當(dāng)前乘用車市場發(fā)展迅速，汽車保有量也相應(yīng)增加。 在讓出行更加便捷的同時(shí)，更好的節(jié)能、環(huán)保、安全成為現(xiàn)代汽車發(fā)展的新課題。

汽車保險(xiǎn)杠的輕量化設(shè)計(jì)是減少環(huán)境污染、提高產(chǎn)品節(jié)能環(huán)保的有效途徑。 它已成為汽車可持續(xù)發(fā)展的重要研究方向。

本文從汽車前保險(xiǎn)杠的外板形狀（如圖1所示）、材料及加工工藝三個(gè)因素進(jìn)行對比分析。

汽車保險(xiǎn)杠材料特性及加工工藝

汽車保險(xiǎn)杠材料特性

目前，市場上的客車保險(xiǎn)杠按材質(zhì)分為合金材料、通用塑料、熱塑性塑料和碳纖維復(fù)合材料。

(1)合金材料

20世紀(jì)80年代之前，汽車保險(xiǎn)杠主要由碳鋼、鋁合金等合金材料制成。 這類材料密度高，不易成型和加工。

(2)通用塑料——聚丙烯(PP)

聚丙烯(C3H6)n是由丙烯加成聚合反應(yīng)形成的聚合物。 與傳統(tǒng)金屬保險(xiǎn)杠材料相比，聚丙烯的密度更小（0.89g/cm3），可以滿足材料輕量化的要求。 但聚丙烯的耐候性和耐寒性較差，低溫下易脆化，抗蠕變性較差，易變形。 周毅等. 對聚丙烯進(jìn)行改良，有效提高其常規(guī)力學(xué)性能和密度。 改性聚丙烯可以大幅度提高汽車保險(xiǎn)杠的拉伸強(qiáng)度，最大彎曲模量達(dá)到1.9GPa，并且改進(jìn)后的聚丙烯具有熔點(diǎn)更高、耐腐蝕、耐彎曲的特點(diǎn)，有效延長了保險(xiǎn)杠的使用壽命。汽車保險(xiǎn)杠。

(3)工程塑料——聚碳酸酯(PC)

聚碳酸酯由雙酚 A 和氧氯烴 (COCl2) 合成。 其密度為1.2g/cm3，耐熱、耐沖擊，具有良好的機(jī)械性能。 其彈性模量為2.32GPa； 增強(qiáng)型聚碳酸酯的安全耐溫指數(shù)（UL）高達(dá)120~140℃，絕緣性能優(yōu)良。 目前，歐美40%~50%的汽車制造行業(yè)采用聚碳酸酯材料。

(4)碳纖維復(fù)合材料-片狀模塑料復(fù)合材料(SMC)

片狀模塑料是一種易于模壓的玻璃纖維增??強(qiáng)聚酯材料。 該材料由玻璃纖維增??強(qiáng)特種紗、不飽和聚酯、填料及各種添加劑組成。 片狀模塑料復(fù)合材料的抗彎性和回彈性均高于金屬材料，彈性模量不小于0.17GPa，密度不大于1.0g/cm3，具有較強(qiáng)的耐腐蝕性。

(5)玻璃纖維增??強(qiáng)熱塑性塑料(GMT)

玻璃纖維增??強(qiáng)熱塑性塑料又稱玻璃纖維增??強(qiáng)塑料，是合成樹脂與玻璃纖維經(jīng)合成加工制備而成的新型復(fù)合材料（密度為1.5~2.0g/cm-3）。 成型周期短，沖擊性能好。 彈性模量不小于0.4GPa。 玻璃纖維增??強(qiáng)熱塑性塑料在美國已廣泛應(yīng)用于汽車保險(xiǎn)杠材料。

(6)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)

碳纖維材料的密度較低（1.7g/cm3），是碳鋼材料的1/5，但其硬度卻比碳鋼材料高。 雖然碳纖維材料成本較高，但因其輕質(zhì)、高硬度等優(yōu)點(diǎn)，引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。 張英等. 提出改性環(huán)氧樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料是一種新型碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）。 它是在塑料基體中添加連續(xù)碳纖維，經(jīng)過一定的成型方法而獲得的具有優(yōu)異性能的復(fù)合材料。 材料的最大彎曲模量可達(dá)5.5GPa，因此該材料是一種力學(xué)性能優(yōu)異的復(fù)合材料。

汽車保險(xiǎn)杠加工技術(shù)

合金材料采用還原加工技術(shù)（如鍛造、鑄造）和機(jī)械加工； 通用塑料和工程塑料通常采用模壓成型或注塑成型； 碳纖維采用新型增量加工技術(shù)。 不同的加工技術(shù)賦予保險(xiǎn)杠不同的形狀和特性。

(1)合金材料加工技術(shù)

鍛造工藝是對合金材料進(jìn)行預(yù)鍛造，然后利用鍛造壓力機(jī)對金屬材料施加壓力，使金屬材料根據(jù)其自身特性成型。 該工藝生產(chǎn)成本高，環(huán)節(jié)多。 鑄造工藝是在常壓下利用重力作用填充液態(tài)金屬并鑄造，是一種比較傳統(tǒng)的鑄造模式。 該方法生產(chǎn)工藝要求較低，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，但產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量較差，縮孔、氣孔問題嚴(yán)重。

(2)工程塑料加工技術(shù)

壓縮成型工藝主要用于熱固性工程塑料。 該工藝原料消耗低、產(chǎn)量高、生產(chǎn)效率高、能耗低，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化、清潔生產(chǎn)。 對環(huán)境污染小，生產(chǎn)的產(chǎn)品可回收、可生物降解。 注塑成型制造精密、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高、設(shè)計(jì)創(chuàng)作自由度高、成型靈活。

注射成型可用于批量生產(chǎn)各種形狀復(fù)雜、尺寸要求高的塑料零件。 采用這種成型工藝可以在一定程度上減少材料的使用，提高成型塑件的質(zhì)量。 但這種成型工藝的設(shè)備價(jià)格昂貴，注塑所需的模型工具結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)周期長，因此不適合單件的生產(chǎn)和小批量塑料零件。

(3)碳纖維加工技術(shù)

近年來出現(xiàn)的3D打印技術(shù)給碳纖維保險(xiǎn)杠的加工帶來了希望。 3D打印技術(shù)又稱增材技術(shù)，是一種快速成型技術(shù)。 主要工藝有四種：①粉末熔融型、②定向能量沉積型、③粘合注射型、④材料擠出型。 成形原理決定了這四種工藝各自的應(yīng)用領(lǐng)域。 與傳統(tǒng)加工相比，3D打印技術(shù)降低了小批量加工和定制零件的成本，給用戶帶來了更大的靈活性。

汽車保險(xiǎn)杠表面處理

汽車保險(xiǎn)杠不同材質(zhì)采用的表面噴涂工藝不同。 目的是防止材料腐蝕，增強(qiáng)其耐熱性，改善保險(xiǎn)杠外觀并提高其阻燃性能。 目前合金材料保險(xiǎn)杠的表面處理工藝主要有四種：烘烤、噴涂、電鍍、水轉(zhuǎn)印。 工程塑料主要采用噴涂工藝。

(1)合金材料保險(xiǎn)杠的表面處理工藝

傳統(tǒng)的烘烤和噴涂工藝的價(jià)格相對較低，且所得表面經(jīng)久耐用。 然而，它們對生態(tài)環(huán)境造成了極大的破壞。 如今，烘烤工藝主要用于客車保險(xiǎn)杠修復(fù)。 電鍍工藝有兩種：水電鍍和純電鍍：純電鍍更環(huán)保，價(jià)格更貴，所得表面可以長期保存，具有良好的腐蝕性能和光澤度； 水電鍍成本較低，但所得表面不能長期保存。 水轉(zhuǎn)印工藝是一種比較新型的表面處理工藝，也是一種比較環(huán)保的加工方法。

(2)工程塑料保險(xiǎn)杠表面處理工藝

工程塑料保險(xiǎn)杠的噴涂質(zhì)量要求極高，從搬運(yùn)、噴涂到固化的整個(gè)過程都需要嚴(yán)格控制。 塑料保險(xiǎn)杠噴涂多采用多層噴涂工藝，應(yīng)用流程如圖2所示。

底漆、面漆、清漆的噴涂是汽車保險(xiǎn)杠表面處理過程中最重要的三道工序。 底漆可以增強(qiáng)基材的附著力。 由于工程塑料是缺乏極性的高分子化合物，因此需要底漆以使面漆更好地附著在塑料表面。 面漆的作用是滿足美觀并保護(hù)汽車保險(xiǎn)杠免受氧化、腐蝕和紫外線傷害。

清漆可以增強(qiáng)汽車保險(xiǎn)杠的表面質(zhì)感，使表面更加光澤，也可以保護(hù)保險(xiǎn)杠免受外部侵蝕。

汽車保險(xiǎn)杠外形設(shè)計(jì)研究

汽車設(shè)計(jì)理念的第一步是造型設(shè)計(jì)。 車身造型設(shè)計(jì)是創(chuàng)意思想的載體，汽車保險(xiǎn)杠的形狀可以直接影響正向建模的可行性和準(zhǔn)確性。 保險(xiǎn)杠造型設(shè)計(jì)流程如圖3所示。由于汽車保險(xiǎn)杠位于客車的前部和后部，因此在造型設(shè)計(jì)過程中必須研究以下幾方面：①汽車發(fā)生碰撞時(shí)，減少對車身的沖擊。車 ; ②考慮到空氣動(dòng)力學(xué)原理，降低汽車高速行駛時(shí)的空氣阻力； ③考慮與行人的碰撞，減少對行人的傷害； ④ 提升汽車品牌認(rèn)知度； ⑤材料的輕量化設(shè)計(jì)。

汽車保險(xiǎn)杠材料與形狀關(guān)系研究

(1)碳鋼保險(xiǎn)杠

早期的汽車保險(xiǎn)杠由金屬制成，獨(dú)立于車身（如吉姆12），保險(xiǎn)杠之間有緩沖空間。 隨著流線型運(yùn)動(dòng)的流行，速度型汽車的設(shè)計(jì)得到了很大的發(fā)展。 保險(xiǎn)杠的形狀發(fā)生了變化。 金屬保險(xiǎn)杠逐漸與車身融為一體，一體化設(shè)計(jì)由此誕生。 這種造型設(shè)計(jì)視覺沖擊力較強(qiáng)，但汽車碰撞時(shí)緩沖效果較低。

20世紀(jì)80年代初期，為了減少事故對車輛造成的損壞、降低維修成本、提高行人安全，拉達(dá)2105車型的保險(xiǎn)杠主要采用沖壓成型技術(shù)，整體形狀為U型槽鋼。

用這種方法進(jìn)行造型設(shè)計(jì)并不容易。 碳鋼保險(xiǎn)杠美觀性較差，就像一個(gè)附加部件。 無法實(shí)現(xiàn)面板拼接和一體化組裝設(shè)計(jì)。 而且保險(xiǎn)杠較重，不符合國家節(jié)能輕量化設(shè)計(jì)發(fā)展。 政策。 碳鋼保險(xiǎn)杠的整體形狀為“半包圍”，如圖4所示。如今，碳鋼保險(xiǎn)杠在乘用車上逐漸被取代，主要應(yīng)用于卡車、摩托車等。

(2)鋁合金保險(xiǎn)杠

鋁合金加工生產(chǎn)工藝靈活，可以實(shí)現(xiàn)細(xì)長的網(wǎng)狀和環(huán)繞式（包圍外側(cè)）形狀，見圖5。鋁合金保險(xiǎn)杠即使在中空程度極高的情況下也能保持優(yōu)異的剛性，因此具有各種形狀和美麗的特征。

并且鋁合金本身具有導(dǎo)電性好、耐腐蝕性強(qiáng)、散熱性好的優(yōu)點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)初期限制少，靈活性高； 此外，它通常采用管狀形狀設(shè)計(jì)，倒角較圓，與車身形狀相匹配。 連接更加自然。 通過將蒙皮與測桿（如夏利N3）分離組裝，解決了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、截面梯度變化大的鋁合金輪轂的造型問題，以及制造工藝難度大、成本高的問題。鋁合金保險(xiǎn)杠進(jìn)一步縮小。

但由于技術(shù)創(chuàng)新，鋁合金的密度和彈性模量較低，對行人安全不利，鋁合金保險(xiǎn)杠正逐漸被更適合保險(xiǎn)杠的工程塑料所取代。 它們目前主要用于越野車和小型貨車。

(3)工程塑料保險(xiǎn)杠

工程塑料保險(xiǎn)杠常用的材料是聚碳酸酯（PC），它在強(qiáng)度、剛性和裝飾性方面都比較理想。 從外觀上看，工程塑料成型工藝具有很強(qiáng)的靈活性，因此設(shè)計(jì)自由度較高，保險(xiǎn)杠可以自然地與車身融為一體，如圖6所示。

紅旗的前臉比較寬。 此類客車保險(xiǎn)杠常采用運(yùn)動(dòng)流線型弧面裝飾。 其低矮的視覺感能夠打破傳統(tǒng)商務(wù)車的沉穩(wěn)氣質(zhì)，提升運(yùn)動(dòng)氣息。 前臉橫向格柵的布局凸顯了保險(xiǎn)杠的造型，既張揚(yáng)又不乏沉穩(wěn)，頗具科技感。 這種保險(xiǎn)杠可以減少空氣動(dòng)力行駛阻力，減少對行人碰撞的傷害，因此被乘用車公司廣泛采用。

(4)碳纖維保險(xiǎn)杠

碳纖維加工是一種樹脂成型增量加工技術(shù)，可以保證大面積整體成型。 常用材料主要包括片狀模塑料（SMC）、玻璃纖維增??強(qiáng)熱塑性塑料（GMT）和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）。 碳纖維比合金材料更輕、更堅(jiān)固，并且具有更好的抗氧化和耐腐蝕性。 集成成型技術(shù)為其組件創(chuàng)造了更多空間。 但由于材料生產(chǎn)加工復(fù)雜、生產(chǎn)成本較高，該技術(shù)僅應(yīng)用于超級跑車等少數(shù)高速客車。 碳纖維材質(zhì)的保險(xiǎn)杠可以滿足復(fù)雜多變的造型，質(zhì)感飽滿，曲線起伏強(qiáng)烈，可以給車輛較低的視覺沖擊力，給用戶帶來強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)感，從而產(chǎn)生出色的視覺效果。 如圖7中GTR35跑車的設(shè)計(jì)所示，前保險(xiǎn)杠采用碳纖維材質(zhì)，保險(xiǎn)杠與進(jìn)氣格柵融為一體設(shè)計(jì)，可以補(bǔ)充汽車前端的性能（如增加進(jìn)氣通道）。 有效降低空氣阻力。 在整車設(shè)計(jì)過程中，寶馬M3的保險(xiǎn)杠組件設(shè)計(jì)也非常出色。 設(shè)計(jì)延續(xù)了側(cè)身車身的流暢線性，增加視覺沖擊力。 “寬體半包圍”設(shè)計(jì)與現(xiàn)代“肌肉感”設(shè)計(jì)相結(jié)合，凸顯了車身的線條張力，給消費(fèi)者帶來狂野的感覺，凸顯了BMW品牌在M車型中的地位。 產(chǎn)品中的性能區(qū)分達(dá)到凸顯品牌價(jià)值的目的。

不同材料保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)外觀對比分析

保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能保證四個(gè)原則：①主動(dòng)安全性，②被動(dòng)安全性，③和諧一致，④易于安裝和維護(hù)。

表1是不同材料的保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)的外觀對比分析。 保險(xiǎn)杠的幾何形狀不僅要考慮其與整車形狀的一致性，最大限度地滿足其基本功能，還要保證材料的力學(xué)性能和吸能性能。 不應(yīng)與其他部件干涉，間隙應(yīng)合理，安裝應(yīng)符合人體工學(xué)。

由于早期的保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)大量使用碳鋼等金屬材料，保險(xiǎn)杠的拆裝和拼接方式主要是焊接，這使得無法完成集成裝置的附加設(shè)施，加工成型技術(shù)無法達(dá)不到更好的審美效果。

后來保險(xiǎn)杠材料發(fā)展為工程塑料。 但這些原料的分子結(jié)構(gòu)存在一定的差異。 零件冷卻過程中的凝固和冷卻速度不同，造成局部不均勻，很容易導(dǎo)致裝配變形、縮痕等，而且由于剛性不足，必須在一些大曲面和接頭處安裝加強(qiáng)筋滿足強(qiáng)度和剛度要求，從而減少整車配置。

新型碳纖維3D打印一體成型技術(shù)可以更好地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)組裝，為附加功能留出更多空間，從而實(shí)現(xiàn)更好的美觀性。

汽車保險(xiǎn)杠輕質(zhì)材料安全模擬試驗(yàn)

不同材料保險(xiǎn)杠的需求層次分析（AHP）

需求層次分析法（ of ，AHP）根據(jù)支配關(guān)系建立決策問題中相關(guān)因素的層次結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行決策分析，得到各因素對總需求的綜合權(quán)重。 通過對大量用戶需求的對比分析，得到用戶需求層次結(jié)構(gòu)（見圖8）。

根據(jù)指標(biāo)體系，采用標(biāo)度法和專家咨詢法進(jìn)行問卷調(diào)查。 評選出該領(lǐng)域的8位專家，并對評分結(jié)果進(jìn)行內(nèi)部討論和總結(jié)。 研究表明，當(dāng)兩兩比較的因素太多時(shí)，人們的判斷力會受到很大影響。 同時(shí)，比較時(shí)需要進(jìn)行n(n-1)/2兩兩判斷，才能得到較為合理的排名，如表2所示。

當(dāng)n = 1, 2時(shí)，RI = 0，因?yàn)?階和2階的正向和逆矩陣始終是一致矩陣（見表3）。

C1美觀要求、C2功能要求、C3結(jié)構(gòu)要求成對區(qū)分，相互要求如表4所示。

利用軟件計(jì)算判斷矩陣S的最大特征值λmax=3.0092，然后計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重。 發(fā)現(xiàn)審美需求的比重為0.1634，功能需求的比重為0.5396，結(jié)構(gòu)需求的比重為0.297。 采用層次分析法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重（如表5），構(gòu)建判斷矩陣如式（1）所示：

S =( uij) p×p (1)

計(jì)算判斷矩陣的最大特征值λmax=3.0037，然后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)并計(jì)算一致性指數(shù)（CI），見公式（2）：

以同樣的方式計(jì)算功能需求和結(jié)構(gòu)需求判斷矩陣，計(jì)算出矩陣的最大特征值分別為3.0183和5.0686。

由于各一致性比RI均小于0.1，判斷矩陣合理，最終C11-C24的綜合用戶需求權(quán)重（見表6）分別為C11：0.5816、C12：0.1095、C13??：0.309、C21：0.1365 ，C22：0.2385，C23：0.625，C31：0.4422，C32：0.0625，C33：0.1577，C34：0.2457，C35：0.092。 根據(jù)一級指標(biāo)權(quán)重值計(jì)算二級指標(biāo)綜合權(quán)重值，完成表6的需求相關(guān)矩陣。

由此可見，用戶對輔助功能需求的重視程度從高到低分別是變形、吸能值、剛性、輕量化、質(zhì)感、安全雷達(dá)、自愈量。

保險(xiǎn)杠低速碰撞安全分析

基于輔助需求的材料定位和碰撞試驗(yàn)安全分析。 碰撞是一個(gè)復(fù)雜的瞬態(tài)物理過程。 橫梁和吸能箱裝置均可作為緩沖吸能原件，因此本次測試主要針對橫梁裝置進(jìn)行。

圖9為某客車采用不同材料保險(xiǎn)杠梁裝置在低速行駛路徑上的碰撞模型能量曲線。 總能量和時(shí)間都是定量的。 邊界條件中，速度按照國際碰撞研究標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置（以50km/h的速度與剛性墻碰撞），求解時(shí)間設(shè)置為0.18s。

從圖9可以看出，碳纖維材料產(chǎn)生的內(nèi)能可以在短時(shí)間內(nèi)迅速降低，其次是碳鋼材料，然后是工程塑料。 因此，復(fù)合碳纖維材料的自修復(fù)性能高于其他材料。

通過分析圖10中的數(shù)據(jù)可以得出，碳鋼保險(xiǎn)杠的最大變形為48mm，發(fā)生在0.064s時(shí)； SMC工程塑料的最大變形為36.1mm，發(fā)生在0.043s時(shí)； PP工程塑料最大變形量為23.7mm，發(fā)生時(shí)間為0.042s； 碳纖維材料的最大變形量為27.3mm，發(fā)生在0.045s時(shí)。

僅從最大變形角度來看，可以看出碳纖維材料吸收相同動(dòng)能的同時(shí)保持最低變形。 通過采用高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料，降低汽車碰撞動(dòng)能，提高汽車碰撞中行人的安全系數(shù)，可以極大滿足各大用戶的需求。

結(jié)論

汽車保險(xiǎn)杠的輕量化是實(shí)現(xiàn)整車輕量化的一個(gè)重要方面。 目前，汽車行業(yè)的金屬材質(zhì)保險(xiǎn)杠僅應(yīng)用于低端車型。 大多數(shù)中高端品牌汽車主要采用工程塑料和鋁合金材料。

隨著新材料、新加工工藝的出現(xiàn)，一些高端品牌汽車的研發(fā)部門也開始探索碳纖維復(fù)合材料保險(xiǎn)杠裝置。 3D打印技術(shù)應(yīng)用于汽車保險(xiǎn)杠，具有輕量化、美觀、款式多樣的特點(diǎn)。 增量技術(shù)注定會在未來的發(fā)展過程中給汽車生產(chǎn)設(shè)計(jì)和批量制造帶來很多便利。

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