胡 磊，徐 飆（麥格納斯太爾汽車技術(shù)（上海）有限公司武漢分公司，武漢 430056）

基于CAE分析的汽車前保險(xiǎn)杠下沉問(wèn)題研究

胡 磊，徐 飆
（麥格納斯太爾汽車技術(shù)（上海）有限公司武漢分公司，武漢 430056）

本文采用有限元分析的方法，對(duì)汽車前保險(xiǎn)杠下沉問(wèn)題進(jìn)行分析，截取前保險(xiǎn)杠局部采用Hyperworks建模，OptiStruct作為結(jié)構(gòu)計(jì)算求解器。在提出的五種保險(xiǎn)杠加強(qiáng)方案中，結(jié)合性能、成本和周期找出了最合適的加強(qiáng)方案。

保險(xiǎn)杠；下沉；有限元分析

胡磊

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)材料學(xué)院，碩士學(xué)位，現(xiàn)任麥格納斯太爾（上海）汽車技術(shù)有限公司武漢分公司項(xiàng)目管理部經(jīng)理，已發(fā)表論文數(shù)篇。

汽車前保險(xiǎn)杠下沉問(wèn)題是一個(gè)常見(jiàn)的售后抱怨，在汽車行駛一定距離后，由于其保險(xiǎn)杠自重，車身的震動(dòng)等各種因素的影響，會(huì)導(dǎo)致保險(xiǎn)杠下沉，對(duì)汽車的感知質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。本文以某量產(chǎn)車型在路試過(guò)程中出現(xiàn)的保險(xiǎn)杠下沉問(wèn)題為例，采用CAE分析的方式提出了保險(xiǎn)杠下沉的解決方案，并應(yīng)用該方案成功解決了保險(xiǎn)杠下沉問(wèn)題。

1　前保險(xiǎn)杠下沉問(wèn)題描述

某車型在路試進(jìn)行到2000公里時(shí)，前保險(xiǎn)杠開(kāi)始出現(xiàn)輕微下沉，隨著路試的進(jìn)行，前翼子板與前翼子板處出現(xiàn)喇叭狀開(kāi)口，且在8000公里時(shí)保險(xiǎn)杠前部翻邊出現(xiàn)斷裂失效，如下圖1所示（路試距離8000公里時(shí)實(shí)車照片）。

2　前保險(xiǎn)杠受力分析

前保險(xiǎn)杠在車身行駛過(guò)程中，由于路面不平以及發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)等激發(fā)的車身的振動(dòng)，將導(dǎo)致前保險(xiǎn)杠通過(guò)與車身安裝部分發(fā)生強(qiáng)制位移。因此，保險(xiǎn)杠在車身行駛過(guò)程中主要受到振動(dòng)所帶來(lái)的動(dòng)載荷。如圖2所示，汽車行駛過(guò)程中受到的路面激勵(lì)。

路面激勵(lì)將通過(guò)懸架傳導(dǎo)至車身直至前保險(xiǎn)杠的安裝點(diǎn)，前保險(xiǎn)杠與車身搭界的安裝點(diǎn)部分是受力最大的部分。對(duì)保險(xiǎn)杠下沉的實(shí)車進(jìn)行詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn)：

1） 保險(xiǎn)杠前部與前翼子板之間間隙達(dá)2mm，出現(xiàn)喇叭狀開(kāi)口；

2） 保險(xiǎn)杠前部翻邊與表皮斷裂失效；

從保險(xiǎn)杠失效情況與其受力情況來(lái)看，保險(xiǎn)杠是在應(yīng)力水平較高的情況下出現(xiàn)的低周疲勞失效。實(shí)踐表明，低周疲勞失效的有效應(yīng)對(duì)方案是降低應(yīng)力。

根據(jù)前保險(xiǎn)杠的受力情況，我們?cè)诖舜畏治鲋?，采用截取前保險(xiǎn)杠與前翼子板搭接區(qū)域的局部來(lái)進(jìn)行建模模擬斷裂部位的受力情況，保險(xiǎn)杠局部模型如下圖3所示。在前保險(xiǎn)杠的兩個(gè)安裝點(diǎn)設(shè)置約束，沿Z-方向（失效斷面的法向）賦予F=50N的單位載荷，來(lái)考察保險(xiǎn)杠所受應(yīng)力的情況。

3　有限元建模與分析

本文采取HYPERWORKS對(duì)保險(xiǎn)杠局部進(jìn)行建模，將CATIA數(shù)模直接導(dǎo)入到HyperMesh中進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分，采用OptiStruct作為結(jié)構(gòu)計(jì)算求解器，Hyperview進(jìn)行后處理。

3.1前保險(xiǎn)杠建模

對(duì)實(shí)車前保險(xiǎn)杠斷裂部位的斷口進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，如下圖4所示，斷裂處凹槽厚度t=0.8mm，比對(duì)3D數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)厚度t=1.199mm。

根據(jù)以上信息，建立兩個(gè)前保險(xiǎn)杠的分析模型，如下表1所示，基準(zhǔn)方案按照實(shí)車保險(xiǎn)杠凹槽實(shí)際厚度t=0.8mm進(jìn)行建模；設(shè)計(jì)方案按照保險(xiǎn)杠凹槽設(shè)計(jì)厚度t=1.2mm進(jìn)行建模。

表1　前保險(xiǎn)杠建模方案

3.2有限元網(wǎng)格

采用Hypermesh劃分網(wǎng)格，根據(jù)前保險(xiǎn)杠建模方案完成后的前保險(xiǎn)杠網(wǎng)格模型如下圖5所示：

3.3仿真分析與仿真結(jié)果

在CAE模型中選取P1～P10共10個(gè)考察點(diǎn)來(lái)分析前保險(xiǎn)杠所受應(yīng)力的情況，如下圖6所示：

對(duì)基準(zhǔn)方案和設(shè)計(jì)方案分析計(jì)算后，前保險(xiǎn)杠局部受力的應(yīng)力分布如下圖7所示。提取P1～P10共10個(gè)關(guān)鍵考察點(diǎn)的局部應(yīng)力情況，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3：

圖7和表3的數(shù)據(jù)顯示，保險(xiǎn)杠凹槽應(yīng)力集中在加強(qiáng)筋上，因此，對(duì)前保險(xiǎn)杠局部進(jìn)行加強(qiáng)是降低應(yīng)力集中的有效方案。

表2　前保險(xiǎn)杠加強(qiáng)方案

3.4前保險(xiǎn)杠加強(qiáng)方案

在考慮性能、成本、周期等三方面的影響因素后，提出以下5種對(duì)前保險(xiǎn)杠局部進(jìn)行加強(qiáng)的方案來(lái)降低保險(xiǎn)杠凹槽處所受的應(yīng)力，如下表2所示：

對(duì)五種加強(qiáng)方案分析計(jì)算后，前保險(xiǎn)杠局部受力的應(yīng)力分布如下圖8所示。提取P1～P10共10個(gè)關(guān)鍵考察點(diǎn)的局部應(yīng)力情況，具體數(shù)據(jù)如下表3所示。基準(zhǔn)方案，設(shè)計(jì)方案和五種加強(qiáng)方案的應(yīng)力曲線如圖9所示：

對(duì)比分析基準(zhǔn)方案、設(shè)計(jì)方案和五種加強(qiáng)方案所受應(yīng)力情況的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：

1） 根據(jù)性能對(duì)加強(qiáng)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)：

加強(qiáng)方案5＞加強(qiáng)方案4＞加強(qiáng)方案1＞加強(qiáng)方案3＞加強(qiáng)方案2；

加強(qiáng)方案5（即將加強(qiáng)筋的距離從20mm減小為5mm、同時(shí)將前保連接支架更改為0.72mm 厚的L型鋼支架）相比基準(zhǔn)方案最大應(yīng)力降低67.8%，平均應(yīng)力降低74.8%，此方案為性能最佳方案。

加強(qiáng)方案1（即凹槽厚度t=1.2mm，增加垂直加強(qiáng)筋，將加強(qiáng)筋的距離從20mm減小為5mm）相比基準(zhǔn)方案最大應(yīng)力降低57.5%，平均應(yīng)力降低51%。

2） 根據(jù)成本對(duì)加強(qiáng)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)：

加強(qiáng)方案1＜加強(qiáng)方案3＜加強(qiáng)方案5＜加強(qiáng)方案4＜加強(qiáng)方案2

加強(qiáng)方案1（即凹槽厚度t=1.2mm，增加垂直加強(qiáng)筋，將加強(qiáng)筋的距離從20mm減小為5mm）僅需對(duì)前保險(xiǎn)杠模具進(jìn)行小的調(diào)整，無(wú)需增加新的零件，加強(qiáng)方案1為成本最優(yōu)方案。

3） 根據(jù)實(shí)施周期對(duì)加強(qiáng)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)：

加強(qiáng)方案1＜加強(qiáng)方案5=加強(qiáng)方案1＜加強(qiáng)方案2＜加強(qiáng)方案3

加強(qiáng)方案1（即凹槽厚度t=1.2mm，增加垂直加強(qiáng)筋，將加強(qiáng)筋的距離從20mm減小為5mm）僅需對(duì)前保險(xiǎn)杠模具進(jìn)行小的調(diào)整，無(wú)需為新增加的零件重新開(kāi)發(fā)模具，加強(qiáng)方案1需時(shí)最短，是周期最優(yōu)方案。

表3　前保險(xiǎn)P1～P10應(yīng)力數(shù)據(jù)

4　結(jié)論

根據(jù)以上分析，綜合性能、成本和周期三方面考慮，加強(qiáng)方案1是最優(yōu)化方案，該方案相比基準(zhǔn)方案最大應(yīng)力降低57.5%，平均應(yīng)力降低51%。采用此方案進(jìn)行對(duì)前保險(xiǎn)杠加強(qiáng)后經(jīng)過(guò)20000KM公里實(shí)車驗(yàn)證路試，成功解決了保險(xiǎn)杠下沉的問(wèn)題。

［1］ HyperWorks User's Manual.

［2］余志生. 汽車?yán)碚摚跰］. 第5版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］許亮， 胡寧， 楊輝. 基于LS-DYNA的汽車保險(xiǎn)杠仿真優(yōu)化［J］. 機(jī)械與電子. 2007（05）：17-20.

［4］ 胡遠(yuǎn)志， 曾必強(qiáng)， 謝書港. 基于LS-DYNA和 HyperWorks的汽車安全仿真與分析［M］. 北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［5］汪小鵬， 劉文彬， 黃俊杰， 李振遠(yuǎn). 路面隨機(jī)激勵(lì)下的汽車振動(dòng)仿真分析［J］. 山東交通學(xué)院學(xué)報(bào). 2010，18（3）： 7-11.

專家推薦

陳濤：

論文對(duì)保險(xiǎn)杠沉降這一工程問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析，并提出了針對(duì)性的工程改進(jìn)意見(jiàn)。分析和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，方案對(duì)于問(wèn)題的解決有很好的指導(dǎo)作用。

Study on the Front Bumper Sink with CAE Simulation

HU Lei， XU Biao
（ Magnasteyr China， Wuhan Branch， Wuhan 430056， China ）

Analyzed the front bumper sink issue with FEA， cut the local area of front bumper to build the model with Hyperworks， and use OptiStruct as the structural analysis solver. The most reasonable solution has been chosen among the 5 front bumper reinforce proposals based on the performance， cost and delay.

Front bumper； sink； FEA

TB301

A

1005-2550（2015）05-0041-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.05.008

2015-05-29