徐中明，徐小飛，張志飛，萬(wàn)鑫銘，趙清江

(1.重慶大學(xué)，機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030； 2.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400030; 3.中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司，重慶 400030)

前言

降低油耗、減少排放、提高安全性是當(dāng)今全球汽車(chē)工業(yè)都必須面對(duì)的問(wèn)題。汽車(chē)輕量化是解決上述問(wèn)題的有效手段。研究顯示，典型鋁質(zhì)零件一次減質(zhì)量效果可達(dá)30%～40%，二次減質(zhì)量則可提高到50%，而汽車(chē)每減質(zhì)量10%可實(shí)現(xiàn)節(jié)油6%～8%[1-2]。

保險(xiǎn)杠系統(tǒng)是汽車(chē)低速碰撞時(shí)最主要的承載和吸能構(gòu)件，對(duì)保護(hù)汽車(chē)其它零部件和乘員安全起著至關(guān)重要的作用。在滿(mǎn)足功能要求的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)質(zhì)量更輕的鋁合金保險(xiǎn)杠正越來(lái)越受到汽車(chē)生產(chǎn)商和研究人員的關(guān)注[3-4]。文獻(xiàn)[5]中根據(jù)SAE J2319標(biāo)準(zhǔn)建立了用于研究轎車(chē)保險(xiǎn)杠低速碰撞性能的擺錘碰撞試驗(yàn)裝置和仿真分析模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分析和試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了擺錘低速碰撞試驗(yàn)的有效性。文獻(xiàn)[6]中將7075鋁合金應(yīng)用于汽車(chē)保險(xiǎn)杠，運(yùn)用LS-DYNA對(duì)不同厚度保險(xiǎn)杠模型的對(duì)中碰撞進(jìn)行仿真分析，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)滿(mǎn)足了安全性要求。

本文中以某乘用車(chē)原鋼制保險(xiǎn)杠和新開(kāi)發(fā)的鋁合金保險(xiǎn)杠為研究對(duì)象，對(duì)其強(qiáng)度性能和耐撞性進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)研究。為保險(xiǎn)杠正向開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)其碰撞安全性能的研究提供參考依據(jù)。

1 有限元建模

1.1 研究對(duì)象

某款乘用車(chē)原鋼制保險(xiǎn)杠如圖1所示，它由12個(gè)薄板沖壓件經(jīng)點(diǎn)焊而成；圖2則示出新開(kāi)發(fā)鋁合金保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)分解圖，它由前防撞橫梁a、吸能盒b和安裝法蘭c組成，其中防撞橫梁由5個(gè)擠壓件經(jīng)氬弧焊連接而成。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鋁合金保險(xiǎn)杠零件數(shù)比鋼制保險(xiǎn)杠減少58%，質(zhì)量減輕31%，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)有效降低了工藝復(fù)雜度，有利于節(jié)約成本。

1.2 有限元建模

將兩款保險(xiǎn)杠的CATIA三維模型分別導(dǎo)入Hypermesh，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。保險(xiǎn)杠屬薄壁結(jié)構(gòu)，采用Belytschko-Lin-Tsay殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，平均網(wǎng)格大小為5mm。建立的鋼制保險(xiǎn)杠模型如圖3所示，包含27 246個(gè)殼單元，其中三角形殼單元833個(gè)，約占3.1%；鋁合金保險(xiǎn)杠有限元模型含18 362個(gè)殼單元，其中三角形殼單元70個(gè)。

鋼制保險(xiǎn)杠所用材料以L(fǎng)S-DYNA的24號(hào)分段線(xiàn)性塑性材料模擬，密度為7.8×103kg/m3，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為207MPa。鋁合金保險(xiǎn)杠材質(zhì)為6061-T6狀態(tài)鋁合金，為真實(shí)反映應(yīng)變速率對(duì)該鋁合金材料力學(xué)性能的影響，以98號(hào)材料*MAT_Simplified_Johnson_Cook模型構(gòu)建6061-T6狀態(tài)的本構(gòu)關(guān)系，該模型流變應(yīng)力σ為

(1)

(2)

圖4為6061-T6狀態(tài)鋁合金應(yīng)變速率為0.001s-1和342s-1時(shí)，采用Johnson Cook本構(gòu)模型得到的模擬曲線(xiàn)與試驗(yàn)曲線(xiàn)的對(duì)比。由圖可知，本構(gòu)模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。運(yùn)用Johnson Cook材料本構(gòu)模型能較好地表征6061-T6狀態(tài)鋁合金的力學(xué)性能，有助于提高仿真分析的精度。

對(duì)上述保險(xiǎn)杠模型進(jìn)行連接，鋼制保險(xiǎn)杠實(shí)物樣件以點(diǎn)焊連接，仿真時(shí)用Beam單元模擬，并以*CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE設(shè)置焊點(diǎn)和殼單元之間的接觸。鋁合金保險(xiǎn)杠實(shí)物樣件采用縫焊，仿真時(shí)以節(jié)點(diǎn)耦合方式模擬該處連接。

2 保險(xiǎn)杠強(qiáng)度分析

保險(xiǎn)杠的一個(gè)重要作用在于，無(wú)論在正面碰撞或偏置碰撞條件下，碰撞力都能盡可能均勻地沿左右吸能盒向后傳遞。據(jù)此分析，保險(xiǎn)杠防撞梁須滿(mǎn)足一定的強(qiáng)度指標(biāo)[7]。本文中通過(guò)三點(diǎn)靜壓仿真分析和試驗(yàn)對(duì)防撞梁強(qiáng)度進(jìn)行了分析，三點(diǎn)靜壓分析示意圖如圖5所示。

仿真分析前須設(shè)定邊界條件，在Hypermesh中對(duì)保險(xiǎn)杠左右安裝法蘭盤(pán)施加全約束，在橫梁正上方建立直徑152mm的剛性圓柱體作為壓頭，釋放壓頭X方向(加載方向)移動(dòng)自由度，壓頭以1m/s的速度加載，即強(qiáng)制使保險(xiǎn)杠支架做向下位移100mm，以模擬準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。壓頭與防撞橫梁之間采用自動(dòng)面面接觸，保險(xiǎn)杠自身采用自動(dòng)單面接觸，靜摩擦因數(shù)為0.15，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.1。將上述建好的模型以key文件格式保存，并提交LS-DYNA計(jì)算。

三點(diǎn)靜壓試驗(yàn)在常溫、常壓下進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備包括PLS-L50B4電液伺服構(gòu)件試驗(yàn)系統(tǒng)和YE2539高速靜態(tài)應(yīng)變儀，試驗(yàn)時(shí)壓頭加載速度為0.001m/s，圖6為鋁合金保險(xiǎn)杠三點(diǎn)靜壓試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片。

以防撞梁靜壓支反力作為評(píng)價(jià)保險(xiǎn)杠強(qiáng)度性能的指標(biāo)，仿真和試驗(yàn)所得的支反力-位移曲線(xiàn)如圖7所示。由圖可知：鋼制保險(xiǎn)杠試驗(yàn)靜壓力峰值為6.1kN，仿真靜壓力峰值為6.4kN，兩者誤差為4.9%；鋁合金保險(xiǎn)杠試驗(yàn)靜壓力峰值為8.6kN，仿真靜壓力峰值為9.4kN，兩者誤差為9.3%。其誤差均小于10%，從而驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。

結(jié)合圖7曲線(xiàn)，對(duì)仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析：鋁合金保險(xiǎn)杠靜壓力峰值及其平均值均大于鋼制保險(xiǎn)杠，可知鋁合金保險(xiǎn)杠前防撞梁在實(shí)際工況下能承受更大的載荷；在變形量相同的條件下，鋁合金保險(xiǎn)杠吸能也比鋼制的多。可見(jiàn)新開(kāi)發(fā)的鋁合金保險(xiǎn)杠強(qiáng)度性能優(yōu)于原鋼制保險(xiǎn)杠。

3 保險(xiǎn)杠碰撞性能分析

國(guó)內(nèi)外對(duì)保險(xiǎn)杠低速碰撞都有嚴(yán)格的法規(guī)要求。本文中參照美國(guó)IIHS-TEST試驗(yàn)規(guī)范，對(duì)兩款保險(xiǎn)杠分別進(jìn)行了臺(tái)車(chē)正面100%重疊碰撞和40%偏置碰撞仿真分析與試驗(yàn)[8]。

IIHS-TEST法規(guī)要求被測(cè)車(chē)輛以8km/h的速度撞擊固定安裝的碰撞器。文中只對(duì)單獨(dú)的保險(xiǎn)杠零件進(jìn)行碰撞分析，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)條件，以臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)來(lái)研究?jī)煽畋ｋU(xiǎn)杠的耐撞性能。試驗(yàn)用臺(tái)車(chē)質(zhì)量為1t，考慮到與法規(guī)規(guī)定的試驗(yàn)工況能量等效，試驗(yàn)時(shí)將臺(tái)車(chē)加速到9km/h撞擊固定安裝的保險(xiǎn)杠，通過(guò)高速攝像儀記錄碰撞過(guò)程，用加速度傳感器測(cè)取臺(tái)車(chē)縱梁處的減速度值，鋁合金保險(xiǎn)杠正面100%重疊碰撞試驗(yàn)如圖8所示。

仿真分析時(shí)，建立移動(dòng)臺(tái)車(chē)模型，臺(tái)車(chē)輪胎與地面為滾動(dòng)摩擦，摩擦因數(shù)取0.015，模型整體設(shè)為自動(dòng)單面接觸，模型整體施加Z向重力場(chǎng)，在與碰撞試驗(yàn)對(duì)應(yīng)位置處設(shè)置加速度傳感器提取碰撞仿真過(guò)程中的加速度曲線(xiàn)，鋁合金保險(xiǎn)杠正面碰撞分析模型如圖9所示[9-10]。

IIHS-TEST法規(guī)規(guī)定，在低速碰撞中，永久變形和損壞僅局限于保險(xiǎn)杠零部件，車(chē)身不能受損。結(jié)合該車(chē)空間布置關(guān)系，文中將兩款保險(xiǎn)杠的失效定義為防撞梁最大變形量超過(guò)它與散熱器之間的極限位移值110mm。

圖10和圖11為兩款保險(xiǎn)杠正面100%重疊碰撞仿真與試驗(yàn)變形對(duì)比；圖12和圖13則為兩款保險(xiǎn)杠40%偏置碰撞仿真與試驗(yàn)變形對(duì)比；仿真和試驗(yàn)的數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可見(jiàn)，正面100%重疊碰撞時(shí)，鋼制保險(xiǎn)杠最大變形量為180.5mm，已超過(guò)極限位移值，因而會(huì)導(dǎo)致汽車(chē)后部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞；鋁合金保險(xiǎn)杠最大變形量為103.0mm,小于110mm，能起到較好的保護(hù)作用。此外，鋁合金保險(xiǎn)杠對(duì)應(yīng)的臺(tái)車(chē)左側(cè)減速度峰值比鋼制保險(xiǎn)杠減小23.9%，可知鋁合金保險(xiǎn)杠同時(shí)擁有更好的緩沖性能，有利于加強(qiáng)乘員保護(hù)；正面40%偏置碰撞時(shí)，兩款保險(xiǎn)杠最大變形量均小于極限位移值，都能對(duì)汽車(chē)后部結(jié)構(gòu)起到良好的保護(hù)作用。鋁合金保險(xiǎn)杠對(duì)應(yīng)的臺(tái)車(chē)左側(cè)減速度值仍小于鋼制保險(xiǎn)杠，可知鋁合金保險(xiǎn)杠具有更好的緩沖性能。

表1 碰撞仿真與試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合仿真結(jié)果，對(duì)保險(xiǎn)杠耐撞性進(jìn)行定量研究，表2列出了鋼制和鋁合金保險(xiǎn)杠各部件的吸能情況：正面碰撞工況下，鋁合金保險(xiǎn)杠總吸能為2.84kJ，比鋼制保險(xiǎn)杠增加7.2%；40%偏置碰撞工況下，兩款保險(xiǎn)杠吸能總量基本相同，但鋁合金保險(xiǎn)杠前防撞梁吸收了更多的碰撞能量，充分發(fā)揮了前防撞梁的吸能潛力，有利于保護(hù)汽車(chē)后部結(jié)構(gòu)；從單位質(zhì)量吸能來(lái)看，鋁合金保險(xiǎn)杠單位質(zhì)量吸能明顯大于鋼制保險(xiǎn)杠，充分發(fā)揮了鋁合金材料比吸能大的特點(diǎn)，達(dá)到了輕量化開(kāi)發(fā)的目的。

表2 兩種碰撞工況下保險(xiǎn)杠各部件吸能

原鋼制保險(xiǎn)杠的質(zhì)量為4.5kg，新的鋁合金保險(xiǎn)杠質(zhì)量為3.1kg。通過(guò)對(duì)新開(kāi)發(fā)的鋁合金保險(xiǎn)杠和原鋼制保險(xiǎn)杠的低速碰撞分析，可知鋁合金保險(xiǎn)杠在減質(zhì)量31%的同時(shí)，擁有比原鋼制保險(xiǎn)杠更好的碰撞吸能性。

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)高速拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了Johnson Cook材料本構(gòu)模型，更好地表征了6061-T6狀態(tài)鋁合金的力學(xué)性能，提高了仿真精度。

(2) 通過(guò)三點(diǎn)靜壓仿真與試驗(yàn)，對(duì)比分析了兩款保險(xiǎn)杠的強(qiáng)度性能。結(jié)果表明，鋁合金保險(xiǎn)杠靜壓力峰值為9.4kN，大于鋼制保險(xiǎn)杠的6.4kN?？梢?jiàn)新開(kāi)發(fā)的鋁合金保險(xiǎn)杠前防撞梁能夠承受更大的靜載荷，強(qiáng)度性能優(yōu)于鋼制保險(xiǎn)杠。

(3) 通過(guò)臺(tái)車(chē)碰撞仿真與試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明，正面100%重疊碰撞下鋁合金保險(xiǎn)杠總吸能比鋼制保險(xiǎn)杠增加7.2%，鋁合金保險(xiǎn)杠單位質(zhì)量吸能明顯大于鋼制保險(xiǎn)杠，且前防撞梁變形量和臺(tái)車(chē)減速度值均小于鋼制保險(xiǎn)杠，新開(kāi)發(fā)的鋁合金保險(xiǎn)杠耐撞性能優(yōu)于鋼制保險(xiǎn)杠。

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