技术领域
[0001] 本
发明涉及汽车领域中的一种汽车结构轻量化设计方法，尤其涉 及一种汽车前保险杠横梁的一体化成型方法及前保险杠横梁。
背景技术
[0002] 面对日益严峻的环境与
能源危机，轻量化设计已经成为实现汽车有效节能 减排的重要途经。相关研究表明，汽车的重量每降低10个百分点，燃油车的油 耗可降低6％～8％，相对的污染排放将减少10％；电动汽车的能源节省率可达到 4～5％，与其对应的车载
电池成本也将会降低。因此，汽车整车
质量的减轻，对 传统燃油车和新能源汽车兼具有重要意义。轻量化
车身的生产离不开先进的制 造技术。精密
铸造技术是在传统失蜡熔模精密铸造工艺
基础上，对工艺流程的 创新，能够在系统集成创新的理念下对多个复杂结构件进行一体化成型，在汽 车领域有广阔的应用前景。
[0003] 汽车前保险杠横梁总成通过
变形吸能的方式承担碰撞
载荷，以保 护前端车身和乘员的安全。然而，传统的前保险杠横梁总成由
冲压钢 板通过各种连接工艺组成，其结构整体性差、工艺复杂，轻量化
水平 和综合性能有待提高。
发明内容
[0004] 为解决现有的汽车前保险杠结构整体性差、工艺复杂，轻量化水 平和综合性能低的技术问题，本发明提供一种汽车前保险杠横梁的一 体化成型方法及前保险杠横梁。
[0005] 本发明采用以下技术方案实现：一种汽车前保险杠横梁的一体化 成型方法，所述一体化成型方法步骤如下：
[0006] 步骤一：载荷传递及目标性能分解：根据车身在不同车速下碰撞 工况，将汽车前保险杠的目标性能进行分解；
[0007] (1)低速碰撞时，通过
刚度匹配吸收碰撞
能量；
[0008] (2)高速碰撞时，通过塑性形变吸收能量，同时将载荷稳定的 传递至车身前
纵梁，确保前纵梁合理有效的进行变形吸能；
[0009] 步骤二：模型结构设计及仿真优化：
[0010] (1)建立优化数学模型，通过拓扑设计获取保险杠横梁模型的 初始设计结构；
[0011] (2)利用拓扑优化方法确定结构最优质量和形状分布：在可行 空间Ω中找到给定体积V或质量M的子空间Ωmat，使该空间内的目标 函数Ф取极值；基于有限元离散思想和连续变量求解的便捷性，拓扑 优化的数学模型可表示为：
[0012]
[0013] 其中，ρi、vi为单元i的
密度和体积，n为结构密度函数向量 X＝(x1,x2,…,xn)的维数，δ为避免刚度矩阵奇异的参数；
[0014] 综合考虑静载荷和动载荷加载工况下的结构刚度、强度和碰撞吸 能量，计算能量缩放系数，确定个目标工况所对应的性能在优化设计 中的占比；最后基于LS-TaSC平台进行动态、静态联合拓扑优化， 获取结构的最终拓扑结构；
[0015] (3)基于多目标参数优化方法，对各结构模
块的几何参数进行 优化设计，其表达式为：
[0016]
[0017] 其中，fk(x)为设计目标，n为目标函数的个数；gj(x)为设计约束， m为约束函数个数；xi为设计变量，p为设计变量的个数，xiL与xiU为 设计变量的上下限；
[0018] 结构几何参数优化设计中，设计变量包括材料厚度，内腔筋的数 量，吸能盒褶皱的数量，目标函数为横梁质量和动态载荷下结构吸能 量，约束条件为静态载荷下结构的刚度和强度；
[0019] a：确定设计变量的上下限，在设计区间内采用优化拉丁超立方 (OLHS)进行抽样；
[0020] b：结合有限元仿真模型计算获取样本数据；
[0021] c：基于Isight平台搭建近似模型，同时结合多目标
粒子群优化 算法(MPSO)进行结构的参数寻优，获得最终的最优解；
[0022] d：将最优设计方案代入有限元仿真模型进行验证，误差范围内 确定最优设计方案，获取最优的保险杠横梁总成三维结构模型；
[0023] 步骤三：精密铸造一体化成型：以所述最优的保险杠横梁总成三 维结构模型为基础，经铸造
型壳结构设计、浇注系统设计、铸造工艺 参数确定、金属液浇注、冷却成型，得到一体化成型的保险杠横梁样 件；
[0024] 步骤四：仿真及实验一体化性能分析：对所述保险杠横梁样件进 行静载荷分析和动载荷分析，采用有限元仿真和实验相结合的系统评 价方式对所述保险杠横梁样件进行性能评估；
[0025] 步骤五：结果判断：若评估结果符合法规要求，完成设计；反之 则返
回执行步骤二。
[0026] 作为上述方案的进一步改进，所述步骤四中静载荷分析方法步骤 为：对保险杠横梁1/2点和1/3点
位置分别施加1000N等值的静态载 荷，根据受载点位移计算其结构刚度值；通过三点静
压实验获取支反
力与位移的关系曲线，以峰值反力的高低水平评估保险杠横梁的强度 性能。
[0027] 作为上述方案的进一步改进，所述步骤四中动载荷分析方法步骤 包括低速碰撞分析和高速碰撞分析：
[0028] 低速碰撞分析依照欧洲ECE-R42法规和我国颁布的汽车前端保 护装置标准GB17354来实施，采用对保险杠横梁各位置进行低速碰 撞模拟，通过横梁的位移变化来评估低速碰撞下的车身保护性能；
[0029] 高速碰撞分析依照最新版的C-NCAP 2018法规来实施，包括正 面100％碰撞和
正面40％偏置碰两种碰撞工况，通过保险杠横梁的吸 能值、整车碰撞
加速度和前围入侵量评价指标，综合评估整车的耐撞 性能。
[0030] 作为上述方案的进一步改进，所述步骤三中铸造型壳所采用的轻 量化材料为铸造
铝合金ZAlSi7Mg1A，代号ZL114A，材料密度 265kg/m3，
弹性模量73Gpa，泊松比0.33。
[0031] 作为上述方案的进一步改进，所述步骤三中浇注系统采用直道、 横道和内道的组合设计方式，其中直道作为制造型壳的主体，兼顾冒 口功能，直道的截面可表示为：
[0032]
[0033] 其中，GL是横截面A的金属液流量，μ为流量损耗系数，t为浇 注时间， 为平均计算压力投高度。
[0034] 作为上述方案的进一步改进，所述步骤三中金属液浇注的浇筑速 度表示为：
[0035]
[0036] 其中，h、δ分别为铸件的高度和壁厚，T为金属液的
浇注温度 710℃。
[0037] 作为上述方案的进一步改进，执行步骤四之前还包括对所述保险 杠横梁样件进行工艺质量检查：
[0038] a：通过射线检查内部质量，保证所述保险杠横梁样件中不存在
缺陷；
[0039] b：检查外部表面，保证不存在凸起结构；
[0040] c：对所述保险杠横梁样件表面进行
喷砂处理，保持外部表面干 净。
[0041] 本发明还公开了一种汽车前保险杠横梁，包括横梁本体、对称设 置于横梁本体两端的两个吸能盒、与吸能盒一体成型的车身安装板以 及横梁本体上的拖车钩
螺母和外饰安装
支架，所述吸能盒、车身安装 板、拖车钩螺母和外饰安装支架通过上述一体化成型方法与所述横梁 本体一体化成型。
[0042] 作为上述方案的进一步改进，所述吸能盒的内外两侧均设有波浪 形褶皱结构。
[0043] 作为上述方案的进一步改进，所述横梁本体采用帽型和日字形截 面相结合的方式成型，厚度3mm，内部隔板连接处过渡半径5mm， 左右两端采用封闭式截面，中间部分为半开放式结构。
[0044] 本发明的一种汽车前保险杠横梁的一体化成型方法，在实现一体 化成型和结构轻量化的同时，提高前保险杠横梁的综合性能。在建立 好的最优三维结构模型的基础上采用精密铸造一体化成型技术对保 险杠横梁进行铸造成型，相比于传统的由多个零件经过
焊接等工序拼 装完成的钢制保险杠横梁，该成型方法具有整体性强、工序简单、综 合成本低、整体性能好、轻量化水平高等优势。
附图说明
[0045] 图1为本发明一种汽车前保险杠横梁的一体化成型方法
流程图；
[0046] 图2为本发明一种汽车前保险杠横梁的结构示意图；
[0047] 图3为本发明中图2的后视图；
[0048] 图4为本发明中图2的俯视图；
[0049] 图5为本发明中图2的左视图；
[0050] 图6为本发明一种汽车前保险杠横梁的车身安装板结构示意图；
[0051] 图7为本发明一种汽车前保险杠横梁的拖车钩螺母连接示意图。
[0052] 图中：1横梁本体、2吸能盒、3车身安装板、4外饰安装支架、 5拖车钩螺母、6凸台、7加强筋。
具体实施方式
[0053] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合 附图及
实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描 述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0054] 请参阅图1，本发明的汽车前保险杠横梁的一体化成型方法，主 要包括载荷传递及目标性能分解，模型结构设计及仿真优化，精密铸 造一体化成型，仿真及实验一体化性能分析，以及结果判断。
[0055] 1、载荷传递及目标性能分解
[0056] 汽车前保险杠横梁主要承受正面碰撞的冲击载荷，通过自身的变 形吸能保护车身和乘员。横梁本体首先接受冲击载荷，再通过两端的 吸能盒将载荷传递给前纵梁，以至后方的车身其他部件。为实现整车 载荷的有效传递和保险杠横梁总成的有效吸能，需要对其结构进行合 理设计来保证刚度的匹配。
[0057] 横梁的设计应考虑到将大部分碰撞能量有效地传递和分配给两 端吸能盒，吸能盒应通过充分的压溃变形以吸收更多的碰撞能量，考 虑到制造和维修成本，横梁的塑性变形应出现在吸能盒之后。在低速 碰撞工况条件下，前保险杠横梁主要通过弯曲弹性变形来吸收初始碰 撞能量，其次吸能盒和横梁依次发生塑性变形来吸收所有的碰撞能量， 以避免前纵梁的变形。高速碰撞下，前保险杠横梁总成按照同样的次 序进行充分变形吸能，最后将碰撞能量传递至承担主要载荷的前纵梁。 综上，前保险杠横梁总成的目标性能可分解为，低速碰撞工况下具有 一定的刚度和强度，通过合理的刚度匹配吸收碰撞能量；高速碰撞工 况下要尽可能的通过塑性变形吸收更多能量，同时将载荷稳定的传递 至车身前纵梁，确保前纵梁合理有效的进行变形吸能，提高整车的耐 撞性能。
[0058] 2、模型结构设计及仿真优化
[0059] 汽车前保险杠横梁的优化设计是建立在最优化理论上的，即根据 具体的问题，建立优化数学模型，在最优化方法基础上获得满足条件 的设计方案。本发明采用拓扑设计获取保险杠横梁的最优拓扑形式， 即模型的初始设计结构；其次，利用拓扑优化方法确定结构的最优质 量和形状分布；最后，基于多目标参数优化方法，对各结构模块的几 何参数进行优化设计，获取最优的保险杠横梁总成三维结构模型。
[0060] 拓扑设计及优化
[0061] 拓扑设计运用于保险杠横梁总成开发的早期阶段，此时无需知道 特定的结构拓扑形态，即在给定的设计域内对零部件结构进行概念设 计，获取结构的最优拓扑形式。在此基础上，结合拓扑优化来确定结 构的最优质量和形状分布。拓扑优化是在可行空间Ω中找到给定体积 V(或质量M)的子空间Ωmat，使该空间内的目标函数Ф取极值。基 于有限元离散思想和连续变量求解的便捷性，拓扑优化的数学模型可 表示为：
[0062]
[0063] 其中，ρi、vi为单元i的密度和体积，n为结构密度函数向量 X＝(x1,x2,…,xn)的维数，δ为避免刚度矩阵奇异的参数。
[0064] 保险杠横梁总成的拓扑优化设计中，需要综合考虑到静载荷与动 载荷加载工况下的结构刚度、强度和碰撞吸能量。因此，需针对两种 加载工况，计算能量缩放系数，来确定各目标工况所对应的性能在优 化设计中的占比。最后基于LS-TaSC平台进行动态、静态联合拓扑 优化，获取结构的最终拓扑结构，用于下一步的优化设计。
[0065] 参数优化
[0066] 保险杠横梁总成的优化设计是一个多目标的优化问题，其表达式 为：
[0067]
[0068] 其中，fk(x)为设计目标，n为目标函数的个数；gj(x)为设计约束，m 为约束函数个数；xi为设计变量，p为设计变量的个数，xiL与xiU为设 计变量的上下限。
[0069] 结构几何参数优化设计中，设计变量为材料厚度，内腔筋的数量， 吸能盒褶皱的数量等参数，目标函数为总成质量和动态载荷下结构吸 能量，约束条件为静态载荷下结构的刚度和强度。参数优化设计，先 确定设计变量的上下限，在设计区间内采用优化拉丁超立方(OLHS) 进行抽样；其次，结合有限元仿真模型计算获取样本数据；最后，基 于Isight平台搭建近似模型，同时结合多目标粒子群
优化算法(MPSO) 进行结构的参数寻优，获得最终的最优解。最后，将最优设计方案带 入有限元仿真模型进行验证，误差范围内确定最优设计方案。
[0070] 3精密铸造一体化成型
[0071] 本发明采用精密铸造一体化成型技术对保险杠横梁总成进行铸 造成型，相比于传统的由多个零件经过焊接等工序拼装完成的钢制保 险杠横梁总成，该成型方法具有整体性强、工序简单、综合成本低、 整体性能好、轻量化水平高等优势。
[0072] 保险杠横梁总成的一体化成型以优化设计获得的最优三维模型 为基础，经铸造型壳结构设计、浇注系统设计、铸造工艺参数确定、 金属液浇注、冷却成型等一系列步骤，最终完成实验试制，获取一体 化成型的样件。铸造中所采用的轻量化材料为铸造
铝合金 ZAlSi7Mg1A，代号ZL114A，材料密度265kg/m3，弹性模量73Gpa， 泊松比0.33。浇注系统采用直道、横道和内道的组合设计方式，其中 直道作为制造型壳的主体，兼顾冒口功能，锥形的结构设计便于将金 属液注入型腔。直道的截面可表示为：
[0073]
[0074] 其中，GL是横截面A的金属液流量，μ为流量损耗系数，t为浇注时 间， 为平均计算压力投高度。
[0075] 金属液的浇注速度表示为：
[0076]
[0077] 其中，h、δ分别为铸件的高度和壁厚，T为金属液的浇注温度710℃。
[0078] 铸造成型的构件需经过严格的工艺质量检查，射线检查内部质量， 铸件中不得有气孔、裂纹等缺陷存在；铸件外部表面不得有毛刺、飞 边等凸起结构，另外铸件表面需做喷砂处理，保持干净。
[0079] 4、仿真及实验一体化性能分析
[0080] 样件的性能分析主要包括静载荷分析和动载荷分析，采用有限元 仿真和实验相结合的系统评价方式对保险杠横梁总成进行性能评估。
[0081] 静载荷分析：考虑保险杠横梁本体在受到静态载荷下的结构性能 变化。采取对保险杠横梁本体1/2点和1/3点位置分别施加1000N等 值的静态载荷，根据受载点位移计算其结构刚度值；通过三点静压实 验获取支反力与位移的关系曲线，以峰值反力的高低水平评估保险杠 横梁的强度性能。
[0082] 动载荷分析：考虑保险杠横梁总成在动态载荷下的结构变形模式 和吸能水平。低速碰撞仿真试验依照欧洲ECE-R42法规和我国颁布 的汽车前端保护装置标准GB17354来实施，采用对保险杠横梁各位 置进行低速碰撞模拟，通过横梁的位移变化来评估低速碰撞下的车身 保护性能。高速正面碰撞试验依照最新版的C-NCAP 2018法规来实 施，包括正面100％碰撞和正面40％偏置碰两种碰撞工况，通过保险 杠横梁总成的吸能值、整车碰撞加速度和前围入侵量等评价指标，综 合评估整车的耐撞性能。
[0083] 结果表明，有限元仿真和和实验结果能够较好的吻合，本发明所 设计的一体化成型保险杠横梁总成具有较高的结构刚度和强度，同时 能够很好的满足低速碰撞和高速碰撞的法规要求。
[0084] 5、结果判断
[0085] 若评估结果符合符合法规要求，则完成设计，若不符合则重新进 行对模型结构进行设计和优化。
[0086] 请参见图2，本发明中还公开了一种汽车前保险杠横梁，其由横 梁本体1、吸能盒2、车身安装板3、外饰安装支架4和拖车钩螺母5 等多个零部件集成于一体铸造成型。
[0087] 横梁本体1：采用帽型和日字形截面相结合的方式(见图5)，厚 度3mm，内部隔板连接处过渡半径5mm；左右两端采用封闭式截面， 与吸能盒形成一体化连接，中间部分为半开放式结构，横梁本体1前 端对外侧表面封闭，后端对
动力总成侧表面开放。优化的截面形式使 横梁本体具有较高的刚度、强度和变形吸能特性。
[0088] 吸能盒2：前端与横梁本体1连接，后端经车身安装板3与车身 通过
螺栓连接(见图4)，厚度为2mm，侧面形成波浪形褶皱，利于 诱导结构先发生压溃变形，提高能量吸收效率，同时满足刚度匹配。 吸能盒2外侧2个褶皱，内侧3个褶皱的结构形式与横梁本体1的弯 曲弧度形成很好的吻合，有利于抵抗横梁本体1弯曲变形所形成的剪 切力，保证载荷传递的有效传递和
稳定性。
[0089] 车身安装板3：与吸能盒2形成一体化连接，厚度4mm，车身螺 栓安装孔处形成厚度为6mm的凸台6(见图6)，以保证安装位置的 强度；车身安装板3中间镂空与吸能盒2截面形成过渡，实现减重的 同时，易于铸造成型。
[0090] 外饰安装支架4：直接与横梁本体1一体化成型(见图2、图3、 图4和图5)，厚度与保险杠横梁本体1保持一致，同时设有加强筋7， 厚度为3mm，以增强结构强度。
[0091] 拖车钩螺母5：拖钩使用的工况较为复杂，拖车构螺母5上的安 装孔一般会承受较大的纵向拉力和横向剪切力，传统的拖钩螺母与保 险杠横梁通过焊接连接，同时设有加强板来提高结构的强度，本发明 将拖车钩螺母5与横梁本体1一体化铸造(见图3和图7)，厚度8mm， 减少结构和工艺的同时，保证了足够的强度。
[0092] 相比于传统钢制结构的汽车前保险杠横梁，本发明设计的一体化 铝合金铸造件的轻量化达到30％。
[0093] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。
