汽車(chē)前保險(xiǎn)杠緩沖吸能結(jié)構(gòu)低速碰撞仿真分析

田國(guó)富，楊成國(guó)

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

汽車(chē)前保險(xiǎn)杠緩沖吸能結(jié)構(gòu)低速碰撞仿真分析

田國(guó)富，楊成國(guó)

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

在低速碰撞中對(duì)某車(chē)型的汽車(chē)保險(xiǎn)杠進(jìn)行仿真分析，對(duì)保險(xiǎn)杠模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，利用HyperMesh建立有限元模型,再提交給LS-DYNA進(jìn)行計(jì)算，使用HyperView對(duì)碰撞結(jié)果進(jìn)行處理得到相關(guān)響應(yīng)參數(shù)，并對(duì)響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行結(jié)果分析，進(jìn)而確定在汽車(chē)保險(xiǎn)杠發(fā)生低速碰撞時(shí)其最主要吸能的部件以及吸能部位的響應(yīng)特性，為保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

汽車(chē)碰撞；保險(xiǎn)杠；仿真分析；吸能

0 引言

隨著汽車(chē)交通事故數(shù)量的逐年上升，作為保護(hù)人身財(cái)產(chǎn)安全的汽車(chē)安全工程已經(jīng)引起了人們高度的關(guān)注與重視。汽車(chē)安全包括主動(dòng)安全和被動(dòng)安全兩種方式，而目前被動(dòng)安全仍然是汽車(chē)安全最主要的方式，在被動(dòng)安全中汽車(chē)保險(xiǎn)杠作為主要結(jié)構(gòu)部件之一對(duì)車(chē)輛碰撞安全性能具有重要的影響，因此研究汽車(chē)保險(xiǎn)杠橫梁的碰撞特性,對(duì)于提高汽車(chē)碰撞安全性具有重要的意義。在汽車(chē)碰撞過(guò)程中,既有幾何非線性又有物理非線性, 復(fù)雜的碰撞接觸與摩擦問(wèn)題也存在于汽車(chē)碰撞過(guò)程中。因此,汽車(chē)碰撞性能的研究已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了理論解析的范疇,必須借助于試驗(yàn)與數(shù)值分析方法[1]。

1 汽車(chē)保險(xiǎn)杠概述

保險(xiǎn)杠是汽車(chē)被動(dòng)安全重要的零部件，當(dāng)汽車(chē)發(fā)生低速碰撞(一般小于10 km/h)時(shí)，可以通過(guò)保險(xiǎn)杠的變形吸收碰撞中的能量，有效地保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙室內(nèi)的零部件，同時(shí)對(duì)行人有最大程度的保護(hù)作用。由于保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在低速碰撞和行人保護(hù)這兩個(gè)方面起著關(guān)鍵性的作用，因此是國(guó)內(nèi)外汽車(chē)被動(dòng)安全領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。世界各國(guó)也都對(duì)保險(xiǎn)杠的耐撞性有具體的法規(guī)和試驗(yàn)規(guī)范要求[2]。

保險(xiǎn)杠一般是由外板、緩沖材料和橫梁三部分組成。其中外板和緩沖材料用塑料制成，橫梁用厚度為1.5 mm左右的冷軋薄板沖壓而成U形槽。

圖1 保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)圖

為了便于有限元分析，本文所研究的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化處理得到模型，如圖1所示保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)圖由三部分組成：橫梁、吸能盒和車(chē)身等效鋼板(可以將保險(xiǎn)杠后部分整車(chē)視為剛性板賦予整車(chē)的質(zhì)量)，其中橫梁和吸能盒支架都可作為緩沖吸能元件，其吸能好壞直接影響汽車(chē)安全性能。

2 汽車(chē)碰撞仿真有限元理論基礎(chǔ)

2.1 汽車(chē)碰撞過(guò)程中的非線性特性

非線性分析問(wèn)題是指結(jié)構(gòu)的剛度隨其變形而改變的問(wèn)題，在一個(gè)非線性系統(tǒng)中，系統(tǒng)的響應(yīng)與所施加載荷之間已不再是線性關(guān)系。

在汽車(chē)碰撞仿真模擬中有三種非線性情況[3-4]，分別是幾何非線性、材料非線性和邊界非線性(即接觸非線性)。

2.2 沙漏控制

為節(jié)省計(jì)算機(jī)分析時(shí)間，在 LS-DYNA 中通常使用縮減積分單元進(jìn)行非線性動(dòng)力分析，但是縮減積分可能引起零能模式或稱(chēng)沙漏模式[5]。所謂零能模式，指單元在不消耗任何能量的情況下可以隨意發(fā)生彎曲或剪切變形。分析過(guò)程中產(chǎn)生的沙漏變形往往會(huì)使得分析結(jié)果無(wú)效。沙漏現(xiàn)象只產(chǎn)生于實(shí)體和四邊形單元。在整車(chē)碰撞模型中，90%以上的單元是由四邊形和實(shí)體單元組成的。如果不對(duì)沙漏進(jìn)行控制，結(jié)構(gòu)的整體剛度將變小，從而使得仿真結(jié)果毫無(wú)意義[6]。

2.3 碰撞接觸的定義

利用計(jì)算機(jī)模擬汽車(chē)碰撞時(shí)需提前對(duì)接觸進(jìn)行設(shè)置。汽車(chē)碰撞時(shí)的主要接觸形式有變形體與變形體之間的接觸、變形體與剛體之間的接觸以及變形體內(nèi)部之間的接觸。對(duì)于這些接觸，在碰撞仿真中分別采用節(jié)點(diǎn)對(duì)面的接觸、面對(duì)面的接觸和單面自動(dòng)接觸來(lái)定義。正確定義碰撞接觸是準(zhǔn)確進(jìn)行碰撞仿真的必要條件。

2.4 時(shí)間步長(zhǎng)控制

時(shí)間步長(zhǎng)為每一步有限元積分的時(shí)間長(zhǎng)度。時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)大，會(huì)使計(jì)算不穩(wěn)定，導(dǎo)致模擬計(jì)算精度下降。因此，必須對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行控制。

3 汽車(chē)保險(xiǎn)杠有限元模型建立

在導(dǎo)入的CAD模型中，將保險(xiǎn)杠橫梁和吸能盒四邊形網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為10 mm，后鋼板和剛性墻壁的網(wǎng)格單元尺寸為20 mm，吸能盒與橫梁采用焊點(diǎn)連接，吸能盒與后板采用剛性連接，保險(xiǎn)杠與墻壁接觸定義為面面接觸，碰撞速度根據(jù)法規(guī)設(shè)定為4 km/h，為后鋼板上配重1 600 kg的mass點(diǎn),用于模擬整車(chē)質(zhì)量，具體流程如圖2所示。

圖2 有限元模型建立分析流程圖

3.1 導(dǎo)入模型

將設(shè)計(jì)好的保險(xiǎn)杠CAD模型通過(guò)Import命令導(dǎo)入HyperMesh。

3.2 幾何清理

利用幾何清理工具Quick edit、Edge edit、Surface等命令將CAD模型中重復(fù)和多余曲面刪除，建立丟失的曲面，合并自由邊。以便得到質(zhì)量好的網(wǎng)格。

3.3 劃分網(wǎng)格

本保險(xiǎn)杠為薄殼結(jié)構(gòu)，采用殼單元，由于碰撞過(guò)程中保險(xiǎn)杠橫梁和緩沖吸能盒是主要的變形吸能結(jié)構(gòu)，對(duì)其響應(yīng)特性進(jìn)行重點(diǎn)分析，因此將保險(xiǎn)杠橫梁和吸能盒網(wǎng)格劃分得細(xì)一些，將其單元尺寸設(shè)置為10 mm，對(duì)次要分析部件如后鋼板和剛性墻單元格設(shè)置為20 mm。

按照從小到大的順序劃分網(wǎng)格，同時(shí)要盡量保證所劃分網(wǎng)格主要為四邊形，然后點(diǎn)擊保存。得到如圖3所示的保險(xiǎn)杠有限元模型。

圖3 保險(xiǎn)杠有限元模型圖

3.4 汽車(chē)保險(xiǎn)杠有限元模型加載條件

對(duì)各零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分以后，對(duì)零部件設(shè)置材料和屬性，并進(jìn)行相應(yīng)的鏈接、加載、約束并設(shè)置計(jì)算控制參數(shù)，之后即可完成模型建模生成K文件，提交LD-DYNA求解器計(jì)算。

(1)連接設(shè)置

①新建一個(gè)沒(méi)有材料和屬性的Components，為后續(xù)設(shè)置焊點(diǎn)做準(zhǔn)備。

②點(diǎn)擊Spotweld工具，利用焊點(diǎn)將吸能盒內(nèi)外板與橫梁連接起來(lái)，焊點(diǎn)間距約為40 mm,吸能盒靠近后鋼板的焊點(diǎn)距后端不小于2個(gè)網(wǎng)格，以免影響下一步吸能盒與后板的連接受到破壞。

③在低速碰撞中吸能盒后方代表整車(chē)的以剛性板為主，因此吸能盒與后方剛性板的連接可以用剛體連接實(shí)現(xiàn)。

利用Elements工具，選中吸能盒后方一圈網(wǎng)格，點(diǎn)擊move，將后一圈網(wǎng)格移動(dòng)到后方剛板上，通過(guò)這種方法使吸能盒與后板剛性連接。

(2)配重和接觸設(shè)置

①新建一個(gè)沒(méi)有材料和屬性的Component，為后續(xù)的配重接觸做準(zhǔn)備。

②在Masses菜單中，將mass后的空格填入0.3。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上賦予0.300 kg的質(zhì)量(總共約1 600 kg)。

③在Analysis菜單中建立一個(gè)名字為Contact的文件,然后將保險(xiǎn)杠與碰撞墻的接觸定義為Surface to Surface接觸。

(3)約束和加載設(shè)置

①進(jìn)入Analysis菜單，利用Constrains工具中nodes命令，選中碰撞墻然后激活Create命令，從而將碰撞墻的節(jié)點(diǎn)全部約束為固定模式。

②在工具欄Loadcols菜單中，建立一個(gè)initialVel的加載，按照ECE R42 法規(guī)要求，設(shè)定的參考碰撞速度為4 km/h。

(4)計(jì)算機(jī)參數(shù)設(shè)置

①選取保險(xiǎn)杠正后方中間節(jié)點(diǎn)、保險(xiǎn)杠吸能盒正后方板上中心節(jié)點(diǎn)作為此output創(chuàng)建輸出文件。

②在control cards設(shè)置菜單中，設(shè)置以下幾種計(jì)算參數(shù)：control_energy、control_hourglass、control_shell，在關(guān)鍵字control_termination菜單中設(shè)置[ENDTIM]參數(shù)為0.050，關(guān)鍵字將計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)為50 ms。

③設(shè)置關(guān)鍵字在[TSUMIT]和[DT2MS]分別為1e-5和-1e-5,其他用默認(rèn)值，[DT]關(guān)鍵字設(shè)置為0.002 5。該關(guān)鍵字將每個(gè)D3plot文件輸出間隔設(shè)為2.5 ms。

圖4 保險(xiǎn)杠變形圖

④database_option設(shè)置為10e-5，將Binary Options選為ASCII-BINARY,因此可同時(shí)使用ASCII碼和Binary輸出文件。

⑤打開(kāi)Export功能菜單輸出名稱(chēng)為count.k的文件。

(5)提交計(jì)算

打開(kāi)LS-DYNA，在Input File 欄填入K文件路徑及文件名，單擊右上方RUN按鈕即可開(kāi)始該文件的求解計(jì)算。

4 保險(xiǎn)杠碰撞動(dòng)力響應(yīng)特性分析

利用HyperView后處理器對(duì)保險(xiǎn)杠的碰撞結(jié)果進(jìn)行查看分析。

4.1 保險(xiǎn)杠模型變形吸能分析

利用HyperView查看分析結(jié)果，得到保險(xiǎn)杠在0～50 ms之內(nèi)的變形過(guò)程如圖4所示。

經(jīng)過(guò)觀察分析圖4中保險(xiǎn)杠形狀變化，在0～25 ms之間保險(xiǎn)杠橫梁與碰撞墻逐漸接觸，保險(xiǎn)杠橫梁由彎曲變得平直，此過(guò)程保險(xiǎn)杠橫梁主要以彈性變形為主，通過(guò)橫梁的彈性變形，將碰撞初始時(shí)間段的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能。在25～50 ms時(shí)間段，隨著橫梁與碰撞墻進(jìn)一步的接觸，橫梁受到碰撞墻給的反向力逐漸加大，超過(guò)了橫梁的屈服條件，此時(shí)保險(xiǎn)杠的橫梁向內(nèi)部有一個(gè)大的折彎，通過(guò)不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形吸收了低速碰撞后半段的動(dòng)能。在整個(gè)低速碰撞過(guò)程中保險(xiǎn)杠橫梁變形較大，吸能盒變形很小。主要是由于在碰撞過(guò)程中，保險(xiǎn)杠橫梁先與碰撞墻發(fā)生接觸，系統(tǒng)的動(dòng)能先轉(zhuǎn)化為保險(xiǎn)杠橫梁變形的勢(shì)能，橫梁的變形很大，吸收大部分動(dòng)能，因此系統(tǒng)動(dòng)能逐漸下降，同時(shí)由于低速碰撞的速度較低，在吸能盒大變形之前碰撞過(guò)程幾乎停止。保險(xiǎn)杠橫梁的變形較大，吸能盒的變形較小，說(shuō)明保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

圖5 保險(xiǎn)杠位移云圖

4.2 位移云圖變化分析

由于汽車(chē)碰撞分析中正面碰撞分析是主要分析方向，設(shè)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度為4 km/h，方向?yàn)檠豖方向。圖5為保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的碰撞位移云圖。

經(jīng)過(guò)分析圖5的位移云圖可知，在碰撞過(guò)程中，保險(xiǎn)杠橫梁中間部分的云圖顏色由深變淺，再由淺變深，這一過(guò)程說(shuō)明保險(xiǎn)杠的橫梁先是向著碰撞墻移動(dòng)，在與碰撞墻開(kāi)始接觸后，受到剛性墻的阻擋，位移不再增加，隨著碰撞的繼續(xù)，當(dāng)橫梁受到剛性墻的力大于屈服條件時(shí)，發(fā)生塑性變形，開(kāi)始沿著X負(fù)方向折彎運(yùn)動(dòng)，這一過(guò)程導(dǎo)致了橫梁的負(fù)方向位移開(kāi)始增加，同時(shí)導(dǎo)致正向總體位移減少，這一變化過(guò)程與保險(xiǎn)杠低速碰撞實(shí)際過(guò)程相符。

4.3 位移-時(shí)間和速度-時(shí)間曲線變化分析

在保險(xiǎn)杠橫梁中部選取某節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)4050)作為輸出對(duì)象，得到該節(jié)點(diǎn)的位移-時(shí)間和速度-時(shí)間曲線，然后對(duì)曲線進(jìn)行分析。如圖6、圖7所示。

分析圖6的曲線：在0～5 ms區(qū)間，該節(jié)點(diǎn)位移與時(shí)間呈線性增加；在8 ms時(shí)曲線達(dá)到最高點(diǎn)，說(shuō)明此時(shí)保險(xiǎn)杠橫梁開(kāi)始與剛性墻接

圖6 位移-時(shí)間響應(yīng)曲線

圖7 速度-時(shí)間響應(yīng)曲線

觸；在8～15 ms之間曲線總體呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明這一階段橫梁在向X負(fù)方向壓縮變形；然而在接下來(lái)的15～50 ms時(shí)間段，曲線又開(kāi)始一小段上升然后又開(kāi)始下降，這一過(guò)程主要是因?yàn)楸ｋU(xiǎn)杠在發(fā)生塑形變形的同時(shí)，該節(jié)點(diǎn)受到擠壓開(kāi)始向X正方向凸起，直到凸起的頂點(diǎn)與剛性墻再次接觸受到反向的力，該力使得接觸部位繼續(xù)向X負(fù)方向壓縮變形，直到碰撞結(jié)束。這一碰撞過(guò)程中伴隨著兩次往返變形，使得變形更加充分，進(jìn)而能吸收掉更多的動(dòng)能。

分析圖7曲線：在0～10 ms,曲線為水平直線，保險(xiǎn)杠還沒(méi)有與剛性墻接觸，在10～30 ms區(qū)間上，曲線總體下降趨勢(shì)，說(shuō)明保險(xiǎn)杠橫梁與剛性墻接觸發(fā)生碰撞，在10 ms時(shí)速度為零，在10～50 ms曲線呈兩次先下降再上升并且為負(fù)值，說(shuō)明橫梁沿著X負(fù)方向有兩次折彎運(yùn)動(dòng)，并且有一個(gè)回彈的過(guò)程，直到在50 ms時(shí)速度達(dá)到0時(shí)，說(shuō)明此時(shí)碰撞幾乎結(jié)束，此過(guò)程符合上述位移-時(shí)間曲線，并且同時(shí)與碰撞實(shí)際過(guò)程一致。

5 結(jié)束語(yǔ)

使用HyperMesh、LS-DYNA、HyperView對(duì)保險(xiǎn)杠的變形圖、位移云圖、位移和速度與時(shí)間曲線關(guān)系進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)保險(xiǎn)杠在低速碰撞過(guò)程中的安全性與可行性做出了評(píng)價(jià)分析，確定在低速碰撞過(guò)程中保險(xiǎn)杠橫梁起主要吸能作用，為后續(xù)保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)提供理論參考。

[1] 檀曉紅,馮偉,趙華松. 汽車(chē)保險(xiǎn)杠橫梁碰撞性能的有限元分析[J].力學(xué)與實(shí)踐，2004,26(2)：35-38.

[2] 胡志遠(yuǎn)，曾比強(qiáng)，謝書(shū)港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽車(chē)安全仿真與分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[3] 趙唯．微型轎車(chē)側(cè)面碰撞計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究[D]．重慶：重慶交通大學(xué)，2008．

[4] 江志勇．基于轎車(chē)薄壁構(gòu)件碰撞的變形及吸能特性的仿真與分析[D]．武漢：武漢理工大學(xué)，2009．

[5] 蔣小晴．焊點(diǎn)失效模型在前縱梁耐撞性中的應(yīng)用分析[D]．長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2009．

[6] 王克．乘用車(chē)座椅動(dòng)態(tài)性能模擬研究[D]．重慶：重慶交通大學(xué)，2012．

The simulation analysis on energy absorption structure of automotive front bumper at low-speed collision

Tian Guofu,Yang Chengguo

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

The article makes a simulation analysis on a bumper at low speed collision. The model of bumper should be simplified firstly. And then it builds a finite element model with Hypermesh, after that, the model is submitted to the LS-DYNA for analysis. Lastly, it uses HyperView to deal with the collision results and get the relevant response parameters. Through the analysis of these parameters, it is confirmed that which part is most important in the function of absorbing energy.This can provid theoretical basis for bumper design.

collision; bumper;simulation analysis; energy absorption

U461.91;TP20

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.03.007

田國(guó)富，楊成國(guó).汽車(chē)前保險(xiǎn)杠緩沖吸能結(jié)構(gòu)低速碰撞仿真分析[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(3)：23-25，28.

2016-11-04)

田國(guó)富(1968-),男，博士后，副教授，主要研究方向：機(jī)械系統(tǒng)的CAD/CAE技術(shù)、工程車(chē)輛設(shè)計(jì)與試驗(yàn)等。

楊成國(guó)(1987-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：車(chē)輛工程。E-mail:ychgkycg6699@163.com。