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        基于Ls-Dyna的鋁合金保險杠碰撞仿真分析*

        2013-06-28 09:53:02魏顯坤鄧長勇曹建國
        機(jī)械研究與應(yīng)用 2013年3期
        關(guān)鍵詞:內(nèi)能保險杠臺車

        魏顯坤,鄧長勇,曹建國,邢 峰,夏 銘

        (1.重慶工商職業(yè)學(xué)院,重慶 401520;2.重慶廣播電視大學(xué),重慶 401520;3.重慶安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院,重慶 400050)

        1 引言

        汽車前保險杠位于汽車最前部,是前部或追尾碰撞事故中首先接觸的部件,在減小碰撞事故中對行人的傷害,降低低速碰撞事故對車輛的損壞方面起著重要作用[1]。保險杠橫梁的主要作用是將碰撞中產(chǎn)生的能量均勻地傳遞給吸能盒,同時防止內(nèi)侵量過大造成發(fā)動機(jī)前部件的損壞;吸能盒的作用是通過吸能盒的壓潰變形將碰撞中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,吸收能量,并將由前橫梁傳遞來的碰撞力均勻地傳遞到車身兩前縱梁骨架上。對保險杠吸能盒在碰撞過程中的吸能特性和變形規(guī)律進(jìn)行分析,提高吸能盒的吸能性能,對于提高車輛的被動安全性、實現(xiàn)保險杠的輕量化設(shè)計具有重要意義?;谟邢拊治鲕浖﨟ypermesh和LS-DYNA,對汽車保險杠的碰撞過程吸能特性進(jìn)行了仿真分析。

        2 建立鋁合金保險杠有限元模型

        碰撞仿真模擬分析過程分三步:前處理、提交求解、后處理。第一步:前處理,用CATIA建模,以IGES格式導(dǎo)入Hypermesh進(jìn)行幾何清理、網(wǎng)格劃分、單元檢查、賦材料參數(shù)、定義屬性、施加載荷及約束等邊界條件,設(shè)置關(guān)鍵字時間步長、輸出等控制卡片,以后綴*K文件格式保存。第二步將K文件提交求解器DYNA運算求解。第三步,用后處理模塊Hyperview查看計算結(jié)果能量、速度、加速度、位移、應(yīng)力應(yīng)變等。

        建立鋁合金保險杠幾何模型,在Hypermesh中以單元目標(biāo)尺寸為4 mm劃分網(wǎng)格,模型共有27 820個單元,28 032個節(jié)點,三角形單元占0.2%,網(wǎng)格質(zhì)量很好[2]。橫梁和吸能盒、吸能盒與連接板之間用RIGID連接。鋁合金保險杠有限元模型及應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1、2所示。

        圖1 鋁合金保險杠有限元模型

        圖2 6101鋁合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線

        表1 材料參數(shù)和屬性設(shè)置

        3 鋁合金保險杠碰撞仿真模擬分析

        將吸能盒與縱梁的連接的螺栓孔周圍的nodes放在一個SET里,用ANSYS里的interface講這些點約束到剛性壁障上,剛性壁障上的單元用MAT20號剛性單元,并約束全部自由度。將臺車所有節(jié)點放在1個SET里,對這個SET賦予1個速度值,表示臺車的速度,也可以把臺車放在1個BOX中,對BOX定義1個速度[3-5]。設(shè)置臺車質(zhì)量為1 400 kg,臺車速度設(shè)置為32 km/h,即8.889 m/s,100%正碰,保險杠可以完全壓潰。設(shè)置總的時間為40 ms。鋁制保險杠100%正碰仿真有限元模型如圖3所示。

        圖3 鋁制保險杠100%正碰仿真有限元模型

        碰撞過程能量變化如圖4所示,總能量守恒,動能逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,動能逐漸減小,內(nèi)能逐漸增加,沙漏能和滑移截面能很小,均小于5%,碰撞仿真結(jié)果可靠。

        圖4 碰撞過程能量變化曲線

        保險杠碰撞變形過程如圖5所示,從圖中可以看出10 ms以前,主要是保險杠橫梁變形,吸能盒基本沒變形。10 ms以后,吸能盒逐漸壓潰。

        圖5 鋁合金保險杠碰撞過程的變形

        碰撞過程接觸力曲線如圖6所示,從圖中可以看出碰撞過程作用力與反作用力大小相等,方向相反,兩曲線以x軸對稱。

        圖6 碰撞過程接觸力曲線

        保險杠各個部分的吸能量如圖7所示,從圖中可以看出,前11 ms吸能盒吸能量很小,保險杠總吸能量曲線和橫梁內(nèi)能變化曲線重合,表示前11 ms保險杠吸能主要是橫梁吸能。11 ms之后接觸力也顯著增大,從保險杠壓潰變形圖也可以看出,吸能盒逐漸開始潰縮,吸能盒內(nèi)能和橫梁的內(nèi)能均逐漸增大。

        圖7 碰撞過程保險杠各部分吸能量曲線

        從接觸力曲線可以看到20 ms以后,接觸力徒增,表示保險杠基本完全壓潰,計算能量時,取20 ms時的內(nèi)能為結(jié)構(gòu)的吸能量。

        從表2中可以看出,吸能盒的質(zhì)量占保險杠總質(zhì)量的13.8%,吸能量占保險杠總吸能的45.2%。橫梁的質(zhì)量占保險杠總質(zhì)量的78.3%,吸能量占保險杠總吸能的54.1%。吸能盒的比吸能最高,增大吸能盒的吸能量可顯著提高保險杠的比吸能。

        表2 6101鋁合金保險杠各部分吸能特性表

        4 結(jié)語

        用有限元仿真分析軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞模擬分析,可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低試驗成本。本文在前處理軟件HYPERMESH中建立保險杠有限元模型,然后用顯示有限元軟件LS-DYNA進(jìn)行碰撞仿真分析,結(jié)果表明:保險杠吸能特性較好;吸能盒的比吸能最高,增大吸能盒的吸能量可顯著提高保險杠的比吸能。

        [1] 米 林,魏顯坤.鋁合金保險杠吸能盒碰撞吸能特性[J].西華大學(xué)學(xué)報,2012(6):1-7.

        [2] 張勝蘭,鄭冬黎,郝 琪,等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

        [3] 胡遠(yuǎn)志,曾必強(qiáng).基于LS-DYNA和HyperWorks的汽車安全仿真與分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

        [4] 趙海鷗.LS-DYNA動力分析指南[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2003.

        [5] 白金澤.LS-DYNA3D理論基礎(chǔ)與實例分析[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

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