汽車鋁制防撞梁力學(xué)性能及虛擬仿真研究

徐文雷 曾宇鵬 李華鑫 朱偉 袁成逸 廖慧紅

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

1 前言

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展，尤其是近年來新能源汽車的快速發(fā)展，汽車輕量化越來越受到人們的廣泛重視，而鋁合金材料在汽車輕量化中的應(yīng)用也日益廣泛，已經(jīng)逐漸被行業(yè)內(nèi)公認(rèn)為汽車輕量化最有前途的金屬材料[1-4]。汽車防撞梁是汽車保險(xiǎn)桿系統(tǒng)中主要關(guān)重件，其性能直接關(guān)系到整車碰撞安全性，在低速碰撞過程中，防撞梁應(yīng)不發(fā)生明顯變形從而保護(hù)車身及車身附件，降低汽車維修成本，在高速碰撞過程中，防撞梁會(huì)把撞擊能量分給吸能盒，并在吸能盒吸收能量的基礎(chǔ)上，將碰撞力傳遞給兩側(cè)縱梁，由縱梁負(fù)責(zé)把撞擊能量向后疏散到整個(gè)車體上，由整個(gè)車身架構(gòu)來吸收碰撞能量，從而有效降低駕乘艙變形，減少對(duì)駕乘人員的傷害[5-8]。但到目前為止，尚缺乏完善的鋁合金防撞梁力學(xué)性能評(píng)估的試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)其研究主要集中于虛擬仿真分析，但仿真分析的精度和可靠性尚待進(jìn)一步提高。

從鋁合金原材料力學(xué)性能測(cè)試、靜態(tài)三點(diǎn)壓彎及動(dòng)態(tài)沖擊3 個(gè)方面入手，通過7003 鋁制防撞梁相關(guān)試驗(yàn)及仿真對(duì)比及優(yōu)化研究，提升防撞梁的仿真分析精度，為今后防撞梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化及整車碰撞仿真分析提供技術(shù)支撐。

2 試驗(yàn)及分析方法

2.1 原材料試驗(yàn)及材料模型優(yōu)化

本文中防撞梁采用7003 鋁合金進(jìn)行制作，其制作工藝包括熔煉、擠壓、壓彎成型、T6 熱處理。從防撞梁正面和背面中心位置按照GB/T 16865—2013《變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗(yàn)用試樣及方法》[9]各切取1 根拉伸試樣，其中正面板厚1.785 mm，背面板厚2.12 mm，如圖1 所示，取樣后按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[10]進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并將拉伸試驗(yàn)結(jié)果和有限元分軟件中材料數(shù)據(jù)庫(kù)中的7003 鋁合金材料卡進(jìn)行對(duì)比，利用虛擬仿真技術(shù)對(duì)材料模型進(jìn)行優(yōu)化，采用4 mm 殼單元建立拉伸試樣模型，如圖2 所示，圖中紅色標(biāo)記線為引伸計(jì)標(biāo)距，設(shè)置一零剛度測(cè)量彈簧單元，用于讀取標(biāo)距段在拉伸方向的位移量。考慮到材料拉伸試驗(yàn)為準(zhǔn)靜態(tài)加載工況，因此采用LS-DYNA 隱式算法來模擬拉伸試驗(yàn)。

圖1 防撞梁拉伸試樣取樣位置

圖2 拉伸試樣有限元模型

2.2 3點(diǎn)壓彎試驗(yàn)及仿真分析

測(cè)試設(shè)備采用靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)支撐點(diǎn)跨距為900 mm，用直徑254 mm 的壓頭以10 mm/min 的恒定速度壓防撞梁中心，下壓200 mm 時(shí)停止加載，若此時(shí)橫梁未開裂，則繼續(xù)下壓至橫梁明顯開裂，開裂后繼續(xù)下壓10 mm停止，記錄其載荷—位移數(shù)據(jù)，其試驗(yàn)裝置示意圖和試驗(yàn)裝置圖見圖3 和圖4?？紤]到鋁制防撞梁塑性較好，為了解鋁材的失效表現(xiàn)，在防撞梁中心開Φ8×40 mm 腰型孔以形成應(yīng)力集中，誘導(dǎo)開裂，試驗(yàn)樣件見圖5。

圖3 3點(diǎn)壓彎試驗(yàn)裝置示意

圖4 3點(diǎn)壓彎試驗(yàn)裝置

圖5 防撞梁樣件

利用LS-DYNA 隱式算法對(duì)3 點(diǎn)壓彎試驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真分析，采用殼單元，網(wǎng)格大小為4 mm，并根據(jù)試驗(yàn)條件，設(shè)定相關(guān)接觸及邊界等約束條件及載荷類型，材料模型采用經(jīng)上述材料模型優(yōu)化后的材料卡進(jìn)行仿真分析，其仿真模型見圖6，有限元模擬壓彎過程示意見圖7，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性。

圖6 3點(diǎn)壓彎有限元模型

圖7 有限元模擬壓彎過程示意

2.3 動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)及仿真分析

測(cè)試設(shè)備采用落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)（帶有加速度傳感器），見圖8，試驗(yàn)裝置示意見圖9，支撐點(diǎn)間距940 mm，落錘能量為1 000 J，錘頭采用半圓柱錘頭，直徑為254 mm，并在落錘裝置上噴涂麻點(diǎn)，以便采用高速攝像機(jī)記錄在沖擊試驗(yàn)過程中落錘的位移變化情況，輸出位移—時(shí)間曲線，同時(shí)在落錘上固定安裝加速度傳感器，傳感器精度為0.5 級(jí)，記錄在沖擊過程中的加速度變化，并計(jì)算出沖擊力的大小，輸出沖擊力—時(shí)間曲線，加速度傳感器、高速相機(jī)時(shí)間需嚴(yán)格保持同步，擬合生成試樣在沖擊過程中的沖擊力-位移曲線，試驗(yàn)前后樣件圖片見圖10。

圖8 落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)

圖9 試樣裝夾

圖10 動(dòng)態(tài)沖擊前后試樣

利用LS-DYNA 顯式算法對(duì)動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真分析，有限元模型同三點(diǎn)壓彎模型（圖6），載荷初始動(dòng)能為1 000 J，材料模型采用經(jīng)前述試驗(yàn)對(duì)標(biāo)修正后的材料卡，并考慮到動(dòng)態(tài)應(yīng)變率效應(yīng)，對(duì)材料曲線進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 材料模型優(yōu)化

防撞梁取樣后的拉伸力—位移曲線如圖11 所示，將其轉(zhuǎn)換為應(yīng)力—應(yīng)變曲線，見圖12，兩者強(qiáng)度相近，但塑性指標(biāo)有所差別，這主要和擠壓過程中正面和背面材料壓縮量不同有關(guān)。

圖11 防撞梁拉伸試樣拉伸力—位移曲線

圖12 防撞梁拉伸試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線

將背面應(yīng)力—應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)化為真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線，同時(shí)移去彈性應(yīng)變，得到有效應(yīng)力—應(yīng)變曲線，并和仿真材料數(shù)據(jù)庫(kù)中7003 原材料的材料卡進(jìn)行對(duì)比，見圖13。由圖13 可見，兩者之間差距較大，在進(jìn)行虛擬仿真時(shí)，必須對(duì)材料卡中的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖13 材料試驗(yàn)和材料數(shù)據(jù)庫(kù)有效應(yīng)力—應(yīng)變曲線

按照1.1 節(jié)中的要求進(jìn)行拉伸試樣的有限元模擬分析，并將圖13 材料試驗(yàn)中的有效應(yīng)力—應(yīng)變曲線輸入材料卡中，仿真結(jié)果如圖14 所示，由圖可見，基于校準(zhǔn)后的材料卡，背面材料拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果基本吻合，同時(shí)也能較好的模擬正面材料的拉伸力，但失效偏晚，這和圖11、圖12 結(jié)果相吻合。

圖14 材料拉伸試驗(yàn)和CAE仿真結(jié)果對(duì)比

3.2 3點(diǎn)壓彎試驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比分析

選取3 根防撞梁進(jìn)行3 點(diǎn)壓彎試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖15 所示，3 者壓彎力—位移曲線較為吻合，說明試驗(yàn)方案合理，試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性和再現(xiàn)性較好，可以用于防撞梁的3 點(diǎn)壓彎試驗(yàn)。將試樣1 試驗(yàn)結(jié)果與CAE 仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見圖16。由圖可見，試驗(yàn)及CAE 仿真曲線基本吻合，仿真后的壓彎力最大值及位置和試驗(yàn)結(jié)果較為接近，說明采用LS-DYNA 隱式算法并輸入經(jīng)優(yōu)化后的7003 材料卡可以較為精確地模擬3 點(diǎn)壓彎試驗(yàn)。

圖15 防撞梁三點(diǎn)壓彎力—位移曲線

圖16 防撞梁三點(diǎn)壓彎試驗(yàn)及CAE仿真分析對(duì)比

3.3 動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比分析

選取3 根防撞梁進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果與CAE 仿真結(jié)果對(duì)比如圖17 所示。由圖可見，在防撞梁動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)過程中，沖擊力呈振蕩變化，振蕩曲線較為吻合，這和CAE 仿真結(jié)果相一致，且第1 個(gè)振蕩峰的位置，試驗(yàn)結(jié)果和CAE 仿真結(jié)果也基本保持一致，此外沖擊力最大值也基本一致，說明采用LS-DYNA 有限元軟件可以較為準(zhǔn)確地模擬防撞梁動(dòng)態(tài)沖擊過程。

圖17 動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)及仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

以汽車鋁制防撞梁為例，從防撞梁鋁合金原材料力學(xué)性能測(cè)試、靜態(tài)3 點(diǎn)壓彎及動(dòng)態(tài)沖擊3 個(gè)試驗(yàn)方面入手，同時(shí)采用LS-DYNA 有限元分析軟件對(duì)上述試驗(yàn)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：

a.3 點(diǎn)壓彎試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果一致性較好，說明試驗(yàn)方案合理，可以有效地對(duì)防撞梁力學(xué)性能進(jìn)行表征；

b.原有限元分析軟件中的材料卡數(shù)據(jù)和材料試驗(yàn)結(jié)果差別較大，需經(jīng)優(yōu)化后才能應(yīng)用于有限元分析軟件中；

c.材料卡材料性能數(shù)據(jù)經(jīng)優(yōu)化后，對(duì)3 點(diǎn)壓彎試驗(yàn)試驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真分析，其結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，有效提升了防撞梁的3 點(diǎn)壓彎試驗(yàn)的仿真分析精度；

d.材料卡材料性能數(shù)據(jù)經(jīng)優(yōu)化后，對(duì)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真分析，其結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果較為接近，有效提升了防撞梁的動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)的仿真分析精度。

以上結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案合理，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)防撞梁力學(xué)性能的表征和評(píng)估，同時(shí)采用經(jīng)優(yōu)化后的虛擬仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)防撞梁的力學(xué)試驗(yàn)仿真分析，為防撞梁優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐，從而可以有效降低項(xiàng)目開發(fā)中的試驗(yàn)數(shù)量，節(jié)約時(shí)間，降低開發(fā)成本。