汽車保險杠結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對汽車碰撞特性影響

喬維高,左義順,涂進進,李　園

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

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汽車保險杠結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對汽車碰撞特性影響

喬維高,左義順,涂進進,李園

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

摘要：隨著現(xiàn)代交通的不斷發(fā)展，交通事故率居高不下，而在各種交通事故中汽車碰撞事故發(fā)生率最高。為此，概述了用于碰撞仿真分析的顯式非線性有限元的基本理論，建立了基于ECE-R42法規(guī)的擺錘低速撞擊保險杠模型；利用HyperView對仿真結(jié)果中的保險杠系統(tǒng)應(yīng)力應(yīng)變云圖、橫梁變形部位節(jié)點位移、吸能盒壓縮量，以及能量變換等內(nèi)容進行了深入客觀的分析；探討了橫梁截面形狀、厚度和材料等因素對保險杠碰撞特性的影響。

關(guān)鍵詞：保險杠;汽車碰撞;顯式非線性有限元;Ls-Dyna

隨著我國經(jīng)濟水平的不斷提高，人們對汽車性能的要求也越來越高。汽車車速的提升是當下汽車制造的普遍趨勢，然而車速提高導(dǎo)致交通事故發(fā)生率居高不下，產(chǎn)生嚴重的交通威脅。交通事故中發(fā)生率最高的是汽車正面碰撞，在汽車正面碰撞過程中吸能部件主要是保險杠，保險杠可以起到在一定承壓范圍內(nèi)減輕汽車變形、保護駕駛?cè)说淖饔?。因此對保險杠碰撞特性的研究對保護人身安全、降低交通事故傷亡率有著重要意義。

1保險杠碰撞仿真的計算方法

汽車正面碰撞會產(chǎn)生劇烈位移與順勢扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致材料劇烈變形。當材料極度變形超過其塑性臨界值時，材料應(yīng)力與應(yīng)變呈非相關(guān)對應(yīng)關(guān)系。因此對步長的選取必須足夠小，才可以不破壞材料的本構(gòu)。于是，在汽車碰撞仿真過程中采用顯式非線性有限元方法[1-3]。

在大型工程問題的計算分析中應(yīng)用非線性動態(tài)有限元方法時，需要解決的最大難題是如何減少機時消耗。在總耗機時中占主導(dǎo)的是單元機時消耗。利用高斯積分對單元機時消耗進行計算可以最大限度地減少計算次數(shù)、計算機運算時間和數(shù)據(jù)占用空間。但零能模式即沙漏模態(tài)會導(dǎo)致計算結(jié)果嚴重失真，并且使方程求解過程十分復(fù)雜，甚至難以求出解析解[4-5]。針對該問題，應(yīng)采用人為控制的方法對沙漏模態(tài)進行控制。

筆者選用Ls-Dyna作為模擬仿真的軟件，該軟件可以解決結(jié)構(gòu)分析與非線性動力分析的問題，是求解非線性方程較為常用的工具。但是其前處理功能尚不完善，為此利用CATIA、HyperMesh來輔助Ls-Dyna進行建模求解。首先，通過CATIA建立基于保險杠的幾何模型；其次，將幾何模型導(dǎo)入HyperMesh中進一步建立有限元模型；再次，利用Ls-Dyna對所建立的有限元模型進行分析求解；最后，求解結(jié)束后再利用Ls-Dyna對其進行數(shù)值仿真分析。仿真流程如圖1所示。

圖1　仿真流程圖

2模型的建立

2.1保險杠模型的建立

保險杠模型主要包括吸能盒和保險杠兩個部分，通常采用焊接技術(shù)將其進行接合。根據(jù)已測得的某車型保險杠參數(shù)，采用CATIA V5R20建立保險杠碰撞系統(tǒng)實體模型，并根據(jù)歐洲前后端保護裝置標準ECE-R42建立擺錘的三維模型，如圖2所示。

圖2　保險杠及擺錘的三維幾何模型圖

鑒于原保險杠的實際結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜，筆者建立簡化的模型。碰撞分析主要是針對結(jié)構(gòu)變形進行分析計算，因此建立簡化的保險杠模型必須考慮部件的結(jié)構(gòu)變形問題。一般來說細小的孔結(jié)構(gòu)、零部件的連接等在建模時可適當簡化甚至不考慮；而車體縱梁以后的部分以帶有質(zhì)量的平面來簡化。

由于保險杠的一個方向比其他方向薄弱得多，因此多利用薄殼來進行網(wǎng)絡(luò)劃分。汽車車身零部件大部分由薄板沖壓而成，在碰撞中的力學(xué)特性可用薄殼單元理論來描述。由于BT殼單元的積分損耗最小，計算速度快，已成為Ls-Dyna缺省的殼單元公式，因此筆者采用BT殼單元。通過CATIA建立基于保險杠的幾何模型，然后將幾何模型導(dǎo)入HyperMesh中進一步繪畫網(wǎng)格，模型的單元尺寸為10mm，按對中碰撞要求對各部件位置進行定位，最終得到的保險杠碰撞系統(tǒng)有限元模型如圖3所示。

圖3　保險杠碰撞系統(tǒng)有限元模型

保證計算精度和計算效率的首要因素是高質(zhì)量的單元，在顯示算法的有限元軟件中，若網(wǎng)格單元質(zhì)量太差，會導(dǎo)致計算結(jié)果不收斂和計算精度的大幅度降低，這樣得到的仿真結(jié)果不具有實際指導(dǎo)意義。將檢查出的不合格單元刪除，并將保險杠各部件模型的網(wǎng)格進行處理優(yōu)化后，單元質(zhì)量均滿足仿真要求。各部件的網(wǎng)格信息如表1所示。

表1　各部件的網(wǎng)格信息

2.2材料和屬性設(shè)置

筆者在保險杠系統(tǒng)碰撞仿真中使用的材料為MATL24和MATL20。MATL24材料模型，在汽車碰撞、覆蓋件沖壓成形分析中，主要用于一些各向同性材料的分析。MATL20材料模型采用的是剛體材料，使用該材料的部件不考慮變形，所有節(jié)點將保持相對位置不變，其自由度耦合到剛體的質(zhì)量中心，不論有限元上模型定義多少節(jié)點，剛體最多有6個自由度，這樣就大大減少了CPU的計算時間。程序由組成剛體單元的密度與體積計算出質(zhì)心、質(zhì)量和慣量特性。作用于剛體上的力矩和力由每一時間步的節(jié)點值疊加而得，剛體運動通過質(zhì)心的計算得到，并將相應(yīng)位移值傳遞到節(jié)點[6-7]。基本參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2　保險杠系統(tǒng)部件的材料屬性

保險杠的橫梁和吸能盒的厚度都設(shè)置為1.29 mm。 其中，吸能盒為低碳鋼，具有較低的屈服極限，容易產(chǎn)生屈服變形，在碰撞過程中能迅速進入屈服階段，依靠屈服變形來吸收碰撞動能。

2.3連接設(shè)置

保險杠橫梁與吸能盒均屬于可變形體，其連接可以通過在兩個節(jié)點上建立相應(yīng)的焊點。該焊接方式中所用到的焊接單元不需要材料和屬性，否則會發(fā)生計算錯誤。吸能盒與車體的連接采用共節(jié)點的方式。由于筆者將車體部分簡化為一個質(zhì)量平面，屬性為不考慮變形的剛形體，而變形體與剛形體的連接不能用焊接方式，故采用共節(jié)點的連接方法。

3碰撞仿真結(jié)果分析

參照歐洲汽車前、后端保護裝置的評價標準ECE-R42，采用中心碰撞形式進行仿真模擬。按照試驗標準，擺錘的有效質(zhì)量應(yīng)與試驗車輛的整車整備質(zhì)量相等，根據(jù)所選車型的參數(shù)將其設(shè)置為1 220 kg。擺錘在406.5～508 mm間的任意高度進行自由下擺運動，以4 km/h的瞬時低速對保險杠進行撞擊[8-10]。在這種低速碰撞下會產(chǎn)生多種時間響應(yīng)歷程，主要包括瞬時位移、瞬時加速度、瞬時沖擊力響應(yīng)歷程。

將保險杠碰撞的計算時間設(shè)置為100 ms，截取0 ms、15 ms、30 ms、50 ms、60 ms、80 ms這6個時刻的應(yīng)力應(yīng)變云圖，如圖4所示。

圖4　保險杠各時刻應(yīng)力應(yīng)變云圖

通過圖4可以看出，保險杠橫梁前端在t=15 ms時已有輕微變形，說明此時碰撞已經(jīng)發(fā)生。隨后橫梁與擺錘的相對位移繼續(xù)增大，在t=50 ms左右時橫梁的塑性變形達到最大，在t=60 ms時變形又趨于減小，在t=80 ms時只在橫梁與吸能盒接觸的地方應(yīng)力較為集中，基本恢復(fù)到初始狀態(tài)。由此可知，30～50 ms是橫梁發(fā)生較大彈塑性變形的時間區(qū)間。整個碰撞過程中橫梁的最大應(yīng)力為1 511 MPa，而其所用材料的屈服應(yīng)力值為800 MPa，已發(fā)生較明顯的塑性變形。在該時間區(qū)間內(nèi)系統(tǒng)能量形式發(fā)生劇烈變化，擺錘的動能轉(zhuǎn)化為保險杠系統(tǒng)的內(nèi)能，即沖擊能量被吸收。由于是低速碰撞，初速度較小，50 ms后擺錘發(fā)生回彈，保險杠變形在50～100 ms時間區(qū)間內(nèi)逐漸恢復(fù)。同時還可以看到保險杠橫梁中部與擺錘碰撞后明顯向內(nèi)彎曲變形，這部分是應(yīng)力最集中的地方之一。

4保險杠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進

4.1截面形狀對碰撞性能的影響

將原來的B字型形截面改成呂字型，寬度、厚度等參數(shù)均不改變，在設(shè)計形狀時盡量保持截面面積不變，如圖5所示。仿真得到改進后呂字型結(jié)構(gòu)保險杠橫梁的碰撞過程應(yīng)力應(yīng)變云圖，如圖6所示。

圖5　保險杠橫梁結(jié)構(gòu)

圖6　呂字型結(jié)構(gòu)保險杠各時刻應(yīng)力應(yīng)變云圖

由圖6明顯可以發(fā)現(xiàn)，t=15 ms時橫梁前段已有輕微變形，30～50 ms是橫梁發(fā)生較大彈塑性變形的時間區(qū)間，隨后擺錘發(fā)生回彈，橫梁和吸能盒的變形逐漸恢復(fù)。整個碰撞過程中的最大應(yīng)力為1 461 MPa，超過橫梁屈服應(yīng)力極限800 MPa，但相對于原B字型結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力來說，還是有所減小。

4.2橫梁厚度對碰撞性能的影響

保險杠原橫梁厚度為1.29 mm，由于計算機仿真的便利性，可以任意修改其厚度值來觀察對碰撞性能的影響。分別將保險杠橫梁厚度設(shè)置為1 mm和1.8 mm，其分別約在t=50 ms和t=40 ms時變形達到最大，該時刻的應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖7所示。

圖7　不同厚度橫梁最大變形時的應(yīng)力應(yīng)變云圖

從圖7中可以看出1 mm 橫梁的變形量明顯大于1.8 mm橫梁，但都沒有超過橫梁與車體間的距離，滿足耐撞性要求。兩者在碰撞過程中的最大應(yīng)力值分別為1 618 MPa和1 367 MPa，超出橫梁的屈服極限，塑性變形發(fā)生。該結(jié)果符合實際情況，壁薄的橫梁強度較軟，變形較大。

4.3保險杠材料對碰撞性能的影響

汽車輕量化和安全性能是可以共存的，保險杠的輕量化可以從兩個方面實現(xiàn)：一是對結(jié)構(gòu)進行改進；二是采用低密度高強度的輕量化材料。這樣的材料主要有：①低密度的輕質(zhì)材料，如鋁合金、復(fù)合材料等；②高強度材料，如高強度鋼等。

筆者采用在汽車車身上運用越來越廣的鋁合金材料進行碰撞仿真實驗。仿真得到的碰撞過程應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖8所示。

圖8　保險杠各時刻應(yīng)力應(yīng)變云圖

由圖8可知，在t=15 ms時橫梁前段已有輕微變形，30～50 ms是橫梁發(fā)生較大彈塑性變形的時間區(qū)間，隨后擺錘發(fā)生回彈，橫梁和吸能盒的變形逐漸恢復(fù)。整個碰撞過程中的最大應(yīng)力為610.9 MPa，而所用7075-T6鋁合金的屈服極限為524 MPa，發(fā)生了少許塑性變形。原保險杠橫梁的屈服應(yīng)力值為800 MPa，而碰撞過程中的最大應(yīng)力為1 511 MPa，塑性變形較為嚴重。

5結(jié)論

按照ECE-R42法規(guī)建立了擺錘低速撞擊保險杠的有限元模型，探討了橫梁的截面形狀、厚度、材料等因素對整體碰撞性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)截面形狀對碰撞性能的影響不大；增加保險杠厚度沒有必要，相反減少厚度能夠在一定程度上增加保險杠系統(tǒng)單位質(zhì)量所吸收的能量值。采用鋁合金材料不僅能有效地輕量化保險杠，還能增強碰撞性能。研究結(jié)果對保險杠橫梁的設(shè)計與開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義，對深入研究汽車正面碰撞亦有一定的參考價值。

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QIAO Weigao:Prof.; School of Automotive Engineering,WUT,WuHan 430070,China.

[編輯：王志全]

文章編號：2095-3852(2016)01-0110-05

文獻標志碼:A

收稿日期：2015-05-25.

作者簡介：喬維高(1964-)，男，江蘇揚州人，武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院教授.

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51275211).

中圖分類號：U461.91

DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.01.024

Study of the Effects of Vehicle Bumper Structural Parameters Changing on Car Crash Characteristics

QIAO Weigao,ZUO Yishun,TU Jinjin,LI Yuan

Abstract：With the mass production of cars and utilities,the incidence of car accidents is increasing,while the case of car accidents in a variety ,collision probability is highest.The theory of the explicit nonlinear finite element which is adopted in the crash simulation is expounded.According to the European regulation of ECE-R42,a finite element model of low-speed crash .According to the European regulation of ECE-R42,a finite element model of low-speed crash between car bumper system and pendulum is established.The stress and strain contours,the displacement of node which on the deformation parts of bumper beam,the amount of compression of crash box and the process of energy conversion,etc.in the simulation results are objectively and deeply analyzed through Hyper View.Finally the paper discusses the influence factors on collision characteristics,such as the section shape,thickness and material properties of bumper beam.

Key words：bumper；collision；explicit nonlinear finite element；Ls-Dyna