3.2 设计开发
3.2.1 技术要求
1.零部件功能
零部件功能需满足与车身其他零件的装配，满足导风板、线束的装配。低速碰撞时保护车身结构，最大限度地降低车辆的维修成本。高速碰撞时吸收一部分能量，降低对乘员的伤害程度。
2.产品开发试验及要求
铝合金前碰撞横梁的试验要求如表3-2所示。
表3-2 典型铝合金前碰撞横梁试验要求
① Q/JD 616—2012为××汽车公司企业标准。
3.质量要求
铝合金前碰撞横梁总成加工表面的起皮、气泡、压坑、碰伤、擦伤、划伤、表面粗糙、局部机械损伤等缺陷的深度不允许超过所在部位壁厚公称尺寸的8%，不得超过0.5mm，其余性能要求如表3-3所示。
表3-3 典型铝合金前碰撞横梁质量要求
3.2.2 总体设计
前碰撞横梁方案阶段设计有钢制前碰撞横梁总成和铝合金前碰撞横梁总成两种状态（图3-2和图3-3），前碰撞横梁总成由前碰撞横梁本体、前拖钩管、左/右吸能盒（总成）、左/右前碰撞横梁安装板、室外温度传感器支架等组成。
图3-2 钢制前碰撞横梁总成
图3-3 铝合金前碰撞横梁总成
1.零部件材料对比
钢制前碰撞横梁总成与铝合金前碰撞横梁总成的材料厚度对比如表3-4所示。
表3-4 钢制和铝合金前碰撞横梁总成材料厚度对比
2.轻量化前后结构
钢制前碰撞横梁总成主要是由左/右吸能盒总成、前碰撞横梁本体、左/右前碰撞横梁安装板、室外温度传感器支架、前拖钩管等部分组成，具体详见图3-4所示。
图3-4 钢制前碰撞横梁总成结构示意图
铝合金前碰撞横梁总成主要由左/右吸能盒、前碰撞横梁本体、左/右前碰撞横梁安装板、室外温度传感器支架、前拖钩管等部分组成，具体详见图3-5所示。
3. 铝合金前碰撞横梁优化
（1）前碰撞横梁截面优化
钢制前碰撞横梁为了满足碰撞前碰撞抗凹性能，降低料厚，采用HC950/1180MS超高强钢。由于马氏体钢具有强度高、伸长率低等特性，不适合进行拉延成形，钢制前碰撞横梁总成采用辊压工艺，料厚设计为1.5mm，设计重量为4.426kg。辊压截面如图3-6所示，考虑吸能材料边界公差，在辊压料边结合区域设计预留1.0mm间隙。
图3-5 铝合金前碰撞横梁总成结构示意图
铝合金前碰撞横梁轻量化方案为了满足碰撞前碰抗凹性能和成本要求，采用6系列中使用较多的6082-T6，该材质的抗拉强度较高（σb≥325MPa）。由于采用挤压工艺成形，铝合金前碰撞横梁的截面设计如图3-7所示，该零件设计重量为2.51kg，相对钢制前碰撞横梁减重1.916kg，减重率达43.3%，达成了性能要求，又满足整车轻量化要求。
（2）吸能盒截面优化
钢制吸能盒总成为了满足碰撞吸能要求，采用B400/780DP的双相钢，钢制吸能盒总成由吸能盒外板和吸能盒内板焊接而成（图3-8），吸能盒内外板由于结构简单采用冷冲压成形，吸能盒的截面尺寸如图3-9所示，吸能盒内外板料厚为1.6mm，该零件设计重量为0.962kg。
铝合金吸能盒方案采用6063-T6材质，其截面如图3-10所示，该零件设计重量为0.502kg，相对钢制吸能盒减重0.46kg，减重率达47.8%。
（3）前碰撞横梁安装板优化
钢制前碰撞横梁安装板为了将碰撞力量有效传递到发动机舱边梁上，采用B400/780DP的双相钢。前碰撞横梁安装板由于结构简单采用冷冲压成形，前碰撞横梁安装板如图3-11所示，前碰撞横梁安装板料厚设计为2.2mm，该零件设计重量为0.605kg。
图3-6 钢制前碰撞横梁截面图
图3-7 铝合金前碰撞横梁截面图
图3-8 钢制吸能盒结构示意图
图3-9 钢制吸能盒截面图
铝合金前碰撞横梁安装板采用6系列中的6082-T6。由于铝合金具有熔点低、焊接变形大的不足，为了减小前碰撞横梁安装板的焊接变形，铝合金前碰撞横梁安装板的厚度设计为4.0mm。为了减重，设计了前碰撞横梁安装板的减重孔，具体详见图3-12所示，最终既满足焊接变形小的要求，又满足整车轻量化要求。该零件设计重量为0.281kg，相对钢制零件减重0.324kg，减重率达53.6%。
图3-10 铝合金吸能盒截面图
图3-11 钢制前碰撞横梁安装板
图3-12 铝合金前碰撞横梁安装板图
3.2.3 碰撞性能分析
1. 低速碰撞仿真分析
低速碰撞仿真分析验证四个工况，具体详见图3-13。
图3-13 低速碰撞仿真分析工况示意图（见彩图）
Y 0—整车纵向中心面 Y1—工况01的壁障纵向中心面 Y2—工况02的壁障纵向中心面 V1=4km/h V2=2.5km/h L1+L2≥300mm壁障运动方向为箭头所示方向
分析结果详见表3-5。
表3-5 前碰撞横梁低速仿真分析结果
结论 钢制、铝合金前碰撞横梁低速碰撞4个工况仿真分析结果都符合要求，钢制、铝合金前碰撞横梁低速碰撞仿真性能合格。
2. 高速碰撞仿真分析
（1）高速碰撞工况
仿真分析有两个工况：50km/h的正面碰撞（正碰）和64km/h的40%偏置碰撞（偏置碰）。正碰的工况主要是虚拟的刚性壁障和虚拟的刚性地面，偏置碰的工况主要是可变形壁障重叠宽度为40%车宽，其高度为200mm，如图3-14和图3-15所示。
图3-14 正碰工况
图3-15 偏置碰工况
（2）正碰分析的结果
前碰撞横梁总成轻量化前后的正碰分析结果详见表3-6。
表3-6 前碰撞横梁正碰分析结果
安装钢制前碰撞横梁总成的整车正碰B柱加速度曲线如图3-16所示，安装铝合金前碰撞横梁总成的整车正碰B柱加速度曲线如图3-17所示。
图3-16 钢制前碰撞横梁总成正碰B柱加速度曲线
钢制前碰撞横梁总成正碰的前壁板侵入分析如图3-18所示，铝合金前碰撞横梁总成正碰的前壁板侵入分析如图3-19所示，具体侵入量如表3-7所示。
表3-7 轻量化前后正碰侵入量对比
图3-17 铝合金前碰撞横梁总成正碰B柱加速度曲线
图3-18 钢制前碰撞横梁总成正碰的前壁板侵入分析
图3-19 铝合金前碰撞横梁总成正碰的前壁板侵入分析
（3）偏置碰分析结果
前碰撞横梁总成轻量化前后偏置碰分析结果如表3-8所示。
表3-8 轻量化前后偏置碰分析结果
钢制前碰撞横梁偏置碰B柱加速度曲线如图3-20所示，铝合金前碰撞横梁偏置碰B柱加速度曲线如图3-21所示。
钢制前碰撞横梁偏置碰的前壁板侵入分析及侵入量如图3-22所示，铝合金前碰撞横梁正碰的前壁板侵入分析及侵入量如图3-23所示。
图3-20 钢制前碰撞横梁偏置碰B柱加速度曲线
综上可知，钢制前碰撞横梁碰撞和铝合金前碰撞横梁都可满足碰撞性能要求。
图3-21 铝合金前碰撞横梁偏置碰B柱加速度曲线
图3-22 钢制前碰撞横梁偏置碰后前壁板侵入分析
3.2.4 拖钩强度仿真分析
（1）钢制前碰撞横梁拖钩强度分析
针对钢制前碰撞横梁前碰方案数据进行拖钩强度分析，分析结果如图3-24a所示，企标1.5倍满载直拉工况前碰撞横梁安装板应力值为441.5MPa，材料的抗拉强度为312MPa，该值超标，不满足要求。前碰撞横梁拖钩强度分析见表3-9。
图3-23 铝合金前碰横梁偏置碰的前壁板侵入分析
图3-24 钢制前碰撞横梁拖钩强度分析结果及优化方案
优化方案把前碰撞横梁安装板材料由DC01改为HC420/780DP，并优化碰撞横梁安装板与边梁前端板螺栓位置及加强板结构，如图3-24b所示。
表3-9 前碰撞横梁拖钩强度分析结果
优化后前拖钩强度分析结果如表3-10所示，满足要求。
表3-10 优化后前拖钩强度分析结果
（2）钢制方案拖钩强度分析
按照优化后的状态和国标要求进行拖钩强度分析，应力云图如图3-25所示，强度分析结果如表3-11所示。
表3-11 钢制方案拖钩强度分析结果
（续）
图3-25 钢制方案拖钩强度分析应力云图
（3）铝合金前碰撞横梁拖钩强度分析
铝合金强度较低，铝合金前碰撞横梁拖钩要满足企标、国标对拖钩强度的要求，这就对横梁的结构设计提出了挑战。本案例通过对横梁结构不断进行优化调整，最终使铝合金前碰撞横梁拖钩达到了企标及国标要求。
1）针对铝合金前碰撞横梁拖钩方案进行强度分析，发现在企标工况（1.5倍满载直拉）下分析，该方案不满足要求，应力云图如图3-26所示，强度分析结果如表3-12所示。
表3-12 铝合金前碰撞横梁拖钩强度分析结果
（续）
图3-26 铝合金前碰撞横梁拖钩企标工况强度应力云图
2）提出优化方案。横梁第二根加强筋位置下移，避开螺纹管，使应力分布更均匀；横梁第二根加强筋近吸能盒侧区域的料厚增至2.3mm，增大应力集中区域的局部强度，如图3-27所示。优化方案在不增重的情况下能够达成拖钩强度企标要求，该方案得以应用。铝合金前碰撞横梁拖钩强度优化结果见表3-13。
表3-13 铝合金前碰撞横梁拖钩强度优化结果
图3-27 铝合金前碰撞横梁优化方案示意图