汽車前縱梁薄壁結(jié)構(gòu)碰撞仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究*

蘇建，王秋成

(浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310014）

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車的碰撞安全性也需要不斷提高。汽車的碰撞安全性的研究也是現(xiàn)代汽車工業(yè)的重要內(nèi)容。

據(jù)研究表明，正面碰撞發(fā)生的概率是所有碰撞類型中最高的，對乘客造成的傷害也是最大的［1］。因此，汽車前端結(jié)構(gòu)的耐撞性對于汽車的碰撞安全性來說是非常重要的。

在汽車正面碰撞過程中，能量的吸收主要是通過汽車的前端部件來吸收，其中前縱梁是最主要的前端吸能部件，有試驗(yàn)表明，汽車在初始速度為48 km/h的情況下，進(jìn)行正面碰撞，得到的前縱梁吸能結(jié)果為：吸收了碰撞總能量的50%～70%［2］。因此，在正面碰撞中，前縱梁的耐撞性最為重要。

作為傳統(tǒng)、有效的吸能件即金屬薄壁構(gòu)件，在車身的吸能結(jié)構(gòu)中已得到廣泛的應(yīng)用。汽車碰撞的能量通過前縱梁的變形來吸收，汽車碰撞的加速度由汽車前端吸能結(jié)構(gòu)的平均壓潰載荷來決定，而前縱梁薄壁結(jié)構(gòu)在汽車壓潰變形中起到主導(dǎo)作用，因此前縱梁的變形及吸能狀況很大程度上決定了整車的耐撞性能好壞［3］。

本研究通過對誘導(dǎo)槽的位置、大小、形狀的研究，在前縱梁吸能部分加誘導(dǎo)槽，同時在前縱梁的后端添加加強(qiáng)板，來提高前縱梁的吸能特性。

1 前縱梁碰撞仿真

通過有限元法來進(jìn)行碰撞仿真分析，首先要建立模型，這是求解基礎(chǔ)。再對模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格單元、添加約束條件、碰撞速度及邊界條件等，然后進(jìn)行計(jì)算并得出結(jié)果。

1.1 單元選擇及網(wǎng)格劃分

不同的有限元模型要求選用不同的單元類型。殼單元、實(shí)體單元和梁單元等是常用的單元類型。因?yàn)槠囍械牟考蟛糠质墙饘兮k金件，本研究在模擬仿真中的單元類型選用殼單元以描述出前縱梁正面碰撞過程的變形特性。

對于有限元分析，網(wǎng)格大小的選擇也是很重要的。網(wǎng)格大小的不同對變形形式的描述也是不同的，網(wǎng)格大小對計(jì)算時間的要求也不同［4］。網(wǎng)格越小，計(jì)算的時間越長，也計(jì)算得越精確，網(wǎng)格越大，計(jì)算時間越短。在網(wǎng)格大小的選擇上，盡管越小的網(wǎng)格單元尺寸對變形描述越詳盡，但是增加了計(jì)算的時間，而網(wǎng)格單元尺寸太大可能會產(chǎn)生較大沙漏能，會導(dǎo)致變形結(jié)果失真，所以要根據(jù)不同的情況選擇不同的網(wǎng)格尺寸。

文獻(xiàn)［5］認(rèn)為方形的薄壁梁疊縮半徑可以估計(jì)為：

式中：r—疊縮半徑，C—截面寬，t—板厚。

對于截面為矩形的薄壁梁，C可以取截面長或?qū)挕臄?shù)值模擬角度來考慮，想要精確的描述薄壁梁碰撞過程中的疊縮變形過程，網(wǎng)格單元的大小最好小于疊縮圓弧長一半：網(wǎng)格單元的邊長l＜0.5 πr。

綜上所述，本研究根據(jù)具體的模型，對網(wǎng)格單元的大小作出以下選擇：前縱梁的前半部分單元尺寸取為5 mm，后半部分單元尺寸取為10 mm。

1.2 材料特性及焊點(diǎn)布置

前縱梁是非常重要的吸能部件，當(dāng)汽車發(fā)生正面碰撞時，前縱梁會通過自身的壓潰式變形來吸收碰撞動能［6］。本研究中，前縱梁材料根據(jù)普通低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變將材料的特性設(shè)置為MAT24，即24號分段的線性材料。

焊點(diǎn)的質(zhì)量以及分布方式對前縱梁的變形、能量的吸收以及加速度的變化等也會有影響［7］。因此，在設(shè)計(jì)前縱梁時，也要考慮到有關(guān)焊點(diǎn)的一些參數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)［8］的分析研究，本研究中焊點(diǎn)的設(shè)置間距為：前半部分10 mm～20 mm；后半部分為30 mm～40 mm。劃分好網(wǎng)格之后，筆者使用rigidlnk模擬焊點(diǎn)將各構(gòu)件進(jìn)行焊接。

1.3 模型的建立及碰撞仿真分析

本研究采用前縱梁碰撞剛性墻的方式來模擬，前縱梁的質(zhì)量為500 kg，速度為10 m/s，前縱梁速度方向?yàn)閄軸方向，使其正面碰撞剛性墻。

前縱梁的模型如圖1所示，圖示左端為固定的剛性壁，右端為移動的前縱梁，本研究利用LS-DYNA［9-10］軟件對前縱梁的正面碰撞過程進(jìn)行分析，能夠較準(zhǔn)確地模擬出前縱梁正面碰撞的變形過程，同時還能得出其加速度及吸收的能量等碰撞特性參數(shù)，加速度-時間曲線圖如圖2所示，能量—時間曲線圖如圖3所示。

圖1 前縱梁模型

圖2 前縱梁加速度-時間曲線

圖3 前縱梁碰撞變形的吸能曲線

2 前縱梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

前縱梁主要通過壓潰變形來吸收碰撞能量，盡可能讓碰撞動能在前縱梁發(fā)生疊縮變形的區(qū)域內(nèi)被吸收，避免使車身其他的結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而可以通過更換損壞車輛前部的保護(hù)裝置來進(jìn)行維修，這不僅保護(hù)了乘員安全，又減少了汽車的維修費(fèi)用，這種吸能形式是薄壁梁最理想的吸能形式。

通過采取在前縱梁前端吸能部分上加誘導(dǎo)槽以及在后部加加強(qiáng)板的方法可以提高前縱梁的吸能特性，優(yōu)化后的前縱梁模型如圖4所示。本研究對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，前縱梁在32 ms時的變形圖如圖5所示。

圖4 優(yōu)化后的前縱梁模型

圖5 優(yōu)化后的前縱梁變形圖

加誘導(dǎo)槽的位置，以及槽的形狀大小對前縱梁的吸能特性都有影響［11］：

（1）誘導(dǎo)槽所在的位置不同，前縱梁吸能特性也不同，誘導(dǎo)槽最佳位置是在吸能部分剛度最大的地方，在該部位加誘導(dǎo)槽能削弱該處的拉壓剛度，來減小前縱梁最大碰撞力，同時引導(dǎo)前縱梁發(fā)生漸進(jìn)疊縮的變形。

（2）誘導(dǎo)槽的大小也會影響它的誘導(dǎo)性能，尺寸偏小會造成誘導(dǎo)效果的不明顯，尺寸偏大會使誘導(dǎo)槽的后端吸能部分出現(xiàn)較大的碰撞力。

（3）誘導(dǎo)槽形狀對前縱梁吸能特性的影響不大。

通過在前縱梁吸能區(qū)域加誘導(dǎo)槽，可以對剛度強(qiáng)的部位預(yù)先進(jìn)行弱化，可以使前縱梁發(fā)生漸進(jìn)疊縮的變形，同時有效地降低了碰撞力峰值。

通過在前縱梁的后端添加加強(qiáng)板，可以增加縱梁后端的剛度，使得前縱梁在碰撞變形時后端會向上拱起，從而減少了前縱梁向后的進(jìn)給量，也減少了碰撞對乘客的傷害。加強(qiáng)板的位置、板厚、大小也會對吸能特性有影響［12］。

為了清楚地描述前縱梁在正面碰撞過程中的吸能特性，本研究得出的前縱梁加速度-時間曲線如圖2所示，能量-時間曲線如圖3所示。

計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后的前縱梁吸收的能量為18 kJ，優(yōu)化前的前縱梁結(jié)構(gòu)吸收的能量為11 kJ，優(yōu)化后的前縱梁單位質(zhì)量吸收能量提高了63.3%。從變形情況來看，優(yōu)化后的前縱梁達(dá)了到一個很好的變形模式，前端吸能部分以漸進(jìn)疊縮的方式變形，后端加加強(qiáng)板的部分向上拱起，從而減小了對駕駛艙內(nèi)人員的沖擊。

3 結(jié)束語

本研究利用HyperMesh和LS-DYNA軟件模擬了前縱梁正面碰撞過程，根據(jù)仿真的結(jié)果，可以進(jìn)一步優(yōu)化前縱梁結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步提高汽車的安全性。

通過加誘導(dǎo)槽，使前縱梁達(dá)到漸進(jìn)疊縮的變形形式，通過加加強(qiáng)板，增強(qiáng)了前縱梁后端的剛性，采用本研究提出的方法對前縱梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并進(jìn)行比較，其研究結(jié)果表明：兩種前縱梁以相同的速度碰撞剛性墻后，優(yōu)化后的前縱梁的重量基本沒變，吸收的碰撞能量增加了63.6%，單位質(zhì)量吸收的能量增加了63.3%，優(yōu)化后的前縱梁碰撞特性有了很大的提高。

本研究提出的前縱梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法有良好的實(shí)用價值，不僅適用于前縱梁結(jié)構(gòu)，對于其他相類似的結(jié)構(gòu)也有參考意義。

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