烏秀春， 宿學深

（1.上海電機學院 汽車學院，上海 200245；2.遼寧工業(yè)大學 汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001）

汽車保險杠系統(tǒng)耐撞性研究

烏秀春1， 宿學深2

（1.上海電機學院 汽車學院，上海 200245；2.遼寧工業(yè)大學 汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001）

利用計算機仿真方法研究汽車保險杠系統(tǒng)的耐撞性。在三維機械設計軟件CATIA中建立整車及保險杠系統(tǒng)的三維CAD模型，并在HyperMesh軟件中進行前處理，進而建立有限元模型；在PamCrash軟件中進行碰撞過程仿真求解，將仿真結(jié)果與實車碰撞數(shù)據(jù)進行對比，驗證了模型的正確性；最后進行保險杠系統(tǒng)低速碰撞過程仿真，通過仿真可預測出汽車保險杠系統(tǒng)發(fā)生碰撞時的位移和變形，為保險杠系統(tǒng)的設計改進提供參考。

保險杠；耐撞性；碰撞仿真；低速碰撞

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們安全意識的增強，汽車的安全性顯得越來越重要。各汽車生產(chǎn)廠家紛紛通過提高所生產(chǎn)汽車的安全性來吸引更多的客戶，故汽車的耐撞性設計已經(jīng)成為汽車生產(chǎn)過程中重要的一環(huán)。作為設計人員不僅要使汽車在發(fā)生碰撞時保護乘員的安全，同時也要考慮到汽車碰撞后的可維修性，故體現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)耐撞性能的重要部件之一——保險杠系統(tǒng)的耐撞性就顯得尤為重要［2］。本文利用計算機仿真方法研究汽車碰撞過程中保險杠系統(tǒng)的耐撞性能。

1 保險杠系統(tǒng)

汽車保險杠系統(tǒng)由橫杠、內(nèi)襯、托架及緩沖吸能元件等組成。保險杠系統(tǒng)是汽車車身的一個重要組成部分，其作用主要是當汽車與其他車輛或障礙物發(fā)生低速碰撞時，保護翼子板、散熱器、發(fā)動機罩和燈具等部件；當汽車與行人發(fā)生碰撞時，最大限度地保護行人［3］。

在研究保險杠系統(tǒng)耐撞性時，一般單獨對保險杠系統(tǒng)進行研究，在吸能盒與前縱梁連接的位置加上一個剛性質(zhì)量塊用于模擬整車質(zhì)量，或?qū)ΡｋU杠支架支撐處的6個自由度進行約束，建立保險杠系統(tǒng)的有限元模型。這樣做簡化了模型、節(jié)省了計算時間［4］。

本文采用的方法是通過對整車進行碰撞的有限元分析來研究保險杠系統(tǒng)的耐撞性能，分析保險杠系統(tǒng)及整車的變形情況，以期為保險杠系統(tǒng)的設計、改進提供參考。

2 碰撞仿真

2.1 整車模型的建立

將三坐標測量系統(tǒng)提取的轎車車身點云數(shù)據(jù)導入到三維機械設計軟件CATIA的Digitized Shape Editor模塊中，運用逆向工程方法建立零部件模型，在Assembly Design模塊中完成整車的裝配過程，將整車的CAD模型導入到 HyperMesh前處理軟件中，在HyperMesh中對導入的幾何模型進行網(wǎng)格劃分［5］。整車有限元模型共有179 333個單元，187 403個結(jié)點。

在單元類型的選擇上，汽車車身結(jié)構(gòu)部件大部分是由薄鋼板沖壓而成的鈑金件，故在汽車碰撞分析中常選擇三維薄殼單元，只用到少量的梁單元和體單元。

由于本文主要研究汽車正面及保險杠系統(tǒng)的耐撞性，故在劃分網(wǎng)格時，汽車前部的網(wǎng)格劃分得較細，尤其是保險杠系統(tǒng)，采用的網(wǎng)格大小為5mm；汽車前部的零部件，如前縱梁、前翼子板、大燈支架等，這些部件對碰撞結(jié)果影響較大，也要細化網(wǎng)格；汽車中部和后部的一些部件，對仿真結(jié)果影響較小，發(fā)生碰撞時基本不變形，網(wǎng)格大小為10～20mm。

劃分網(wǎng)格后的整車模型如圖1所示。

圖1 整車網(wǎng)格模型Fig.1 Grid model of a whole vehicle

2.2 碰撞仿真參數(shù)和接觸的確定

劃分網(wǎng)格的大小與計算時間步長相關，采用5～10mm劃分網(wǎng)格的模型，一般計算步長適用微秒（μs）量級［6］。根據(jù)有限元理論，最小網(wǎng)格單元尺寸的大小影響了計算的穩(wěn)定時間步長，單元網(wǎng)格尺寸越小則需要計算的時間步長就越小，這樣需要等待計算結(jié)果的時間也越長，對計算機硬件的要求就越高，模擬計算的精度也越高［7］。本模型最小時間步長為1.44μs。

材料特性的確定是有限元模擬計算的關鍵。車身采用的材料主要為拉延性能較好的低碳鋼薄鋼板，故采用分段線性塑性材料模型來進行模擬。低碳鋼薄鋼板的密度

彈性模量E＝210GPa，泊松比μ＝0.28～0.3，屈服強度σs＝270～390MPa。本文采用Cowper－Symonds應變率模型［8］。

在碰撞過程中，車體各零件要發(fā)生相互或自身的接觸，故需要進行適當?shù)目刂?。在Pam－Crash軟件中采用CONTACT 36接觸實現(xiàn)模擬，選取的接觸厚度應大于0.5mm或單元長度的10%，選取的摩擦系數(shù)為0～1.0［9］。根據(jù)分析比較，本模型確定接觸厚度為1mm，摩擦系數(shù)為0.15，罰函數(shù)系數(shù)為0.1，并設定了初始滲透去除和障礙區(qū)域彌補的功能，這樣可以自動消除計算中各單元互相滲透和干涉的問題，提高了計算效率［10］。

2.3 整車正面50km／h碰撞仿真

模型建好后，給整車施加速度為50km／h的速度場，整車施加重力場；定義剛性墻位置為無限大剛性墻，整車和剛性墻接觸時，整車內(nèi)部自接觸；車輪和地面接觸為地面施加約束，保證其不動，然后進行汽車正面碰撞剛性墻模擬仿真［11］。圖2為汽車正面碰撞仿真圖。由圖2可見，駕駛室及前門框基本上沒發(fā)生變形，車身頂板在碰撞過程中也沒發(fā)生明顯變形，前翼子板和發(fā)動機罩均產(chǎn)生了明顯變形，變形趨勢與相同碰撞條件下的實車碰撞試驗結(jié)果（見圖3）基本一致。

2.4 低速碰撞仿真

2.4.1 建立擺錘模型 根據(jù)《ECE R42關于就車輛前、后保護裝置（保險杠等）批準車輛的統(tǒng)一規(guī)定》的要求，建立碰撞器模型，給碰撞器施加4km／h的速度，碰撞器基準與碰撞中心在同一高度。擺錘有限元模型共有34 580個單元，40 708個結(jié)點。擺錘尺寸和劃分完網(wǎng)格的擺錘模型如圖4和圖5所示。

2.4.2 低速碰撞仿真過程 對汽車低速碰撞過程進行仿真，仿真時間歷程如圖6所示。

由圖可見，當t＝0ms時，擺錘與整車模型碰撞接觸；當t＝100ms時，保險杠系統(tǒng)變形，保險杠外蒙皮兩端向下變形；當t＝200ms時，擺錘與整車發(fā)生碰撞后向X負方向移動，保險杠系統(tǒng)變形達到最大后開始恢復；當t＝300ms和400ms時，擺錘繼續(xù)向后移動，保險杠系統(tǒng)繼續(xù)恢復變形；當t＝500ms時保險杠系統(tǒng)基本恢復原狀。

圖6 低速碰撞仿真過程Fig.6 Process of low－speed crash simulation

3 仿真結(jié)果分析

圖7為汽車以50km／h速度正面碰撞剛性墻的車身B柱X向減速度仿真與試驗結(jié)果的比較，碰撞實驗的數(shù)據(jù)按照要求進行了CFC60濾波處理。由圖7可見，仿真曲線與試驗曲線的變化趨勢基本一致。從變形的整個時間歷程來看，在發(fā)生變形的前20ms內(nèi)，主要是汽車保險杠系統(tǒng)參與碰撞發(fā)生變形。圖7中，保險杠在A點橫梁發(fā)生作用開始吸能；由A點到B點的過程是保險杠吸能盒力量加載的過程，在此加載過程中，吸能盒發(fā)生一定的塑性變形；由B點到C點的過程是保險杠的吸能盒完全壓饋變形吸能［12］。

圖7 車身B柱X向減速度比較Fig.7 Deceleration comparison in Xdirection of the car body's B－pillar

由圖8可知，保險杠系統(tǒng)在發(fā)生低速碰撞后，向車身方向壓縮，當壓縮變形達到最大后，保險杠系統(tǒng)開始恢復變形。在仿真結(jié)束時，保險杠系統(tǒng)在X方向與車身的距離基本恢復到碰撞前距離。

圖8 保險杠橫梁中間一節(jié)點（33437）與車身之間在X方向距離曲線Fig.8 Curve of distance in Xdirection between the middle node 33437of bumper crossbeam and car body

在汽車發(fā)生碰撞時，保險杠系統(tǒng)首先參與，吸收了部分碰撞能量，在完全壓饋變形后把碰撞能傳遞給后面的部件［13］。直接與汽車保險杠系統(tǒng)吸能盒相連的部件是汽車的前縱梁。前縱梁是汽車正面高速碰撞中吸收能量最多的部件，保險杠系統(tǒng)要把碰撞力平均地傳遞給前縱梁及后部的車身，由此可知，保險杠系統(tǒng)安裝位置要合理［14］。

在設計保險杠系統(tǒng)時，必須設置吸能盒，吸能盒的縱向長度應大于100mm；吸能盒中心線應盡量與碰撞器基準線保持水平，前艙內(nèi)零部件布置應盡量遠離前保險杠橫梁，重要的零部件應盡量靠后布置［15］。根據(jù)圖6和圖8可知，在低速碰撞過程中，保險杠系統(tǒng)能很好地吸收碰撞能量。低速碰撞發(fā)生后，整個車身向后輕微移動，致使保險杠橫梁明顯向后發(fā)生彎曲變形，大燈支架等直接相連的部件也有向后移動的趨勢。隨著時間的繼續(xù)，保險杠系統(tǒng)在發(fā)生輕微變形后基本恢復到碰前狀態(tài)，從而有效地保護了前部的一些部件。

4 結(jié) 語

本文將三坐標測量系統(tǒng)測得車身點云數(shù)據(jù)導入到CATIA軟件中建立整車CAD模型，并在HyperMesh中劃分網(wǎng)格，在PamCrash中進行碰撞過程仿真。仿真結(jié)果與實車試驗數(shù)據(jù)對比，驗證了模型的可用性，并在此基礎上進行了低速碰撞過程仿真，分析了整個碰撞過程中保險杠系統(tǒng)的變形及受力情況，可以為保險杠系統(tǒng)的安全性設計或改進提供參考。

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Crashworthiness of Car Bumper System

WU Xiuchun1， SU Xueshen2
（1.School of Automobile，Shanghai DianJi University，Shanghai 200245，China；2.School of Automobile and Transportation Engineering，Liaoning University of Technology，Jinzhou 121001Liaoning，China）

A computer simulation method is used to study crashworthiness of car bumper systems.A three－dimensional model of the car and its bumper system is established in CATIA software.Pre－treatment is done in HyperMesh and a finite element model is established.Simulation of the car crash process is then performed in PamCrash.The simulation results are compared with real test to verify accuracy of the finite element model.Finally，a low－speed crash simulation is carried out.Crash displacement and deformation of the car bumper system can be predicted using simulation method，which provides a reference to the design and improvement of car bumper systems.

bumper；crashworthiness；crash simulation；low－speed crash

U 467.14

A

2095－0020（2012）01－0033－05

2012－01－03

烏秀春（1973－），女，教授，博士，專業(yè)方向為車輛CAD／CAM／CAE技術，E－mail：wuxc＠sdju.edu.cn