汽車緩沖吸能式保險杠碰撞能量衰變特性研究

趙樹恩，林繁國，李玉玲

（1.重慶交通大學(xué) 機電與汽車工程學(xué)院，重慶400074；2.陜西理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，陜西 漢中723000）

汽車緩沖吸能式保險杠碰撞能量衰變特性研究

趙樹恩1,2，林繁國1，李玉玲1,2

（1.重慶交通大學(xué) 機電與汽車工程學(xué)院，重慶400074；2.陜西理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，陜西 漢中723000）

針對汽車緩沖吸能式保險杠在瞬間將汽車撞擊產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化成多向撞擊狀態(tài)，實現(xiàn)多點同步或異步衰減吸收的目的?；贖ypermesh軟件建立汽車緩沖吸能式保險杠正面碰撞有限元模型，采用ANSYS/Ls-Dyna求解器對汽車正面撞擊速度分別為10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h時保險杠的最大應(yīng)力及緩沖吸能裝置的吸能特性進行數(shù)值仿真，得到不同撞擊速度下的碰撞能量衰變特性曲線，仿真結(jié)果表明：碰撞時吸能盒的凹槽處和橫梁所受的應(yīng)力最大，橫梁所受的應(yīng)力有向中心集中分布的規(guī)律，當(dāng)其應(yīng)力集中到某一程度時，橫梁開始從中心處發(fā)生折彎；隨著撞擊動能的增加，吸能比呈先增大后減小的趨勢；碰撞過程中，碰撞能量近似線性衰減，隨著撞擊速度的增加，碰撞能量衰減曲線的斜率急劇增大。

振動與波；保險杠；碰撞；仿真分析；能量衰變

公路交通的快速發(fā)展和汽車保有量的飛速增長，在給人們的出行帶來便捷的同時，也造成了嚴(yán)重的交通安全問題。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，全球每年約有127萬人死于道路交通事故，在這些各類交通事故中，碰撞事故是導(dǎo)致人員傷亡的主要形式[1,2]。在汽車碰撞安全性研究中，為了保證駕乘人員有足夠的生存空間，駕乘艙不應(yīng)有過大的碰撞變形。目前國內(nèi)外對汽車緩沖吸能式保險杠的研究，主要集中在吸能裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇及耐碰撞性分析等方面。如Yamazaki等人[3]對薄壁管結(jié)構(gòu)的抗撞性能最大化技術(shù)進行了研究，通過試驗建立了設(shè)計空間，利用響應(yīng)面法構(gòu)造近似設(shè)計模型，并通過一般的數(shù)學(xué)規(guī)劃求解該近似模型；S.M.Sohn[4]根據(jù)CMVSS 215法規(guī)進行了液壓成型保險杠支架碰撞能量吸收評估研究，其結(jié)果表明液壓成型保險杠支架比傳統(tǒng)成型支架展現(xiàn)了更好的耐碰撞性能，但其生產(chǎn)成本較高更適用于高級轎車；哈爾濱工業(yè)大學(xué)王輝教授等人[5]采用動態(tài)顯式有限元仿真技術(shù)對汽車保險杠系統(tǒng)低速碰撞性能進行了研究，并對主要吸能組件吸能盒進行了一系列改進；重慶理工大學(xué)米林教授等人[6]運用LS-DYNA軟件對不同截面形狀的單腔和多腔鋁合金吸能盒的吸能特性進行了研究，得到了吸能盒在碰撞過程中的吸能特性和變形規(guī)律。

為了分析汽車緩沖吸能式保險杠如何在瞬間將汽車撞擊產(chǎn)生的單波次動能轉(zhuǎn)化成多向撞擊狀態(tài)，并實現(xiàn)多點同步或異步衰減吸收的能量衰變特性，本文基于Hypermesh和ANSYS/Ls-dyna軟件對汽車緩沖吸能裝置在不同正面撞擊速度時的響應(yīng)特性進行數(shù)值仿真，得到汽車吸能裝置的最大應(yīng)力、吸能特性和撞擊動能的衰變特性曲線。這對提高汽車被動安全性能和緩沖吸能裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

1 碰撞仿真基本理論

1.1 碰撞動力學(xué)理論

本文對汽車緩沖吸能式保險桿的模擬碰撞速度為10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h，碰撞過程是一個動態(tài)的大位移和大變形過程，而對于大變形問題，仿真軟件LS-DYNA主要采用更新拉格朗日格增量算法[7]。更新拉格朗日增量算法描述如下。

任意質(zhì)點的運動軌跡方程

式中Xi為質(zhì)點的初始位置。質(zhì)點X在任意時刻的空間坐標(biāo)為

式中NI為節(jié)點I的形函數(shù)。由此可得單元內(nèi)任一點X的位移為

式中uiI為節(jié)點I的位移。同理，單元內(nèi)任一點的速度、加速度、變形率和虛速度可表示為

式中Dij為變形率，DI為拉普拉斯變換式，δvi為質(zhì)點X的虛速度，δviI為節(jié)點I的虛速度。t0時刻的初始條件為

能量守恒方程式

p為現(xiàn)時構(gòu)形中的介質(zhì)密度，wint為單位質(zhì)量的內(nèi)能，σij為Euler應(yīng)力。

動量守恒方程式

滿足以下邊界條件。

(1)位移邊界條件

(2)應(yīng)力邊界條件

式中bi為作用于物體單位質(zhì)量上的力。取虛速度為加權(quán)系數(shù)，利用加權(quán)余量法，并利用分步積分，公式(6)還可以寫成

式中ti為面力，v為瞬時速度，dA為物質(zhì)面元，u¨i為單位元的加速度。將公式(4)寫成矩陣形式，并代入公式(9)中，可得動力學(xué)微分方程

1.2 基于中心差分法的汽車碰撞動力學(xué)解析

對于動力學(xué)微分方程的求解，仿真軟件LS-DYNA主要采用顯示有限元中心差分法[8]，其描述如下。

如果0，t1，t2，…，tn時刻的節(jié)點位移、速度和加速度均已知，先求解tn+1(t+Δt)時刻的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。中心差分法對加速度的導(dǎo)數(shù)采用中心差分替代，即

把上式代入式（10）中，整理得

求解線性方程組(12)，可得t+Δt時刻的節(jié)點位移向量Ut+Δt，將Ut+Δt代入幾何方程與物理方程中可獲得t+Δt時刻的單元應(yīng)力與單元應(yīng)變。

幾何方程

物理方程

2 緩沖吸能式保險杠有限元模型建立

參考某汽車緩沖吸能式保險杠的實際尺寸，并對其進行簡化，只保留對碰撞結(jié)果影響較大零部件，如吸能盒和橫梁[9]。為了加快模型的仿真收斂速度，碰撞過程中汽車的變形主要在保險杠上，車架基本不變形，因此可以將整車假想成后鋼板，只對吸能裝置的結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬分析[10]。改進后的碰撞系統(tǒng)主要由四部分組成：弓字形結(jié)構(gòu)的橫梁、左右吸能盒和后鋼板，如圖1所示。

本文所選用的緩沖吸能式保險杠為典型的薄殼結(jié)構(gòu)，碰撞系統(tǒng)采用四節(jié)點BT殼單元[11]，橫梁的網(wǎng)格單元尺寸為10 mm，吸能盒的網(wǎng)格單元尺寸為8 mm，后鋼板和剛性墻壁的網(wǎng)格單元尺寸為20 mm，總單元數(shù)為10 583，碰撞系統(tǒng)的有限元模型如圖2所示。

圖1 保險杠結(jié)構(gòu)圖

圖2 碰撞系統(tǒng)的有限元模型

由于碰撞模型中采用的都是四節(jié)點的BT殼單元，為提高計算效率，在Hypermsh中可選用有限元單點積分計算方法，因此必然會給單元各場函數(shù)帶來能量損失，發(fā)生所謂沙漏現(xiàn)象，將使得計算結(jié)果不可信，所以必須對沙漏進行有效的控制。為保證計算結(jié)果的精度，可將沙漏系數(shù)設(shè)為0.1[12]。

3 緩沖吸能式保險杠碰撞性能分析

碰撞過程中，剛性墻壁和后鋼板基本不變形，主要變形發(fā)生在橫梁和吸能盒上，剛性墻和后鋼板選用MAT 20號剛性體材料模型，吸能盒和橫梁選用MAT 24號材料模型，保險杠各材料參數(shù)如表1。

吸能盒與橫梁和吸能盒與后鋼板之間采用焊點連接，保險桿與墻壁間的接觸定義為Automatic Surface To Surface接觸[13]，保險杠為主接觸，墻壁為從接觸。根據(jù)《GB 11551-2003乘用車正面碰撞的乘員保護》的技術(shù)要求[14]，本文所模擬的正面撞擊速度為10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h，對汽車緩沖吸能式保險杠配重800 kg。

表1 保險杠各材料參數(shù)

圖3—圖7分別為正面撞擊速度為10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h和50 km/h時汽車緩沖吸能裝置的最大應(yīng)力云圖。由圖3可以看出，當(dāng)正面撞擊速度為10 km/h時，吸能裝置的最大應(yīng)力主要集中在橫梁與墻壁的碰撞接觸區(qū)域和吸能盒的凹槽處，最大應(yīng)力值雖超過了材料的屈服極限，但吸能盒和橫梁都沒有發(fā)生明顯的彈塑性變形；在圖4和圖5中，隨著撞擊速度的增加，吸能裝置所受的應(yīng)力也隨之增加，并且橫梁所受的最大應(yīng)力集中向中心處分布，但沒有發(fā)生明顯的變形而吸能盒開始被壓潰；由圖6和圖7可知，當(dāng)撞擊速度大于40 km/h時，吸能盒基本被完全壓潰，橫梁中心處出現(xiàn)集中力，并且超過了材料的屈服極限，橫梁開始從中心處發(fā)生折彎，撞擊速度越大，折彎越嚴(yán)重。

圖3 車速10 km/h時的最大應(yīng)力云圖

圖4 車速20 km/h時的最大應(yīng)力云圖

圖5 車速30 km/h時的最大應(yīng)力云圖

圖6 車速40 km/h時的最大應(yīng)力云圖

圖7 車速50 km/h時的最大應(yīng)力云圖

表2為汽車緩沖吸能式保險杠在各撞擊速度下的吸能比，表中的總能量為車輛的初始碰撞能量，碰撞過程中遵循能量守恒方程式6。從此表可以看出，隨著撞擊速度的增加，吸能裝置的吸能量一直在增加，但是撞擊速度越大吸能量的增加越緩慢，而吸能比先增大后減??；當(dāng)撞擊速度為40 km/h時，吸能比最大，達到93.08%。結(jié)合圖3—圖7，可以得到隨著撞擊速度增加，吸能盒和橫梁的彈塑性變形也越大，吸能裝置的吸能量也越大，但是當(dāng)撞擊速度達到50 km/h時，吸能盒基本被完全壓潰，吸能裝置的吸能量也越接近吸能極限值，這也解釋了吸能比下降的原因。

表2 保險杠的吸能比

圖8、圖9分別為碰撞過程中，各撞擊速度條件下汽車緩沖吸能裝置的動能和內(nèi)能隨時間的變化曲線，反映了汽車緩沖吸能裝置正面撞擊剛性墻時的吸能特性和能量衰變特性。

由圖8和圖9可以看出，保險杠的內(nèi)能和動能變化趨于平衡，說明沙漏能量損失小，實驗結(jié)果準(zhǔn)確。圖8表明這五種撞擊速度條件下吸能裝置的內(nèi)能在20 ms左右達到最大，之后隨著碰撞系能量的衰減，橫梁和吸能盒部分形變發(fā)生彈性回彈，最終吸能盒和橫梁的形變穩(wěn)定，即發(fā)生塑性形變。在圖9中，盡管隨著撞擊速度的增加，但是吸能裝置的碰撞時間基本沒變化，其動能在20 ms左右就衰減至零，其中碰撞能量的衰減近似于線性衰減，碰撞能量的衰減曲線斜率隨著撞擊速度的增加而增加，即保險杠的初始碰撞能量越大，其衰減的速度也越快；之后保險杠的動能又慢慢增加，最后動能在極小值趨于穩(wěn)定，這是由于橫梁和吸能盒部分彈性恢復(fù)。

圖8 保險杠內(nèi)能的變化曲線

圖9 保險杠動能的變化曲線

4 結(jié)語

對于橫梁采用弓字形結(jié)構(gòu)的吸能式保險杠，碰撞時，橫梁和吸能盒的凹槽部分承受的應(yīng)力最大，并且隨著碰撞能量增大，吸能盒首先發(fā)生明顯的彈塑性變形，橫梁所受的最大應(yīng)力有向中心分布的規(guī)律，最終在橫梁中心處出現(xiàn)集中力，當(dāng)其超過材料的屈服極限時，橫梁開始發(fā)生折彎，此時吸能盒幾乎已經(jīng)被完全壓潰。

隨著撞擊速度的增加，吸能裝置的吸能量也隨之增加，而吸能比先增大后減小，當(dāng)撞擊速度為40 km/h時，吸能比最大，為93.08%；碰撞能量的衰減近似于線性衰減，并且衰減曲線的斜率隨著撞擊速度的增加而增加，即保險杠的初始碰撞能量越大，其衰減的速度也越快。

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Study on Collision Energy Decay Characteristic of Energy-absorbing Bumper for Car Crash

ZHAO Shu-en1.2,LIN Fan-guo1,LI Yuling1,2

(1.School of Mechatronics andAutomobile Engineering,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China; 2.School of Mechanical Engineering,Shanxi University of Technology, Hanzhong 723000,Shanxi China)

∶For energy-absorbing bumpers of automotive turning impact kinetic energy into multiple impact condition in an instant and realizing the purpose of multiple point synchronous or asynchronous absorption,the Hypermesh software was used to establish a finite element model for the energy absorbing bumper,and the ANSYS/Ls-Dyna solver was simulated for the crash analysis of maximum stress of the bumper and energy absorption characteristics of energy absorbing cushion device and the characteristics of collision energy decay curves at different velocity as 10 km/h,20 km/h,30 km/h,40 km/h and 50 km/h.The simulation results show that the energy-absorbing box of grooves and beams was suffered the greatest stress, and the beam stress was concentrated to the center distribution rule when the bumper was crashing,and when the stress concentration increased a certain extent,the beam started bent in the center.With the increase of the impact energy,the energy absorption ratio of the energy absorbing device increased at first and then decreased.In the process of collision,the way of collision energy decay was the linear attenuation,along with the increase of the impact velocity,the slope of the collision energy decay curve increased sharply.

∶vibration and wave;bumper;collision;simulation analysis;energy decay

U463< class="emphasis_bold">文獻標(biāo)識碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.023

1006-1355(2014)06-0102-05

2014-10-01

重慶市科委自然科學(xué)基金重點項目(cstc2013jj B60001)；陜西省科技廳科研項目(2014JM7291)

趙樹恩，男，陜西洋縣人，博士，副教授，主要從事汽車系統(tǒng)動力學(xué)及綜合控制、新能源汽車設(shè)計理論與方法等方面的研究工作。

E-mail∶zse0916@163.com。