基于焊接誤差的汽車前縱梁碰撞仿真試驗(yàn)研究

祝學(xué)亮

(延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院，陜西 西安 710100)

在汽車正面碰撞過程中，車身前部最為關(guān)鍵的作用是將碰撞產(chǎn)生的巨大能量有效地吸收掉，而汽車前縱梁在碰撞過程中表現(xiàn)出來的特性在很大程度上影響整車正面碰撞安全性。近年來，很多研究人員對(duì)前縱梁碰撞時(shí)的特性進(jìn)行了研究，張君媛等[1]對(duì)汽車正面25%重疊率碰撞進(jìn)行了研究，鄭何妍等[2]對(duì)汽車正面耐碰撞性進(jìn)行了有限元仿真分析，王麗萍等[3]對(duì)汽車正面碰撞前縱梁變形問題進(jìn)行了仿真分析，姚宙等[4]基于能量管理對(duì)汽車前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，蘭鳳崇等[5]基于連續(xù)變截面板(TRB板)對(duì)汽車前縱梁的特性進(jìn)行了研究，陳更等[6]基于膠接、點(diǎn)焊和膠焊連接方式對(duì)前縱梁耐撞性進(jìn)行了研究。然而,關(guān)于焊點(diǎn)誤差對(duì)前縱梁正面碰撞性能影響的研究較少。

影響縱梁吸能特性的因素是多方面的，不同汽車的前縱梁的形狀、結(jié)構(gòu)、材料等都不同，但它們也有著共同的特征：都是由相應(yīng)材料焊接成的，點(diǎn)焊是汽車前縱梁的主要連接方式，焊接過程中必然會(huì)產(chǎn)生誤差。制造環(huán)節(jié)中誤差參數(shù)對(duì)汽車碰撞性能的影響程度尚不清楚，基于這樣的事實(shí)，本文通過定義材料性能參數(shù)，建立前縱梁有限元模型，設(shè)置不同的誤差參數(shù)，對(duì)前縱梁碰撞特性進(jìn)行仿真研究。

1 碰撞仿真試驗(yàn)

首先根據(jù)實(shí)際情況確定材料屬性和單元類型，并在前處理軟件中建立前縱梁簡(jiǎn)化模型，再對(duì)建好的模型施加必要的載荷和約束，然后設(shè)置不同的誤差參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，通過LS-DYNA有限元仿真軟件輸出計(jì)算結(jié)果，并繪出相應(yīng)的碰撞特性曲線，最后分析仿真數(shù)據(jù)，討論焊接誤差等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.1 前縱梁材料性能參數(shù)

薄壁金屬構(gòu)件受到撞擊時(shí)產(chǎn)生的褶皺形變?cè)酱?，吸能效果越好，也更適用于轎車的前縱梁。模擬碰撞試驗(yàn)選用的是正四邊形截面形狀的直薄壁梁構(gòu)件[7]，長(zhǎng)度為140 mm，壁厚為1.75 mm，材料為分段線性彈塑性鋼材，其性能參數(shù)見表1，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 薄壁梁材料性能參數(shù)

1.2 有限元模型

1)幾何模型。

汽車前縱梁由金屬板沖壓而成，模擬中采用殼單元描述效果最好。首先在UG中處理碰撞結(jié)構(gòu)，得到簡(jiǎn)化的前縱梁模型，如圖2所示，然后將簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行幾何處理，得到幾何模型。

圖2 前縱梁簡(jiǎn)化模型

2)網(wǎng)格單元?jiǎng)澐帧?/p>

有限元分析法的思想是以曲代直、以塊逼近[8]，因此在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，網(wǎng)格單元的大小、疏密程度、結(jié)構(gòu)離散程度都會(huì)對(duì)最后的結(jié)果產(chǎn)生影響。網(wǎng)格密度的選擇要平衡計(jì)算效率和計(jì)算精度兩個(gè)方面，所以在對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí)主要考慮：①網(wǎng)格單元形狀盡量分割成比較規(guī)則的正多面體。②網(wǎng)格單元大小適中，太小計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)計(jì)算失真、失誤；太大會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格精度誤差增大，影響計(jì)算結(jié)果。基于以上兩點(diǎn)，在HyperMesh中將前縱梁幾何模型分割成邊長(zhǎng)為5 mm的正四邊形，得到前縱梁的網(wǎng)格單元模型，如圖3所示。

圖3 前縱梁網(wǎng)格單元模型

3)焊點(diǎn)處理。

在進(jìn)行前縱梁有限元碰撞仿真時(shí)，焊點(diǎn)處理是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，焊點(diǎn)處理不好將直接影響計(jì)算結(jié)果的精度。首先建立梁?jiǎn)卧更c(diǎn)模型(一個(gè)梁?jiǎn)卧B接兩個(gè)殼單元)，然后在軟件中直接定義連接殼單元和梁?jiǎn)卧?，通過模型模擬焊點(diǎn)的應(yīng)力特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)梁?jiǎn)卧蜌卧哪M連接。

4)設(shè)置載荷和約束。

模型建好后，定義碰撞載荷并設(shè)定約束。定義碰撞載荷：仿真時(shí)用移動(dòng)的剛性壁去碰撞前縱梁，剛性壁的質(zhì)量設(shè)為1 t，碰撞速度設(shè)為60 km/h。汽車前縱梁只能作軸向移動(dòng)，其他方向的運(yùn)動(dòng)被約束；后端固定不動(dòng)，6個(gè)自由度全被約束。剛性壁只能軸向移動(dòng)，其他方向的5個(gè)自由度被約束。

有限元模型建好以后，先通過功能接口定義材料的屬性并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，然后進(jìn)行模擬碰撞試驗(yàn)。

1.3 正面碰撞模擬

準(zhǔn)備工作做好以后，進(jìn)行100%正面仿真模擬碰撞，前縱梁與剛性壁的碰撞過程如圖4所示，由圖可以看出，接觸時(shí)間為10 ms時(shí)前縱梁已經(jīng)被壓潰變形；在30 ms時(shí)前縱梁幾乎被壓縮到了極限，剩余的碰撞能量就會(huì)繼續(xù)向后傳遞到車內(nèi)駕乘人員的身體上[9]，由此可見，設(shè)置合格的前縱梁對(duì)車內(nèi)駕乘人員生命安全的保障是十分必要的。

圖4 前縱梁的碰撞變形過程

模擬碰撞過程中，得到碰撞力曲線如圖5所示，由圖可知，在0 s和0.03 s時(shí)曲線的波峰比其他時(shí)間要高，這是因?yàn)榕鲎查_始時(shí)碰撞力最大，所以波峰最高，在0—0.03 s前縱梁被壓潰產(chǎn)生形變，這些形變會(huì)吸收相應(yīng)的能量，碰撞能量逐漸減少，但在0.03 s時(shí)由于前縱梁被壓縮到極限，不能繼續(xù)產(chǎn)生形變吸收能量，故曲線波峰突然劇增。

圖5 碰撞力曲線

吸能曲線如圖6所示。由圖可以看出，前縱梁在0—0.03 s產(chǎn)生了連續(xù)折疊形變，把這種形變定義為褶皺形變，每產(chǎn)生一個(gè)褶皺形變都要消耗相應(yīng)的能量，因此該階段被消耗的能量逐漸增多。但是前縱梁的壓縮空間是有限的，當(dāng)前縱梁沒有繼續(xù)被壓縮的空間時(shí)其剛性迅速增強(qiáng)，碰撞力急劇上升，之后能量吸收為零，故在0.03 s消耗的能量迅速增大，之后能量不再被吸收。

圖6 碰撞過程前縱梁吸能曲線

2 焊接誤差對(duì)仿真結(jié)果的影響

本文選取焊接過程中產(chǎn)生的焊點(diǎn)誤差、厚度差等因素，分析各個(gè)誤差對(duì)碰撞力和前縱梁吸能特性的影響。

橫向誤差分別取-3.0,-2.0,-1.0,1.0,2.0,3.0 mm，通過有限元仿真繪出橫向誤差-前縱梁吸能關(guān)系圖，如圖7所示。由圖可知，在-2.0～1.0 mm時(shí)前縱梁的吸能特性變化不大，超出這個(gè)區(qū)間前縱梁的吸能性能明顯下降，顯然會(huì)影響汽車的碰撞安全性。

圖7 橫向誤差-縱梁吸能特性曲線

縱向誤差分別取-3.0,-2.0,-1.0,1.0,2.0,3.0 mm，通過有限元仿真繪出縱向誤差-前縱梁吸能關(guān)系曲線圖，如圖8所示。由圖可知，縱向誤差在-1.0～1.0 mm時(shí)前縱梁的吸能效果較好，并且在誤差為1.0 mm時(shí)達(dá)到最好。

由于制造前縱梁的材料不是全部相同的，取同一種材料不同批次、不同厚度來進(jìn)行仿真分析，厚度誤差分別取值為-0.15,-0.10,-0.05,0.05,0.10,0.15 mm。通過有限元仿真繪出厚度差-前縱梁吸能關(guān)系曲線圖，如圖9所示。由圖可知，同一材料的板厚誤差不大于0.05 mm時(shí)，縱梁吸能特性波動(dòng)較小，板厚誤差超過0.05 mm以后吸能特性明顯增加，隨著厚度的增加吸能效果顯著增加，但是考慮到汽車的輕量化，因此板的厚度不能太大。

圖9 厚度誤差-縱梁吸能特性曲線

3 結(jié)束語

為了全面客觀地分析焊點(diǎn)間距、厚度等材料特性偏差對(duì)汽車前縱梁碰撞能量吸收特性造成的影響，建立了前縱梁有限元模型，借助有限元軟件LS-DYNA[10]仿真分析焊接誤差等因素在碰撞過程中對(duì)前縱梁吸能特性產(chǎn)生的影響。通過仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，板厚對(duì)汽車縱梁吸能特性的影響較大，事實(shí)情況就是板越厚，變形區(qū)域越大，吸能效果越好。但是汽車的前縱梁不宜太厚， 否則將不利于汽車的輕量化，板厚應(yīng)該保持在一定范圍內(nèi)，這樣既保證了縱梁的吸能特性，又保證了汽車的輕量化[10]。關(guān)于板厚對(duì)吸能特性影響的研究是在仿真試驗(yàn)條件下進(jìn)行的，并沒有全面地去考慮板厚的上限和下限，因此后期仍然需要結(jié)合實(shí)車試驗(yàn)做進(jìn)一步研究。