CN203350877U - 一种高吸能六边形截面轻量化前纵梁结构 - Google Patents

Abstract

一种高吸能六边形截面轻量化前纵梁结构属于乘用车车身工程领域，目的在于解决现有技术存在的减重空间小、吸能性能差、成本高和制造工艺复杂的问题。本实用新型包括前纵梁前段和前纵梁后段；所述前纵梁前段包括前段外板、前段内板，前纵梁后段包括后段外板、后段内板、支撑板和加强板；所述前段外板和所述后段外板固定连接，所述前段内板和所述后段内板固定连接，所述前纵梁截面为六边形。本实用新型把前纵梁设计成两段，前段和后段采用不同的厚度，并且采用六边形截面结构，消除了矩形截面前纵梁吸能性较差的缺点；前纵梁前段设置有诱导槽，提高吸能性，比传统的矩形截面整体式结构具有吸能性好、节约材料和成本、制造工艺简单等优势。

Description

一种高吸能六边形截面轻量化前纵梁结构

技术领域

本实用新型属于乘用车车身工程领域，具体涉及一种高吸能六边形截面轻量化前纵梁结构。

背景技术

汽车在设计过程中，除了满足轻量化的要求，还要满足一定的碰撞安全性。在汽车发生正面碰撞时，碰撞动能除了一部分通过两车之间的速度再分配保留外，大部分的动能都是通过车身前部“压溃区”的塑性变形来吸收；汽车前部的机舱作为安装发动机和散热器等部件的主要承载体，必须具有足够的强度和刚度，在汽车发生碰撞时，机舱还承担着保护乘员的作用。前纵梁位于汽车车身的前部两侧，是构建机舱和承受力的主要部件，在汽车正面碰撞过程中，影响车辆前部正面碰撞吸能性的主要是前纵梁、吸能盒、翼子板、发动机罩等前部钣金件，其中前纵梁的吸能量大约占到车辆总吸能量的50%以上，是最重要的吸能部件。

目前，汽车上所应用的前纵梁一般都是矩形截面的整体式结构，此种前纵梁结构具有以下两种缺点：该矩形截面的前纵梁减重空间小、吸能性能差；前纵梁的整体式结构在生产过程中模具和冲压设备尺寸较大，模具和冲压设备制造成本高；而且，前纵梁的整体式结构采用单一材料冲压而成，其整体性能不易控制，在碰撞过程中，很难满足既最大限度的吸收碰撞能量又能保护乘员舱不发生变形。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种高吸能六边形截面轻量化前纵梁结构，解决现有技术存在的减重空间小、吸能性能差、成本高和制造工艺复杂的问题。

为实现上述目的，本实用新型的一种高吸能六边形截面轻量化前纵梁结构包括前纵梁前段和前纵梁后段；所述前纵梁前段包括前段外板、前段内板，前纵梁后段包括后段外板、后段内板、支撑板和加强板；所述前段外板和所述后段外板固定连接，所述前段内板和所述后段内板固定连接，所述前纵梁截面为六边形，所述支撑板位于所述前纵梁前段和前纵梁后段的连接位置，支撑所述前纵梁后段防止内凹变形，所述加强板与所述后段内板焊接在一起，对后段内板起到加强作用，防止后段内板强度不够、发生弯折，所述前纵梁前段和所述前纵梁后段厚度不同。

所述前段外板和所述后段外板采用焊接方式固定连接，所述前段内板和所述后段内板之间采用激光拼焊实现固定连接。

所述前纵梁截面的六边形的六个角θ的取值范围为:100°≤θ≤150°。

所述前纵梁前段六个表面上均匀设置有n个诱导槽，所述诱导槽垂直于所述前纵梁前段轴线，所述n条诱导槽中距离前端面最近的诱导槽的中线距前端面的距离的取值范围为：30mm～50mm。

所述诱导槽为内凹梯形截面结构，所述n的取值为n=3。

本实用新型的有益效果为：本实用新型一种高吸能六边形截面轻量化前纵梁结构把前纵梁设计成两段，分别是前纵梁前段和前纵梁后段，前纵梁前段和前纵梁后段采用不同的厚度，其中前纵梁前段和后段之间通过焊接技术连接，并且采用六边形截面结构，消除了矩形截面前纵梁吸能性较差的缺点；前纵梁前段设置有诱导槽，提高吸能性、降低B柱和门槛梁相交处节点加速度峰值；所述后段内板焊接有加强板，对后段内板（6）起到加强作用，防止后段内板（6）强度不够、发生弯折，此种前纵梁结构比传统的矩形截面整体式结构具有吸能性好、节约材料和成本、制造工艺简单等优势。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型除去后段外板其他结构示意图；

图3为本实用新型除去后段内板其他结构示意图；

图4为BCE单元模型示意图；

图5为前纵梁截面变化形式示意图；

图6为前纵梁的加载示意图；

图7为前纵梁截面和诱导槽优化设计流程图；

图8为前纵梁的最优设计方案示意图；

图9为所述前纵梁前端截面示意图；

图10为前纵梁诱导槽的梯形截面形状示意图；

图11为前纵梁诱导槽最优设计方案结构示意图；

图12为前纵梁诱导槽最优设计方案前段外板上的结构示意图；

其中：1、前纵梁前段，2、前纵梁后段，3、前段外板，4、前段内板，5、支撑板，6、后段内板，7、加强板，8、后段外板，9、刚性墙，10、质量加载点，11、诱导槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明。

参见附图1、附图2和附图3，本实用新型的一种高吸能六边形截面轻量化前纵梁结构包括前纵梁前段1和前纵梁后段2；所述前纵梁前段1是完全压溃区，所述前纵梁后段2是部分压溃区；所述前纵梁前段1包括前段外板3、前段内板4，前纵梁后段2包括后段外板8、后段内板6、支撑板5和加强板7；所述前段外板3和所述后段外板8固定连接，所述前段内板4和所述后段内板6固定连接，所述前纵梁截面为六边形，前纵梁截面的高度是93mm，最远的两点之间的距离宽度是83mm，最上面两角的度数分别是100°、110°，中间两角的度数都是150°，最下面两角的度数分别是100°、110°，所述支撑板5位于所述前纵梁前段1和前纵梁后段2的连接位置，支撑所述前纵梁后段2防止内凹变形，所述加强板7与所述后段内板6焊接在一起，对后段内板6起到加强作用，防止后段内板6强度不够、发生弯折。

所述前纵梁前段1采用厚度1.2mm的B210P1钢板；前纵梁后段2采用厚度1.6mm的B210P1钢板；加强板7采用厚度1.2mm的B340/590DP钢板。

所述前段外板3和所述后段外板8采用焊接方式固定连接，所述前段内板4和所述后段内板6之间采用激光拼焊实现固定连接。

六边形截面的设计方法为以下步骤：

步骤一：通过SFE-concept软件平台建立矩形截面前纵梁的参数化模型。

步骤二：确定设计变量、设计约束和优化目标，建立优化设计的数学模型。

步骤三：采用正交试验设计方法选择样本点、设计试验次数，应用Ls-dyna软件对样本模型进行碰撞计算得到各模型的目标响应。

步骤四：采用极差分析法分析目标响应和各因素之间的关系，综合权衡平均碰撞力F和质量m之间的关系，确定前纵梁的较优设计方案。

步骤五：将得到的前纵梁较优设计方案安装到整车上进行碰撞计算，和初始模型进行性能对比，判断是否满足设计目标的要求，如满足设计目标的要求，得到最优设计方案；若不满足目标要求，重新确定前纵梁较优设计方案。

所述诱导槽11垂直于所述前纵梁前段1轴线，诱导槽11是10mm深度的内凹等腰梯形截面结构，等腰梯形的上底是10mm，下底是20mm，高是10mm。第一道诱导槽11中线距前端面的距离是40mm，前纵梁前段1每个外表面设计3条诱导槽11。

诱导槽11的设计方法主要分成以下步骤：

步骤a：通过SFE-concept软件平台建立六边形截面前纵梁的参数化模型。

步骤b：确定设计变量、约束条件和优化目标，建立优化设计的数学模型。

步骤c：采用正交试验设计方法选择样本点、设计试验次数，应用Ls-dyna软件对样本模型进行碰撞计算得到各模型的目标响应。

步骤d：采用极差分析法分析目标响应和各因素之间的关系，综合权衡吸能量E和前纵梁尾端处节点加速度a_max之间的关系，确定诱导槽11的较优设计方案。

步骤e：将得到的按照诱导槽11优化设计方案开槽的前纵梁安装到整车上进行碰撞计算，并与初始模型进行性能对比，判断其压溃变形是否满足设计目标要求，如满足设计目标的要求，得到诱导槽11最优设计方案；若不满足目标要求，重新确定诱导槽11优化设计方案。

1、高吸能六边形轻量化前纵梁设计过程

本实用新型应用了一种新的微观碰撞分析方法，把碰撞实体细分成一些微小的基本碰撞单元，也就是BCE单元。本实用新型依据BCE单元模型，应用轴向耐撞效能分析方法分析六边形截面的薄壁梁在受到轴向碰撞时的变形吸能特性，并比较矩形截面薄壁梁和六边形截面薄壁梁的轴向耐撞效能。

在轴向耐撞效能分析方法中所用到的基本碰撞单元，即BCE单元，如图4所示。每个BCE单元都是每个多边形管件的1/n部分，n表示管件多边形截面的边数。如图4（a）所示，表示的是还没有发生碰撞的初始BCE单元模型，从图中可以看出，初始BCE单元主要有两块高为2H，宽为c/2的平板以及两块平板之间的连接直棱组成，BCE单元的壁厚为h。随着碰撞过程的进行，初始的BCE单元受到压缩，逐渐变成了图4（b）所示的形状，两条直线交界棱、两块薄壁平板交接面及交接面上的角点B逐渐变换位置，两条直线的交界棱逐渐变成单曲率面，两块平板交接处的B点位置形成双曲率面，因此碰撞变形之后的BCE单元可以分成如图所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等四个区域。

BCE单元的能量吸收主要包括Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ三个部分的能量消耗：

$E_{\mathrm{int}}^{\mathrm{BCE}}=E_1+E_2+E_3$

上式中，E1，E2，E3分别表示Ⅳ、Ⅱ、Ⅲ三个部分的能量吸收量。

轴向耐撞效能分析方法中常常以“平均碰撞力（Fm）”作为薄壁管耐撞效能的评价指标，因此，薄壁管在发生变形时，BCE单元的能量吸收可以表示为：

$E_{\mathrm{int}}^{\mathrm{BCE}}=F_m^{\mathrm{BCE}}\×2H$

上式中，

表示BCE单元在碰撞时所受到的平均碰撞力。

对于截面形状是矩形的薄壁梁，得到BCE单元在碰撞过程中所受到的平均碰撞力：

$F_m^{\mathrm{Squ}}=9.53{\mathrm{\σ}}_0{h}^{\frac{5}{3}}{c}^{\frac{1}{3}}$

把此BCE单元模型应用到六边形截面薄壁梁上来分析六边形截面的薄壁管在受到轴向载荷冲击，发生屈曲变形时的耐撞效能，通过调整积分参数，最终得到轴向碰撞过程中六边形截面BCE单元所受到的平均碰撞力：

$F_m^{\mathrm{Hex}}=20.52{\mathrm{\σ}}_0{h}^{\frac{5}{3}}{c}^{\frac{1}{3}}$

通过上述的计算得到了矩形截面薄壁梁和六边形截面薄壁梁在轴向碰撞过程中BCE单元所受到的平均碰撞力，矩形截面和六边形截面的薄壁管的BCE单元在材料和尺寸相同时，吸能特性明显不同，六边形截面的薄壁管耐撞效能明显高于矩形截面的薄壁管。

如图5所示，前纵梁在截面优化设计过程中主要有三种截面变化形式，以变量x表示前纵梁截面的变化。变量x的数值表示截面内凹和外凸的距离，变量x为负值表示前纵梁截面为内凹形状，即a图所示；变量x为零值表示前纵梁截面不变，即b图所示；变量x为正值表示前纵梁截面为外凸形状，即c图所示。

把前纵梁从整车模型中提取出来，选取整车质量的一半作为加载质量，平均分配到各质量加载点10上，前纵梁以50km/h的速度沿-X方向冲击固定刚性墙9，前纵梁的加载示意图如图6所示。

对前纵梁进行优化设计的过程如图7所示，选取六个设计变量：前段外板3的厚度t₁、前段内板4的厚度t₂、后段外板8的厚度t₃、后段内板6的厚度t₄、加强板7的厚度t₅和截面形状变量x，每个设计变量的限值如表1所示。本优化过程选择的优化目标：平均碰撞力F和前纵梁质量m。设计约束：限制平均碰撞力F和质量m、前段外板3的厚度t₁、前段内板4的厚度t₂、后段外板8的厚度t₃、后段内板6的厚度t₄、加强板7的厚度t₅和截面形状变量x的变化。

表1

设计变量	t1（mm）	t2(mm)	t3(mm)	t4(mm)	t5(mm)	x(mm)
							初始值	1.8	1.8	1.8	1.8	1.2	0
上限值	2.0	2.0	2.0	2.0	1.4	20
							下限值	1.2	1.2	1.2	1.2	0.6	-20

根据吸能量公式E=FL（F表示碰撞过程中的平均碰撞力，L表示前端压溃量）的要求，在保证压溃量L不增加的前提下，通过提高平均碰撞力F达到提高碰撞吸能性的目的；然而平均碰撞力的提高也可能会造成质量的增加，初始模型每根前纵梁上的平均碰撞力为54.43kN，因此约束平均碰撞力F的上限值为60kN。

为了达到轻量化的要求，在优化过程中也选择前纵梁的质量m作为优化目标，前纵梁的质量上限为8.225kg，应尽量减少该值。

优化设计的数学模型：

$\left\{\begin{array}{c}\max :F\\ \min :m\\ s.t.:m\≤8.225\mathrm{kg}\\ F\≤60\mathrm{kN}\\ 1.2\mathrm{mm}\≤t_1,t_2,t_3,t_4\≤2.0\mathrm{mm}\\ 0.6\mathrm{mm}\≤t_5\≤1.4\mathrm{mm}\\ -20\mathrm{mm}\≤x\≤20\mathrm{mm}\end{array}\right.$

不考虑各因素、水平之间的相互作用，采用正交试验设计中的综合平衡法进行试验设计。在正交表创建时，选择前段外板3的厚度t₁、前段内板4的厚度t₂、后段外板8的厚度t₃、后段内板6的厚度t₄、加强板7的厚度t₅和截面形状变量x作为试验因素，每个因素都设置五个水平，因素水平列表如表2所示。

表2

根据正交表的设计原则和方法，得到正交表L₂₅(5⁶)，将各因素、水平进行组合得到25个碰撞模型作为优化设计的样本点，对每个模型进行碰撞分析，记录下前纵梁的质量m、平均碰撞力F两个指标的具体数值。应用极差分析法计算分析各因素对试验指标的影响关系，综合权衡平均碰撞力F和质量m之间的关系，确定前纵梁的较优设计方案。

将得到的前纵梁较优设计方案安装到整车上进行碰撞计算，和初始模型进行性能对比，判断是否满足设计目标的要求，如满足设计目标的要求，得到最优设计方案；若不满足目标要求，重新确定前纵梁较优设计方案。最终得到前纵梁的最优设计方案如图8所示，各板件厚度如表3所示。

表3

设计变量	t1（mm）	t2(mm)	t3(mm)	t4(mm)	t5(mm)	x(mm)
							初始值	1.8	1.8	1.8	1.8	1.2	0
优化值	1.2	1.2	1.6	1.6	1.2	10

所述前纵梁前端截面示意图如图9所示，前纵梁截面的高度是93mm，最远的两点之间的距离宽度是83mm，最上面两角的度数分别是1000、1100，中间两角的度数都是1500，最下面两角的度数分别是1000、1100。

所述前纵梁前段1采用厚度1.2mm的B210P1钢板；后段采用厚度1.6mm的B210P1钢板；加强板7采用厚度1.2mm的B340/590DP钢板。

2、前纵梁诱导槽11的优化设计

所述前纵梁结构通过添加诱导槽11，实现提高吸能性、降低B柱和门槛梁相交处节点加速度峰值的目的。

本实用新型通过正交试验设计方法确定诱导槽11的截面形状A、第一道诱导槽11距前端面距离a、诱导槽11的深度b和前纵梁外表面诱导槽11的数量x。

对所述前纵梁诱导槽11，进行优化设计的过程如图7所示，选择四个设计变量：诱导槽11的截面形状A、第一道诱导槽11距前端面距离a、诱导槽11的深度b和前纵梁前段1每个外表面诱导槽11的数量c。选择吸能量E和前纵梁尾端处节点加速度峰值a_max作为优化目标，使吸能量E尽可能提高和节点加速度峰值a_max尽可能降低。设计约束：限制第一道诱导槽11距前端面距离a、诱导槽11的深度b和前纵梁前段1每个外表面诱导槽11的数量c的变化。

优化设计的数学模型：

$\left\{\begin{array}{c}\max :E\\ \min :a_{\max }\\ s.t.:20\mathrm{mm}\≤a\≤60\mathrm{mm}\\ 5\mathrm{mm}\≤b\≤15\mathrm{mm}\\ 1\≤c\≤3\end{array}\right.$

所述前纵梁的诱导槽11在优化设计过程中，选择诱导槽11的截面形状A、第一道诱导槽11距前端面距离a、诱导槽11的深度b和前纵梁外表面诱导槽11的数量c作为试验因素，每个因素都设置三个水平，因素水平列表如表4所示。

表4

根据正交表的设计原则和方法，得到正交表L₉(3⁴)，将各因素、水平进行组合得到9个碰撞模型作为优化设计的样本点，对每个模型进行碰撞分析，记录下吸能量E和前纵梁尾端处节点加速度a_max两个指标的具体数值。应用极差分析法计算分析各因素对试验指标的影响关系，综合权衡吸能量E和节点加速度a_max之间的关系，确定前纵梁诱导槽11的较优设计方案。

将得到的按照诱导槽11较优设计方案开槽的前纵梁安装到整车上进行碰撞计算，和初始模型进行性能对比，判断是否满足设计目标的要求，如满足设计目标的要求，得到诱导槽11最优设计方案；若不满足目标要求，重新确定诱导槽11较优设计方案。最终得到前纵梁诱导槽11的各参数如表5所示；梯形截面形状示意图，如图10所示，截面是一个上底是10mm，下底是20mm，高是10mm的等腰梯形；最优设计方案的立体示意图，如图11和12所示。

表5

设计变量	A	a(mm)	b(mm)	c
					优化值	梯形	40	10	3

所述前纵梁的诱导槽11，设计成10mm深度的内凹梯形截面结构，第一道诱导槽11中线距前端面的距离是40mm，前纵梁前段1每个外表面设计诱导槽11三条。

所述前纵梁结构制造工艺简单，并且改进截面之后的前纵梁可以直接安装到白车身上，所述前纵梁后段2通过焊接与防火墙连接，所述前纵梁前段1与保险杠横梁连接，不会对发动机等部件的安装造成干涉。

以上为本实用新型的具体实施方式，但绝非对本实用新型的限制。

Claims (5)

1.一种高吸能六边形截面轻量化前纵梁结构，其特征在于，包括前纵梁前段（1）和前纵梁后段（2）；所述前纵梁前段（1）包括前段外板（3）、前段内板（4），前纵梁后段（2）包括后段外板（8）、后段内板（6）、支撑板（5）和加强板（7）；所述前段外板（3）和所述后段外板（8）固定连接，所述前段内板（4）和所述后段内板（6）固定连接，所述前纵梁截面为六边形，所述支撑板（5）位于所述前纵梁前段（1）和前纵梁后段（2）的连接位置，支撑所述前纵梁后段（2）防止内凹变形，所述加强板（7）与所述后段内板（6）焊接在一起。

2.根据权利要求1所述的一种高吸能六边形截面轻量化前纵梁结构，其特征在于，所述前段外板（3）和所述后段外板（8）采用焊接方式固定连接，所述前段内板（4）和所述后段内板（6）之间采用激光拼焊实现固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种高吸能六边形截面轻量化前纵梁结构，其特征在于，所述前纵梁截面六边形的六个角θ的取值范围为：100°≤θ≤150°。

4.根据权利要求1所述的一种高吸能六边形截面轻量化前纵梁结构，其特征在于，所述前纵梁前段（1）六个表面上均匀设置有n个诱导槽（11），所述诱导槽（11）垂直于所述前纵梁前段（1）轴线，所述n条诱导槽（11）中距离前端面最近的诱导槽（11）的中线距前端面的距离的取值范围为：30mm～50mm。

5.根据权利要求4所述的一种高吸能六边形截面轻量化前纵梁结构，其特征在于，所述诱导槽（11）为内凹梯形截面结构，所述n的取值为n=3。

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