劉勺華，房 亞,路紀(jì)雷，陳 龍

(1.常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 車輛工程系，江蘇 常州 213164；2.南京徐工汽車技術(shù)中心，江蘇 南京 210012； 3.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

?

汽車后防護裝置有限元強度分析研究

劉勺華1，房 亞1,路紀(jì)雷2，陳 龍3

(1.常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 車輛工程系，江蘇 常州 213164；2.南京徐工汽車技術(shù)中心，江蘇 南京 210012； 3.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

根據(jù)國家法規(guī)GB11567.2—2001，針對國內(nèi)重型車輛常用后防護裝置的強度設(shè)計靜態(tài)加載試驗，利用CATIA軟件建立其后防護裝置三維模型，通過專業(yè)有限元軟件HyperMesh及ANSYS對該裝置進行強度計算，采用不同加載方式對后防護裝置的靜強度對比分析,提出了新的后防護裝置改進設(shè)計方案,對結(jié)構(gòu)設(shè)計改進和提高被動碰撞時乘員安全保護作用具有實際工程指導(dǎo)意義。

車輛工程；后防護裝置；有限元；強度分析

隨著我國汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車保有量呈現(xiàn)指數(shù)形式的增長。汽車走進千家萬戶，成為居民出行的首選。但在汽車數(shù)量急劇增長的同時，人們也逐漸認識到汽車所帶來的負面影響，我國每年因交通事故死亡的人數(shù)逐年上升，汽車安全問題成為無法規(guī)避的現(xiàn)實。汽車的后下部防護是汽車被動安全的一個重要指標(biāo)，它是指專門的后下部防護裝置或者依靠自身的外形與特性能夠具有后下部防護裝置功能的車輛的車體、車架部件或其他部件。通常是有橫梁組成的安裝或連接在車架邊梁或車輛其他結(jié)構(gòu)上。GB11567.2—2001《汽車和掛車后下部防護要求》(以下簡稱《要求》)對汽車的后防護距離地面的高度及強度做了強制性要求[1-2]。

筆者以國內(nèi)重型車輛常用的后防護裝置為研究對象，借助CAE分析手段對該裝置進行分析、改進，使其強度達到法規(guī)要求。通過多種結(jié)構(gòu)方案的對比分析，提出了能夠滿足國家法規(guī)要求的較佳設(shè)計方案，為設(shè)計改進提供了重要參考依據(jù)。強度分析結(jié)果表明，利用CAE軟件進行汽車碰撞研究可以改善結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高汽車的被動安全性能，從而縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)費用，提高市場競爭力。

1 靜態(tài)加載試驗

《要求》針對后防護裝置的強度設(shè)計了一個靜態(tài)加載試驗。

1.1 車輛試驗條件

1)車輛應(yīng)處于空載狀態(tài)，固定在水平、平坦、剛性、平滑的平面上。

2)前輪處于直線行駛位置。

3)輪胎應(yīng)充氣到車輛制造商所推薦的壓力。

4)為了達到加載方式(兩點加載100 kN，三點加載25 kN)所規(guī)定的試驗力，應(yīng)按照車輛制造商指定的方法制動車輛。

5)裝備有液壓氣動、液壓或氣壓懸架或根據(jù)負載自動平衡的裝置的車輛應(yīng)處于車輛制造商規(guī)定的正常運行狀態(tài)下。

1.2 試驗程序

1.2.1 加載點的位置

在后下部防護裝置橫梁結(jié)構(gòu)的中心平面上截取5個載荷作用點，編號從1～5，如圖1。5個載荷作用點位于同一水平面上，并且其離地面的高度為：對于后下部防護裝置的狀態(tài)可以調(diào)節(jié)的車輛，加載點的中心距離地面的高度不能超過500 mm；對于后下部防護裝置的狀態(tài)不能調(diào)節(jié)的車輛，加載點的中心距離地面的高度不能超過600 mm。

圖1 加載點位置示意Fig.1 Load point location

1.2.2 加載方式

加載試驗有兩點加載和三點加載之分，兩點加載時在橫梁中間點往外各350～500 mm之間的兩點(即點2和點4)加載荷大小為100 kN靜態(tài)力；三點加載時以載荷大小為25 kN的靜態(tài)力持續(xù)作用于圖1中左側(cè)作用點(點1)或右側(cè)作用點(點5)上，然后持續(xù)作用在車輛縱向中心平面上的加載點(點3)。

2 后防護裝置有限元模型的建立

筆者所討論的后防護裝置分析流程為：在CATIA中建立后防護裝置的3D模型，將其導(dǎo)入到專業(yè)前處理軟件HyperMesh中進行幾何清理、網(wǎng)格劃分、部件連接等工作，最后將有限元模型導(dǎo)入到ANSYS中進行計算[3-4]。

2.1 3D裝配模型的建立

如圖2為常用后防護裝置CATIA裝配模型。它由左右支撐總成、左右加強板、槽型橫梁組成。左右支撐總成通過鉚釘鉚接在車架縱梁上、左右加強板與槽型橫梁以及加強板與左右支撐總成均通過螺栓連接。

圖2 后防護裝置裝配模型Fig.2 Rear defend device assembly model

2.2 網(wǎng)格的劃分

將三維實體模型導(dǎo)入有限元前處理軟件HyperMesh中。由于該結(jié)構(gòu)厚度遠小于其他方向的尺寸，為縮小計算規(guī)模，決定采用殼單元進行分析。對各個部件抽取中面后劃分2D網(wǎng)格。

2.3 有限元模型的連接方法

在對每個零件劃分網(wǎng)格之后，按照實際裝配情況對有限元模型進行連接。軟件HyperMesh提供了多種連接方式，如螺栓連接、焊接等。螺栓連接是通過剛性單元與彈性梁單元的組合完成的，連接示意如圖3。值得注意的是，采用這種方法后，孔邊緣的節(jié)點自由度完全被限制，與實際變形情況不符，因此計算后此處應(yīng)力不予評價。根據(jù)圣維南原理，去除孔周邊單元后其他單元的應(yīng)力值是可信的。經(jīng)過網(wǎng)格剖分，連接處理后可以得到完整的后防護裝置有限元模型，如圖4。

圖3 螺栓連接示意Fig.3 Bolt connection diagram

圖4 后防護裝置有限元模型Fig.4 Rear defend device finite element model figure

此總成共有9個零部件，模型全部采用殼單元，單元數(shù)135 954。前處理完后，要按法規(guī)要求施加約束及載荷，對于兩點加載方式，有限元模擬的處理方式是：左右支架與車輛螺栓連接孔固定，限制全部6個自由度，在點2和點4加載板上各施加100 kN的靜態(tài)力；對于三點加載方式，先后將25kN的靜態(tài)載荷加載到點1、點5、點3加載板上。因點1與點5對稱，因此對于三點加載方式，筆者只討論加載點1和點3時的受力情況。加載板是一塊長130 mm、高140 mm、厚度為10 mm的厚平板。

3 強度分析及改進

將前處理好的有限元模型導(dǎo)入ANSYS中進行求解計算。得到圖5的兩點加載方式及三點加載方式中加載點1、點3加載板下的后防護裝置應(yīng)力云圖[5-7]。

圖5 加載時原結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.5 Original structure of loading stress

由圖5可以看出，在三種加載方式下，該后防護裝置的最大應(yīng)力值分別達到647，550，238 MPa。而此結(jié)構(gòu)的材料屈服強度為355 MPa，前兩種加載方式下已超過最大屈服強度，此結(jié)構(gòu)會發(fā)生永久變形，不利于行車安全。因此，采取一定措施加強此結(jié)構(gòu)變得非常迫切。

根據(jù)材料力學(xué)原理，要改善應(yīng)力較大區(qū)域的應(yīng)力值有兩個基本方法：①在不能改變外部受力的情況下增大應(yīng)力值較大區(qū)域的截面尺寸；②通過添加支撐或連接等方式減小傳遞到材料薄弱區(qū)的外力；③減少結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)材料不連續(xù)的概率，過渡區(qū)要光滑平順，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中甚至是奇異現(xiàn)象。

考慮成本問題，對該裝置進行改進的條件是不重新開模，即維持原結(jié)構(gòu)部件的外形，只是通過增加截面尺寸，在變形較大區(qū)域添加肋板的方法進行改進。根據(jù)原結(jié)構(gòu)三種加載方式下應(yīng)力云圖，經(jīng)過多次計算，決定采用如下措施以減小該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值[8-9]：

1)在離地高度允許的前提下將槽型橫梁上移25 mm。

2)槽型橫梁加厚1 mm，并且在彎角處焊接幾個厚度為3 mm的加強筋(圖6)。

圖6 加強筋位置示意Fig.6 Stiffener location

修改模型后新裝置三種加載方式下應(yīng)力云圖見圖7。從圖7可以看到，改進后整個裝置的最大應(yīng)力值均有不同幅度的降低，具體改進幅度見表1。

圖7 加載時改進結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.7 Improvement of loading structural stress

加載方式改進前/MPa改進后/MPa改善程度/%兩點加載64734047.41號板加載55028049.13號板加載23820016.0

5 結(jié) 論

筆者利用CATIA建立起重型車輛后防護裝置的三維模型，并利用HyperMesh建立了該裝置的有限元模型，按照相關(guān)法規(guī)要求進行了三種加載方式下后防護裝置的靜強度計算。由于此后防護裝置達不到法規(guī)所規(guī)定的強度要求，因此針對應(yīng)力較大區(qū)域提出了改進措施，并對改進后的裝置進行了計算。對比改進前該裝置的最大應(yīng)力，改進后的裝置應(yīng)力大大降低，滿足了法規(guī)的要求。

[1] 韓增盛,李新東.機車車體非正面碰撞吸能裝置仿真研究[J].計算機仿真,2010,27(8):286-289. Han Zengsheng,Li Xindong.Simulation of energy-absorbing component in locomotive car-body of non frontal crash[J].Computer Simulation,2010,27(8):286-289.

[2] 姚松,田紅旗,高廣軍.顯式有限元法在車輛耐撞性研究中的應(yīng)用[J].交通運輸工程學(xué)報,2003,3(1):13-16. Yao Song,Tian Hongqi,Gao Guangjun.Explicit finite element method for vehicle crash worthiness[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering,2003,3(1):13-16.

[3] Belytschko T,Liu W K,Moran B.連續(xù)體和結(jié)構(gòu)的非線性有限元[M].莊茁,譯.北京:清華大學(xué)出版社,2002. Belytschko T,Liu W K,Moran B.Continuum and Structure of the Nonlinear Finite Element[M].Zhuang Zhuo,translation.Beijing:Tsinghua University Press,2002.

[4] 王勖成,邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003. Wang Xucheng,Shao Min.The Basic Principles of the Finite Element Method and Numerical Methods[M].Beijing:Tsinghua University Press,2003.

[5] 趙幼平,劉道勇,李瑾寧.商用車后下防護裝置碰撞的計算機仿真研究[J].汽車科技,2006,(3):14-17. Zhao Youping,Liu Daoyong,Li Jinning.The Study of computer simulation of CV rear defend device colliding [J].Automobile Science and Technology,2006,(3):14-17.

[6] 王強.基于現(xiàn)實有限元法的汽車碰撞仿真研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2010(5):22-24. Wang Qiang.Research of vehicle crash simulation with explicit algorithm finite element method[J].Agricultural Equipment and Vehicle Engineering,2010(5):22-24.

[7] 凡樂.汽車后防護裝置的碰撞仿真研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2012. Fan Le.The Collision Simulation Research on Rear Under-run Protection of Automobile[D].Wuhan:Wuhan University of Technology,2012.

[8] 朱茂桃,李超,劉一夫.基于HyperWorks的電動車車架有限元分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,31(5):1071-1074. Zhu Maotao,Li Chao,Liu Yifu.Finite element analysis for electric car frame based on HyperWorks [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2012,31(5):1071-1074.

[9] 陸兆峰,秦閔,羅天洪.基于有限元法的汽車起重機尾架結(jié)構(gòu)改進設(shè)計[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,27(1):157-160. Lu Zhaofeng,Qin Min,Luo Tianhong.Finite element method on truck crane rear frame improving design [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2008,27(1):157-160.

Finite Element Strength Analysis of Automotive Rear Defend Device

Liu Shaohua1, Fang Ya1, Lu Jilei2, Chen Long3

(1. School of Automobile Engineering, Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, Jiangsu, China; 2. Nanjing Automobile Manufacturing Co. Ltd. Xugong, Nanjing 210012, Jiangsu, China; 3. School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

Based on the national statute GB11567.2—2001, the static loading test was designed based on the strength of a prevalent rear defend device. CATIA software was used to create a 3D model of the automotive rear defend device. Through the HyperMesh and ANSYS software the strength of this device was calculated. The comparative analysis of static strength was done with different loading methods. Thus a new improved design of defend device was proposed, which has practical engineering significance for enhancing the structural design and of the protective effect of passive collision occupant safety.

vehicle engineering;rear defend device; finite element; strength analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.29

2013-03-26；

2013-04-26

國家自然科學(xué)基金項目(50905078)

劉勺華(1982—)，男，山東臨沂人，講師，碩士，主要從事車輛動態(tài)性能模擬與控制方面的研究。E-mail：yantailiushaohua@163.com 。

TP391.9

A

1674-0696(2015)02-137-04