劉勺華，房 亞,路紀(jì)雷，陳 龍

(1.常州機(jī)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)

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汽車后防護(hù)裝置有限元強(qiáng)度分析研究

劉勺華1，房 亞1,路紀(jì)雷2，陳 龍3

(1.常州機(jī)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(hù)裝置的強(qiáng)度設(shè)計(jì)靜態(tài)加載試驗(yàn)，利用CATIA軟件建立其后防護(hù)裝置三維模型，通過專業(yè)有限元軟件HyperMesh及ANSYS對該裝置進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，采用不同加載方式對后防護(hù)裝置的靜強(qiáng)度對比分析,提出了新的后防護(hù)裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)方案,對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)和提高被動(dòng)碰撞時(shí)乘員安全保護(hù)作用具有實(shí)際工程指導(dǎo)意義。

車輛工程；后防護(hù)裝置；有限元；強(qiáng)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(jìn)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(shí)，人們也逐漸認(rèn)識到汽車所帶來的負(fù)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(shí)。汽車的后下部防護(hù)是汽車被動(dòng)安全的一個(gè)重要指標(biāo)，它是指專門的后下部防護(hù)裝置或者依靠自身的外形與特性能夠具有后下部防護(hù)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(hù)要求》(以下簡稱《要求》)對汽車的后防護(hù)距離地面的高度及強(qiáng)度做了強(qiáng)制性要求[1-2]。

筆者以國內(nèi)重型車輛常用的后防護(hù)裝置為研究對象，借助CAE分析手段對該裝置進(jìn)行分析、改進(jìn)，使其強(qiáng)度達(dá)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(jì)方案，為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了重要參考依據(jù)。強(qiáng)度分析結(jié)果表明，利用CAE軟件進(jìn)行汽車碰撞研究可以改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高汽車的被動(dòng)安全性能，從而縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)費(fèi)用，提高市場競爭力。

1 靜態(tài)加載試驗(yàn)

《要求》針對后防護(hù)裝置的強(qiáng)度設(shè)計(jì)了一個(gè)靜態(tài)加載試驗(yàn)。

1.1 車輛試驗(yàn)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(dá)到加載方式(兩點(diǎn)加載100 kN，三點(diǎn)加載25 kN)所規(guī)定的試驗(yàn)力，應(yīng)按照車輛制造商指定的方法制動(dòng)車輛。

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

1.2 試驗(yàn)程序

1.2.1 加載點(diǎn)的位置

在后下部防護(hù)裝置橫梁結(jié)構(gòu)的中心平面上截取5個(gè)載荷作用點(diǎn)，編號從1～5，如圖1。5個(gè)載荷作用點(diǎn)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(hù)裝置的狀態(tài)可以調(diào)節(jié)的車輛，加載點(diǎn)的中心距離地面的高度不能超過500 mm；對于后下部防護(hù)裝置的狀態(tài)不能調(diào)節(jié)的車輛，加載點(diǎn)的中心距離地面的高度不能超過600 mm。

圖1 加載點(diǎn)位置示意Fig.1 Load point location

1.2.2 加載方式

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

2 后防護(hù)裝置有限元模型的建立

筆者所討論的后防護(hù)裝置分析流程為：在CATIA中建立后防護(hù)裝置的3D模型，將其導(dǎo)入到專業(yè)前處理軟件HyperMesh中進(jìn)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(jìn)行計(jì)算[3-4]。

2.1 3D裝配模型的建立

如圖2為常用后防護(hù)裝置CATIA裝配模型。它由左右支撐總成、左右加強(qiáng)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(qiáng)板與槽型橫梁以及加強(qiáng)板與左右支撐總成均通過螺栓連接。

圖2 后防護(hù)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(shí)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(yuǎn)小于其他方向的尺寸，為縮小計(jì)算規(guī)模，決定采用殼單元進(jìn)行分析。對各個(gè)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(gè)零件劃分網(wǎng)格之后，按照實(shí)際裝配情況對有限元模型進(jìn)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(diǎn)自由度完全被限制，與實(shí)際變形情況不符，因此計(jì)算后此處應(yīng)力不予評價(jià)。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(hù)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(hù)裝置有限元模型Fig.4 Rear defend device finite element model figure

此總成共有9個(gè)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(diǎn)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(gè)自由度，在點(diǎn)2和點(diǎn)4加載板上各施加100 kN的靜態(tài)力；對于三點(diǎn)加載方式，先后將25kN的靜態(tài)載荷加載到點(diǎn)1、點(diǎn)5、點(diǎn)3加載板上。因點(diǎn)1與點(diǎn)5對稱，因此對于三點(diǎn)加載方式，筆者只討論加載點(diǎn)1和點(diǎn)3時(shí)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(qiáng)度分析及改進(jìn)

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

圖5 加載時(shí)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(hù)裝置的最大應(yīng)力值分別達(dá)到647，550，238 MPa。而此結(jié)構(gòu)的材料屈服強(qiáng)度為355 MPa，前兩種加載方式下已超過最大屈服強(qiáng)度，此結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生永久變形，不利于行車安全。因此，采取一定措施加強(qiáng)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(gè)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(jìn)行改進(jìn)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(jìn)行改進(jìn)。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(jì)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(gè)厚度為3 mm的加強(qiáng)筋(圖6)。

圖6 加強(qiáng)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(jìn)后整個(gè)裝置的最大應(yīng)力值均有不同幅度的降低，具體改進(jìn)幅度見表1。

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

加載方式改進(jìn)前/MPa改進(jìn)后/MPa改善程度/%兩點(diǎn)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(hù)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(jìn)行了三種加載方式下后防護(hù)裝置的靜強(qiáng)度計(jì)算。由于此后防護(hù)裝置達(dá)不到法規(guī)所規(guī)定的強(qiáng)度要求，因此針對應(yīng)力較大區(qū)域提出了改進(jìn)措施，并對改進(jìn)后的裝置進(jìn)行了計(jì)算。對比改進(jìn)前該裝置的最大應(yīng)力，改進(jìn)后的裝置應(yīng)力大大降低，滿足了法規(guī)的要求。

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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(xiàng)目(50905078)

劉勺華(1982—)，男，山東臨沂人，講師，碩士，主要從事車輛動(dòng)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