保險(xiǎn)杠安全性能仿真分析與試驗(yàn)研究*

徐中明，徐小飛，張志飛，萬鑫銘，趙清江

(1.重慶大學(xué)，機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030； 2.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400030; 3.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400030)

前言

降低油耗、減少排放、提高安全性是當(dāng)今全球汽車工業(yè)都必須面對(duì)的問題。汽車輕量化是解決上述問題的有效手段。研究顯示，典型鋁質(zhì)零件一次減質(zhì)量效果可達(dá)30%～40%，二次減質(zhì)量則可提高到50%，而汽車每減質(zhì)量10%可實(shí)現(xiàn)節(jié)油6%～8%[1-2]。

保險(xiǎn)杠系統(tǒng)是汽車低速碰撞時(shí)最主要的承載和吸能構(gòu)件，對(duì)保護(hù)汽車其它零部件和乘員安全起著至關(guān)重要的作用。在滿足功能要求的基礎(chǔ)上，開發(fā)質(zhì)量更輕的鋁合金保險(xiǎn)杠正越來越受到汽車生產(chǎn)商和研究人員的關(guān)注[3-4]。文獻(xiàn)[5]中根據(jù)SAE J2319標(biāo)準(zhǔn)建立了用于研究轎車保險(xiǎn)杠低速碰撞性能的擺錘碰撞試驗(yàn)裝置和仿真分析模型，通過計(jì)算機(jī)仿真分析和試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了擺錘低速碰撞試驗(yàn)的有效性。文獻(xiàn)[6]中將7075鋁合金應(yīng)用于汽車保險(xiǎn)杠，運(yùn)用LS-DYNA對(duì)不同厚度保險(xiǎn)杠模型的對(duì)中碰撞進(jìn)行仿真分析，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)滿足了安全性要求。

本文中以某乘用車原鋼制保險(xiǎn)杠和新開發(fā)的鋁合金保險(xiǎn)杠為研究對(duì)象，對(duì)其強(qiáng)度性能和耐撞性進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)研究。為保險(xiǎn)杠正向開發(fā)過程中對(duì)其碰撞安全性能的研究提供參考依據(jù)。

1 有限元建模

1.1 研究對(duì)象

某款乘用車原鋼制保險(xiǎn)杠如圖1所示，它由12個(gè)薄板沖壓件經(jīng)點(diǎn)焊而成；圖2則示出新開發(fā)鋁合金保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)分解圖，它由前防撞橫梁a、吸能盒b和安裝法蘭c組成，其中防撞橫梁由5個(gè)擠壓件經(jīng)氬弧焊連接而成。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鋁合金保險(xiǎn)杠零件數(shù)比鋼制保險(xiǎn)杠減少58%，質(zhì)量減輕31%，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)有效降低了工藝復(fù)雜度，有利于節(jié)約成本。

1.2 有限元建模

將兩款保險(xiǎn)杠的CATIA三維模型分別導(dǎo)入Hypermesh，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。保險(xiǎn)杠屬薄壁結(jié)構(gòu)，采用Belytschko-Lin-Tsay殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，平均網(wǎng)格大小為5mm。建立的鋼制保險(xiǎn)杠模型如圖3所示，包含27 246個(gè)殼單元，其中三角形殼單元833個(gè)，約占3.1%；鋁合金保險(xiǎn)杠有限元模型含18 362個(gè)殼單元，其中三角形殼單元70個(gè)。

鋼制保險(xiǎn)杠所用材料以LS-DYNA的24號(hào)分段線性塑性材料模擬，密度為7.8×103kg/m3，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為207MPa。鋁合金保險(xiǎn)杠材質(zhì)為6061-T6狀態(tài)鋁合金，為真實(shí)反映應(yīng)變速率對(duì)該鋁合金材料力學(xué)性能的影響，以98號(hào)材料*MAT_Simplified_Johnson_Cook模型構(gòu)建6061-T6狀態(tài)的本構(gòu)關(guān)系，該模型流變應(yīng)力σ為

(1)

(2)

圖4為6061-T6狀態(tài)鋁合金應(yīng)變速率為0.001s-1和342s-1時(shí)，采用Johnson Cook本構(gòu)模型得到的模擬曲線與試驗(yàn)曲線的對(duì)比。由圖可知，本構(gòu)模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。運(yùn)用Johnson Cook材料本構(gòu)模型能較好地表征6061-T6狀態(tài)鋁合金的力學(xué)性能，有助于提高仿真分析的精度。

對(duì)上述保險(xiǎn)杠模型進(jìn)行連接，鋼制保險(xiǎn)杠實(shí)物樣件以點(diǎn)焊連接，仿真時(shí)用Beam單元模擬，并以*CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE設(shè)置焊點(diǎn)和殼單元之間的接觸。鋁合金保險(xiǎn)杠實(shí)物樣件采用縫焊，仿真時(shí)以節(jié)點(diǎn)耦合方式模擬該處連接。

2 保險(xiǎn)杠強(qiáng)度分析

保險(xiǎn)杠的一個(gè)重要作用在于，無論在正面碰撞或偏置碰撞條件下，碰撞力都能盡可能均勻地沿左右吸能盒向后傳遞。據(jù)此分析，保險(xiǎn)杠防撞梁須滿足一定的強(qiáng)度指標(biāo)[7]。本文中通過三點(diǎn)靜壓仿真分析和試驗(yàn)對(duì)防撞梁強(qiáng)度進(jìn)行了分析，三點(diǎn)靜壓分析示意圖如圖5所示。

仿真分析前須設(shè)定邊界條件，在Hypermesh中對(duì)保險(xiǎn)杠左右安裝法蘭盤施加全約束，在橫梁正上方建立直徑152mm的剛性圓柱體作為壓頭，釋放壓頭X方向(加載方向)移動(dòng)自由度，壓頭以1m/s的速度加載，即強(qiáng)制使保險(xiǎn)杠支架做向下位移100mm，以模擬準(zhǔn)靜態(tài)過程。壓頭與防撞橫梁之間采用自動(dòng)面面接觸，保險(xiǎn)杠自身采用自動(dòng)單面接觸，靜摩擦因數(shù)為0.15，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.1。將上述建好的模型以key文件格式保存，并提交LS-DYNA計(jì)算。

三點(diǎn)靜壓試驗(yàn)在常溫、常壓下進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備包括PLS-L50B4電液伺服構(gòu)件試驗(yàn)系統(tǒng)和YE2539高速靜態(tài)應(yīng)變儀，試驗(yàn)時(shí)壓頭加載速度為0.001m/s，圖6為鋁合金保險(xiǎn)杠三點(diǎn)靜壓試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片。

以防撞梁靜壓支反力作為評(píng)價(jià)保險(xiǎn)杠強(qiáng)度性能的指標(biāo)，仿真和試驗(yàn)所得的支反力-位移曲線如圖7所示。由圖可知：鋼制保險(xiǎn)杠試驗(yàn)靜壓力峰值為6.1kN，仿真靜壓力峰值為6.4kN，兩者誤差為4.9%；鋁合金保險(xiǎn)杠試驗(yàn)靜壓力峰值為8.6kN，仿真靜壓力峰值為9.4kN，兩者誤差為9.3%。其誤差均小于10%，從而驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。

結(jié)合圖7曲線，對(duì)仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析：鋁合金保險(xiǎn)杠靜壓力峰值及其平均值均大于鋼制保險(xiǎn)杠，可知鋁合金保險(xiǎn)杠前防撞梁在實(shí)際工況下能承受更大的載荷；在變形量相同的條件下，鋁合金保險(xiǎn)杠吸能也比鋼制的多。可見新開發(fā)的鋁合金保險(xiǎn)杠強(qiáng)度性能優(yōu)于原鋼制保險(xiǎn)杠。

3 保險(xiǎn)杠碰撞性能分析

國(guó)內(nèi)外對(duì)保險(xiǎn)杠低速碰撞都有嚴(yán)格的法規(guī)要求。本文中參照美國(guó)IIHS-TEST試驗(yàn)規(guī)范，對(duì)兩款保險(xiǎn)杠分別進(jìn)行了臺(tái)車正面100%重疊碰撞和40%偏置碰撞仿真分析與試驗(yàn)[8]。

IIHS-TEST法規(guī)要求被測(cè)車輛以8km/h的速度撞擊固定安裝的碰撞器。文中只對(duì)單獨(dú)的保險(xiǎn)杠零件進(jìn)行碰撞分析，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)條件，以臺(tái)車碰撞試驗(yàn)來研究?jī)煽畋ｋU(xiǎn)杠的耐撞性能。試驗(yàn)用臺(tái)車質(zhì)量為1t，考慮到與法規(guī)規(guī)定的試驗(yàn)工況能量等效，試驗(yàn)時(shí)將臺(tái)車加速到9km/h撞擊固定安裝的保險(xiǎn)杠，通過高速攝像儀記錄碰撞過程，用加速度傳感器測(cè)取臺(tái)車縱梁處的減速度值，鋁合金保險(xiǎn)杠正面100%重疊碰撞試驗(yàn)如圖8所示。

仿真分析時(shí)，建立移動(dòng)臺(tái)車模型，臺(tái)車輪胎與地面為滾動(dòng)摩擦，摩擦因數(shù)取0.015，模型整體設(shè)為自動(dòng)單面接觸，模型整體施加Z向重力場(chǎng)，在與碰撞試驗(yàn)對(duì)應(yīng)位置處設(shè)置加速度傳感器提取碰撞仿真過程中的加速度曲線，鋁合金保險(xiǎn)杠正面碰撞分析模型如圖9所示[9-10]。

IIHS-TEST法規(guī)規(guī)定，在低速碰撞中，永久變形和損壞僅局限于保險(xiǎn)杠零部件，車身不能受損。結(jié)合該車空間布置關(guān)系，文中將兩款保險(xiǎn)杠的失效定義為防撞梁最大變形量超過它與散熱器之間的極限位移值110mm。

圖10和圖11為兩款保險(xiǎn)杠正面100%重疊碰撞仿真與試驗(yàn)變形對(duì)比；圖12和圖13則為兩款保險(xiǎn)杠40%偏置碰撞仿真與試驗(yàn)變形對(duì)比；仿真和試驗(yàn)的數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可見，正面100%重疊碰撞時(shí)，鋼制保險(xiǎn)杠最大變形量為180.5mm，已超過極限位移值，因而會(huì)導(dǎo)致汽車后部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞；鋁合金保險(xiǎn)杠最大變形量為103.0mm,小于110mm，能起到較好的保護(hù)作用。此外，鋁合金保險(xiǎn)杠對(duì)應(yīng)的臺(tái)車左側(cè)減速度峰值比鋼制保險(xiǎn)杠減小23.9%，可知鋁合金保險(xiǎn)杠同時(shí)擁有更好的緩沖性能，有利于加強(qiáng)乘員保護(hù)；正面40%偏置碰撞時(shí)，兩款保險(xiǎn)杠最大變形量均小于極限位移值，都能對(duì)汽車后部結(jié)構(gòu)起到良好的保護(hù)作用。鋁合金保險(xiǎn)杠對(duì)應(yīng)的臺(tái)車左側(cè)減速度值仍小于鋼制保險(xiǎn)杠，可知鋁合金保險(xiǎn)杠具有更好的緩沖性能。

表1 碰撞仿真與試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合仿真結(jié)果，對(duì)保險(xiǎn)杠耐撞性進(jìn)行定量研究，表2列出了鋼制和鋁合金保險(xiǎn)杠各部件的吸能情況：正面碰撞工況下，鋁合金保險(xiǎn)杠總吸能為2.84kJ，比鋼制保險(xiǎn)杠增加7.2%；40%偏置碰撞工況下，兩款保險(xiǎn)杠吸能總量基本相同，但鋁合金保險(xiǎn)杠前防撞梁吸收了更多的碰撞能量，充分發(fā)揮了前防撞梁的吸能潛力，有利于保護(hù)汽車后部結(jié)構(gòu)；從單位質(zhì)量吸能來看，鋁合金保險(xiǎn)杠單位質(zhì)量吸能明顯大于鋼制保險(xiǎn)杠，充分發(fā)揮了鋁合金材料比吸能大的特點(diǎn)，達(dá)到了輕量化開發(fā)的目的。

表2 兩種碰撞工況下保險(xiǎn)杠各部件吸能

原鋼制保險(xiǎn)杠的質(zhì)量為4.5kg，新的鋁合金保險(xiǎn)杠質(zhì)量為3.1kg。通過對(duì)新開發(fā)的鋁合金保險(xiǎn)杠和原鋼制保險(xiǎn)杠的低速碰撞分析，可知鋁合金保險(xiǎn)杠在減質(zhì)量31%的同時(shí)，擁有比原鋼制保險(xiǎn)杠更好的碰撞吸能性。

4 結(jié)論

(1) 通過高速拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了Johnson Cook材料本構(gòu)模型，更好地表征了6061-T6狀態(tài)鋁合金的力學(xué)性能，提高了仿真精度。

(2) 通過三點(diǎn)靜壓仿真與試驗(yàn)，對(duì)比分析了兩款保險(xiǎn)杠的強(qiáng)度性能。結(jié)果表明，鋁合金保險(xiǎn)杠靜壓力峰值為9.4kN，大于鋼制保險(xiǎn)杠的6.4kN?？梢娦麻_發(fā)的鋁合金保險(xiǎn)杠前防撞梁能夠承受更大的靜載荷，強(qiáng)度性能優(yōu)于鋼制保險(xiǎn)杠。

(3) 通過臺(tái)車碰撞仿真與試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明，正面100%重疊碰撞下鋁合金保險(xiǎn)杠總吸能比鋼制保險(xiǎn)杠增加7.2%，鋁合金保險(xiǎn)杠單位質(zhì)量吸能明顯大于鋼制保險(xiǎn)杠，且前防撞梁變形量和臺(tái)車減速度值均小于鋼制保險(xiǎn)杠，新開發(fā)的鋁合金保險(xiǎn)杠耐撞性能優(yōu)于鋼制保險(xiǎn)杠。

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