不同板厚后防撞梁低速碰撞仿真分析

張 靜，張三川，毛 杰

（鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州450001）

不同板厚后防撞梁低速碰撞仿真分析

張 靜，張三川，毛 杰

（鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州450001）

選用ANSYS／LS－DYNA軟件對(duì)某款轎車后防撞梁進(jìn)行擺錘低速碰撞仿真試驗(yàn)，以分析其低速碰撞動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能．對(duì)1．2 mm、1．5 mm和2 mm 3種板厚的防撞梁的模擬結(jié)果表明：碰撞結(jié)束時(shí)，3種厚度防撞梁的最大位移分別為108．5 mm、90 mm和74．5 mm．綜合考慮汽車安全性和輕量化設(shè)計(jì)要求，此款轎車的后防撞梁鋼板厚度推薦為1．5 mm以上．

后防撞梁；碰撞仿真分析；板厚；LS－DYNA

追尾碰撞已成為交通事故的主要形態(tài)之一．近年的交通事故統(tǒng)計(jì)表明：該類碰撞占交通事故的30%～40%，其致傷人數(shù)占總致傷人數(shù)的60%［1］．因此，研究車尾防撞結(jié)構(gòu)的追尾碰撞特性具有重要的意義．

目前，汽車碰撞安全性研究主要采用實(shí)車碰撞試驗(yàn)和碰撞模擬仿真．前者成本高且重復(fù)性差，而后者成本低且具多參數(shù)分析，故后者已成為汽車碰撞安全性研究的重要手段．汽車碰撞計(jì)算機(jī)模擬方面的研究，國外已進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間，具有扎實(shí)的基礎(chǔ)，而我國在該領(lǐng)域的研究仍處于起步階段，主要研究了后碰撞的力學(xué)特性［2］和后碰撞的變形、應(yīng)力以及速度和加速度響應(yīng)規(guī)律［3－5］．本文依據(jù)GB17354—1998標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)條件，應(yīng)用Solidworks軟件建立了某轎車的后防撞系統(tǒng)的三維模型，利用LS－DYNA3D軟件對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行了計(jì)算機(jī)碰撞仿真研究，評(píng)價(jià)了保險(xiǎn)杠的耐撞性能，并對(duì)仿真建模的主要影響因素進(jìn)行了分析．

1 碰撞模型的建立與分析

參考某車型轎車后防撞結(jié)構(gòu)的原始尺寸建立分析模型，同時(shí)，為便于有限元分析，對(duì)一些部位進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，防撞板后面部分以質(zhì)量單元代替［5］．

1．1 力學(xué)模型

圖1 初始力學(xué)模型

圖1所示為所建立的防撞梁模型．橫梁采用3種不同厚度的2根長(zhǎng)為1 400 mm、寬為50 mm的A3槽型鋼并排焊接而成；支架也選用相同厚度的鋼材．力學(xué)模型首先在Solidworks軟件中建立完成，然后通過ANSYS與Solidworks的數(shù)據(jù)接口將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入．在模型處理中，忽略了橫梁、支架自身及它們之間的連接關(guān)系，而處理成共節(jié)點(diǎn)連接；參照汽車前后端保護(hù)裝置低速碰撞試驗(yàn)中擺錘試驗(yàn)對(duì)碰撞體的要求，模擬沖擊擺錘為實(shí)心結(jié)構(gòu)，直接在ANSYS中完成建模．

1．2 單元與網(wǎng)格劃分

模擬中，防撞梁采用SHELL163薄殼單元，其算法選用Belytschko－Tsay．材料特性選用C－S（Cowper－Symonds）隨動(dòng)塑性 Plastic－Kinematic模型［6］，屈服應(yīng)力與應(yīng)變率關(guān)系可表達(dá)為：

式中：σ0為初始屈服應(yīng)力；ε為應(yīng)變率；C、p為Cowper－Symonds應(yīng)變率參數(shù)，在此次模擬中取C＝40，p＝5；β為硬化參數(shù)；E p為塑性硬化模量；εp為有效塑性應(yīng)變．

橫梁及支架基本材料的特性如表1所示［7］．

表1 橫梁及支架材料的特性

1．3 定義接觸面

防撞梁和擺錘碰撞時(shí)的接觸采用自動(dòng)單面接觸方式，動(dòng)靜摩擦因數(shù)取0．1．

1．4 約束條件

碰撞設(shè)定為碰撞速度為4 km／h的低速碰撞（一般是指在小于15 km／h的車速下發(fā)生的車輛碰撞），車體基本不發(fā)生后移，故防撞梁支架支撐處的6個(gè)自由度都等同進(jìn)行了約束［8］．

按GB17354—1998要求，擺錘的質(zhì)量為1 300 kg，在碰撞方向的初始撞擊速度為1 100 mm／s，其余方向的初始撞擊速度為0［8］．

數(shù)值模型采用mm－kg－ms單位制，然后將由ANSYS生成的K文件交由LS－NYNA求解器ls970進(jìn)行求解，最后通過ANSYS的后處理，輸出仿真結(jié)果．

2 模擬結(jié)果與分析

2．1 防撞梁厚度為2 mm時(shí)的模擬結(jié)果

圖2所示為防撞梁與擺錘體在100 ms時(shí)相互作用的變形過程狀態(tài)圖．由圖2可見：橫梁發(fā)生了較大的塑性變形，但支架變形量相對(duì)較?。鲎查_始時(shí)，橫梁受到擺錘的猛烈撞擊，擺撞沖擊能量很大，瞬時(shí)形成很高的沖擊力，因此，橫梁在很高的沖擊力的作用下，應(yīng)力將大大超過材料的屈服極限而發(fā)生塑性變形，以吸收掉部分沖擊能量．

圖2 模擬變形狀態(tài)

圖3所示為防撞梁在100 ms的模擬計(jì)算結(jié)束時(shí)的位移圖．從圖3可以看出，防撞梁中間位置的變形量最大，且與擺錘撞擊方向（x方向）一致．在ANSYS后處理結(jié)果列表中查找出防撞梁上位移量變化最大的點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)427，其x方向上的位移隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示．在碰撞初期，節(jié)點(diǎn)427的位移量與時(shí)間呈線性關(guān)系，變形速度很快，接近于彈性變形；在碰撞發(fā)生大約40 ms后，變形速度減慢．該節(jié)點(diǎn)在x方向上最大的位移量約為74．5 mm，低于普遍認(rèn)為的保險(xiǎn)杠與車體間的安全距離100 mm，因此不會(huì)對(duì)車體結(jié)構(gòu)造成損傷，該保險(xiǎn)杠的耐撞性能較好．

2．2 板厚為1．2 mm和1．5 mm時(shí)的模擬結(jié)果

圖5所示為防撞梁中間節(jié)點(diǎn)（427）的位移與時(shí)間關(guān)系曲線圖，圖6所示為不同壁厚保險(xiǎn)杠鋼板結(jié)構(gòu)時(shí)

從圖5－圖7可以看出：鋼板厚度為1．2 mm時(shí)，保險(xiǎn)杠的變形最劇烈，位移最大，在碰撞結(jié)束時(shí)（150 ms）達(dá)到108．5 mm（遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于防撞梁與車體安全間距100 mm）．顯然，選擇1．2 mm厚度鋼板時(shí)，其耐撞性較差，滿足不了法規(guī)要求，會(huì)對(duì)車身結(jié)構(gòu)造成損傷；選擇2 mm厚度鋼板時(shí)，防撞梁的最大位移遠(yuǎn)低于安全間距，可以滿足保險(xiǎn)杠低速碰撞法規(guī)要求；選擇1．5 mm厚度鋼板時(shí)，防撞梁碰撞結(jié)束時(shí)（116 ms）的最大位移為90 mm，滿足法規(guī)要求，不會(huì)對(duì)車體結(jié)構(gòu)及乘員造成傷害．

3 結(jié) 語

不同板厚防撞梁的模擬碰撞結(jié)束時(shí)間和最大位移均隨板厚的增加而減少，板厚為1．2 mm、1．5 mm和2 mm時(shí)，碰撞位移分別為108．5 mm、90 mm 和74．5 mm；除1．2 mm板厚外的其他2種板厚均滿足碰撞安全性要求，而且1．5 mm板厚的防撞梁設(shè)計(jì)最接近安全設(shè)計(jì)容限．因此，對(duì)此款轎車的后防撞梁最小板厚推薦為1．5 mm．?dāng)[錘體的速度與時(shí)間關(guān)系曲線圖，圖7所示為擺錘體的加速度與時(shí)間關(guān)系曲線圖．

［1］周煒，張?zhí)靷b，崔海濤．汽車追尾碰撞有限元仿真的研究［D］／／．第三屆中國CAE工程分析技術(shù)年會(huì)論文集．大連：中國力學(xué)學(xué)會(huì)，2007：472－479．

［2］楊艷慶，田晉躍．汽車追尾碰撞保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性［J］．現(xiàn)代交通技術(shù)，2009，6（5）：74－76．

［3］于英華，郎國軍．基于LS－DYNA的汽車保險(xiǎn)杠碰撞仿真研究［J］．計(jì)算機(jī)仿真，2007，24（12）：235－238．

［4］張金虎．汽車保險(xiǎn)杠碰撞仿真研究［D］．武漢：武漢理工大學(xué)，2009：8－11．

［5］吳勝軍．基于 ANSYS的汽車保險(xiǎn)杠碰撞的數(shù)值模擬［J］．拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2008，35（4）：18－20．

［6］楊永生．汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)低速碰撞性能研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009：37－38．

［7］栗蔭帥．車輛薄壁結(jié)構(gòu)碰撞吸能特性分析與改進(jìn)［D］．大連：大連理工大學(xué)，2007：11－12．

［8］劉少華．基于LS－DYNA的轎車保險(xiǎn)杠耐撞性研究［D］．吉林：吉林大學(xué)，2008：40－42．

Crashworthiness Simulation Analysis of the Rear－end Rubbing Beam with Different Thickness in Low Velocities

ZHANG Jing，ZHANG San－chuan，MAO Jie
（Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

The ANSYS／LS－DYNA software was used to simulate crashworthiness test of the rear－end rubbing beam （with three kinds of thickness of 1．2 mm，1．5 mm and 2 mm）of certain car in low velocities，in order to analyse its dynamic response properties．The results show that when the crashworthiness is finished，their maximum displacement respectively come up to 108．5 mm，90 mm and 74．5 mm．Under the safety and lightweight design requirements are synthetically considered，1．5 mm thickness is recommended．minimum thickness of the rear－end rubbing beam of this car．

rear－end rubbing beam；crashworthiness simulation analysis；thickness；LS－DYNA

TG386．3

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2011．02．013

1671－6906（2011）01－0047－04

2011－01－07

張 靜（1986－），女，河南濟(jì)源人，碩士生．