汽車前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

穆 偉

(山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

汽車保險(xiǎn)杠是車身主要的安全防護(hù)部件[1]，在汽車碰撞過程中，其對(duì)保護(hù)駕駛?cè)藛T安全有重要作用。因此，汽車保險(xiǎn)杠一直是汽車耐撞性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。

汽車碰撞時(shí)，保險(xiǎn)杠盡可能多地吸收碰撞能量[2]，實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)杠的輕量化是汽車保險(xiǎn)杠優(yōu)化設(shè)計(jì)的趨勢[3-4]。文獻(xiàn)[5]結(jié)合非線性拓?fù)鋬?yōu)化方法和連續(xù)變厚度軋制技術(shù)對(duì)汽車保險(xiǎn)杠橫梁進(jìn)行了耐撞性設(shè)計(jì)，并確定了保險(xiǎn)杠的厚度分布。文獻(xiàn)[6]通過探索保險(xiǎn)杠防撞橫梁和吸能盒壁厚對(duì)其安全性能的影響，得到了兩者的最佳組合方案，顯著改善了保險(xiǎn)杠性能。文獻(xiàn)[7]針對(duì)汽車保險(xiǎn)杠輕量化設(shè)計(jì)的要求,設(shè)計(jì)了一種整體式碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料保險(xiǎn)杠，并進(jìn)行了優(yōu)化求解。文獻(xiàn)[8]提出了一種利用鋁合金吸能盒結(jié)構(gòu)有限元模型優(yōu)化其吸能特性的方法，并對(duì)該方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。以上研究中，保險(xiǎn)杠的仿真過程與實(shí)際情況相差較大，仿真結(jié)果誤差較大，因此對(duì)其碰撞性能改善有一定影響。

本文使用CATIA和LS-DYNA軟件建立典型小型車鋼、鋁等不同材質(zhì)的前保險(xiǎn)杠(以下簡稱保險(xiǎn)杠)及車架模型，并進(jìn)行仿真碰撞獲得鋁制保險(xiǎn)杠最優(yōu)厚度，然后對(duì)其碰撞性能進(jìn)行分析，確定最優(yōu)結(jié)果的可行性。

1 保險(xiǎn)杠低速碰撞仿真分析

1.1 保險(xiǎn)杠低速碰撞前處理設(shè)置

汽車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)一般由3部分組成：迎撞面保險(xiǎn)杠、車架以及吸能盒。其中迎撞面保險(xiǎn)杠是與被撞物直接接觸的第一道吸能構(gòu)件，吸能盒是第二道吸能構(gòu)件，其能夠吸收的能量要大于保險(xiǎn)杠吸收的能量。當(dāng)吸能盒發(fā)揮作用時(shí)，碰撞物體將對(duì)車身及成員產(chǎn)生一定程度的危害。

本文使用CATIA軟件建立典型小型車前保險(xiǎn)杠及車架模型如圖1所示，利用HyperMesh ESH軟件進(jìn)行仿真前處理，并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖1 汽車保險(xiǎn)杠及車架模型圖

在《FMVSS581保險(xiǎn)杠標(biāo)準(zhǔn)》(Federal Motor Vehicle Safety Standerds，聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車輛安全標(biāo)準(zhǔn))中規(guī)定了汽車保險(xiǎn)杠擺錘碰撞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，按照標(biāo)準(zhǔn)在HyperMesh軟件中直接建立撞擊質(zhì)量塊的模型。由于質(zhì)量塊模擬的是擺錘沖擊試驗(yàn)的碰撞部位，該部位近似剛性，因此將質(zhì)量塊的材料設(shè)置為Matl20剛性體，并調(diào)整體積與密度，使模型質(zhì)量為2t。為模擬低速碰撞過程將質(zhì)量塊移動(dòng)速度設(shè)置為4km/h，并將質(zhì)量塊與保險(xiǎn)杠的接觸設(shè)置為單面接觸。為防止出現(xiàn)碰撞過程中的穿透現(xiàn)象，增加單面接觸的剛性設(shè)置。

1.2 模型的變形分析

在低速碰撞過程中，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)變形過程如圖2所示。

圖2 碰撞過程中保險(xiǎn)杠變形過程

由圖可知，在保險(xiǎn)杠撞擊質(zhì)量塊過程中，保險(xiǎn)杠橫梁的變形吸收了大部分質(zhì)量塊的能量，吸能盒變形很小。當(dāng)質(zhì)量塊有足夠大的能量時(shí)，碰撞過程中吸能盒會(huì)產(chǎn)生壓縮變形，完全壓縮后剩余能量會(huì)使車架產(chǎn)生變形，此時(shí)會(huì)對(duì)乘員的安全產(chǎn)生較大危害。

1.3 保險(xiǎn)杠位移分析

保險(xiǎn)杠與質(zhì)量塊碰撞過程中，保險(xiǎn)杠位移云圖、質(zhì)量塊中心點(diǎn)位移曲線分別如圖3、圖4所示。在碰撞過程中，設(shè)置質(zhì)量塊只沿Y軸方向移動(dòng)，對(duì)車架末端固定約束，保證在碰撞過程中保險(xiǎn)杠系統(tǒng)只沿Y軸方向移動(dòng)。圖3中質(zhì)量塊在剛碰到保險(xiǎn)杠及壓入保險(xiǎn)杠過程中，保險(xiǎn)杠中部位處變形較嚴(yán)重，保險(xiǎn)杠壓縮完成后會(huì)有一定程度的回彈。由圖3可知，保險(xiǎn)杠與質(zhì)量塊碰撞后保險(xiǎn)杠最大位移為181mm，碰撞對(duì)保險(xiǎn)杠造成了不可逆的破壞。

由圖4可知，在質(zhì)量塊壓入保險(xiǎn)杠過程中位移先增加后減小，在t=0.16s時(shí)，質(zhì)量塊位移達(dá)到最大值,為118mm，此時(shí)曲線斜率為0，說明質(zhì)量塊處于靜止?fàn)顟B(tài)，隨后曲線下降，表明質(zhì)量塊開始回彈。

圖3 碰撞過程中保險(xiǎn)杠位移云圖

圖4 質(zhì)量塊中心點(diǎn)位移曲線圖

2 鋁合金保險(xiǎn)杠厚度優(yōu)化

汽車輕量化對(duì)于降低汽車油耗以及提高效率有較大的影響，現(xiàn)在較少采用傳統(tǒng)鋼材料作為保險(xiǎn)杠材料，鋁制材料由于密度小、強(qiáng)度高、材料特性成熟，因此被作為鋼制保險(xiǎn)杠的替換材料。

對(duì)鋁制保險(xiǎn)杠厚度進(jìn)行優(yōu)化的目的是在保證車輛具有相同的吸能效果情況下，盡量降低保險(xiǎn)杠的厚度。保險(xiǎn)杠初始厚度取為3.5mm，優(yōu)化厚度分別為2.0mm、2.3mm、2.6mm、2.9mm、3.2mm、3.5mm。質(zhì)量為2t的質(zhì)量塊以4km/h的速度對(duì)汽車保險(xiǎn)杠進(jìn)行正面碰撞。

將不同厚度保險(xiǎn)杠的質(zhì)量下降比、保險(xiǎn)杠最大位移、質(zhì)量塊速度為0時(shí)的時(shí)間(吸能總時(shí)間)、碰撞過程中保險(xiǎn)杠最大應(yīng)力值、車架最大應(yīng)力值以及吸能盒最大應(yīng)力值作為鋁合金厚度優(yōu)選指標(biāo)，仿真結(jié)果見表3、表4。

表3 厚度變化對(duì)保險(xiǎn)杠最大位移及吸能時(shí)間的影響

表4 厚度變化對(duì)保險(xiǎn)杠、吸能盒及車架的應(yīng)力影響

由表3、表4可知，在質(zhì)量塊撞擊過程中，隨著保險(xiǎn)杠迎撞面厚度的減小，最大位移逐漸增大，吸能總時(shí)間先增加后減小，保險(xiǎn)杠最大應(yīng)力值逐漸減小，吸能盒最大應(yīng)力值先減小后增加，車架最大應(yīng)力值變化較小。當(dāng)保險(xiǎn)杠厚度大于2.3mm時(shí)，吸能總時(shí)間最大。根據(jù)汽車實(shí)車碰撞試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，汽車吸能時(shí)間越長說明車輛吸能效果越好，對(duì)乘員的保護(hù)越充分。當(dāng)保險(xiǎn)杠厚度下降為2.0mm時(shí)，其最大應(yīng)力值超過了材料的屈服應(yīng)力值(572MPa)，吸能盒的最大應(yīng)力值也出現(xiàn)了突然增大的現(xiàn)象，吸能盒開始吸收能量，說明保險(xiǎn)杠系統(tǒng)偏弱。

質(zhì)量塊撞擊不同厚度保險(xiǎn)杠時(shí)的速度曲線如圖5所示。當(dāng)保險(xiǎn)杠厚度大于2.3mm時(shí)，隨著其厚度的增加，質(zhì)量塊在單位時(shí)間內(nèi)下降的速度變大，說明保險(xiǎn)杠剛性變大，吸收的能量減小。厚度為2.0mm時(shí)，質(zhì)量塊的速度曲線約在0.15s處曲率發(fā)生變化，在單位時(shí)間內(nèi)下降的速度增大，此時(shí)速度為0mm/s。

因此，鋁制保險(xiǎn)杠最優(yōu)厚度為2.3mm。

圖5 不同厚度保險(xiǎn)杠質(zhì)量塊速度曲線圖

3 優(yōu)化后保險(xiǎn)杠碰撞性能分析

碰撞過程中質(zhì)量塊加速度曲線如圖6所示。由圖4，6和表3可知，質(zhì)量塊加速度隨時(shí)間變化的曲線為“W”形狀，最小值發(fā)生在0.05ms處，為-11 461mm/s2，保險(xiǎn)杠變形量最大值發(fā)生在0.16s處，為97.1mm，同時(shí)質(zhì)量塊速度降為0，并開始回彈，保險(xiǎn)杠發(fā)生不可逆變形。

圖6 質(zhì)量塊加速度曲線圖

整個(gè)碰撞過程中，保險(xiǎn)杠及車架的應(yīng)力云圖如圖7所示。保險(xiǎn)杠應(yīng)力最大值為566MPa，小于其屈服應(yīng)力(572MPa)，最大值出現(xiàn)在保險(xiǎn)杠中部，應(yīng)力由中部向兩個(gè)端部逐漸降低；車架應(yīng)力最大值為215MPa，小于其屈服應(yīng)力(235MPa)，車架僅發(fā)生微小變形，最大值出現(xiàn)在車架的中后部。因此，該組參數(shù)下保險(xiǎn)杠系統(tǒng)是安全的。

圖7 碰撞過程保險(xiǎn)杠及車架應(yīng)力云圖

碰撞過程中保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的能量變化如圖8所示。由圖可知，沙漏能維持在0附近，可以將其忽略不計(jì)；開始時(shí)的平行段表示整個(gè)系統(tǒng)只有質(zhì)量塊的動(dòng)能(123kJ)，隨著碰撞過程的進(jìn)行，質(zhì)量塊動(dòng)能下降，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的內(nèi)能；兩條曲線基本對(duì)稱，同一時(shí)間下的動(dòng)能與內(nèi)能之和等于總能量。由以上分析可知，仿真結(jié)果與實(shí)際相符。

圖8 碰撞過程能量變化曲線圖

在相同的碰撞條件下，通過對(duì)鋼材料與鋁制材料保險(xiǎn)杠性能及能量的分析可知，鋁制保險(xiǎn)杠質(zhì)量減少24.9%，變形由181.0mm減小到97.1mm，保險(xiǎn)杠及車架應(yīng)力值均能滿足要求，吸能充分，具有優(yōu)異的緩沖防撞功能。

4 結(jié)論

本文通過CATIA軟件建立典型小型車前保險(xiǎn)杠及車架模型，利用LS-DYNA顯示動(dòng)力求解器對(duì)不同材料保險(xiǎn)杠進(jìn)行仿真，并對(duì)鋁制保險(xiǎn)杠進(jìn)行優(yōu)化分析以及碰撞性能分析后得到如下結(jié)論：

1) 在質(zhì)量塊壓入保險(xiǎn)杠的過程中位移先增加后減小，在曲線斜率為0處質(zhì)量塊處于靜止?fàn)顟B(tài)，隨后質(zhì)量塊開始回彈。鋼制保險(xiǎn)杠能夠抵抗低速碰撞，但產(chǎn)生的變形較大。

2) 隨著鋁制保險(xiǎn)杠迎撞面厚度的減小，最大位移逐漸增大，吸能總時(shí)間先增加后減小，保險(xiǎn)杠最大應(yīng)力值逐漸減小，吸能盒最大應(yīng)力值先減小后增加，車架最大應(yīng)力值變化較小。當(dāng)鋁制保險(xiǎn)杠厚度大于某一值時(shí)，隨著厚度的增加，保險(xiǎn)杠剛性變大，吸收的能量減小。

3) 鋁制保險(xiǎn)杠、車架的應(yīng)力最大值均小于其屈服應(yīng)力值，且車架僅發(fā)生微小變形。鋁合金保險(xiǎn)杠與鋼材料保險(xiǎn)杠相比，鋁制保險(xiǎn)杠質(zhì)量較小，變形較小。鋁制保險(xiǎn)杠及車架應(yīng)力值均能滿足要求，吸能充分，具有優(yōu)異的緩沖防撞功能。