某輕型客車防撞梁三點彎力學(xué)性能CAE分析與實物驗證

摘 要：文章針對某輕型客車的前防撞梁系統(tǒng)三點彎力學(xué)性能進行了深入分析，采用計算機輔助工程（CAE）技術(shù)基于詳細幾何建模和材料屬性定義，構(gòu)建了精確的防撞梁有限元模型，詳細分析了防撞梁在不同加載條件下的應(yīng)力分布、塑性變形區(qū)域以及能量吸收情況。提出了整車64公里高速碰撞條件下防撞梁本體不發(fā)生斷裂，分解至防撞梁三點彎力學(xué)性能接受標(biāo)準(zhǔn)及防撞梁耐擠壓力計算方法，仿真結(jié)果表明，防撞梁設(shè)計能夠有效分散沖擊力，減少對車身結(jié)構(gòu)的損害。為了驗證仿真結(jié)果的有效性，進行了物理三點彎曲試驗，將實際測試數(shù)據(jù)與CAE分析結(jié)果進行了對比。實物測試結(jié)果顯示，實測數(shù)據(jù)與仿真分析吻合良好，證明了所采用的CAE方法在預(yù)測防撞梁的力學(xué)性能方面具有高度的可信度，為優(yōu)化設(shè)計和提高輕型客車的被動安全性提供了理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：輕型客車 防撞梁耐擠壓力 三點彎曲 優(yōu)化設(shè)計

0 引言

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，車輛安全性能的研究已成為工程設(shè)計與改進的重要領(lǐng)域。在眾多安全設(shè)計措施中，前防撞梁作為吸收和分散碰撞能量的關(guān)鍵部件，對于保護車輛乘員的生命安全起著至關(guān)重要的作用。輕型客車作為市場上廣泛使用的交通工具，其安全性能的提升具有重要現(xiàn)實意義。本研究旨在通過計算機輔助工程（CAE）技術(shù)對某輕型客車防撞梁的三點彎力學(xué)性能進行深入分析，并通過實物實驗驗證CAE分析的準(zhǔn)確性和可靠性。

目前業(yè)界對汽車正面低速碰撞GB17354-1998[1]的防撞梁安全性能提出了仿真分析與試驗設(shè)計驗證的方法，但一方面整車的碰撞試驗周期長，若實車碰撞結(jié)果不滿足要求，后期整改的影響范圍大、成本非常高；另一方面少有關(guān)注高速碰撞GB/T 20913-2007[2]工況下前防撞梁抗彎強度對整車碰撞結(jié)構(gòu)完整性和乘員安全性的影響。如李家順[3]通過LS-DYNA 軟件對前防撞梁進行低速碰撞仿真，提出三種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，根據(jù)仿真結(jié)果確定耐撞性能最好的方案；劉偉東等[4]運用數(shù)值模擬建立了防撞梁低速碰撞模型，研究了鋁合金和碳纖維防撞梁在碰撞過程中的最大侵入量、侵入加速度以及侵入力隨時間的變化；李恒等[5]基于熵權(quán)TOPSIS法對C-GFRP復(fù)合材料前防撞梁進行多目標(biāo)優(yōu)化，結(jié)合正面低速碰撞仿真對比，分析了2種復(fù)合材料前防撞梁各自的優(yōu)勢。王雪梅等[6-7]對優(yōu)化設(shè)計前后防撞梁總成的性能進行對比分析，選擇正面100%重疊工況和40%偏置碰撞工況進行對比分析，獲取加速度、承載力等變化曲線，優(yōu)化設(shè)計顯著改善了汽車的耐撞性并降低了汽車的輕量化系數(shù)。

本文針對輕型客車前防撞梁系統(tǒng)，提出了基于LS-DYNA軟件計算的三點彎曲力學(xué)性能CAE分析方法，通過構(gòu)建高精度的仿真模型，模擬了碰撞條件下防撞梁本體抗彎強度（大變形問題），節(jié)約了試驗成本，保證了防撞梁總成的設(shè)計效率，為前防撞梁總成的實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 前防撞梁三點彎仿真分析方法

1.1 三點彎靜態(tài)擠壓加載方法

三點彎靜態(tài)擠壓試驗，可以模擬防撞梁在實際碰撞中的行為，從而評估其在低速碰撞中的維修經(jīng)濟成本以及在高速碰撞中對艙內(nèi)成員的保護能力。本文所研究的防撞梁系統(tǒng)三點彎力學(xué)性能測試與分析包含三部分內(nèi)容：（1）防撞梁單梁（本體橫梁）三點彎靜態(tài)擠壓，如圖1所示；（2）吸能盒軸向靜態(tài)擠壓；（3）防撞梁系統(tǒng)三點彎靜態(tài)擠壓，如圖2所示。在三點彎曲試驗中，防撞梁的失效位移和支反力是考核其結(jié)構(gòu)完整性的重要指標(biāo)。

1.2 三點彎CAE建模與仿真

根據(jù)1.1試驗標(biāo)準(zhǔn)建立防撞梁單梁及防撞梁總成三點壓彎的有限元模型。靜態(tài)擠壓壓頭靜止在橫梁上方5mm處，壓頭為圓柱形的剛體，其直徑為254mm，長度覆蓋橫梁寬度即可。根據(jù)實際的試驗要求對防撞梁總成進行施加載荷和邊界條件設(shè)置：（1）在防撞梁單梁準(zhǔn)靜態(tài)試驗中，橫梁左右放置在R50的剛性支撐塊上，約束支撐塊所有節(jié)點的六個方向自由度；（2）在吸能盒軸向靜態(tài)擠壓試驗中，吸能盒后隔板面放置在剛性平板上，約束平板所有自由度；（3）在防撞梁總成的準(zhǔn)靜態(tài)試驗中，吸能盒下端的連接板通過螺栓固定在試驗臺上，約束吸能盒底端所有節(jié)點的六個方向自由度；（4）壓頭以恒定的速度向Z軸的負方向運動200mm，壓頭恒定速度v=2mm/s，計算總時間t≥80ms。前防撞梁系統(tǒng)三點彎/軸向擠壓CAE仿真如圖3-5所示。

2 前防撞梁三點彎實物驗證

開展前防撞梁三點彎力學(xué)性能分析與實物驗證之前，需要先定義滿足整車64公里高速碰撞[2]條件下防撞梁本體不發(fā)生斷裂，分解至防撞梁三點彎力學(xué)性能接受標(biāo)準(zhǔn)為：

測試過程中，壓頭最大接觸力≥F（kN）；

橫梁本體在剛性圓柱50%*吸能盒軸向長度行程內(nèi)無裂紋；

橫梁本體在200mm行程內(nèi)不出現(xiàn)貫穿性裂紋。

其中，壓頭最大接觸力計算方法：

F1*0.7L+F*0.5L-mv2

F1表示吸能盒的軸向壓潰力，L表示吸能盒軸向長度，m表示整車整備質(zhì)量，v表示碰撞速度，0.7為經(jīng)驗值，表示高速碰撞時吸能盒壓縮至原長度的70%，0.5為經(jīng)驗值，表示橫梁本體在擠壓至50%的吸能盒軸向長度行程內(nèi)無裂紋。

圖6、7分別展示了前防撞梁本體三點彎靜態(tài)擠壓、吸能盒軸向擠壓、前防撞梁系統(tǒng)三點彎靜態(tài)擠壓的CAE分析與實物測試變形情況，為考察實物測試結(jié)果的一致性，單項試驗重復(fù)三次，具體CAE計算和實物測試的受力情況對比見表1。

小結(jié)：從表1的對比結(jié)果可知，某車型客車的前防撞梁系統(tǒng)三點彎力學(xué)性能CAE分析與實物驗證的誤差約5%，基于此仿真方法開展的防撞梁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、材料、截面、厚度等參數(shù)優(yōu)化，其計算結(jié)果可靠，可以用于指導(dǎo)實際工程設(shè)計。

3 前防撞梁三點彎力學(xué)性能優(yōu)化

汽車前防撞梁三點彎力學(xué)性能優(yōu)化涉及結(jié)構(gòu)形狀、材料類型、材料牌號、截面大小、材料厚度、本體與吸能盒的連接方式等諸多因素影響，本文采用HC550/980DP材料的防撞梁本體，對其厚度做不同變化進行研究，材料、厚度與橫梁質(zhì)量對應(yīng)關(guān)系見表2。

根據(jù)本文第2部分所述的計算方法，某輕型客車的前防撞梁三點彎力學(xué)性能其壓頭最大接觸力應(yīng)當(dāng)≥15kN。圖8顯示了6種防撞梁橫梁設(shè)計方案的三點彎靜態(tài)擠壓力-位移曲線CAE仿真結(jié)果。

小結(jié)：CAE仿真結(jié)果表明，對本文所述的輕型客車面言，采用HC550/980DP鋼制前防撞梁，其橫梁本體厚度應(yīng)當(dāng)≥2.3mm，才能保證在三點彎靜態(tài)擠壓時壓頭最大接觸力≥15kN，進而保證在高速碰撞過程中，前防撞梁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和完整性，因此，設(shè)計方案六最終被項目采用。

4 總結(jié)

本文以某輕型客車的前防撞梁系統(tǒng)為研究對象，針對三點彎力學(xué)性能測試（測試防撞梁的抗彎強度）場景進行CAE模擬，并與實物測試結(jié)果進行對比，CAE模型標(biāo)定后，分別對6種不同的防撞橫梁設(shè)計方案進行有限元分析，得到以下結(jié)論：

（1）為考察防撞梁整體的抗彎性能，分別對防撞梁橫梁（本體）、吸能盒、防撞梁總成的耐擠壓性能進行CAE仿真模擬，并準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)實物測試各部件的變形情況。

（2）提出了整車64公里高速碰撞條件下防撞梁本體不發(fā)生斷裂，分解至防撞梁三點彎力學(xué)性能接受標(biāo)準(zhǔn)及防撞梁耐擠壓力計算方法，以本文所述的某輕型客車為例，其壓頭最大接觸力應(yīng)當(dāng)≥15kN。

（3）從6種不同防撞梁本體三點彎力學(xué)性能仿真結(jié)果可知，采用HC550WybTFKcnQInvgw8CLQIkyQ==/980DP鋼制前防撞梁，要保證防撞梁本體耐擠壓力≥15kN，其橫梁本體厚度應(yīng)當(dāng)≥2.3mm。

本文研究方法對于汽車中其它抗沖擊性能的部件如側(cè)面高速碰撞時車門防撞梁、B立柱等的抗彎強度CAE分析，同樣具有參考意義。

基金項目：江西省重點研發(fā)計劃項目“復(fù)雜場景下新能源汽車碰撞數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)”（20232BBE50008）研究成果。

參考文獻：

[1]GB17354-1998.汽車前、后端保護裝置［S］.

[2]GB/T20913-2007.乘用車正面偏置碰撞的乘員保護[S].

[3] 李家順.基于LS-DYNA汽車前防撞梁仿真分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2021，59（04）：122-126.

[4]劉偉東，薄旭盛，何成.基于輕量化材料防撞梁的低速碰撞性能研究[J].材料導(dǎo)報，2019，33（S2）：468-472.

[5]李恒，邱睿，周甘華，等.纖維增強復(fù)合材料汽車前防撞梁的設(shè)計與分析[J].現(xiàn)代制造工程，2023（07）：79-88.

[6]王雪梅，薛振國，劉一揚.基于碰撞安全性汽車前防撞梁總成輕量化設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2021（04）：244-247.

[7]鄧利軍，王書賢，楊芳慶.汽車前防撞梁的耐撞性與輕量化優(yōu)化設(shè)計[J].現(xiàn)代制造工程，2021，（08）：64-69.