基于結(jié)構(gòu)耐撞性的轎車保險(xiǎn)杠材料輕量化研究

葉九龍

(成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，成都 610061)

保險(xiǎn)杠系統(tǒng)是汽車車身結(jié)構(gòu)件的重要組成部分，因此，對汽車保險(xiǎn)桿系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐撞性的研究，對于提高汽車的碰撞安全性具有非常重要的意義［1］。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對汽車保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)耐撞性做了大量的研究工作，但是當(dāng)前對汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)耐撞性研究主要集中在對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［1－5］，而針對汽車保險(xiǎn)杠進(jìn)行材料輕量化對碰撞性能影響的研究相對較少。特別是隨著世界汽車保有量與日俱增，以及人們對汽車安全性、舒適性和環(huán)保性能要求的日益提高，節(jié)約資源、減少環(huán)境污染成為世界汽車工業(yè)有待解決的兩大問題。減輕汽車的重量、降低燃油消耗和減少排放污染的任務(wù)尤為迫切，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為汽車工業(yè)發(fā)展的核心問題。因此，汽車輕量化成為21世紀(jì)汽車技術(shù)的前沿和熱點(diǎn)［6］。所以，開展對汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)材料輕量化對結(jié)構(gòu)耐撞性影響的研究有重要意義。

本文基于顯式動力學(xué)有限元理論，以某轎車保險(xiǎn)杠為研究對象，分別采用低碳鋼、高強(qiáng)度鋼以及鋁合金3種不同材料的保險(xiǎn)杠進(jìn)行基于耐撞性的輕量化研究。對保險(xiǎn)杠的碰撞力、運(yùn)動速度和加速度以及吸能量等進(jìn)行了對比分析，驗(yàn)證了輕量化方案的可行性。

1 保險(xiǎn)杠有限元模型

利用UG建立保險(xiǎn)杠的幾何模型，然后利用IGS數(shù)據(jù)交換格式導(dǎo)入有限元前處理軟件ANSA進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格后的保險(xiǎn)杠碰撞數(shù)值計(jì)算有限元模型如圖1所示。從圖1可以看出，保險(xiǎn)杠碰撞的有限元模型由保險(xiǎn)杠、支架以及圓柱形剛性壁構(gòu)成。保險(xiǎn)杠系統(tǒng)采用四邊形的殼單元進(jìn)行離散，離散后的模型共有5452個(gè)單元，5818個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 保險(xiǎn)杠碰撞有限元模型

2 材料的選擇

目前，轎車車身結(jié)構(gòu)件的輕量化材料常采用高強(qiáng)度鋼和鋁合金［6］。經(jīng)過材料的對比分析，本文選用低碳鋼、BH260/370型號高強(qiáng)度鋼和2017－T4型號的鋁合金材料進(jìn)行研究。選用材料的性能比較如表1所示。

表1 材料的性能比較［6］

3 邊界條件

考慮汽車低速的碰撞性能要求，定義剛性柱的初始速度為2.2 m/s，其質(zhì)量為900 kg。約束保險(xiǎn)杠支架的所有自由度(即X、Y、Z方向的所有平動和轉(zhuǎn)動自由度)，約束剛性柱Y和Z方向的所有自由度。

4 結(jié)果及分析

基于建立的保險(xiǎn)杠的有限元模型，利用LSDYNA軟件，根據(jù)保險(xiǎn)杠的低速碰撞要求，以2.2 m/s的速度正面碰撞剛性壁障，在雙核CPU服務(wù)器上耗時(shí)2 h完成了對該保險(xiǎn)杠碰撞模型的計(jì)算仿真模擬。

通過對保險(xiǎn)杠的計(jì)算仿真分析，得到剛性柱在碰撞3種不同材料保險(xiǎn)杠時(shí)的速度時(shí)間歷程曲線，如圖2所示。從圖2可以看出，3種不同材料的保險(xiǎn)杠在碰撞過程中的速度曲線變化不同，其中BH260/370型號高強(qiáng)度鋼和2017－T4型號鋁合金變化趨勢基本一致，而低碳鋼與這兩者不同，低碳鋼的速度變化較BH260/370型號高強(qiáng)度鋼和2017－T4型號的鋁合金慢，而后兩者的變化趨勢基本一致，說明BH260/370型號高強(qiáng)度鋼和2017－T4型號鋁合金的碰撞性能更好。

圖2 剛性柱的速度時(shí)間歷程曲線對比

圖3顯示了剛性柱碰撞3種不同材料的保險(xiǎn)杠時(shí)加速度時(shí)間歷程變化曲線。從圖3可以看出，剛性柱在碰撞3種不同材料的過程中，加速度變化有較大的差異，其中低碳鋼的加速度值小于高強(qiáng)度鋼和合金鋼，而高強(qiáng)度鋼在碰撞的前0.1 s的加速度大于合金鋼，但在0.1 s至0.11 s開始減小，并小于合金鋼的加速度值，在0.11 s至0.14 s又逐漸增大，但還是小于合金鋼的加速度值，在0.145 s之后直到減速完成，高強(qiáng)度鋼的加速度值又重新大于合金鋼的值。3種不同材料在碰撞過程中，合金鋼的加速度變化曲線更為平滑，低碳鋼次之，高強(qiáng)度鋼有一定的波動。通過3種材料的對比分析可知，BH260/370型號高強(qiáng)度鋼和2017－T4型號的鋁合金的減速效果更好。

圖3 剛性柱加速度時(shí)間歷程對比

圖4顯示了剛性柱在碰撞3種不同材料的保險(xiǎn)杠時(shí)的加速度時(shí)間歷程變化曲線。從圖4可以看出，3種材料在碰撞過程中，在0.06 s之前的吸能量較小，在0.06 s至0.10 s的吸能量逐漸增大。高強(qiáng)度鋼和合金鋼的吸能變化曲線相差較小，且它們的吸能量都大于低碳鋼，說明BH260/370型號高強(qiáng)度鋼和2017－T4型號的鋁合金在更短的時(shí)間內(nèi)吸收的能量更多，而低碳鋼的碰撞效果低于這兩者。

圖4 保險(xiǎn)杠吸能量時(shí)間歷程對比

5 結(jié)論

通過建立保險(xiǎn)杠的碰撞有限元模型，根據(jù)低速碰撞的要求，對不同材料保險(xiǎn)杠的碰撞性能進(jìn)行研究。

1)高強(qiáng)度鋼和鋁合金材料的保險(xiǎn)杠碰撞性能優(yōu)于低碳鋼。

2)采用3種不同材料的保險(xiǎn)杠的質(zhì)量分別為1.86、1.86、0.66 kg。從碰撞性能分析可知，高強(qiáng)度鋼和鋁合金材料的碰撞性能接近，但鋁合金的質(zhì)量更小，因此，采用鋁合金材料的保險(xiǎn)杠既能保證膨脹性能，又能達(dá)到輕量化的目的。

3)利用有限元方法對汽車保險(xiǎn)杠進(jìn)行碰撞模擬的方法是可行的。

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