保險杠吸能盒輕量化設(shè)計＊

劉美剛

（西安航空學(xué)院，陜西 西安 710077）

汽車工業(yè)的發(fā)展在為人類帶來便利的同時也帶來了很多弊端，比如資源的短缺、污染環(huán)境等問題。在未來，節(jié)能環(huán)保將成為汽車發(fā)展的趨勢。而車輛輕量化是實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)的重要措施[1]。保險杠是汽車被動安全的一個重要部件，主要適用于汽車在發(fā)生低速碰撞時，靠自身變形吸收能量，從而起到保護(hù)車輛和乘員的作用[2]。譚繼錦等[3]選取已有車型的保險杠為研究對象，將鋁合金作為輕量化材料，以原保險杠低速碰撞性能為目標(biāo)，建立響應(yīng)面模型，對保險杠厚度進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，優(yōu)化后質(zhì)量減少許多。劉海江等[4]在現(xiàn)有保險杠的基礎(chǔ)上，用新材料替代傳統(tǒng)鋼材對保險杠進(jìn)行輕量化設(shè)計。為了得到高性價比的保險杠，應(yīng)該在傳統(tǒng)材料的基礎(chǔ)上對吸能盒尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

1 保險杠仿真模型的建立

1.1 保險杠仿真模型的建立

計算機仿真相比較于實車試驗，可以大大節(jié)約成本且周期短，因此碰撞仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用在研究汽車耐撞性、乘員保護(hù)系統(tǒng)及人體碰撞損傷機理[5]。

本論文采用UG建立保險杠吸能盒碰撞簡化模型，利用Hypermesh軟件完成材料和屬性的賦予，對模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分、接觸、約束的設(shè)置及計算卡片參數(shù)的設(shè)置。最終，得到保險杠吸能盒和剛性墻壁的CAE 模型，如圖1 所示。在DYNA中進(jìn)行計算分析，在LS-PREPOST程序環(huán)境下提取后處理結(jié)果，得到保險杠吸能盒—剛性墻壁的動力響應(yīng)。

圖1 保險杠有限元模型

1.2 低速碰撞工況

針對汽車低速碰撞安全性，許多國家制定了不同的乘用車保險杠低速碰撞法規(guī)，雖然不同法規(guī)的評價標(biāo)準(zhǔn)和要求不一樣，但是都是以真實汽車碰撞事故為基礎(chǔ)制定的，都是為了保障汽車低速碰撞安全性能。本文參照歐洲ECE-R42 法規(guī)、美國Part81 法規(guī)、加拿大CFVSS215，將它們設(shè)計成4種工況，如表1、圖2所示，該碰撞過程簡化為在不同的工況下保險杠吸能盒受到質(zhì)量為500 kg 的剛性平面墻以速度為18 km/h撞擊。

圖2 碰撞工況

表1 保險杠低速碰撞分析工況

2 正交試驗設(shè)計

正交試驗法是一種科學(xué)的優(yōu)化方法，主要是利用正交表科學(xué)合理地搭配各因素水平，從而在不影響試驗質(zhì)量的情況下，減少實驗數(shù)量，得到最優(yōu)的水平組合[6-7]。

2.1 因素和水平的選取

保險杠吸能盒的尺寸如圖3 所示，主要為吸能盒厚度A、吸能盒直徑B、吸能盒長度C。3個因素中的任意一個改變都會影響試驗結(jié)果，因此作為正交試驗的3個因素。

圖3 保險杠吸能盒尺寸

根據(jù)現(xiàn)有保險杠吸能盒尺寸確定優(yōu)化前初始的尺寸，約為厚度A=2 mm、直徑B=120 mm、長度C=120 mm。根據(jù)單因素分析法，確定因素水平的上下限，因素水平如表2所示。

表2 正交試驗各因素水平表

2.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)正交表L16(43)將各水平因素進(jìn)行組合，然后完成仿真試驗，正交試驗取值標(biāo)準(zhǔn)選取剛性墻壁質(zhì)心處x、y、z三個方向的最大加速度，得到如表3所示的試驗結(jié)果。

表3 正交優(yōu)化試驗結(jié)果

為了更加簡潔明了地比較各水平因素的好壞，對表中的各因素的水平計算平均偏差和K值以及極差R，列于表4中。

極差的大小可以評價因素水平變化對試驗結(jié)果影響的大小，其數(shù)值越大，說明該因素對試驗結(jié)果影響越大。表4數(shù)據(jù)說明3 個因素對試驗的影響大小排序為A ＞C ＞B，得到本實驗最佳組合：A1B4C1，即吸能盒厚度A=1 mm、直徑B=110 mm、長度C=80 mm。

表4 正交試驗極差分析結(jié)果

3 優(yōu)化前后對比及最優(yōu)組合驗證的仿真分析

通過仿真軟件LS-DNYA 進(jìn)行數(shù)據(jù)運算，Ls-prepost 軟件進(jìn)行后處理顯示，得到剛性墻以5 m/s 碰撞保險杠吸能盒的正面碰撞動態(tài)動畫圖，分別截取不同工況碰撞過程的變化，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后保險杠吸能盒碰撞仿真過程

如圖4 所示，在碰撞過程中，保險杠吸能盒發(fā)生了較大的變形，承擔(dān)了減輕沖擊和吸收能量的主要作用，可以很好地保護(hù)車輛和乘員。

車輛發(fā)生碰撞時一般選用加速度來衡量事故的嚴(yán)重性。如果碰撞時所產(chǎn)生加速度越大，乘員受到的危害就越大，因此，減小碰撞加速度對保險杠吸能盒的研究是很有意義的。為了進(jìn)一步觀察保險杠吸能盒的吸能效果，將優(yōu)化前與優(yōu)化后吸能盒加速度峰值進(jìn)行對比，優(yōu)化前后4種工況加速度峰值數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 模型加速度比較

從表5和圖5可以看出加速度峰值的對比結(jié)果：正面碰撞時，優(yōu)化后模型的加速度峰值比優(yōu)化前的加速度減少了60.2%；30°夾角碰撞時，優(yōu)化后比優(yōu)化前的加速度峰值減少了9.4%；偏置40%碰撞時，優(yōu)化后比優(yōu)化前的加速度峰值減少了 9.1%；偏置60%碰撞時，優(yōu)化后比優(yōu)化前的加速度峰值減少23.7%。從數(shù)據(jù)分析中可以看出優(yōu)化后的保險杠吸能盒每個工況的加速度峰值比優(yōu)化前的都小，從而降低了低速碰撞時對乘員身體的傷害，同時也減少了對車輛的破壞性，更能保障車輛的安全性。

圖5 優(yōu)化前后加速度峰值對比

4 結(jié)論

本文參考相關(guān)碰撞法規(guī)建立保險杠吸能盒—剛性墻壁的碰撞仿真模型，并結(jié)合正交試驗設(shè)計方法對吸能盒進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計，可以得到以下結(jié)論：

1）結(jié)合正交試驗設(shè)計對保險杠吸能盒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得到優(yōu)化后的尺寸最優(yōu)組合，即吸能盒厚度A=1 mm，吸能盒直徑B=110 mm，吸能盒長度C=80 mm。

2）對保險杠吸能盒進(jìn)行了多工況仿真分析，結(jié)果表明優(yōu)化后的保險杠吸能盒與優(yōu)化前比較，各碰撞工況的最大加速度較小，能較好地減小碰撞損傷，有效保護(hù)車輛和人員。