【技术帖】铝合金保险杠防撞梁结构优化设计

摘要：

对某乘用车钢制保险杠防撞梁进行三点静压试验和仿真分析，得到评价该防撞梁强度和吸能性能的关键参数。为实现轻量化要求，以钢制防撞梁的性能参数为基准，采用材料替换和结构优化方法设计新的铝合金防撞梁。运用optistruct 对铝合金防撞梁的截面进行拓扑优化，确定防撞梁的最优截面形状为“日”字形结构。

将“日”字形防撞梁各个板件的厚度和通过Hypermorph 建立的截面形状改变作为设计变量，通过Hyperstudy 和LS-DYNA 联合仿真进行形状和尺寸优化，经过13步迭代计算结果收敛，得到各设计变量的最优值。根据优化结果试制铝合金防撞梁样件，对铝合金保险杠防撞梁进行相同的三点静压试验并与钢制的试验结果作对比分析，结果显示铝合金防撞梁减重效果达到38.4%，且静压支反力峰值提高11.1%，比吸能变为钢制的1.9 倍，可见铝合金防撞梁性能优异。

关键词：防撞梁 三点静压 铝合金 拓扑优化 联合仿真

前言

汽车轻量化是解决汽车油耗和排放问题的有效手段。开发铝质汽车零部件是汽车轻量化的重要途径之一。保险杠防撞梁是车身上典型的薄壁安全件，是影响汽车碰撞安全性的关键零部件。

国内外学者对于铝制和钢制保险杠的耐撞性分析已做了一定的研究。根据某车钢制保险杠横梁设计了一款中空带加强筋的铝合金防撞梁，运用LSDYNA进行台车碰撞仿真，最后通过试验验证了铝合金防撞梁的性能较优。运用拓扑优化和尺寸优化设计了铝合金保险杠的防撞梁，通过碰撞仿真模拟和试验研究，证明铝合金碰撞横梁在实现减重的同时其吸能性能提高了45.6%。

运用LS-DYNA 分别对高强度钢DP600 和铝合金保险杠进行16km/h 的正面柱碰撞仿真分析，结果显示若防撞梁的质量一定，则铝合金防撞梁的碰撞性能更好。汽车的缓冲吸能部件一般在动态工况下才发挥吸能保护作用[5]，而基于动态特性的结构优化方法有两类：

① 采用近似模型进行优化，即把工程优化问题转化为数学模型来求解，采用拉丁方试验设计设计样本，基于移动最小二乘法建立整车正碰的响应面近似模型，利用序列响应面优化法对近似模型进行优化，实现了整车的轻量化改进设计；

②采用数学优化软件Hyperstudy 等集成有限元软件进行联合仿真优化分析。WU等[7]按照FMVSS214中车门的静态试验的要求，使用Hyperstudy 软件调用LS-DYNA 求解器对侧门防撞杆的厚度和形状进行了优化。

上述两种方法，前者用于解决大型优化问题，模型计算效率高但建模过程复杂；后者可将工程师从繁杂的有限元建模和结果处理中解放出来，但该法的求解时间随模型规模增大而成倍增加，仅局限于处理小型问题。

目前，采用软件集成法以结构的动态特性为基础进行优化设计的研究较少，本文成功地将这种智能优化方法运用到了保险杠防撞梁的结构优化设计中。

首先通过三点静压试验和仿真分析得到了钢制防撞梁的强度性能和吸能数据，并将上述数据作为优化设计的指标，运用optistruct 拓扑优化功能确定了铝合金防撞梁的最优截面形状。通过Hyperstudy 和LS-DYNA 联合仿真方法对铝合金防撞梁的截面参数做了优化，根据优化结果试制样件，并通过试验验证了新设计的铝合金防撞梁在减轻质量的同时仍满足强度和吸能要求。

1 钢制防撞梁性能研究

防撞梁的重要作用是当车辆发生正面碰撞或偏置碰撞时，它都能使碰撞力和碰撞能量尽可能均匀地沿左右吸能盒向后传递，从而降低单侧部件的受损程度。为实现该功能，在设计防撞梁时须对其强度提出相应要求。本文首先通过三点静压试验和仿真分析对钢制保险杠防撞梁的强度进行研究，验证了分析方法的有效性和可靠性，确立了防撞梁强度性能的评价指标。

1.1 有限元建模

将如图1 所示的钢制保险杠三维模型导入Hypermesh 进行有限元建模，采用BT 壳单元划分网格，网格平均大小取5 mm。最后建立的钢制保险杠有限元模型包含17 906 个壳单元120个beam单元。钢材密度为7.8×103 kg/m3，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，防撞梁材料屈服强度为443 MPa，吸能盒及安装凸缘盘的屈服强度为344MPa。

1.2 试验与仿真

通过三点静压试验和仿真分析来研究钢制保险杠防撞梁的性能，以压射冲头支反力峰值来评价防撞梁的强度性能，同时对其吸能量进行统计，将上述两个参量作为设计铝合金防撞梁的基准性能指标。

三点静压试验的设备为PLS-L50B4 电液伺服构件试验系统(加载装置推力大于50 kN)及YE2539高速静态应变仪。如图2 所示，试验前将保险杠左右安装凸缘盘固定在工作台上，在防撞梁中部和吸能盒的侧面贴应变片，将半径为152 mm 的圆柱压射冲头下移至与防撞梁中部刚好接触。试验加载速度设置为0.001 m/s，加载过程中若防撞梁无明显破坏则加载距离达到100 mm 时停止加载。

参照试验工况，建立如图3 所示的仿真分析模型，为了缩短计算机时，使刚性圆柱压射冲头以1m/s 的速度沿x 向下压100 mm，压射冲头与防撞横梁之间采用自动面面接触，保险杠自身采用自动单面接触，静摩擦因数为0.15，动摩擦因数为0.1。将模型以key 文件格式保存，提交LS-DYNA 求解。

如图4 所示为静压试验和仿真分析得到的支反力-位移曲线，两条曲线变化趋势一致，峰值相近。对上述曲线进行定量研究，统计结果如表1 所示，试验支反力峰值为9.0 kN，仿真分析支反力峰值为9.2 kN，两者误差为2.2%，试验和仿真分析得到的总吸能量和平均压缩力也基本相同，误差均在10%以内，从而验证了上述研究方法的准确性和可靠性。

静压分析得到的防撞梁支反力峰值和总吸能量反映了其强度和吸能性能，其值越大相应性能越好。但保险杠须与整车性能相匹配，过强的保险杠同样会导致其在低速碰撞时起不到应有的保护作用。在设计铝合金防撞梁时，以钢制防撞梁三点静压试验的两个性能参数为基准，在提高防撞梁静压吸能量的同时使支反力峰值限定在一定范围内，既保证了新设计的铝合金防撞梁与整车的匹配，又达到了预期的设计目标。

2 拓扑优化

拓扑优化在零部件概念设计阶段具有重要指导价值，以钢制防撞梁的性能参数为依据，运用optistruct 对铝合金防撞梁进行拓扑优化，得到了材料的最佳分布形式，据此确定了防撞梁截面形状。

拓扑优化分析前，首先根据钢制保险杠的外廓尺寸建立铝合金保险杠几何模型，划分实体网格。铝合金材料密度为2.7×103 kg/m3，弹性模量为71 GPa，泊松比为0.3。保险杠具有良好的对称性，为缩短计算机时，仅建立1/2 优化模型。

如图5 所示，将保险杠防撞梁作为设计空间，吸能盒及安装凸缘盘作为非设计空间，将钢制防撞梁静压试验支反力峰值的一半以均布载荷形式施加于防撞梁最前端。约束安装凸缘盘全部自由度，同时约束防撞梁加载截面的横向移动自由度[12]，最后将防撞梁应变能最小作为优化目标，沿挤压方向施加挤压约束，使材料剩余体积分数不大于30%。

调用optistruct 优化求解模块计算，经过42步迭代计算后结果收敛，在Hyperview 中得到了如图6所示的材料密度分布云图，由图6 可知，铝合金防撞梁的最优截面形状为“日”字形。

3Hyperstudy 集成优化

3.1 优化问题的定义

运用Hyperstudy 对“日”字形的铝合金防撞梁进行参数优化，首先应确定设计变量并创建初始模型。考虑到铝合金防撞梁需要安装到整车上，为避免干涉产生，其总长度和弯曲弧度与钢制的取相同值，此处不作为设计变量；材料力学性能对防撞梁强度影响显著，选用屈服强度较高的铝合金材料，防撞梁的强度性能会随之提高，因而可以设计壁厚更薄的防撞梁结构来实现相同的强度要求，这对于减重是十分有利的。

根据实际热处理工艺水平，选取屈服强度接近工艺水平上限的铝合金材料，其屈服强度约为280 MPa。由上述分析可知，供本次优化的参量只包含防撞梁的若干截面参数。如图7 所示，将防撞梁前后板、上下板和中间肋板的厚度分别设为尺寸变量1、2和3；通过Hypermorph 建立防撞梁的Domain 和Handle，运用morph 功能改变其形状大小，建立如图7 所示的两个形状变量长l 和高h。

表2 列出了各变量的初始值和变化范围，尺寸变量的上下限由挤压工艺和市售铝合金保险杠的统计数据确定，形状变量的上下限根据钢制防撞梁的截面参数确定。最终建立的铝合金防撞梁初始静压模型beam.hm 如图8 所示，该模型全部由shell 壳单元组成。

比吸能全面地反映本次优化设计减重和提高性能的主旨，因此将防撞梁的比吸能取得最大值作为目标函数。与此同时，铝合金防撞梁又不能设计的过强，因此对铝合金防撞梁的静压支反力峰值进行约束，约束其值应大于钢制静压试验结果的105%，但不超过115%。为了实现30%以上的减重目标，约束防撞梁的质量不大于2.5 kg，同时限定总吸能增加5%以上，最终建立如式(1)所示的数学优化模型。

式中，F 为支反力，E 为总吸能，m 为防撞梁质量，WSEA 为比吸能。运用Hyperstudy 对防撞梁的截面参数进行集成优化，具体优化流程如图9 所示。

首先在Hypermesh中打开beam.hm，调用Hyperstudy，将LS-DYNA设为求解器；创建设计变量，结合表2 数据设置各变量的类型、初始值和变化范围，调用LS-DYNA进行初始计算；

初始计算结束后，从结果文件d3hsp、glstat 和rwforc 中提取优化分析所需的响应量，包括防撞梁比吸能、质量、支反力峰值和总吸能量，初始模型的各响应量如表3 的第一行数据所示。

最后在Optimization模块下建立如式(1)的数学优化模型，运用Adaptive Response Surface Method优化算法求解。

3.2 问题求解与分析

经过13 步迭代计算后结果收敛，优化过程中各设计变量和响应量的变化历程如表3 所示，其中尺寸变量的变化历程如图10 所示，形状变量h 和l 的变化历程如图11 所示。

对比分析表3中的第一行和最后一行数据，可知初始模型的支反力峰值超过约束范围，通过集成优化使该值下降到了合理范围，优化后防撞梁的比吸能增加了15.2%，质量进一步减轻11.6%，而总吸能量仍略有提升。

表4 将优化后铝合金防撞梁的静压性能与钢制的试验结果做了对比，由表4 数据可知，铝合金防撞梁支反力峰值比钢制的增加了12.2%，符合设计要求；新的防撞梁在实现减重39%的同时总吸能增加了20.5%，吸能能力显著提升；比吸能约为钢制的2 倍，充分发挥了铝合金材料比吸能大的优点。

优化后铝合金防撞梁的截面参数如表3 第13次迭代结果所示，为了便于生产过程中挤压模具的开发和产品质量的控制，将各变量的值精确到小数点后1 位，最终确定的铝合金防撞梁前后板的厚度为2.4 mm，上下板的厚度为2.5 mm，中间肋板的厚度为2.5 mm，其截面高度为95 mm，宽度为36.5mm。

4 性能验证

根据优化后的铝合金防撞梁的截面参数制造挤压模具，经过挤压成形、人工时效、弯曲成形和焊接等工艺流程，制备了若干铝合金保险杠样件。

参照钢制防撞梁三点静压试验流程，对铝合金防撞梁样件进行相同试验，如图12 所示。对比铝制与钢制防撞梁三点静压试验的结果，以此来检验铝合金防撞梁的性能是否满足设计与使用要求。

如图13、14 所示为钢制和铝合金防撞梁三点静压试验得到的变形图。在Hyperview 中提取两种防撞梁的支反力-位移曲线如图15 所示。

对上述曲线进行数据统计，结果列于表5，分析各项参数可得以下结论：铝合金防撞梁试验支反力峰值比钢制的提高11.1%，符合设计要求；铝制防撞梁实际减重达38.4%，而其总吸能量比钢制的增加了17.5%。

比吸能方面，铝制防撞梁是钢制的1.9 倍。可见试验对比结果与表4的分析结果一致，从而验证了本文优化方法的有效性和可靠性。新设计的铝合金防撞梁在实现轻量化的同时，进一步提高了其强度和吸能性能。

5 结论

（1）通过对某乘用车钢制保险杠防撞梁进行三点静压试验和仿真分析，对其强度和吸能性能做了深入研究，在验证分析方法有效性的同时得到了关键性的评价参数。

（2）以钢制性能参数为基准指标，运用结构优化技术设计新的铝合金防撞梁。首先通过拓扑优化确定了防撞梁的最优截面形状为“日”字形。然后运用Hyperstudy 集成优化对防撞梁的截面形状和板件厚度进行了优化，使得各板厚度和截面大小取得了最优值。根据优化后的截面参数试制了防撞梁样件，最后通过三点静压试验对铝制和钢制防撞梁的性能做了对比分。结果显示，新设计的铝合金防撞梁在实现减重38.4%的同时，其强度性能有了进一步的提升，满足预期的设计要求。

（3）运用Hyperstudy 集成优化功能对模型规模较小的非线性优化问题进行求解，计算效率高且结果可靠，因而具有重要的工程实用价值。

来源：期刊-机械工程学报