CN109131576B

CN109131576B - 一种连续变强度前纵梁结构

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Publication number: CN109131576B
Application number: CN201810877948.3A
Authority: CN
Inventors: 徐峰祥; 张锁; 武昆迎; 董治南
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2018-08-03
Filing date: 2018-08-03
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2038-08-03
Also published as: CN109131576A

Abstract

本发明公开了一种连续变强度前纵梁结构，前纵梁结构由前至后依次分为前纵梁前端、中间过渡区和前纵梁后端，前纵梁前端为第一强度区，前纵梁后端为第二强度区，第一强度区的强度小于第二强度区的强度，中间过渡区的强度在第一强度区的强度和第二强度区的强度之间，沿轴向逐渐增强。提高前纵梁总吸收碰撞能量的能力以及降低碰撞峰值力，使碰撞力峰值渐进依次递增，防止初始时刻的突变，有效保护乘员安全。

Description

一种连续变强度前纵梁结构

技术领域

本发明涉及汽车零部件结构设计技术领域，具体涉及一种连续变强度前纵梁结构。

背景技术

汽车前纵梁是车身结构吸收碰撞能量的重要部件，它的前端部通过螺栓与保险杠***的吸能盒相连，后端部通过焊接与车身地板相连。它是车身重要的承载单元，传力部件和吸能器，特别发生100％的正碰碰撞时，汽车的重要部件前纵梁的吸能可高达30％-50％，因此有必要研究高品质吸能的前纵梁结构。

随着我国电动汽车迅速发展，当前的瓶颈在于电池质量大，续航能力不足，而车身部件轻量化能够增加电动汽车的续驶里程，提高行驶稳定性，也是实现车辆燃油经济性和节能减排的重要措施之一。在车身重要部件前纵梁结构设计过程中，实现轻量化设计的同时，还要注重结构的耐撞性设计，兼顾强度和轻量化要求是当今研究设计的难题。

当前对于前纵梁前后性能差异化的设计主要是变厚度结构设计和利用激光拼焊技术，将不同材料和厚度的组件拼焊在一起，从而实现的结构的变强度，一定程度上实现结构的轻量化。但是，对于变厚度结构设计，这种设计方法最大问题在于通过增加材料的厚度来提高某部位的强度，一定程度增加了零件的质量，不利于最大程度实现结构轻量化。而拼焊板设计难以控制焊点区域的质量，焊点区域附近存在着残余应力，同时不能实现过渡区强度的连续变化，不利于结构发生渐进叠缩变形。因此，对于如何设计出强度灵活分布，综合性能卓越的前纵梁结构是本发明的核心所在。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种连续变强度前纵梁结构，提高前纵梁总吸收碰撞能量的能力以及降低碰撞峰值力，使碰撞力峰值渐进依次递增，防止初始时刻的突变，有效保护乘员安全。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种连续变强度前纵梁结构，前纵梁结构由前至后依次分为前纵梁前端、中间过渡区和前纵梁后端，前纵梁前端为第一强度区，前纵梁后端为第二强度区，第一强度区的强度小于第二强度区的强度，中间过渡区的强度在第一强度区的强度和第二强度区的强度之间，沿轴向逐渐增强。

按照上述技术方案，中间过渡区的强度沿轴向呈连续光滑递增函数分布。

按照上述技术方案，中间过渡区的强度变化为线性过渡或曲线过渡，中间过渡区的强度分布函数为幂指数函数、三角函数、反三角函数或对数函数。

按照上述技术方案，包括前纵梁内板和前纵梁外板，前纵梁内板和前纵梁外板之间沿前纵梁内板和前纵梁外板上的折边激光拼焊。

按照上述技术方案，前纵梁内板和前纵梁外板为同一母材制备。

按照上述技术方案，前纵梁内板和前纵梁外板的厚度为1～2mm；前纵梁内板和前纵梁外板上的各位置厚度保持不变。

按照上述技术方案，第一强度区的长度为0～50mm，第二强度区的长度为0～50mm，中间过渡区设置于第一强度区和第二强度区之间，中间过渡区的长度为前纵梁结构总长度的70％-90％。

按照上述技术方案，第一强度区的材料屈服强度为300～400MPa，第二强度区的材料屈服强度为650～750MPa。

按照上述技术方案，第一强度区的材质包括铁素体，第二强度区的材质包括马氏体。

按照上述技术方案，通过热成型技术对结构进行分区热处理，温度场的连续分布，实现前纵梁结构强度的连续性分布。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的前纵梁部件的强度沿轴向从前到后连续依次增强，这样可以使前纵梁在正面碰撞时发生渐进叠缩变形，提高前纵梁总吸收碰撞能量的能力以及降低碰撞峰值力，使碰撞力峰值渐进依次递增，防止初始时刻的突变，有效保护乘员安全。

2、前纵梁沿轴向的强度变化是连续的，服从连续光滑函数分布形式。与现有拼焊板技术相比，没有焊接处引起的强度突变和焊缝的应力集中，表面质量好，材料性能分布连续且比较均匀，有利于改善结构碰撞特性。

3、利用热成型技术对结构进行分区热处理，温度场的连续分布，从而实现前纵梁结构强度的连续性分布，前纵梁强度的变化是直接通过改变材料的屈服强度来实现的，有效避免通过增加材料的厚度来增加结构强度的情况，改善原有变厚度结构设计和拼焊板强度突变所带来的不利影响，打造强度灵活分布的前纵梁结构，既能实现车身前纵梁结构的轻量化，又能提高前纵梁结构强度及结构吸能效率。

附图说明

图1是本发明实施例中连续变强度前纵梁结构的立面图；

图2是本发明实施例中前纵梁结构的模型与强度分布示意图；

图3是本发明实施例中幂指数分布结构的强度比沿着长度方向的变化情况示意图；

图4是本发明实施例中前纵梁结构的简化模型示意图；

图5是本发明实施例中前纵梁结构的数值模型碰撞示意图；

图6是本发明实施例中前纵梁结构的三种管状结构峰值碰撞力响应对比图；

图7是本发明实施例中强度梯度n＝5情况下三种管状结构瞬时碰撞力响应对比图；

图8是本发明实施例中强度梯度n＝5情况下三种管状结构平均碰撞力响应对比图；

图中，1-前纵梁内板，2-前纵梁外板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图8所示，本发明提供的一个实施例中的连续变强度前纵梁结构，前纵梁结构由前至后依次分为前纵梁前端、中间过渡区和前纵梁后端，前纵梁前端为第一强度区，前纵梁后端为第二强度区，第一强度区的强度小于第二强度区的强度，中间过渡区的强度在第一强度区的强度和第二强度区的强度之间，沿轴向逐渐增强；使得所述前纵梁不同的部位强度不同，其前部强度小，后部强度大，符合前纵梁前软后硬的结构特点，实现碰撞时前部充分吸收碰撞能，后部强度大不易发生变形，保障乘驾人员所需的安全空间。

进一步地，中间过渡区的强度沿轴向呈连续光滑递增函数分布。

进一步地，中间过渡区的强度变化为线性过渡或曲线过渡，中间过渡区的强度分布函数为幂指数函数、三角函数(递增连续区间)、反三角函数或对数函数；以及满足在给定区间递增连续可微的非初等函数函数，中间过渡区的强度变化梯度范围根据所研究前纵梁的尺寸和具体过渡变化函数来确定。

进一步地，包括前纵梁内板和前纵梁外板，前纵梁内板和前纵梁外板之间沿前纵梁内板和前纵梁外板上的折边激光拼焊；使前纵梁结构形成的截面可以是方形、圆形、多边形、单帽型、双帽型等，并不仅限于本发明具体实例的形状。

进一步地，前纵梁内板和前纵梁外板为同一母材制备。

进一步地，前纵梁内板和前纵梁外板的厚度为1～2mm；前纵梁内板和前纵梁外板上的各位置厚度保持不变。

进一步地，第一强度区的长度为0～50mm，第二强度区的长度为0～50mm，中间过渡区设置于第一强度区和第二强度区之间，中间过渡区的长度为前纵梁结构总长度的70％-90％。

进一步地，第一强度区的材料屈服强度为300～400MPa，第二强度区的材料屈服强度为650～750MPa。

进一步地，第一强度区的材质包括铁素体，第二强度区的材质包括马氏体；第一强度区的材质以大量铁素体为主，还包括少量马氏体，第二强度区的材质以马氏铁为主。

进一步地，通过热成型技术对结构进行分区热处理，温度场的连续分布，实现前纵梁结构强度的连续性分布；改善原有变厚度结构设计和拼焊板强度突变所带来的不利影响，打造强度灵活分布的前纵梁结构，既能实现车身前纵梁结构的轻量化，又能提高前纵梁结构强度及结构吸能效率。

本发明提供实施例的实验数据：

连续变强度前纵梁是利用热成型技术对结构进行分区热处理，由于温度场的连续分布，从而实现前纵梁结构强度的连续性分布，具体如何实现板件变强度不属于本发明的内容，本发明主要提出的是一种连续变强度前纵梁的一种结构并且基于此结构进行相应的数值分析和验证。

(1)为了便于说明，本发明以具体实施案例图1进一步阐述，其中所述的前纵梁内板1和前纵梁外板2采用同一母材制备，且沿着折边激光拼焊在一起，截面形状这里以单帽型为例。

(2)所述的前纵梁内外板的厚度保持不变为1～2mm之间，这里取值为1.3mm。

(3)如图2所示的汽车前纵梁具体强度分布应用实例，根据前纵梁变形的特点可知，最佳理想的变形模式是发生渐进叠缩变形，即前纵梁沿轴向从前到后的强度是依次增加的，也就是说，碰撞端的强度最小(t_top＝t_min)，后端的强度最大(t_bot＝t_max)。根据这种变形的特点可以假定强度沿着轴向在前纵梁上的分布服从递增型幂指函数(本发明的一个实施特例)：

式中，x是离前纵梁的起点(上端部)的距离，n是梯度指数，控制强度变化的重要参数，L是前纵梁的总长度。

(4)所述的变强度前纵梁的第一强度区范围为20mm，第二强度区范围为20mm，第一强度区与第二强度区之间则为过渡区，占总长度的90％。

(5)第一强度区的材料屈服强度在300～400MPa之间，取屈服强度为352MPa的双相钢DP590，其含有大量的铁素体和少量的马氏体；第二强度区的材料屈服强度在650～750MPa之间，取屈服强度为700.7MPa的双相钢DP1000，其含有大量的的马氏体，过渡区的强度在二者之间且连续且递增。

(6)幂指函数的关键参数在于指数n，当0<n<1时，强度分布曲线成凸状，即随着x的增加，强度增加速度变缓；当1<n<10时，强度分布曲线成凹状，即随着x的增加，强度增加速度变快，具体强度变化情况如图3所示。

(7)为了对比研究幂指数分布管、均质管、拼焊板和锥管的耐撞性等特性，采用等总强度原则进行参数的等效处理。并且由于实车的前纵梁结构及其复杂，不利于相关公式的推导和参数研究，因此在研究幂指数分布管于均质管、拼焊板之间的解析关系采用等截面简化模型如图4，其具体尺寸内板为80×80mm的开口截面，外板的宽度为140mm,总长L为400mm。在等总强度情况下，幂指数分布管和均质管的相关参数之间的关系为：

式中L是前纵梁的总长度，σ_uni是前纵梁的等效强度。

根据幂指函数的强度分布可以求得相应的均匀板的等效强度，如公式(3)

式中σ₁是前纵梁碰撞端的强度，σ₂是前纵梁末端的强度。

这里的拼焊板以中线为分界线，将其分成相同的两部分，其解析关系如下，其中公式(4)求解的是前端拼焊板组件的强度，公式(5)求解的是后端拼焊板组件的强度。

根据幂指函数与拼焊板结构的解析关系，可以得到拼焊板组件各自的强度，如公式(6)和(7)所示。

式中σ_TWB1表示拼焊板端部组件的强度，σ_TWB2表示后部组件的强度。

可以看到梯度指数n对前后端的强度有很大影响，随着n的增大，前端组件的强度将减小，而后端组件的强度将增大，主要原因在于随着n的增大，幂指函数强度分布曲线由凸函数变成凹函数。

(8)对于研究幂指数分布管和锥管相关参数之间的关系，为了简化设计和理论推导，这里将前纵梁的单帽结构简化成理想的几何形状正方形。它们之间的参数关系为：

式中α为正方形的边长及其锥管的上边长；θ为锥边与水平线的夹角，即倾斜角；σ_con为锥管的等效强度。同时，这里采用偏安全设计，在等总强度相等下，将σ_con放大sinθ倍，也可以理解为将(9)中的设计准则加强。

为进一步推导出强度梯度与锥角的关系以及为幂指数强度分布管提供一定的设计准则，这里将锥管的强度定义为σ₁，即与幂指函数强度分布的冲击端的强度相等，公式(9)就是强度梯度设计的准则，即取值范围。

一般来说，对于前纵梁的薄壁锥角甚至是吸能盒都在20°以内，相应倾角取在80°和90°之间。

(9)下面进行数值模拟，来验证此设计方法。一般来说，汽车前纵梁的材料应用范围在DP590到DP1000之间，它们相应的屈服强度分别是352MPa和700.7MPa，并且所确定的前纵梁几何尺寸，利用准则(9)可得到强度梯度设计的n≥0.14。在应用有限元仿真模拟时，需要将连续变强度离散化，离散的结构如图5所示。根据结构的总长度为400mm，这里共分为20层，每层的强度相等，具体三种结构的强度计算取值如表1。

表1三种结构在等总强度下具体强度分布(MPa)

(8)强度分布确定之后将前纵梁用Constrained ExtraNode连接单元连接到质量为531kg的台车上，以30Km/h的速度撞击刚性墙，可得到三种管状结构的碰撞力和总吸收能量等方面的响应。由于本发明的数值模型的强度层数较少，一定意义上加大了仿真的误差，仿真所得到的总吸收能量数据三种结构的数值相差不大，故这里不进行参数分析。图6显示了在不同强度梯度下，三种管状结构峰值碰撞力响应情况，在梯度比较小的情况下，拼焊板的峰值力小于均质板，主要是因为拼焊板端部组件的强度较低，能很好吸收峰值力。但是，当梯度较大的时候，拼焊板的峰值力反而大于均质板，这主要是由于拼焊的峰值力不再由于端部组件引起，而是由于后部组件强度过大而引起的第二次峰值力，因此对于拼焊板的设计，要注重端部强度和后部的平衡，不能相差太远。无论在何种梯度下，幂指数强度分布管的峰值力均优于以上两种管，由于其强度梯度的存在，其能更好的避免峰值力。同时可以看出，随着梯度的增加，峰值力有下降的趋势，主要由于梯度增加时，强度分布曲线呈现凹型，因此结构总的强度是减小的，尤其是前纵梁的端部。

(9)图7和图8所示，是以强度梯度n＝5的情况为例，详细对比三种结构的碰撞力变化情况，图7中可以看到幂指函数强度分布的前纵梁在碰撞力方面明显优于其它两者结构，但它并没有因此而降低自己的总吸收能量，因为它的变形量增加了，这有利于缓冲冲击，更好保护乘员。图8中可以看到，幂指数结构在三者之间拥有最低的平均碰撞力，同时，三者都有很好的渐进变形特点，它们的平均碰撞力依次增加，这主要是由于是在n＝5情况下的，它们的强度是普遍较低的，因此初始峰值力并不会太大。我们可以推测在其它的强度梯度下，幂指数函数结构的优化性一定会远远大于二者。

本发明得到的前纵梁结构经过仿真分析，明显优于均匀和拼焊结构件，由于对这种连续变强度梯度结构进行离散化仿真，选择的20层具有一定的局限性，这一定程度上削弱了这种设计方法的潜能。因此，在实际加工生产中，利用热处理过程中对温度场的控制，实现强度的无级变换，这种连续变强度结构将发挥更大的优越性。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims

1.一种连续变强度前纵梁结构，其特征在于，前纵梁结构由前至后依次分为前纵梁前端、中间过渡区和前纵梁后端，前纵梁前端为第一强度区，前纵梁后端为第二强度区，第一强度区的强度小于第二强度区的强度，中间过渡区的强度在第一强度区的强度和第二强度区的强度之间，沿轴向逐渐连续增强；

通过热成型技术对结构进行分区热处理，温度场的连续分布，实现前纵梁结构强度的连续性分布；

中间过渡区的强度沿轴向呈连续光滑递增函数分布。

2.根据权利要求1所述的连续变强度前纵梁结构，其特征在于，中间过渡区的强度变化为线性过渡或曲线过渡，中间过渡区的强度分布函数为幂指数函数、三角函数、反三角函数或对数函数。

3.根据权利要求1所述的连续变强度前纵梁结构，其特征在于，包括前纵梁内板和前纵梁外板，前纵梁内板和前纵梁外板之间沿前纵梁内板和前纵梁外板上的折边激光拼焊。

4.根据权利要求3所述的连续变强度前纵梁结构，其特征在于，前纵梁内板和前纵梁外板为同一母材制备。

5.根据权利要求3所述的连续变强度前纵梁结构，其特征在于，前纵梁内板和前纵梁外板的厚度为1~2mm；前纵梁内板和前纵梁外板上的各位置厚度保持不变。

6.根据权利要求1所述的连续变强度前纵梁结构，其特征在于，第一强度区的长度为0~50mm，第二强度区的长度为0~50mm，中间过渡区设置于第一强度区和第二强度区之间，中间过渡区的长度为前纵梁结构总长度的70%-90%。

7.根据权利要求1所述的连续变强度前纵梁结构，其特征在于，第一强度区的材料屈服强度为300~400MPa，第二强度区的材料屈服强度为650~750MPa。

8.根据权利要求1所述的连续变强度前纵梁结构，其特征在于，第一强度区的材质包括铁素体，第二强度区的材质包括马氏体。

9.根据权利要求1所述的连续变强度前纵梁结构，其特征在于，前纵梁强度变化指数取值准则为：

其中，n为屈服强度梯度指数，为a为等效正方形的边长，l是前纵梁的总长度,

是前纵梁碰撞端的强度，

是前纵梁末端的强度。