Fmax＜最大接触反力＜130％Fmax
优化目标：质量最小
以此进行防撞横梁1的轻量化设计。
2)基础车型的左侧吸能盒2与右侧吸能盒8设计目标
左侧吸能盒2与右侧吸能盒8作为整车碰撞中主要的吸能件之一，不管是低速还是高速碰撞，一般都希望其在碰撞过程中发生规律的褶皱变形以吸收尽可能多的能量。对基础车型来说，左侧吸能盒2与右侧吸能盒8所占空间是有限的，其压溃变形的距离也是一定的。为减少左侧吸能盒2与右侧吸能盒8改进对整车其他部件的影响，本发明在轻量化方案中定义左侧吸能盒2与右侧吸能盒8的压溃距离与基础车型一致。在压溃距离一定的情况下，对左侧吸能盒2与右侧吸能盒8吸能量的要求就转化为对其平均结构力的要求。
根据第2步骤的分析与讨论，在正面全宽高速碰撞工况中对左侧吸能盒2与右侧吸能盒8平均结构力的要求为F＝1/2×E/(L×k)，在正面40％重叠低速碰撞工况中要求左侧吸能盒2与右侧吸能盒8平均结构力Fm，考虑不同工况下对左侧吸能盒2与右侧吸能盒8性能要求的包含关系，本技术方案中将平均结构力max(F,Fm)作为左侧吸能盒2与右侧吸能盒8轻量化设计的设计目标。
因为防撞横梁1与左侧吸能盒2与右侧吸能盒8轻量化设计的性能目标是通过对整车性能进行目标设定以及分解得到的，并且是综合多工况考虑的结果，所以以性能目标为约束条件设计得到的防撞横梁1轻量化方案是能满足整车性能要求的。
3)前防撞梁总成轻量化方案设计
(1)目前国内外对防撞横梁1的研究大多集中在保证其抗撞性能的前提下实现质量的减轻，主要的轻量化措施包括结构优化、使用轻质材料替换以及使用先进的成型工艺以提升材料性能。铝合金防撞横梁1与钢制防撞横梁1在制造工艺方面相比，其挤压成形的优点是可以根据需要在横梁结构各处设置不同壁厚。因此，本技术方案中将对日字形截面形式的铝合金6061T6防撞横梁1进行参数优化设计，得到满足性能要求的铝合金防撞横梁方案。
选择最优拉丁超立方方法对壁厚进行试验方案设计。在建立的独立工况中以性能指标为输出结果进行仿真计算，通过比较正面全宽高速碰撞工况下的截面力、正面40％低速碰撞工况下的侵入量与静压工况下的接触反力，寻找日形截面防撞横梁各参数与其性能之间的关系，利用软件建立近似的响应面模型。以性能设计目标为约束条件，利用寻优算法对防撞横梁各壁厚进行优化设计寻找最优解，即得到满足性能要求的最优的防撞横梁各参数组合方案。
(2)对左侧吸能盒2与右侧吸能盒8进行轻量化设计的过程即对吸能盒参数进行优化组合的过程，常见影响左侧吸能盒2与右侧吸能盒8特性的参数主要有截面形式、材料选择、厚度和倾角。本发明将采用正交试验方法分析各参数对性能的影响，借助有限元软件分别改变截面形式、材料选择、厚度和倾角，得到左侧吸能盒2与右侧吸能盒8平均结构力F，以平均结构力F与质量M的比值作为评价指标，得到各参数对左侧吸能盒2与右侧吸能盒8特性的影响程度以及寻找最优的参数组合，为轻量化方案设计提供指导。
4)前防撞梁总成轻量化方案性能验证
根据以上步骤确定轻量化方案，并将轻量化方案与整车集成在不同碰撞工况下仿真，分别选择碰撞波形的简化波形的第一台阶高度G1和第二台阶高度G2值、最大侵入量和左侧吸能盒2、右侧吸能盒8平均结构力F与目标波形、目标接触力位移曲线进行对比，若误差值均不超过5％，则验证了轻量化方案的可行性。
实施例：
本发明结合某一乘用车的具体数据为基础车型介绍利用本发明提出的建立前防撞梁总成的独立评价工况并对独立工况进行有效性验证，及使用独立工况进行前防撞梁总成轻量化设计的过程。
1.选取多种碰撞工况
选取正面全宽高速碰撞工况、正面40％重叠低速碰撞工况和静压工况三种工况分别对基础车型的前防撞梁总成进行设计。
2.确定前防撞梁总成的性能目标
1)确定基于正面全宽高速碰撞工况的前防撞梁总成的轻量化设计性能目标
借助有限元软件对基础车型进行基于正面全宽高速碰撞工况的碰撞仿真试验，得到基础车型的碰撞波形并简化成双台阶波如图13所示，各特征点坐标值如表1所示。
表1简化双台阶波各特征点坐标值
A B C D E F
X(s) 0 0.0073 0.0295 0.0328 0.0538 0.0674
Y(m/s2) 0 197 197 365 365 0
参阅图14与图15，以简化波形为目标波形，将目标波形加速度-时间曲线转化为加速度-位移曲线如图14中所示。再通过积分得到能量密度曲线如图15所示。吸能盒的吸能量在垂向上占该空间的70％，根据目标波形的加速度-位移曲线积分求得该纵向空间总吸能量为E_0＝46.9kJ，计算得到单侧吸能盒吸能量E为46.9×0.7＝32.8kJ。吸能盒纵向长度L为302mm，压缩量为218mm，压缩距离压缩系数k为0.85。单侧吸能盒的平均轴向结构力由公式1计算得到为75kN。
参阅图16,由图中可知基础车型中截面力曲线的第1峰值、第2峰值分别为29061N和83034N，优化前、后2个截面力峰值总偏差Δ＝∣T_1-29061∣+∣T_2-83034∣，比例因子δ＝Δ/(29061+83034)<8％，即Δ<8968N。
2)确定基于正面40％重叠低速碰撞工况前防撞梁总成轻量化设计性能目标
借助有限元软件对基础车型进行基于正面40％重叠低速碰撞工况的碰撞仿真试验，得到碰撞仿真的接触力-位移曲线并简化得到简化接触力位移曲线各特征点的坐标如表2所示；
表2简化曲线的各特征点坐标值
A B C D E
X(mm) 0 45 49 110 120
Y(kN) 0 86 78 78 97
基础车型防撞横梁1与散热器9之间的极限距离为115mm。由表2可知，基础车型在正面40％重叠低速碰撞工况下最大的侵入位移为120mm＞115mm，故需对车身结构进行优化。
通过仿真知纵梁发生屈服的极限平均结构力F_l＝125kN，则吸能盒的极限平均结构力Fc＝FL/1.2/1.2＝87kN，防撞横梁1其峰值力Fa＜1.2Fc＝104kN。
参阅图17,根据上述约束条件，应用能量守恒得到目标接触力位移曲线的各特征点坐标如表3所示。
表3目标波形各特征点坐标值
A B C D E
X(mm) 0 45 51 110 115
Y(kN) 0 92 84 84 97
故可知，将正面40％重叠低速碰撞工况的前防撞梁总成性能目标设定为：防撞横梁1的侵入量115mm，吸能盒的平均结构力F_m＝84kN。
3)确定基于静压工况的前防撞梁总成轻量化设计性能目标
基础车型的接触反力的峰值为16.3kN。以防撞横梁静压反力峰值作为性能目标，约束其大于基础车型静压结果的105％，但不超过130％，即大于17.1kN小于21.2kN。
3.建立前防撞梁总成独立评价工况与有效性验证
1)建立基于正面全宽高速碰撞工况的前防撞梁总成独立评价工况
参阅图11，建立基于正面全宽高速碰撞的独立评价工况。采用被动碰撞形式，将前防撞梁总成后端固定约束，用刚性壁障3撞击前防撞梁总成并在独立工况中建立一刚性墙14，用以代替散热器等部件。
根据前防撞梁总成在整车碰撞中的吸能量初步确定独立工况中刚性壁障3的初始动能Eaf＝36kJ，假定刚性壁障移动初速度与整车碰撞初速度一致仍为50km/h。由公式E＝1/2mv2，考虑回弹动能、摩擦能等能量损失，通过附图11的设置多次进行仿真试验，根据前防撞梁总成在整车碰撞中的吸能量对初始动能进行修正，最终确定刚性壁障3的初始动能Eaf＝37.9kJ与刚性壁障3的质量mf＝396kg。
2)基于正面全宽高速碰撞工况的前防撞梁总成独立评价工况的有效性验证
对修正后的独立工况进行仿真分析，对比正面全宽高速碰撞工况的前防撞梁总成的独立评价工况与整车工况下前防撞梁总成变形模式，发现两种工况碰撞过程中都是防撞横梁1先被压平，然后左右两侧吸能盒开始轴向压溃变形。可知，两种工况下前防撞梁总成变形模式基本相同，防撞横梁1侵入量相等。
表4为正面全宽高速碰撞工况前防撞梁总成独立评价工况与整车工况下前防撞梁总成各部件吸能量对比，从表4可知，各部件吸能量误差较小，在可接受范围内，认为独立工况下前防撞梁总成的吸能效果与在整车中保持一致。
表4整车工况和独立工况前防撞梁总成各部件吸能量对比
在独立工况中，提取1、2、3号截面三处位置截面力与整车中纵梁处的截面力进行对比，如附图17所示，发现独立工况中提取的三处截面力与整车中纵梁的截面力在碰撞前期有非常好的吻合度，而前防撞梁总成变形阶段即发生在碰撞前期，说明独立工况很好的反映了前防撞梁总成在整车中的截面力传递数据。由于独立工况中左右两侧吸能盒后段处截面力无法反映纵梁屈服时的截面力，故其峰值较整车偏差较大。
通过对正面全宽高速碰撞工况的独立工况与整车工况在变形模式、吸能量、截面力、侵入量四个方面的对比，验证了基于正面全宽高速碰撞的独立工况建立的有效性。
3)建立基于正面40％重叠低速碰撞工况的前防撞梁总成独立评价工况
参阅图12，建立基于正面40％重叠低速碰撞工况的前防撞梁总成独立评价工况。采取吸能盒后端固定，刚性壁障撞击前防撞梁总成的方式建立。根据前防撞梁总成在整车碰撞中的吸能量初步确定独立工况中刚性壁障的初始动能为E_ar＝6.6kJ，假定碰撞初速度仍为15km/h。由能量守恒，求得刚性壁障的质量，考虑回弹动能、摩擦能等能量损失，通过附图12的设置多次进行仿真试验根据前防撞梁总成在整车碰撞中的吸能量对刚性壁障的初始动能进行校正，最终确定刚性壁障的初始动能E_ar＝6.9kJ与刚性壁障的质量m_r＝800kg。
4)基于正面40％重叠低速碰撞前防撞梁总成的独立评价工况的有效性验证
对比前防撞梁总成在正面40％重叠低速碰撞工况的独立工况与整车工况中的变形模式发现两种工况下碰撞过程中都是左侧吸能盒与右侧吸能盒首先发生轴向压溃变形，当防撞横梁1产生塑性铰时，吸能盒上端的两个诱导槽发生变形，然后是下端两个诱导槽发生变形，可知在两种工况下其变形模式基本相同。
参阅图19，图中为独立工况下前防撞横梁的侵入量曲线，可知在独立工况下防撞横梁1最大侵入量为119.9mm，与整车工况最大侵入量120mm相差较小，误差几乎可以忽略。
表5为独立工况与整车工况中前防撞梁总成各部件吸能量对比，由表5可知，二者误差较小，在可接受范围内，认为独立工况下前防撞梁总成的吸能效果与在整车中一致。
表5整车工况和独立工况前防撞梁总成各部件吸能量对比
参阅图20，在基于正面40％重叠低速碰撞的独立工况中，同样提取1、2、3号截面三处位置的截面力与整车中纵梁处的截面力进行对比，从图中发现独立工况中提取的三处截面力与整车中纵梁的截面力有非常好的吻合度，说明独立工况很好的反映了前防撞梁总成在整车中的截面力传递信息。
通过对正面40％重叠低速碰撞的独立工况与整车工况在变形模式、吸能量、截面力、侵入量四个方面的对比，验证了独立工况建立的有效性，认为利用独立工况可以反映前防撞梁总成在整车中的碰撞信息。
4.基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计
1)基础车型的防撞横梁设计目标
根据基础车型的具体数据得到防撞横梁轻量化问题的设计目标为：
约束条件：正面全宽高速工况:Δ截面力＜8968N
正面40％重叠低速工况:侵入量＜115mm
静压工况；17.1kN＜最大接触反力＜21.2kN
优化目标：质量最小Min(M)
以此进行防撞横梁的轻量化设计。
2)基础车型的吸能盒设计目标
根据基础车型的具体数据与第2步骤的分析与讨论，在正面全宽高速碰撞工况中对单侧吸能盒平均结构力的要求为75kN，在正面40％重叠低速碰撞工况中要求单侧吸能盒平均结构力84kN，考虑不同工况下对吸能盒性能要求的包含关系，本发明将单侧平均结构力84kN作为吸能盒轻量化设计的设计目标。
3)前防撞梁总成轻量化方案设计
1)基础车型的防撞横梁轻量化设计
参阅图21，对于日字形截面形式的铝合金6061T6防撞横梁，本发明取防撞横梁前后侧壁厚t1、横梁上下侧壁厚t2和中间肋板的厚度t3这3个厚度值作为设计变量，防撞横梁壁厚设计参数如图中所示，其上下限设置如表6所示。
表6日字形截面设计参数限值
本发明选择最优拉丁超立方方法进行试验方案设计，一共12组。在建立的独立工况中以性能指标为输出结果进行仿真计算，结果如表7所示。
表7日字形截面试验方案仿真结果
根据表7中的数据，寻找日形截面防撞横梁各参数与其性能之间的关系，利用Isight软件建立近似的响应面模型。以性能设计目标为约束条件，利用寻优算法对防撞横梁各壁厚进行优化设计寻找最优解，即得到满足性能要求的最优的防撞横梁各参数组合，如表8所示。可知，日字形截面的铝合金防撞横梁的轻量化效果可达到30.4％。并将日字形截面防撞横梁的优化结果代入有限元模型中进行验证。
表8日字形截面优化结果
优化结果 t1(mm) t2(mm) t3(mm) 质量(kg) 轻量化效果
日字形 3.39 2.1 3 3.36 30.4％
2)基础车型的轻量化吸能盒设计
参阅图22，本发明将利用CAE方法对吸能盒进行结构设计，在有限元软件中单侧吸能盒的加载方式如图中所示，吸能盒底端的六个自由度被约束，刚性壁障一定的初速度撞击吸能盒使其完全压溃。
本发明采用正交试验的方法来分析吸能盒各参数对吸能盒性能的影响效果，正交实验法就是利用排列整齐的表——正交表来对试验进行整体设计、综合比较、统计分析，实现通过少数的实验次数找到较好的实验结果。其中正交试验有4因素，分别为截面形式、材料、厚度和倾角。截面形式有6水平(影响因素的变化)，分别为矩形、正方形、六边形、八边形、十二变形、十字形。材料、厚度和倾角则各有3水平，如表9所示。表10为混合正交试验表。测得吸能盒的平均结构力和质量，取平均结构力F与质量M的比值作为评价指标，比值越大表明吸能盒单位质量性能越好。
表9正交试验因素与水平示意图
表10混合正交试验表
对18组正交试验的F/M值进行数据分析，如表11所示，可知截面形式中，十字形最优；无倾角的吸能盒较有倾角的效果更好；三种选用的材料中DP780最好，铝合金6061T6其次；吸能盒的性能随着其厚度的增加逐渐增强。方差分析可知方差越大表明该因素越敏感，影响效果越明显，则该试验四个因素影响的主次顺序分别为截面形式、厚度、材料和倾角。最优的参数组合方法即为吸能盒的截面形式为十字形，无倾角，材料选择DP780，厚度为2mm时，吸能盒性能最优。
表11试验结果分析表
4)前防撞梁总成轻量化方案性能验证
综上采取如下轻量化方案：
防撞横梁1轻量化方案，防撞横梁1的截面形式为日字形，材料为铝合金6061T6；
左右两侧吸能盒轻量化方案，截面形式为十字形，材料为DP780。并将轻量化方案与整车集成仿真计算，在正面全宽高速碰撞工况中，选择碰撞波形的简化波形的第一台阶高度G1和第二台阶高度G2值与目标波形进行对比；在正面40％重叠低速碰撞工况中，选择最大侵入量和吸能盒平均结构力与目标接触力位移曲线进行对比，误差值均不超过5％，验证了轻量化方案的可行性。
综上所述，本发明选取了正面全宽高速碰撞工况、正面40％重叠低速碰撞工况和静压工况三种工况分别对基础车型的前防撞梁总成性能进行了分析与讨论并确定不同工况前防撞梁总成的轻量化设计性能目标。并介绍了建立前防撞梁总成独立评价工况的意义，讨论了独立评价工况建立的有效评价指标，在此基础上分别建立了前防撞梁总成在正面全宽高速碰撞工况、正面40％重叠低速碰撞工况中的独立评价工况，通过从变形模式、吸能量、截面力和侵入量四个指标验证了前防撞梁总成独立评价工况建立的有效性。并使用所建立的独立工况为前防撞梁总成的独立评价工况与轻量化设计提供指导。该独立工况的建立避免了前防撞梁总成的性能验证只能集成在整车中进行的弊端，节省了大量试验及仿真计算时间。

Claims (5)

1.一种基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法,其特征在于，所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法的步骤如下：
1)选取多种碰撞工况：
选择能综合反映前防撞梁总成抗撞性能的多种形式的碰撞工况；
2)确定前防撞梁总成的轻量化设计性能目标：
在已选各碰撞工况下基于整车抗撞性确定前防撞梁总成的轻量化设计性能目标；
3)建立前防撞梁总成独立评价工况与其有效性验证：
基于选择的碰撞工况建立前防撞梁总成的独立评价工况，并对独立评价工况进行有效性验证；
4)基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计：
以确定的前防撞梁总成的轻量化设计性能目标为约束条件，以独立评价工况为载体，对前防撞梁总成进行轻量化设计。
2.按照权利要求1所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法,其特征在于，所述的选取多种碰撞工况是指：
1)高速碰撞：
对于前防撞梁总成来说，当汽车发生高速碰撞时，希望防撞横梁(1)不发生弯折，起到很好的力传导作用以保证发动机舱的连续变形，希望左侧吸能盒(2)、右侧吸能盒(8)发生稳定的褶皱变形，通过完全压溃以吸收能量；所以本技术方案选用中国新车评价规程C-NCAP中的正面全宽刚性壁障碰撞-Front Rigid Barrier-工况来讨论前防撞梁总成在高速碰撞中的性能要求；
2)低速碰撞：
为汽车在停车、起步、倒车低速行驶时发生的一种碰撞，汽车散热器、纵梁、大灯免于损害，要求前防撞梁总成在碰撞中吸收能量并阻止碰撞力向后传递，所以本技术方案选用保险协会采用的正面40％重叠低速碰撞工况来讨论前防撞梁总成在低速碰撞中的性能要求；
3)静压工况：
考虑的是汽车在正面行驶过程中，局部受到硬性撞击，前防撞梁总成在静态刚度上的要求；本技术方案通过建立防撞横梁(1)三点静压仿真模型来讨论前防撞梁总成在静压工况的性能要求。
3.按照权利要求1所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法,其特征在于，所述的确定前防撞梁总成的轻量化设计性能目标是指：
1)确定基于正面全宽高速碰撞工况的前防撞梁总成性能目标：
对于防撞横梁(1)选取其截面力作为优化设计目标，要求其与基础车型的截面力相差不大于δ；
根据1，2，3号截面处位置的截面力曲线可知基础车型的截面力曲线的第1峰值、第2峰值分别为N1和N2，优化后的峰值用T1、T2表示，
Δ＝∣T1-N1∣+∣T2-N2∣
式中：Δ表示优化前、后2个截面力峰值的总偏差,则比例因子δ＝Δ/(N1+N2)，根据经验，δ不超过8％，Δ﹤0.08(N1+N2)；
对于左侧吸能盒(2)、右侧吸能盒(8)，以其平均轴向结构力为优化设计目标,借助有限元软件对基础车型进行正面全宽高速碰撞仿真模拟，得到整车碰撞波形与简化双台阶波形示意，并将基础车型的简化双台阶波形作为整车抗撞性的设计目标波形,将目标波形的加速度-位移曲线积分并乘以质量求得该纵向空间总吸能量E0，其中占比例为b的为E＝E0×b；左侧吸能盒(2)与右侧吸能盒(8)纵向长度为L，压缩系数为k，是轴向压溃变形模式，左侧吸能盒(2)、右侧吸能盒(8)的平均轴向结构力F由公式1计算,
F＝1/2×E/(L×k)(1)
式中：F为左侧吸能盒(2)、右侧吸能盒(8)的平均轴向结构力，单位为kN，E为左侧吸能盒(2)、右侧吸能盒(8)吸能量，单位为kJ，L为左侧吸能盒(2)与右侧吸能盒(8)纵向长度，单位为mm，k为压缩系数；
2)确定基于正面40％重叠低速碰撞工况的前防撞梁总成性能目标：
对于防撞横梁(1)以其侵入量为优化设计目标,对于左侧吸能盒(2)、右侧吸能盒(8)，以其平均轴向结构力为优化设计目标；
对于低速碰撞来说，为避免汽车散热器、纵梁、大灯受到损坏，要求防撞横梁(1)的侵入量不能过大，结合该车的空间布置关系，设定防撞横梁(1)的优化设计目标为基础车型,在正面40％重叠低速碰撞工况下最大的侵入量不超过d；
为实现碰撞中各部件发生合理的变形次序，要求左侧吸能盒(2)、右侧吸能盒(8)的极限平均轴向结构力Fc＝FL/1.2/1.2；防撞横梁(1)的峰值力Fa＜1.2Fc,FL为纵梁发生屈服的极限平均轴向结构力；根据上述约束条件，应用能量守恒可求得左侧吸能盒(2)、右侧吸能盒(8)的平均轴向结构力为Fm并得到目标接触力位移曲线；
3)确定基于静压工况的前防撞梁总成轻量化设计性能目标：
以防撞横梁静压反力峰值Fmax作为性能目标，约束其大于基础车型静压结果的105％，但不超过130％，即大于105％Fmax小于130％Fmax。
4.按照权利要求1所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法,其特征在于，所述的建立前防撞梁总成独立评价工况与其有效性验证是指：
1)建立基于正面全宽高速碰撞工况的前防撞梁总成独立评价工况：
(1)将前防撞梁总成中左侧吸能盒(2)与右侧吸能盒(8)的后端采用高速左侧底端约束(12)与高速右侧底端约束(13)固定，建立一刚性墙(14)，用以代替散热器模拟其与防撞横梁(1)接触的过程，刚性墙(14)的相对位置、大小与质量均与整车中散热器组件一致，用刚性壁障(3)撞击前防撞梁总成这种形式来等效；
(2)根据前防撞梁总成在整车碰撞中的吸能量与能量守恒原理确定刚性壁障(3)的初始动能Eaf与刚性壁障(3)的质量mf；
2)建立正面40％重叠低速碰撞工况的前防撞梁总成独立评价工况：
(1)将前防撞梁总成中左侧吸能盒(2)与右侧吸能盒(8)的后端采用低速左侧底端约束(15)与低速右侧底端约束(16)固定，用刚性壁障(3)撞击前防撞梁总成的方式建立；
(2)根据前防撞梁总成在整车碰撞中的吸能量对刚性壁障(3)的初始动能进行校正，最终确定刚性壁障(3)的初始动能Ear与刚性壁障的质量mr；
3)基于前防撞梁总成独立评价工况的有效性验证：
(1)对独立工况与整车各工况下前防撞梁总成变形模式、侵入量与各部件吸能量进行统计与对比，若侵入量与各部件吸能量误差不超过5％，则认为独立工况下前防撞梁总成的吸能效果与在整车中保持一致；
(2)在独立工况中提取截面位置的截面力和整车正面全宽高速碰撞工况与正面40％重叠低速碰撞工况中纵梁处的截面力进行对比，若截面力误差不超过5％则说明独立评价工况的有效性。
5.按照权利要求1所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计方法,其特征在于，所述的基于独立评价工况的前防撞梁总成轻量化设计的步骤如下：
1)基础车型的防撞横梁设计目标
约束条件：正面全宽高速工况:Δ﹤0.08(N1+N2)
正面40％重叠低速工况:侵入量＜d
静压工况：105％Fmax＜最大接触反力＜130％Fmax
优化目标：质量最小；
2)基础车型的左侧吸能盒(2)与右侧吸能盒(8)设计目标
将平均结构力max(F,Fm)作为左侧吸能盒(2)与右侧吸能盒(8)轻量化设计的设计目标；
3)前防撞梁总成轻量化方案设计
(1)轻量化措施包括结构优化、使用轻质材料以及使用先进的成型工艺以提升材料性能，挤压成形根据需要在防撞横梁(1)结构各处设置不同壁厚，因此，将对日字形截面形式的铝合金6061T6防撞横梁(1)进行参数优化设计，选择最优拉丁超立方方法对壁厚进行试验方案设计,在建立的独立工况中以性能指标为输出结果进行仿真计算，通过比较正面全宽高速碰撞工况下的截面力、正面40％低速碰撞工况下的侵入量与静压工况下的接触反力，寻找最优的防撞横梁各参数组合方案；
(2)对左侧吸能盒(2)与右侧吸能盒(8)进行轻量化设计的过程即对吸能盒参数进行优化组合的过程，采用正交试验方法，借助有限元软件改变截面形式、材料选择、厚度和倾角，得到左侧吸能盒(2)与右侧吸能盒(8)平均结构力F，以平均结构力F与质量M的比值作为评价指标，分析截面形式、材料选择、厚度和倾角对左侧吸能盒(2)与右侧吸能盒(8)特性的影响程度以及寻找最优的参数组合，为轻量化方案设计提供指导；
4)前防撞梁总成轻量化方案性能验证
根据以上步骤确定轻量化方案，并将轻量化方案与整车集成在不同碰撞工况下计算，分别选择碰撞波形的简化波形的第一台阶高度G1和第二台阶高度G2值、最大侵入量和左侧吸能盒(2)与右侧吸能盒(8)平均结构力与目标波形、目标接触力位移曲线进行对比，若误差值均不超过5％，则验证了轻量化方案的可行性。
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