防撞梁彎曲模具設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析

郭永宏，戶華燦，戴茂駿

（1. 寧波敏實(shí)汽車零部件技術(shù)研發(fā)有限公司，浙江 寧波 315800； 2. 九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 九江 332000；3. 上海大隆機(jī)器廠有限公司，上海 200441）

1 引言

目前，隨著科技的進(jìn)步，汽車保有量增多，發(fā)生碰撞的頻率也越來越高，精密儀器維修成本很高，而價(jià)格便宜的防撞梁可以起著保駕護(hù)航的關(guān)鍵作用。防撞梁起著吸收沖撞能量的作用，太硬不容易變形，能量損失太小，會(huì)把能量直接傳遞到車身主體上；太軟容易變形，能量吸收不完，也會(huì)對車身產(chǎn)生沖撞力。防撞梁的理論其實(shí)是復(fù)雜的力學(xué)，包括理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)，影響防撞梁的表象是材料選擇、材料的厚度、產(chǎn)品的截面結(jié)構(gòu)等。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

汽車的撞擊是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，力是變化的，在很短的時(shí)間撞擊是比較復(fù)雜的。通過分析最大的接觸面，以及最大的力來分析一個(gè)等效的靜力，這樣可以反映出該產(chǎn)品是否會(huì)破壞，如果在最大的條件下還是處于沒有受損的狀態(tài)，那就表明產(chǎn)品在這個(gè)邊界條件下是合理安全的。

通過理論知識可以知道彎曲的物體形變能力一般要比直線的型變能力強(qiáng)些，因此對防撞梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是把防撞梁進(jìn)行彎曲處理，如圖1所示，一是安裝方便；二是可以提升撞擊的吸能作用，同時(shí)對防撞梁梁壁進(jìn)行傾斜角度處理，這樣也可以提升安全性能。

圖1 防撞梁的受力方向大小數(shù)據(jù)分析

防撞梁截面在設(shè)計(jì)的過程中加了類似帽沿的截面，通過分析看出截面帽沿和吸能有一定聯(lián)系，通過改變截面帽沿的長度可以對改變功能起到一些作用，如圖2 所示。

圖2 防撞梁的位移數(shù)據(jù)分析及采集

通過云圖可以得知，當(dāng)防撞梁發(fā)生輕微的碰撞接觸時(shí)，防撞梁能吸收撞擊的能量，并能較好地自動(dòng)恢復(fù)原狀，將碰撞中產(chǎn)生的能量盡可能地傳遞到其他結(jié)構(gòu)，并確保防撞梁在壓潰后內(nèi)侵量不會(huì)過大。

防撞梁機(jī)構(gòu)在沖撞的時(shí)候，屈服強(qiáng)度最大達(dá)到上限302 MPa，如圖3所示，三維最大應(yīng)力點(diǎn)也是應(yīng)力集中點(diǎn)。

圖3 防撞梁的壓力數(shù)據(jù)分析采集圖

在分析過程中，根據(jù)防撞梁的截面結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，可以看出碰撞時(shí)產(chǎn)生的作用力已經(jīng)緩解，表示已經(jīng)吸收碰撞能量，截面的軸線接近于受力方向，這樣避免振動(dòng)時(shí)引起扭轉(zhuǎn)，截面的空間結(jié)構(gòu)以及圓角結(jié)構(gòu)比較光順，避免了作用力產(chǎn)生過度集中的現(xiàn)象。防撞梁的截面結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如圖4所示。

4 防撞梁的截面結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

在碰撞過程中，采用力學(xué)對防撞梁進(jìn)行分析，可以得到應(yīng)力應(yīng)變位移的數(shù)據(jù)云圖，并很直觀的看到最大的應(yīng)力、位移位置，也就是發(fā)生撞擊時(shí)最危險(xiǎn)的地方，然后對產(chǎn)品進(jìn)行修正，通過改變結(jié)構(gòu)，來降低應(yīng)力應(yīng)變位移最大值，使得數(shù)據(jù)在安全范圍內(nèi)。

通過云圖可以看出，防撞梁的接觸面變形最大，但因?yàn)榉雷擦禾厥獾牟牧弦约敖孛娼Y(jié)構(gòu)，可以看出，在力的傳導(dǎo)過程中，已經(jīng)有些減小的過程，這也是防撞梁的變形性能以及吸能性能的作用。

因此通過觀察防撞梁的應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖、位移云圖可以看出防撞梁的效果，并且對性能的變化進(jìn)行分析，在通過不斷修改、不斷對比可以得出良好的防撞梁產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

當(dāng)防撞梁正面撞擊時(shí)，可以更好吸收能量，也可以降低力的作用，防撞梁發(fā)揮了緩沖的作用，雖然有失穩(wěn)變形情況，但整體變形量不是太大。

通過防撞梁云圖數(shù)據(jù)結(jié)果分析，如圖5所示，在受到碰撞不同速度和改變有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下模型進(jìn)行仿真分析，得出不同的數(shù)據(jù)結(jié)果，通過數(shù)據(jù)表明，在厚度不同、以及截面形狀不同于方形的機(jī)構(gòu)下，判斷其在不同狀況的安全性能及防撞性能發(fā)揮的效果，從而尋求最優(yōu)的防撞鋼梁結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算評估其耐撞性能，研究結(jié)果可減少汽車后防撞鋼梁在定型前盲目設(shè)計(jì)，并為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，見 表1。

表1 不同截面厚度的最大變形量與壓力最大數(shù)據(jù)表

圖5 不同厚度狀態(tài)下應(yīng)力圖對比

本文使用數(shù)值模擬的方法，對防撞梁參數(shù)取不同值進(jìn)行正面的碰撞模擬，對得出的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

通過分析應(yīng)力位移云圖，如圖6所示，可以看出當(dāng)厚度為2 mm的情況下，屈服強(qiáng)度基本臨界于材料的最大屈服強(qiáng)度，這種情況非常危險(xiǎn)，排除厚度2 mm的情況。厚度在5 mm的情況下，最大的屈服強(qiáng)度非常安全，但考慮到重量以及材料成本的問題，所以產(chǎn)品以2.5 mm厚度為最優(yōu)數(shù)據(jù)。

圖6 不同厚度狀態(tài)下位移圖對比

3 實(shí)際產(chǎn)品成型與數(shù)據(jù)測量

防撞梁模具機(jī)構(gòu)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)工況采集如圖7所示。

圖7 防撞梁沖撞試驗(yàn)室數(shù)據(jù)示意圖

運(yùn)用軟件對防撞梁模具進(jìn)行優(yōu)化，然后通過試驗(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性，只有理論聯(lián)系實(shí)際，在實(shí)際中找到理論中存在的不足并加以改正，才能使防撞梁的安全性能得到不斷的提升，通過實(shí)際沖壓成型的防撞梁結(jié)構(gòu)，如圖8所示，可以看出外表的光順度，沒有出現(xiàn)沖壓件特有的起皺、變形不均、斷裂等現(xiàn)象，說明整套彎曲設(shè)計(jì)的合理性。

圖8 實(shí)際沖壓產(chǎn)品圖

4 結(jié)束語

1）通過在NX軟件平臺(tái)下對整套裝置的設(shè)計(jì)有限元仿真分析，能夠降低成本和時(shí)間周期，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的缺陷，并進(jìn)行實(shí)時(shí)改進(jìn)。

2）借助防撞梁機(jī)構(gòu)真實(shí)的數(shù)據(jù)參數(shù)代入到NX與ANSYS軟件中模擬實(shí)際效果，來論證實(shí)際產(chǎn)品的合理性，并運(yùn)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對一些數(shù)據(jù)加以修正，這樣可以更好地為實(shí)際制造創(chuàng)造數(shù)據(jù)依據(jù)。

3）本文利用軟件進(jìn)行多個(gè)方案來相互比較，得到可靠的數(shù)據(jù)，可以為加工數(shù)據(jù)的采集作為參考依據(jù)，并對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)做出修改，對防撞梁機(jī)構(gòu)進(jìn)行修改與革新，對防撞梁機(jī)構(gòu)性能的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。