陳克，張津銘

（沈陽(yáng)理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

基于workbench的汽車防滾架強(qiáng)度特性分析

陳克，張津銘

（沈陽(yáng)理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

防滾架是現(xiàn)代汽車賽事中保障乘員人身安全的關(guān)鍵組成部分，本文根據(jù)國(guó)際汽聯(lián)對(duì)防滾架相關(guān)技術(shù)要求，建立了三菱EC9A車型的防滾架有限元模型，利用ANSYS Workbench對(duì)防滾架進(jìn)行了靜側(cè)翻動(dòng)力學(xué)仿真，得到防滾架關(guān)鍵部位的應(yīng)力和變形曲線，并對(duì)該型防滾架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。該分析方法及計(jì)算結(jié)果對(duì)防滾架的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析具有一定的實(shí)際參考價(jià)值。

防滾架；碰撞；強(qiáng)度；動(dòng)力學(xué)；workbench

CLC NO.: U461.91 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)09-64-03

引言

在現(xiàn)代汽車賽事中，較高的車速以及復(fù)雜多變的競(jìng)賽場(chǎng)地使翻車事故時(shí)有發(fā)生[1,2]。由于危險(xiǎn)性較高，需要對(duì)車身強(qiáng)度進(jìn)行額外增強(qiáng)。因此，為了保障車手的生命安全，安裝防滾架成為了很多賽事中車輛參賽最基本的安全性要求。防滾架多為金屬框架結(jié)構(gòu)，在車輛發(fā)生側(cè)翻時(shí)，可對(duì)車身結(jié)構(gòu)起到支撐作用，減小車身變形，最大限度的保障駕駛員的生存空間，因此，研究防滾架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及安全性尤為重要。文獻(xiàn)[1]利用ANSYS軟件對(duì)防滾架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了靜力學(xué)分析，但車輛側(cè)翻時(shí)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，靜力學(xué)分析并不能完全闡述防滾架的變形。因此本文采用ANSYS Workbench對(duì)車輛側(cè)翻時(shí)防滾架的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，分析碰撞后期的3個(gè)階段與能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，研究防滾架關(guān)鍵部位的應(yīng)力與形變，以評(píng)價(jià)防滾架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1、防滾架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文依據(jù)國(guó)際汽聯(lián)對(duì)防滾架設(shè)計(jì)的相關(guān)要求[2]，設(shè)計(jì)了三菱CE9A車型的防滾架。防滾架主體由一根主防滾杠，一根前防滾杠，兩個(gè)縱向部件，兩個(gè)后支撐及六個(gè)安裝腳組成，

如圖1所示。此外，為進(jìn)一步增加強(qiáng)度，在主防滾架基礎(chǔ)上添加了四根縱向部件，兩根橫向部件以及三條斜支撐。選擇防滾架材料為直徑40mm壁厚2mm的40CrNiMoA鋼管，總質(zhì)量為35.8kg。

2、防滾架的動(dòng)力學(xué)分析

汽車在發(fā)生側(cè)翻過(guò)程中，車身上作用力的位置，大小和方向都在時(shí)刻發(fā)生改變，并且常伴隨著車身結(jié)構(gòu)的大變形，材料的失效以及與地面間的碰撞滑動(dòng)等多種因素，是一個(gè)涉及到幾何，材料及接觸的多重非線性問(wèn)題[3]，因此需要用動(dòng)力學(xué)方法來(lái)評(píng)價(jià)防滾架在車輛側(cè)翻時(shí)的強(qiáng)度。

2.1 顯式動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)

Ansys Workbench的Explicit Dynamics模塊在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，利用顯式動(dòng)力學(xué)軟件Autodyn中的求解器進(jìn)行求解。該算法基于動(dòng)力學(xué)方程，是對(duì)時(shí)間進(jìn)行差分，因此無(wú)需迭代，不存在計(jì)算結(jié)果能否收斂的問(wèn)題，具有較好的穩(wěn)定性。

對(duì)于非線性問(wèn)題，假設(shè)彈性系數(shù)k為位移u的函數(shù)。根據(jù)達(dá)朗貝爾動(dòng)力學(xué)原理可得其運(yùn)動(dòng)方程為：

轉(zhuǎn)為有限元法的矩陣形式為：

式中P(tn)為外力向量列陣，F(xiàn)int(tn)為內(nèi)力矢量，即單元內(nèi)力與接觸力之和，H(tn)為沙漏阻力。

運(yùn)動(dòng)方程可用中心差分法進(jìn)行時(shí)間積分，假設(shè)已知0,……,tn時(shí)間步的解的情況下，求解tn+1時(shí)間步的解，將質(zhì)量矩陣M移到等式右邊，求出tn時(shí)刻的加速度：

這樣可以得到tn+1時(shí)刻的位移，更新tn的系統(tǒng)幾何構(gòu)型，得到tn＋1時(shí)刻系統(tǒng)的幾何構(gòu)型。

2.2 有限元模型的建立

防滾架由壁厚為2mm的40CrNiMoA鋼管焊接而成，其材料模型為雙線性隨動(dòng)硬化模型，失效形式采用屈服失效，材料參數(shù)如表1所示。采用板殼Shell 181單元，該單元適用于薄到中等厚度的殼結(jié)構(gòu)，具有應(yīng)力剛化及大形變功能，退化的三角形單元用于網(wǎng)格生成的過(guò)渡單元。單元尺寸為5mm，共生成70724個(gè)節(jié)點(diǎn)，71077個(gè)單元。

表1 40CrNiMoA材料參數(shù)

為得到觸地前瞬間時(shí)刻防滾架與地面的相對(duì)位置與相對(duì)速度，根據(jù)文獻(xiàn)[5]，利用多體動(dòng)力學(xué)軟件MSC.ADAMS對(duì)防滾架與地面碰撞前期進(jìn)行仿真。由仿真結(jié)果可知，防滾架在觸地瞬間，架體頂部與地面成20°夾角，垂向速度2.9m/s，橫向速度1.5m/s。

為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，增大步長(zhǎng)△t，需將模型進(jìn)行等效簡(jiǎn)化處理。固定防滾架的六個(gè)安裝位，整車質(zhì)量用一塊同質(zhì)量鋼板代替，設(shè)置鋼板為剛體以減少計(jì)算量，計(jì)入重力影響，輸入從Adams軟件獲得的觸地瞬間數(shù)據(jù)作為初始條件，使鋼板與防滾架碰撞，對(duì)碰撞開(kāi)始后的160ms進(jìn)行仿真。

2.3 防滾架碰撞后期的過(guò)程分析

根據(jù)仿真結(jié)果，可將防滾架碰撞后期分成三個(gè)階段。

第一階段如圖2所示，鋼板首先與防滾架頂部一側(cè)發(fā)生碰撞，該側(cè)防滾架受力變形吸收了鋼板的部分動(dòng)能，而另一側(cè)的鋼板依然在重力作用下加速向防滾架靠近；

第二階段如圖3所示，首先與防滾架接觸側(cè)的鋼板由于受到防滾架變形產(chǎn)生的彈力而被彈起，而另一側(cè)的鋼板與防滾架開(kāi)始接觸，產(chǎn)生了二次碰撞，鋼板的動(dòng)能與勢(shì)能進(jìn)一步釋放；

第三階段如圖4所示為漸穩(wěn)階段，鋼板的動(dòng)能與勢(shì)能大部分已經(jīng)得到釋放，其在防滾架頂部做減幅擺動(dòng)直至靜止。整個(gè)碰撞過(guò)程與實(shí)際車輛側(cè)翻后，頂部著地情況基本相似，具有一定的代表性。

2.4 防滾架碰撞后期的能量分析

能量是守恒的，觀察仿真過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化是評(píng)估計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確與否的一個(gè)重要指標(biāo)。仿真計(jì)算的能量轉(zhuǎn)化曲線如圖5所示，動(dòng)能具有三個(gè)明顯的下降區(qū)間，對(duì)應(yīng)著碰撞后期鋼板與防滾架的初次碰撞，二次碰撞與漸穩(wěn)狀態(tài)。由于變形的防滾架釋放了部分彈性勢(shì)能，因此動(dòng)能在每個(gè)谷值后都有所回彈，最后趨于平穩(wěn)，而內(nèi)能則與動(dòng)能相反。由此可見(jiàn)，其能量轉(zhuǎn)換與碰撞過(guò)程的三個(gè)階段保持了較高的一致性。觀察整個(gè)能量轉(zhuǎn)化曲線，沙漏能只有輕微浮動(dòng)，基本控制在5%以內(nèi)，因此從能量轉(zhuǎn)化角度來(lái)看，本次仿真結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3、結(jié)果分析

為了評(píng)價(jià)防滾架的強(qiáng)度，分析碰撞過(guò)程中防滾架對(duì)乘員空間的侵入量，在防滾架頂部的四個(gè)接頭處以及主防滾杠斜向支撐的交叉處設(shè)置了如圖1所示的觀測(cè)點(diǎn)，以觀測(cè)各點(diǎn)的形變與應(yīng)力隨時(shí)間變化的情況。

比較車頂四點(diǎn)的形變與應(yīng)力曲線，在整個(gè)碰撞過(guò)程中，防滾架的最大形變和最大應(yīng)力均發(fā)生在第三觀測(cè)點(diǎn)處，該點(diǎn)最大變形量如圖6所示為69.31mm，由于該車型車頂與成員之間有超過(guò)100mm的頭部空間，所以此變形量不會(huì)對(duì)車輛成員產(chǎn)生威脅。最大應(yīng)力如圖7所示為962.22MPa，超過(guò)了材料的屈服極限，但小于抗拉極限。該點(diǎn)附近材料可能產(chǎn)生塑性變形，但并不會(huì)發(fā)生失效。而其余各關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力值都低于材料的屈服極限，因此，該防滾架的強(qiáng)度基本滿足需求。但在前防滾杠附近，可考慮增加支撐部件以提高安全系數(shù)。

4、結(jié)論

（1）本文綜合利用了ADAMS及ANSYS Workbench中的Explicit Dynamics模塊對(duì)三菱CE9A車型的配套用防滾架進(jìn)行了強(qiáng)度分析，得到了防滾架在靜側(cè)翻工況下的受力與變形曲線。根據(jù)仿真結(jié)果，該型防滾架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本滿足設(shè)計(jì)要求，但前防滾杠強(qiáng)度相對(duì)較弱，可適當(dāng)添加支撐部件或增加鋼管壁厚。由于車輛側(cè)翻時(shí)，車身外圍首先與地面接觸，其車身結(jié)構(gòu)先被破壞，能夠吸收一定的沖擊力，因此仿真的結(jié)果較為保守，具有較大的安全余量。

（2）由于汽車結(jié)構(gòu)的具有一定的相似性，因此防滾架結(jié)構(gòu)也普遍相同，本文為同類型防滾架的強(qiáng)度分析提供了一個(gè)參考思路。

[1] 肖方，吳濤.野外作業(yè)汽車車身的安全性結(jié)構(gòu)分析[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,32(2):54-59.

[2] 國(guó)際汽聯(lián)運(yùn)動(dòng)總則附錄J第253條[s].

[3] 陳克.基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)的汽車側(cè)面碰撞仿真分析[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2010,8(4):449-454.

[4] 凌桂龍,丁金濱，溫正.ANSYS Workbench 13.0從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社,2012.

[5] GBT 14172-2009 汽車靜側(cè)翻穩(wěn)定性臺(tái)架試驗(yàn)方法[s].

Car roll cages strength analysis based workbench

Chen Ke, Zhang Jinming
（School of Automotive and Transportation, Shenyang Ligong University, Liaoning Shenyang 110159）

The roll cage plays an important role on personnel safety in modern car races. According to FIA roll cages relevant technical requirements，a finite element model about the roll cage of the Mitsubishi CE9A was developed in this paper. The static rollover dynamics of the roll cage was simulated by ANSYS Workbench. Based on the simulation, the stress and deformation curves of key parts are obtained, and the strength of the roll cage is evaluated. The method of analysis and results has some practical reference value for the car roll cages design and strength analysis.

car roll cage; collision; strength; dynamic; workbench

U461.91

A

1671-7988(2014)09-64-03

陳克，博士，碩士研究生導(dǎo)師，就職于沈陽(yáng)理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院。