輕型卡車后防護(hù)裝置的靜態(tài)加載數(shù)值分析

【摘要】對(duì)某輕型卡車后防護(hù)裝置，應(yīng)用Hyperworks、Oasys/primer在合理簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，建立了完整的有限元模型。按照國標(biāo)GB11567.2-2001關(guān)于汽車后下部防護(hù)裝置要求中規(guī)定的條件，通過LS-DYNA對(duì)該后防護(hù)裝置進(jìn)行了仿真分析，得到了滿足法規(guī)要求的仿真結(jié)果，為該后防護(hù)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】卡車；后防護(hù)裝置；仿真分析；非線性有限元法

前言[1]

在我國汽車工業(yè)經(jīng)過60年發(fā)展的今天，汽車消費(fèi)正走進(jìn)千家萬戶，汽車碰撞和追尾事故的發(fā)生率也顯著增多。特別是，小汽車追尾卡車的事故中，小汽車受到的危害更大。所以中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)：Motor vehicles and trailers-Rear underrun protection requirements GB11567.2-2001對(duì)汽車和后下防護(hù)裝置的技術(shù)要求和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行具體而明確地規(guī)定。本文就是模擬GB11567.2-2001所規(guī)定的靜態(tài)加載條件，采用HYPERMESH創(chuàng)建了某輕型卡車的后下防護(hù)裝置的有限元模型，利用LS-DYNA軟件進(jìn)行輕卡后防護(hù)裝置的仿真分析計(jì)算。通過分析仿真結(jié)果，為后防護(hù)的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1、汽車后防護(hù)有限元模型建立

1.1幾何模型的建立

根據(jù)具體的后防護(hù)結(jié)構(gòu)，依據(jù)國標(biāo)對(duì)靜態(tài)加載中加載裝置的幾何要求，應(yīng)用3D建模軟件CATIA

該模型包括一個(gè)防護(hù)裝置和一個(gè)靜態(tài)加載裝置。防護(hù)裝置包括兩個(gè)支架和一根橫梁。每個(gè)支架通過三個(gè)螺栓與車架縱梁連接，橫梁和支架之間通過焊接連接。

1.2網(wǎng)格劃分

依據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，支架、橫梁、螺栓連接點(diǎn)都盡量使用四邊形單元。由于模型比較小，所以網(wǎng)格劃分時(shí)采用6mm尺寸。后防護(hù)模型的單元要滿足一些質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：1、Warpage：四邊形小于10°；2、Aspect：小于5比1；Mesh Distortion：40°到135°，三角形25°到120°。

1.3單元類型

把畫好的網(wǎng)格導(dǎo)入Oasys/primer中。設(shè)置殼單元的SECTION，ELFORM值為2，即選擇Belytschko-Tsay單元，該單元為面內(nèi)單點(diǎn)積分，計(jì)算速度很快，對(duì)于大變形問題是穩(wěn)定有效的單元模式。SHRF值設(shè)為0.833；NIP值設(shè)為5。厚度T1～ T4取橫梁的真實(shí)厚度。

1.4材料選擇[2]

考慮實(shí)際輕型卡車的靜態(tài)后防護(hù)加載試驗(yàn)，本文選用LS-DYNA中的三中材料類型[3]：MAT20、MAT24、MAT100。其中MAT20為剛體材料，用于模擬有限元模型中的不變行部分，可以大大減少計(jì)算時(shí)間，節(jié)約資源。本文用在加載裝置上。MAT24是一種彈塑性材料類型，考慮應(yīng)變率對(duì)應(yīng)力的影響。需要定義多條硬化曲線，但本文是靜態(tài)加載故只需其中的一條符合加載條件的曲線。材料需要定義屈服應(yīng)力、泊松比、彈性模量、密度、有效應(yīng)力應(yīng)變曲線。選用MAT100材料類型作為支架和橫梁間的焊接材料。

1.5接觸定義[4]

現(xiàn)在的LS-DYNA接觸比較智能，一般使用自動(dòng)接觸即可。本文中焊點(diǎn)有自己?jiǎn)为?dú)的接觸，其余零件使用AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE即可。

1.6靜態(tài)加載邊界條件

兩點(diǎn)加載時(shí)為100KN或者相當(dāng)于車輛最大總質(zhì)量的50%的水平載荷（取兩者較小值），三點(diǎn)加載時(shí)為25KN或者相當(dāng)于車輛最大總質(zhì)量的12.5%的水平載荷（取兩者較小值）。

2、仿真結(jié)果分析

2.1后防護(hù)裝置支架和橫梁

從仿真結(jié)果的動(dòng)畫中可以看出，兩點(diǎn)加載和三點(diǎn)加載中，兩個(gè)支架都沒有脫落，符合法規(guī)對(duì)支架抗剪切能力的要求，滿足法規(guī)。從仿真結(jié)果中可以讀出后防護(hù)橫梁的最大應(yīng)力值，他們都小于材料Q235B的抗拉強(qiáng)度（405 MPa）。具體的各工況下橫梁最大應(yīng)力值如下表1：

2.2后防護(hù)裝置最大變形

從仿真結(jié)果中可以得出橫梁的最大變形，即最大位移值。最大位移值小于400mm所以該后防護(hù)裝置滿足法規(guī)GB11567.2-2001中對(duì)后防護(hù)的要求。具體的各工況下，橫梁最大位移值如表2：

3、結(jié)論

參照國標(biāo)GB11567.2-2001中對(duì)于汽車后下防護(hù)裝置要求的規(guī)定條件，建立了某輕型卡車后防護(hù)裝置的靜態(tài)加載有限元仿真模型。仿真分析結(jié)果表明后防護(hù)裝置的最大應(yīng)力值小于材料的抗拉強(qiáng)度，最大變形值小于400mm，所以該后防護(hù)裝置滿足法規(guī)對(duì)后防護(hù)的靜態(tài)加載要求。仿真結(jié)果表明，利用數(shù)值仿真技術(shù)進(jìn)行輕卡后防護(hù)裝置研究可以快速得到設(shè)計(jì)是否符合法規(guī)要求，節(jié)約實(shí)驗(yàn)次數(shù)和費(fèi)用，從而縮短開發(fā)周期，降低單車成本，提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，增大公司盈利能力。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB11567.2-2001汽車和掛車后下部防護(hù)要求[J].人民交通出版社，2001.

[2]朱西產(chǎn)，程勇.載貨汽車防護(hù)裝置最佳離地高度和剛度的分析[J].汽車工程，2002，24（5）：419-421.

[3]馬迅，郝琪，周宗良.汽車后防護(hù)裝置的碰撞仿真分析[J].公路交通科技，2009，26（4）：133-137.

[4]趙海鷗.LS-DYNA3D動(dòng)力分析指南[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2003.