低速碰撞下鋁制與鋼制保險杠系統(tǒng)仿真分析

徐志強，夏德偉，王文靜，胡智典

（遼寧忠旺集團有限公司（北京）技術(shù)與發(fā)展中心，北京100020)

低速碰撞下鋁制與鋼制保險杠系統(tǒng)仿真分析

徐志強，夏德偉，王文靜，胡智典

（遼寧忠旺集團有限公司（北京）技術(shù)與發(fā)展中心，北京100020)

以某一實際轎車的前保險杠系統(tǒng)為例，應(yīng)用Abaqus軟件分別對鋼制保險杠系統(tǒng)和鋁制保險杠系統(tǒng)進行了正面低速碰撞仿真分析，得到了兩種材料的仿真結(jié)果，包括碰撞過程中系統(tǒng)的位移、撞擊力隨時間的變化以及能量的轉(zhuǎn)化和耐撞指數(shù)。通過對兩種材料結(jié)果的比較，能夠得出鋁制保險杠系統(tǒng)在實現(xiàn)了輕量化的同時，也滿足了安全性，這為汽車的輕量化提供一定的參考。

鋁制保險杠系統(tǒng)；Abaqus；正面碰撞；輕量化

0 前言

保險杠系統(tǒng)是汽車車身的一個重要組成部分，其作用主要是當汽車與其他車輛或者障礙物發(fā)生低速碰撞時，保險杠系統(tǒng)的吸能盒能夠最大限度地吸收能量，使碰撞過程中的動能最大限度地轉(zhuǎn)換成內(nèi)能以減小碰撞事故中對行人的傷害以及保護翼子板、散熱器、發(fā)動機罩等部件[1]。目前對汽車保險杠或者保險杠吸能盒低速碰撞的研究有很多[1～6]，但絕大多數(shù)保險杠所采用的材料都是鋼，而目前采用鋁合金材料的保險杠系統(tǒng)相對較少。但是隨著國家提出節(jié)能減排的政策，汽車越來越向輕量化發(fā)展。根據(jù)美國鋁學(xué)會報告，汽車每使用0.45kg鋁就可減輕車重1kg，而對于一輛1300kg重的轎車，若重量減輕10%，其油耗可降低8%。因此，汽車輕量化已經(jīng)是社會的一個發(fā)展趨勢。

本文通過有限元數(shù)值計算分別對鋼制保險杠和鋁制保險杠進行了低速正面碰撞分析，并得出兩種材料的保險杠在碰撞中所吸收的能量、產(chǎn)生的最大撞擊力以及最大位移，并對上述結(jié)果加以比較，以確保鋁制保險杠的可適用性以及優(yōu)越性。

1 模型的建立

1.1 幾何模型

為了使仿真結(jié)果最大限度地接近實際情況，以某實際轎車前保險杠系統(tǒng)為研究對象建立幾何模型，包括橫梁、吸能盒、支架以及連接件等，具體如圖1、圖2所示。其中圖1為鋁制保險杠系統(tǒng)幾何模型，大部分構(gòu)件都是通過擠壓機擠壓而成。圖2為鋼制保險杠系統(tǒng)幾何模型。其相應(yīng)的材料參數(shù)見表1，鋁制保險杠在鋼制的基礎(chǔ)上重量減輕了51%。

圖1 鋁制保險杠系統(tǒng)幾何模型

圖2 鋼制保險杠系統(tǒng)幾何模型

表1 材料參數(shù)

1.2 有限元模型

本文的研究對象是剛性板和保險杠系統(tǒng)的低速碰撞，碰撞過程是一個動態(tài)分析。眾所周知，動態(tài)分析需要花費大量的計算時間，因此如何提高求解速度是求解的主要問題。一般采用Abaqus/Explicit算法進行動態(tài)分析，對于顯式分析，網(wǎng)格尺寸的設(shè)置非常的重要。網(wǎng)格劃分的越細，計算時間越長，對保險杠壓縮變形的描述也就更加真實。在合理保證精度的條件下應(yīng)盡量節(jié)省計算時間，故在劃分網(wǎng)格前，先用Hypermesh軟件對保險杠系統(tǒng)進行中面的抽取，將三維的實體模型轉(zhuǎn)換成二維的面體模型，然后對其進行網(wǎng)格劃分。單元的類型為四邊形殼單元，劃分后的有限元模型如圖3、圖4所示。

2 低速碰撞分析

2.1 抗撞性能參數(shù)

圖3 鋁制保險杠系統(tǒng)有限元模型

圖4 鋼制保險杠系統(tǒng)有限元模型

碰撞過程是一個動態(tài)分析，在此過程中需要考慮吸收的總能量、最大撞擊力、最大位移、耐碰撞指數(shù)等，并以此作為評判的標準。

對保險杠系統(tǒng)，在撞擊的過程中，對撞擊力有一個許可值的要求，這個值一般是由廠家來根據(jù)連接件剛度的差異來確定。

在碰撞過程中能量會發(fā)生轉(zhuǎn)化，所以能量輸出是ABAQUS/Explicit分析的一個重要部分。對整個碰撞過程而言，滿足能量守恒定律，即：

式中：EI為系統(tǒng)內(nèi)能；EK是系統(tǒng)動能；EV為其他形式的能量（以沙漏能為主）；Etotal為系統(tǒng)總能量。

在進行碰撞分析時， EV與總能量的比值在10%以內(nèi)，不影響計算結(jié)果[7]。吸收的總能量可以按式(2)計算：

式中：s為壓縮位移，mm；F(s)為撞擊力，N。吸能部件相同位移內(nèi)能量吸收的越多，碰撞性能越好，乘員的安全越有利。

另外，耐碰撞指數(shù)也是在分析過程中的一個參考指標。所謂耐碰撞指數(shù)，是指在某一狀態(tài)下，單位質(zhì)量的構(gòu)件所吸收的能量，該指數(shù)表明了不同材料的吸能能力。可由下式計算：

式中：ηc為耐碰撞指數(shù)，J/kg；M為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，kg。

2.2 正面低速碰撞分析

在低速碰撞模擬過程中，車體基本上不會發(fā)生后移，因此在用Abaqus軟件進行模擬時，對吸能盒連接板處全約束，將質(zhì)量為1t剛性墻以15km/h(即4.167m/s)的初速度撞擊保險杠，整個系統(tǒng)的總能量等于剛性墻的初始動能，可由下式計算得出：

碰撞動態(tài)仿真結(jié)果如圖5～圖12所示，其中圖5～圖8為t=8ms、24ms、32ms、44ms時鋁制保險杠系統(tǒng)的位移云圖；圖9～圖12為t=8ms、24ms、32ms和48ms時鋼制保險杠系統(tǒng)的位移云圖。從圖中可以看出，隨著時間t的增加，鋁制和鋼制保險杠都發(fā)生了塑性變形，彎橫梁逐漸被壓直，而且吸能盒部分明顯被壓潰。

圖5t=8ms時鋁制保險杠系統(tǒng)U云圖

圖6t=24ms時鋁制保險杠系統(tǒng)U云圖

圖7t=32ms時鋁制保險杠位移云圖

圖8t=44ms時制保險杠位移云圖

圖9t=8ms時鋼制保險杠位移云圖

圖10t=24ms時鋼制保險杠位移云圖

圖11t=40ms時鋼制保險杠位移云圖

圖12t=48ms時鋼制保險杠位移云圖

在碰撞仿真過程，以鋁制保險杠系統(tǒng)剛性板上一點為例，位移先隨時間t以平滑的曲線增大，在t=44ms時，位移達到最大，繼而開始逐漸減小。這表明，剛性墻以一定的初速度撞擊保險杠后，速度逐漸減小到0以后開始發(fā)生反彈。具體位移隨時間的曲線如圖13和圖14所示，圖13為鋁制保險杠系統(tǒng)碰撞過程中位移變化曲線，圖14為鋼制保險杠系統(tǒng)碰撞過程中位移變化曲線。整個碰撞過程，鋼防撞系統(tǒng)在48ms時位移達到最大，最大位移約為136mm；鋁防撞系統(tǒng)在44ms時位移達到最大，最大位移約為109mm。

圖13 鋁制保險杠系統(tǒng)位移曲線

圖14 鋼制保險杠系統(tǒng)位移曲線

在碰撞過程中，根據(jù)能量守恒定律，總能量保持恒定，內(nèi)能與動能會發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，如圖15、圖16所示。圖15為鋁制防撞系統(tǒng)碰撞過程中能量變化曲線，圖16為鋼制防撞系統(tǒng)碰撞過程中能量變化曲線。從曲線可以得出，在碰撞的過程中，隨著時間t的增加，系統(tǒng)動能逐漸轉(zhuǎn)化成內(nèi)能被保險杠系統(tǒng)所吸收。對鋁制保險杠而言，t=44ms時，內(nèi)能達到最大值，位移也達到最大值，而后，剛性墻將發(fā)生反彈，部分內(nèi)能又會轉(zhuǎn)化成剛性墻的動能。當t=60ms時，剛性墻與保險杠分離，以恒定的速度繼續(xù)沿碰撞的反方向前進，此時，內(nèi)能和動能保持穩(wěn)定狀態(tài)。總的能量與吸收的能量見表2。表2還對鋁制保險杠系統(tǒng)和鋼制保險杠系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)化進行了對比。

圖15 鋁制保險杠系統(tǒng)能量變化曲線

表2 保險杠系統(tǒng)計算結(jié)果

碰撞過程中，由于產(chǎn)生劇烈撞擊，會對乘客和司機產(chǎn)生一定的沖擊，因此還需要考慮撞擊力的影響。圖17、圖18分別為鋁制和鋼制保險杠在碰撞過程中的撞擊力變化曲線。從圖可以看出，隨著時間t的增加，撞擊力也會增加。以鋁制保險杠為例，在t=20ms時，撞擊力達到峰值，隨著時間t的繼續(xù)增加，撞擊力逐漸減小。通過分析判斷，t=20ms時，鋁制保險杠橫梁處在被壓平的狀態(tài)。對于兩種保險杠系統(tǒng)，對應(yīng)的撞擊力峰值見表2。

圖17 鋁制保險杠系統(tǒng)撞擊力變化曲線

圖18 鋼制保險杠系統(tǒng)撞擊力變化曲線

對保險杠的耐撞指數(shù)進行比較，根據(jù)式（3），耐撞指數(shù)為單位質(zhì)量的構(gòu)件所吸收的能量，可分別計算出鋁制和鋼制保險杠系統(tǒng)的耐撞指數(shù)，具體值見表2。

綜上所述，對于兩種不同材料制成的保險杠系統(tǒng)，從能量角度，兩者吸收的能量基本上相等，都吸收了97%的能量，并且在此過程中兩者產(chǎn)生的撞擊力峰值差與峰值的比值在1%以內(nèi)。但是從位移上看，鋁制保險杠系統(tǒng)所產(chǎn)生的位移比較小，這樣對翼子板、散熱器、發(fā)動機罩等部件損害相對較小。從耐撞指數(shù)看，鋁制材料保險杠的耐撞指數(shù)是鋼制的2倍，具有良好的吸能能力，這符合了汽車的安全性以及輕量化的要求。因此鋁制保險杠作為汽車吸能部件具有明顯的優(yōu)越性。

3 結(jié)論

對鋁制保險杠系統(tǒng)和鋼制保險杠系統(tǒng)分別進行了正面低速碰撞仿真分析，對其中關(guān)鍵問題做了較為深入的探索與研究。通過本次模擬分析得出以下結(jié)論：

（1）鋁制保險杠系統(tǒng)重量為4.6kg，鋼制保險杠系統(tǒng)重量為9.45kg，實現(xiàn)了汽車的輕量化。

（2）對兩種材料的保險杠系統(tǒng)進行了低速正面碰撞數(shù)值分析，得到了在相同的初速度條件下，整個碰撞過程中鋁制保險杠系統(tǒng)和鋼制保險杠系統(tǒng)的位移、撞擊力隨時間的變化以及保險杠所吸收的能量和碰撞過程中的耐撞指數(shù)。其中，鋁制保險杠系統(tǒng)的最大位移為109mm，最大撞擊力為125N，能量轉(zhuǎn)化率為97%，耐撞指數(shù)為1828 J/kg；鋼制保險杠系統(tǒng)的最大位移為136mm，最大撞擊力為124N，能量轉(zhuǎn)化率為97%，耐撞指數(shù)為892 J/kg。

通過對兩種材料保險杠系統(tǒng)進行分析，鋁制保險杠系統(tǒng)在實現(xiàn)了輕量化的同時，也滿足了汽車的安全性，作為汽車吸能部件具有明顯的優(yōu)越性。

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[3]龔杰.汽車前保險杠碰撞的有限元仿真分析研究[D].沈陽:東北大學(xué)，2010

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[5]楊永生.汽車保險杠系統(tǒng)低速碰撞性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2009

[6]李平飛,巢凱年.轎車保險杠系統(tǒng)低速正面碰撞性能的仿真研究[J].西華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2005,24(3):26-28，36

[7]李晨,陳昌明.轎車保險杠橫梁的碰撞安全性研究[J].上海汽車,2007,6:20-23

Bumper Crash Simulation Analysis of Aluminum Alloy and Steel at Low Speed

XU Zhi-qiang，XIA De-wei，WANG Wen-jing，HU Zhi-dian
(Liaoning Zhongwang Group Co.,Ltd.,Beijing Technology&Development Center,Beijing 100020,China)

Based on a front bumper of a real car,steel and aluminum alloy bumper for 100%positive at low-speed impact were simulated by Abaqus.The simulation results of two kinds of material were gotten,including the displacement of the system,the change of the impact force along with time,energy conversion and resistant index in the process of collision.After comparing the two kinds of materials,the results showed that the security of aluminum bumper can be met,which can provide certain reference for the automotive lightweighting.

aluminum alloy bumper system;abaqus;frontal impact;lightweight

TP392

A

1005-4898(2017)06-0059-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.06.12

徐志強（1987-），男，山東人，碩士研究生。

2017－08－08