汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)耐撞性研究

烏秀春， 宿學(xué)深

（1.上海電機(jī)學(xué)院 汽車學(xué)院，上海 200245；2.遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)耐撞性研究

烏秀春1， 宿學(xué)深2

（1.上海電機(jī)學(xué)院 汽車學(xué)院，上海 200245；2.遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

利用計(jì)算機(jī)仿真方法研究汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的耐撞性。在三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件CATIA中建立整車及保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的三維CAD模型，并在HyperMesh軟件中進(jìn)行前處理，進(jìn)而建立有限元模型；在PamCrash軟件中進(jìn)行碰撞過程仿真求解，將仿真結(jié)果與實(shí)車碰撞數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性；最后進(jìn)行保險(xiǎn)杠系統(tǒng)低速碰撞過程仿真，通過仿真可預(yù)測(cè)出汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)發(fā)生碰撞時(shí)的位移和變形，為保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考。

保險(xiǎn)杠；耐撞性；碰撞仿真；低速碰撞

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們安全意識(shí)的增強(qiáng)，汽車的安全性顯得越來越重要。各汽車生產(chǎn)廠家紛紛通過提高所生產(chǎn)汽車的安全性來吸引更多的客戶，故汽車的耐撞性設(shè)計(jì)已經(jīng)成為汽車生產(chǎn)過程中重要的一環(huán)。作為設(shè)計(jì)人員不僅要使汽車在發(fā)生碰撞時(shí)保護(hù)乘員的安全，同時(shí)也要考慮到汽車碰撞后的可維修性，故體現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)耐撞性能的重要部件之一——保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的耐撞性就顯得尤為重要［2］。本文利用計(jì)算機(jī)仿真方法研究汽車碰撞過程中保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的耐撞性能。

1 保險(xiǎn)杠系統(tǒng)

汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)由橫杠、內(nèi)襯、托架及緩沖吸能元件等組成。保險(xiǎn)杠系統(tǒng)是汽車車身的一個(gè)重要組成部分，其作用主要是當(dāng)汽車與其他車輛或障礙物發(fā)生低速碰撞時(shí)，保護(hù)翼子板、散熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和燈具等部件；當(dāng)汽車與行人發(fā)生碰撞時(shí)，最大限度地保護(hù)行人［3］。

在研究保險(xiǎn)杠系統(tǒng)耐撞性時(shí)，一般單獨(dú)對(duì)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行研究，在吸能盒與前縱梁連接的位置加上一個(gè)剛性質(zhì)量塊用于模擬整車質(zhì)量，或?qū)ΡｋU(xiǎn)杠支架支撐處的6個(gè)自由度進(jìn)行約束，建立保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的有限元模型。這樣做簡(jiǎn)化了模型、節(jié)省了計(jì)算時(shí)間［4］。

本文采用的方法是通過對(duì)整車進(jìn)行碰撞的有限元分析來研究保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的耐撞性能，分析保險(xiǎn)杠系統(tǒng)及整車的變形情況，以期為保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)提供參考。

2 碰撞仿真

2.1 整車模型的建立

將三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)提取的轎車車身點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件CATIA的Digitized Shape Editor模塊中，運(yùn)用逆向工程方法建立零部件模型，在Assembly Design模塊中完成整車的裝配過程，將整車的CAD模型導(dǎo)入到 HyperMesh前處理軟件中，在HyperMesh中對(duì)導(dǎo)入的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分［5］。整車有限元模型共有179 333個(gè)單元，187 403個(gè)結(jié)點(diǎn)。

在單元類型的選擇上，汽車車身結(jié)構(gòu)部件大部分是由薄鋼板沖壓而成的鈑金件，故在汽車碰撞分析中常選擇三維薄殼單元，只用到少量的梁?jiǎn)卧腕w單元。

由于本文主要研究汽車正面及保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的耐撞性，故在劃分網(wǎng)格時(shí)，汽車前部的網(wǎng)格劃分得較細(xì)，尤其是保險(xiǎn)杠系統(tǒng)，采用的網(wǎng)格大小為5mm；汽車前部的零部件，如前縱梁、前翼子板、大燈支架等，這些部件對(duì)碰撞結(jié)果影響較大，也要細(xì)化網(wǎng)格；汽車中部和后部的一些部件，對(duì)仿真結(jié)果影響較小，發(fā)生碰撞時(shí)基本不變形，網(wǎng)格大小為10～20mm。

劃分網(wǎng)格后的整車模型如圖1所示。

圖1 整車網(wǎng)格模型Fig.1 Grid model of a whole vehicle

2.2 碰撞仿真參數(shù)和接觸的確定

劃分網(wǎng)格的大小與計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)相關(guān)，采用5～10mm劃分網(wǎng)格的模型，一般計(jì)算步長(zhǎng)適用微秒（μs）量級(jí)［6］。根據(jù)有限元理論，最小網(wǎng)格單元尺寸的大小影響了計(jì)算的穩(wěn)定時(shí)間步長(zhǎng)，單元網(wǎng)格尺寸越小則需要計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)就越小，這樣需要等待計(jì)算結(jié)果的時(shí)間也越長(zhǎng)，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求就越高，模擬計(jì)算的精度也越高［7］。本模型最小時(shí)間步長(zhǎng)為1.44μs。

材料特性的確定是有限元模擬計(jì)算的關(guān)鍵。車身采用的材料主要為拉延性能較好的低碳鋼薄鋼板，故采用分段線性塑性材料模型來進(jìn)行模擬。低碳鋼薄鋼板的密度

彈性模量E＝210GPa，泊松比μ＝0.28～0.3，屈服強(qiáng)度σs＝270～390MPa。本文采用Cowper－Symonds應(yīng)變率模型［8］。

在碰撞過程中，車體各零件要發(fā)生相互或自身的接觸，故需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。在Pam－Crash軟件中采用CONTACT 36接觸實(shí)現(xiàn)模擬，選取的接觸厚度應(yīng)大于0.5mm或單元長(zhǎng)度的10%，選取的摩擦系數(shù)為0～1.0［9］。根據(jù)分析比較，本模型確定接觸厚度為1mm，摩擦系數(shù)為0.15，罰函數(shù)系數(shù)為0.1，并設(shè)定了初始滲透去除和障礙區(qū)域彌補(bǔ)的功能，這樣可以自動(dòng)消除計(jì)算中各單元互相滲透和干涉的問題，提高了計(jì)算效率［10］。

2.3 整車正面50km／h碰撞仿真

模型建好后，給整車施加速度為50km／h的速度場(chǎng)，整車施加重力場(chǎng)；定義剛性墻位置為無限大剛性墻，整車和剛性墻接觸時(shí)，整車內(nèi)部自接觸；車輪和地面接觸為地面施加約束，保證其不動(dòng)，然后進(jìn)行汽車正面碰撞剛性墻模擬仿真［11］。圖2為汽車正面碰撞仿真圖。由圖2可見，駕駛室及前門框基本上沒發(fā)生變形，車身頂板在碰撞過程中也沒發(fā)生明顯變形，前翼子板和發(fā)動(dòng)機(jī)罩均產(chǎn)生了明顯變形，變形趨勢(shì)與相同碰撞條件下的實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果（見圖3）基本一致。

2.4 低速碰撞仿真

2.4.1 建立擺錘模型 根據(jù)《ECE R42關(guān)于就車輛前、后保護(hù)裝置（保險(xiǎn)杠等）批準(zhǔn)車輛的統(tǒng)一規(guī)定》的要求，建立碰撞器模型，給碰撞器施加4km／h的速度，碰撞器基準(zhǔn)與碰撞中心在同一高度。擺錘有限元模型共有34 580個(gè)單元，40 708個(gè)結(jié)點(diǎn)。擺錘尺寸和劃分完網(wǎng)格的擺錘模型如圖4和圖5所示。

2.4.2 低速碰撞仿真過程 對(duì)汽車低速碰撞過程進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間歷程如圖6所示。

由圖可見，當(dāng)t＝0ms時(shí)，擺錘與整車模型碰撞接觸；當(dāng)t＝100ms時(shí)，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)變形，保險(xiǎn)杠外蒙皮兩端向下變形；當(dāng)t＝200ms時(shí)，擺錘與整車發(fā)生碰撞后向X負(fù)方向移動(dòng)，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)變形達(dá)到最大后開始恢復(fù)；當(dāng)t＝300ms和400ms時(shí)，擺錘繼續(xù)向后移動(dòng)，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)繼續(xù)恢復(fù)變形；當(dāng)t＝500ms時(shí)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)基本恢復(fù)原狀。

圖6 低速碰撞仿真過程Fig.6 Process of low－speed crash simulation

3 仿真結(jié)果分析

圖7為汽車以50km／h速度正面碰撞剛性墻的車身B柱X向減速度仿真與試驗(yàn)結(jié)果的比較，碰撞實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)按照要求進(jìn)行了CFC60濾波處理。由圖7可見，仿真曲線與試驗(yàn)曲線的變化趨勢(shì)基本一致。從變形的整個(gè)時(shí)間歷程來看，在發(fā)生變形的前20ms內(nèi)，主要是汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)參與碰撞發(fā)生變形。圖7中，保險(xiǎn)杠在A點(diǎn)橫梁發(fā)生作用開始吸能；由A點(diǎn)到B點(diǎn)的過程是保險(xiǎn)杠吸能盒力量加載的過程，在此加載過程中，吸能盒發(fā)生一定的塑性變形；由B點(diǎn)到C點(diǎn)的過程是保險(xiǎn)杠的吸能盒完全壓饋?zhàn)冃挝埽?2］。

圖7 車身B柱X向減速度比較Fig.7 Deceleration comparison in Xdirection of the car body's B－pillar

由圖8可知，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在發(fā)生低速碰撞后，向車身方向壓縮，當(dāng)壓縮變形達(dá)到最大后，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)開始恢復(fù)變形。在仿真結(jié)束時(shí)，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在X方向與車身的距離基本恢復(fù)到碰撞前距離。

圖8 保險(xiǎn)杠橫梁中間一節(jié)點(diǎn)（33437）與車身之間在X方向距離曲線Fig.8 Curve of distance in Xdirection between the middle node 33437of bumper crossbeam and car body

在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)首先參與，吸收了部分碰撞能量，在完全壓饋?zhàn)冃魏蟀雅鲎材軅鬟f給后面的部件［13］。直接與汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)吸能盒相連的部件是汽車的前縱梁。前縱梁是汽車正面高速碰撞中吸收能量最多的部件，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)要把碰撞力平均地傳遞給前縱梁及后部的車身，由此可知，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)安裝位置要合理［14］。

在設(shè)計(jì)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)時(shí)，必須設(shè)置吸能盒，吸能盒的縱向長(zhǎng)度應(yīng)大于100mm；吸能盒中心線應(yīng)盡量與碰撞器基準(zhǔn)線保持水平，前艙內(nèi)零部件布置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離前保險(xiǎn)杠橫梁，重要的零部件應(yīng)盡量靠后布置［15］。根據(jù)圖6和圖8可知，在低速碰撞過程中，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)能很好地吸收碰撞能量。低速碰撞發(fā)生后，整個(gè)車身向后輕微移動(dòng)，致使保險(xiǎn)杠橫梁明顯向后發(fā)生彎曲變形，大燈支架等直接相連的部件也有向后移動(dòng)的趨勢(shì)。隨著時(shí)間的繼續(xù)，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在發(fā)生輕微變形后基本恢復(fù)到碰前狀態(tài)，從而有效地保護(hù)了前部的一些部件。

4 結(jié) 語

本文將三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得車身點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CATIA軟件中建立整車CAD模型，并在HyperMesh中劃分網(wǎng)格，在PamCrash中進(jìn)行碰撞過程仿真。仿真結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了模型的可用性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了低速碰撞過程仿真，分析了整個(gè)碰撞過程中保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的變形及受力情況，可以為保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)或改進(jìn)提供參考。

［1］張洪武，關(guān)振群，李云鵬，等.有限元分析與CAE技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［2］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.

［3］夏秀岳.汽車正面碰撞結(jié)構(gòu)耐撞性與乘員保護(hù)關(guān)系研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2008.

［4］許 亮，胡 寧，楊 輝.基于LS－DYNA的汽車保險(xiǎn)杠仿真優(yōu)化［J］.機(jī)械與電子，2007（5）：17－20.

［5］葛如海，王群山.緩沖吸能式保險(xiǎn)杠的低速碰撞試驗(yàn)和仿真［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37（2）：29－32.

［6］龔艷霞，沈曉紅，聶學(xué)俊.基于ABAQUS的保險(xiǎn)杠低速碰撞的仿真研究［J］，北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，27（3）：32－36.

［7］龔 劍，張金換，黃世霖，等.PAM－CRASH碰撞模擬中主要控制參數(shù)影響的分析［J］.振動(dòng)與沖擊，2002，21（3）：18－20，42.

［8］劉 洋，楊 偉，劉 洲，等.有限元分析方法在保險(xiǎn)杠碰撞仿真中的應(yīng)用［J］.西華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，29（6）：43－45.

［9］曲 明.汽車吸能盒結(jié)構(gòu)低速正面撞擊的數(shù)值仿真研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008.

［10］劉少華.基于LS－DYNA的轎車保險(xiǎn)杠耐撞性研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007：26－28.

［11］王 磊.汽車正面碰撞有限元仿真模擬［J］.汽車技術(shù)，2007（1）：21－24.

［12］趙劉軍.保險(xiǎn)杠的發(fā)展及應(yīng)用［J］.公路與汽運(yùn)，2009（4）：16－17.

［13］Simunovic S，Shaw J，Aramayo G A.Material modeling effects on impact deformation of ultralight steel auto body.SAE Paper 2000－01－2715［R］.Detroit，Mi，USA：International Body Engineering Conference ＆ Exposition，2000.

［14］檀曉紅，馮 偉，趙華松.汽車保險(xiǎn)杠橫梁碰撞性能的有限元分析［J］.力學(xué)與實(shí)踐，2004，26（2）：35－38.

［15］張金換，杜匯良，馬春生，等.汽車碰撞安全性設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

Crashworthiness of Car Bumper System

WU Xiuchun1， SU Xueshen2
（1.School of Automobile，Shanghai DianJi University，Shanghai 200245，China；2.School of Automobile and Transportation Engineering，Liaoning University of Technology，Jinzhou 121001Liaoning，China）

A computer simulation method is used to study crashworthiness of car bumper systems.A three－dimensional model of the car and its bumper system is established in CATIA software.Pre－treatment is done in HyperMesh and a finite element model is established.Simulation of the car crash process is then performed in PamCrash.The simulation results are compared with real test to verify accuracy of the finite element model.Finally，a low－speed crash simulation is carried out.Crash displacement and deformation of the car bumper system can be predicted using simulation method，which provides a reference to the design and improvement of car bumper systems.

bumper；crashworthiness；crash simulation；low－speed crash

U 467.14

A

2095－0020（2012）01－0033－05

2012－01－03

烏秀春（1973－），女，教授，博士，專業(yè)方向?yàn)檐囕vCAD／CAM／CAE技術(shù)，E－mail：wuxc＠sdju.edu.cn