任潤國，尉慶國，王秒秒

（中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051）

工藝·設(shè)備·材料

汽車薄壁直梁抗彎曲特性的仿真研究

任潤國，尉慶國，王秒秒

（中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051）

針對汽車前縱梁在斜向碰撞中出現(xiàn)的抗彎能力不足，在剛性墻極限傾角下發(fā)生歐拉變形的問題，利用HyperMesh軟件建立了薄壁梁斜向碰撞有限元模型，LS-DYNA求解。分別分析了梁長度∕截面寬，高、接觸面摩擦系數(shù)、壁厚對梁抗彎能力的影響。從中得出了一些提高薄壁梁抗彎能力的有意義的方法。

薄壁直梁；抗彎特性；斜向碰撞；模擬仿真

CLC NO.:TH16,U463.821Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)03-84-04

引言

由薄壁管件構(gòu)成的汽車前縱梁梁結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量小、軸向壓縮力穩(wěn)定、軸向強(qiáng)度高、吸能特性好等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于大多數(shù)汽車的前縱梁結(jié)構(gòu)中。目前大多數(shù)關(guān)于薄壁梁軸向碰撞的研究集中在梁的截面形狀、誘導(dǎo)槽的性能、梁的厚度和材料等。然而，發(fā)生的大部分汽車正面碰撞事故里，汽車的前縱梁并不是與被撞物體發(fā)生純軸向碰撞，而是呈一定角度發(fā)生相互之間的撞擊。因此，針對汽車前縱梁的設(shè)計(jì)，不僅要使其滿足在軸向碰撞中結(jié)構(gòu)變形的要求，同時(shí)，也應(yīng)該適應(yīng)寬泛的撞擊角度，即薄壁梁能夠承受一定的斜向載荷，避免發(fā)生歐拉彎曲變形現(xiàn)象[1]。

本文建立了薄壁梁斜向碰撞有限元模型，對可能影響薄壁梁抗彎能力的參數(shù)進(jìn)行了模擬仿真的分析。通過分析，得出了一些改善薄壁梁斜向碰撞性能有意義的方法和措施。

1、前縱梁斜向碰撞有限元模型

前縱梁幾何模型是用CATIA軟件建立的，保存為IGES格式導(dǎo)入到HYPERMESH軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模擬仿真所采用的薄壁梁截面尺寸為100mm ×100mm，長度為500mm。薄壁梁的材料選用高強(qiáng)度鋼DP600,材料參數(shù)為：密度：7.9×10-9t/mm，彈性模量：2.1×105MPa，泊松比：0.3，屈服點(diǎn)應(yīng)力：340MPa。簡化車體采用剛體材料模型（M20），簡化車體與薄壁梁之間采用共節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行連接。

1.1 網(wǎng)格尺寸的確定

依據(jù)文獻(xiàn)[2]所做的研究，方形薄壁梁的折疊半徑可估計(jì)為r=0.7C1/3t2/3。其中C為截面寬，對于矩形薄壁梁，C可取截面的高或?qū)挘籺為壁厚。為了精確的描述薄壁梁的變形，網(wǎng)格尺寸應(yīng)小于0.5。經(jīng)過計(jì)算，文中選用6×6mm的單元網(wǎng)格對薄壁梁進(jìn)行劃分。

1.2 接觸與加載條件的設(shè)置

為了更準(zhǔn)確的描述薄壁梁的過程，薄壁梁與剛性墻之間設(shè)置面面接觸，前縱梁自身構(gòu)件間采用自動(dòng)單面接觸。剛性墻約束其全部自由度，約束前縱梁與車體連接處除X方向的全部自由度。

1.3 摩擦參數(shù)的確定

在接觸的設(shè)置中考慮摩擦的影響，摩擦系數(shù)表達(dá)式如下：

其中，μs靜摩擦系數(shù)；μd動(dòng)摩擦系數(shù)；DC衰減系數(shù)；v相對速度[3]。此次仿真分析中，靜摩擦系數(shù)選為0.2；動(dòng)摩擦系數(shù)選為0.1；仿真時(shí)間確定為80ms。

根據(jù)上述條件所建立的薄壁梁模型如圖1所示：

2、薄壁梁斜向碰撞的有限元分析

應(yīng)用LS-DYNA軟件對所建立的薄壁梁斜向碰撞有限元模型進(jìn)行求解，其碰撞變形如圖2所示：

從上圖可以看出：薄壁梁的碰撞變形比較規(guī)整，形成“褶皺’,能夠起到很好的吸能變形作用，沒有發(fā)生不規(guī)則的變形。以1°的變化作為剛性墻的傾角，當(dāng)剛性墻傾角達(dá)到19°時(shí)，薄壁梁開始發(fā)生不規(guī)則變形，整個(gè)薄壁梁進(jìn)入歐拉彎曲變形模式，如圖3

所示。通過對比分析，可見：發(fā)生歐拉彎曲變形的薄壁梁的吸能能力、軸向載荷較之前大幅度降低。薄壁梁發(fā)生歐拉彎曲變形模式前后的剛性墻反力，內(nèi)能對比圖如圖4,5所示：

3、影響薄壁直梁彎曲變形的因素分析

3.1 薄壁直梁長度∕截面寬、高的影響

表1 薄壁梁長度，截面寬度變化斜向臨界傾角計(jì)算

為研究薄壁直梁長度，截面寬、高對梁彎曲變形的影響，采用三種措施：

1.梁長度，截面高度，厚度保持不變，以4mm作為截面寬度的變化范圍；

2.截面寬、高，厚度保持不變，變化梁的長度；

3.梁長度，截面寬度，厚度保持不變，以4mm作為截面高度的變化范圍；

計(jì)算不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的薄壁梁在斜向載荷下發(fā)生歐拉彎曲變形的的臨界傾角，以1°作為剛性墻臨界傾角。計(jì)算結(jié)果如表1,2所示：

表2 薄壁梁截面度高變化斜向臨界傾角計(jì)算

表1,2說明：方形截面的薄壁梁在斜向載荷沖擊下，引起梁發(fā)生歐拉變形模式的剛性墻臨界傾角與薄壁梁的長度，截面的寬和高存在一定的關(guān)系。引起梁發(fā)生歐拉變形模式的剛性墻臨界傾角隨著梁截面的寬度的減小而逐漸減小，隨著梁長度的增加而減小。當(dāng)方形薄壁梁的截面高度維持在一定數(shù)值范圍時(shí)，可保證薄壁梁能承受較大的剛性墻臨界傾角，不發(fā)生歐拉彎曲變形。

3.2 剛體墻表面摩擦系數(shù)的影響

通過增加剛性墻表面的摩擦系數(shù)與原方案進(jìn)行對比分析，分析結(jié)果如表3所示：

表3 相同薄壁梁斜向撞擊表面摩擦系數(shù)不同的剛體墻仿真結(jié)果

當(dāng)薄壁梁與傾斜一定角度的剛體墻發(fā)生碰撞時(shí)，梁的前端相對剛性墻表面發(fā)生滑移現(xiàn)象。這樣，剛性墻表面的摩擦阻力相當(dāng)于給薄壁梁的端面施加了一定的約束，可以有效的緩解薄壁梁的彎曲變形。

3.3 薄壁梁厚度的影響

為了研究不同壁厚薄壁梁承受斜向載荷的極限抗彎能力，選1.2/1.4/1.6/1.8/2.0/2.2mm六種厚度進(jìn)行仿真分析，計(jì)算得到的各厚度平均界面合力和內(nèi)能變化如圖6,7所示：

從上圖中可以看出：從平均界面合力來看，厚度為1.2mm的薄壁梁的平均界面合力要低于其它各種厚度。其余五種厚度的薄壁梁在未發(fā)生歐拉彎曲變形的情況下（0°～16°），其平均界面合力基本保持一致。當(dāng)剛性墻傾角達(dá)到18°～19°時(shí)，六種厚度的薄壁梁的平均界面合力急劇下降。可以斷定，薄壁梁此時(shí)進(jìn)入了歐拉彎曲變形模式。同時(shí)，薄壁梁厚度越小，其平均界面合力下降的比例也越大。

從吸收能量的角度來看，薄壁梁在未發(fā)生歐拉彎曲變形的情況下（0°～16°），六種厚度的薄壁梁吸能能力基本一致，每種厚度吸收的能量隨著剛性墻傾角增加變化的范圍也不是很大。當(dāng)剛性墻傾角達(dá)到18°～19°時(shí)，六種厚度薄壁梁吸能能力急劇下降，同時(shí)，薄壁梁厚度越小，其吸能能力下降的比例也越大。

上圖也說明，六種厚度的薄壁梁發(fā)生歐拉彎曲變形的剛性墻臨界傾角均在18°～19°范圍內(nèi)，即剛性墻的臨界傾角對薄壁梁厚度的變化不敏感。

4、結(jié)論

建立了薄壁梁斜向碰撞模型，進(jìn)行了斜向碰撞的仿真分析。對影響薄壁梁極限抗彎性能的參數(shù)進(jìn)行了分析。得出了提高薄壁梁極限抗彎性能的一些措施。

1. 采用較小的梁截面長寬比，截面高度應(yīng)保持在一定的數(shù)值范圍內(nèi)。

2. 提高梁端的約束?？梢栽谲囕v的前部結(jié)構(gòu)采用一些摩擦系數(shù)較大的材料。

3. 厚度較大的薄壁梁在發(fā)生歐拉彎曲變形模式的情況下其平均界面合力和吸能能力下降的比例要小于厚度較小的。剛性墻的臨界傾角對薄壁梁厚度的變化不敏感。

[1] 張金換，杜匯良，馬春生等．汽車碰撞安全性設(shè)計(jì)[M]．北京：清華大學(xué)出版社2010．

[2] Abramowiez W , JonesN．Dynamic Axial Crushing of Circular Tubes [J]．International Journal of Impact Engineering．2000(2)：63—81.

[3] 栗萌帥, 與學(xué)兵. 汽車薄壁結(jié)構(gòu)碰撞吸能特性分析與改進(jìn)［D］. 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2007.

[4] 張維剛, 黃棟. 汽車薄壁梁斜向碰撞性能仿真研究[J].2010(6) :515-519汽車工程 2010.06.

[5] Nagel G M，Thambiratnam D P．DyIlamie Simulation and Energy Absorption of Tapered Thin·walled Tubes Under Oblique Impact Loading[J]．Intemational Journal of Impact Engineering. 2006，32：1595一1620．

Simulation Study on the Bending Resistance Characteristic of Thin—Walled Straight Beam in Vehicle

Ren Runguo, Wei Qingguo, Wang Miaomiao
(College of Mechanical and Power Engineering, North university of China, Shaanxi Taiyuan 030051)

In view of the inadequate abilities in bending resistance of thin—walled straight beam in oblique impact,the problem of euler deformation in the limit angle of the rigid wall, the thin-walled beam oblique collision finite element model was set up through HyperMesh, solved by LS-DYNA. The beam length/section wide, height, the contact surface friction coefficient, wall thickness, reinforcement plate and filling material to beam were analyzed respectively. From above, we can draw some meaningful methods in improving bending resistance.

thin wall straight beam; bending resistance characteristic; oblique collision; simulation

TH16,U463.821

A

1671-7988(2014)03-84-04

任潤國，碩士研究生，就讀于中北大學(xué)，主要研究方向：車輛的整車設(shè)計(jì)。