材料特性對(duì)轉(zhuǎn)向柱碰撞性能影響的仿真研究

宋曉華，李 偉

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶400074)

在汽車正面碰撞事故中，轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱是導(dǎo)致駕駛員受傷的主要部件之一［1］。當(dāng)發(fā)生正面碰撞事故時(shí)，具有良好碰撞特性的汽車轉(zhuǎn)向柱可以很好地減輕或防止駕駛員的傷害。因此作為影響汽車安全性能的重要因素，汽車轉(zhuǎn)向柱受到了越來越廣泛的重視。研究改善結(jié)構(gòu)和材料性能來提高轉(zhuǎn)向柱的安全性能，具有極大的實(shí)用價(jià)值［2］。許多學(xué)者對(duì)汽車轉(zhuǎn)向柱的碰撞特性進(jìn)行了大量的研究［1-6］，但是大多數(shù)研究都僅僅針對(duì)轉(zhuǎn)向柱的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，而對(duì)轉(zhuǎn)向柱材料性能的研究較少。因此，很有必要對(duì)轉(zhuǎn)向柱的材料性能對(duì)其碰撞特性的影響進(jìn)行研究。

筆者以微型轎車的轉(zhuǎn)向柱為研究對(duì)象，建立了轉(zhuǎn)向柱碰撞有限元模型。采用顯示動(dòng)力學(xué)有限元方法，應(yīng)用有限元分析軟件LS-DYNA對(duì)不同材料特性的轉(zhuǎn)向柱的碰撞性能進(jìn)行了研究，并對(duì)轉(zhuǎn)向柱的變形形態(tài)、運(yùn)動(dòng)位移、速度、吸能量等方面進(jìn)行了對(duì)比，研究結(jié)果可為汽車轉(zhuǎn)向柱的設(shè)計(jì)和碰撞性能的提高提供依據(jù)。

1 汽車轉(zhuǎn)向柱的有限元模型

首先利用UG軟件建立轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱的幾何模型，然后通過IGS圖像數(shù)據(jù)交換格式將CAD模型轉(zhuǎn)入前處理有限元軟件ANSAS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了保證有限元分析結(jié)果的精度，在有限元模型的建立過程中，有限元網(wǎng)格以四邊形殼單元為主，三角形殼單元占單元總數(shù)的2.1%(滿足通用的有限元網(wǎng)格劃分要求)，并且嚴(yán)格保證所有單元的質(zhì)量要求，包括長(zhǎng)寬比、單元內(nèi)角、雅可比、翹曲度、錐度、傾斜度。為了提高計(jì)算效率，轉(zhuǎn)向盤和剛性墻采用10 mm的網(wǎng)格，由于轉(zhuǎn)向柱為分析的主要部件，轉(zhuǎn)向柱采用2 mm的網(wǎng)格。轉(zhuǎn)向柱碰撞有限元模型如圖1，共16 588個(gè)單元，16 520個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 轉(zhuǎn)向柱碰撞有限元模型Fig.1 Finite element model of steering mast

2 材料的選擇

目前轎車車身最常采用的是低碳鋼、鋁合金和高強(qiáng)度鋼［7］。經(jīng)過多種材料的對(duì)比分析，選用低碳鋼、2017-T 4鋁合金和BH 260/370高強(qiáng)度鋼3種材料進(jìn)行研究。選用材料的性能參數(shù)如表1［7］。

表1 選用材料的性能參數(shù)Table 1 The material properties

3 邊界條件的確定

根據(jù)方向盤的碰撞性能要求，定義模擬沖擊塊的剛性墻的質(zhì)量為 36 kg，初始速度為 25 km/h［4］。約束轉(zhuǎn)向柱底部端面節(jié)點(diǎn)的所有自由度(即x、y、z方向的所有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)，另外，約束剛性墻y和z兩個(gè)方向的所有自由度。

4 數(shù)值仿真及分析

低碳鋼、高強(qiáng)度鋼和合金鋼的轉(zhuǎn)向柱在碰撞過程中變形形態(tài)分別如圖2～圖4。從圖中可以看出，低碳鋼轉(zhuǎn)向柱的屈曲形態(tài)較高強(qiáng)度鋼和合金鋼的好，高強(qiáng)度鋼的屈曲形態(tài)次之，合金鋼最差。在碰撞初始階段(10 ms之前)低碳鋼和高強(qiáng)度鋼的屈曲性能好于合金鋼。

圖2 低碳鋼轉(zhuǎn)向柱碰撞過程的變形Fig.2 The collision deformation of steering mast with mild steel

圖3 合金鋼轉(zhuǎn)向柱碰撞過程的變形Fig.3 The collision deformation of steering mast with alloy steel

圖4 高強(qiáng)度鋼轉(zhuǎn)向柱碰撞過程的變形Fig.4 The collision deformation of steering mast with high strength steel

剛性墻的位移時(shí)間歷程曲線如圖5。從圖5可以看出，在轉(zhuǎn)向柱碰撞完成之后，位移量值是低碳鋼的最大，合金鋼的其次，高強(qiáng)度鋼的最小。在碰撞過程中，低碳鋼的變化速度更快，而合金鋼和高強(qiáng)度鋼的變化速度很接近。

圖5 剛性墻的位移-時(shí)間歷程曲線Fig.5 The displacement curve vary with time of rigid wall

圖6顯示了剛性墻的速度時(shí)間歷程曲線。從圖6可以看出，低碳鋼的碰撞時(shí)間最長(zhǎng)，合金鋼次之，高強(qiáng)度鋼的碰撞時(shí)間最短。

圖6 剛性墻的速度-時(shí)間歷程曲線Fig.6 The velocity curve vary with time of rigid wall

轉(zhuǎn)向柱的吸能量的時(shí)間歷程曲線如圖7，低碳鋼的總吸能量最大，合金鋼稍大于高強(qiáng)度鋼。在碰撞過程中，合金鋼和高強(qiáng)度鋼的吸能更快，而低碳鋼的吸能時(shí)間較長(zhǎng)。因此，合金鋼與高強(qiáng)度鋼在碰撞過程中很更好的減輕轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)駕駛員的傷害。另外，對(duì)于轉(zhuǎn)向柱的重量，低碳鋼與高強(qiáng)度鋼都為0.404 kg，而合金鋼只有0.144 kg，質(zhì)量只有前兩者的35.6%。綜合起來考慮，轉(zhuǎn)向柱采用合金鋼材料時(shí)的碰撞最好，同時(shí)能達(dá)到輕量化的效果。

圖7 轉(zhuǎn)向柱的吸能量-時(shí)間歷程曲線Fig.7 The energy absorption curve vary with time of vehicle steering mast

5 結(jié)語

通過建立轉(zhuǎn)向柱碰撞有限元模型，運(yùn)用顯示動(dòng)力學(xué)有限元方法，研究了低碳鋼、2017-T4合金鋼和BH260/370高強(qiáng)度鋼轉(zhuǎn)向柱的碰撞性能進(jìn)行，得到以下結(jié)論:

1)不同材料性能的轉(zhuǎn)向柱將對(duì)其碰撞性能產(chǎn)生不同程度的影響，選擇合適材料的轉(zhuǎn)向柱將會(huì)有助于其碰撞性能的提高。

2)采用合金鋼的轉(zhuǎn)向柱與采用低碳鋼和高強(qiáng)度鋼的轉(zhuǎn)向柱的碰撞性能不僅得到了提高，而且質(zhì)量更小，有助于汽車輕量化。

3)采用有限元方法對(duì)轉(zhuǎn)向柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)和碰撞性能進(jìn)行優(yōu)化是可行的。

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