喬維高,左義順,涂進(jìn)進(jìn),李　園

(武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

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汽車(chē)保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)汽車(chē)碰撞特性影響

喬維高,左義順,涂進(jìn)進(jìn),李園

(武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

摘要：隨著現(xiàn)代交通的不斷發(fā)展，交通事故率居高不下，而在各種交通事故中汽車(chē)碰撞事故發(fā)生率最高。為此，概述了用于碰撞仿真分析的顯式非線(xiàn)性有限元的基本理論，建立了基于ECE-R42法規(guī)的擺錘低速撞擊保險(xiǎn)杠模型；利用HyperView對(duì)仿真結(jié)果中的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D、橫梁變形部位節(jié)點(diǎn)位移、吸能盒壓縮量，以及能量變換等內(nèi)容進(jìn)行了深入客觀(guān)的分析；探討了橫梁截面形狀、厚度和材料等因素對(duì)保險(xiǎn)杠碰撞特性的影響。

關(guān)鍵詞：保險(xiǎn)杠;汽車(chē)碰撞;顯式非線(xiàn)性有限元;Ls-Dyna

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，人們對(duì)汽車(chē)性能的要求也越來(lái)越高。汽車(chē)車(chē)速的提升是當(dāng)下汽車(chē)制造的普遍趨勢(shì)，然而車(chē)速提高導(dǎo)致交通事故發(fā)生率居高不下，產(chǎn)生嚴(yán)重的交通威脅。交通事故中發(fā)生率最高的是汽車(chē)正面碰撞，在汽車(chē)正面碰撞過(guò)程中吸能部件主要是保險(xiǎn)杠，保險(xiǎn)杠可以起到在一定承壓范圍內(nèi)減輕汽車(chē)變形、保護(hù)駕駛?cè)说淖饔谩Ｒ虼藢?duì)保險(xiǎn)杠碰撞特性的研究對(duì)保護(hù)人身安全、降低交通事故傷亡率有著重要意義。

1保險(xiǎn)杠碰撞仿真的計(jì)算方法

汽車(chē)正面碰撞會(huì)產(chǎn)生劇烈位移與順勢(shì)扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致材料劇烈變形。當(dāng)材料極度變形超過(guò)其塑性臨界值時(shí)，材料應(yīng)力與應(yīng)變呈非相關(guān)對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此對(duì)步長(zhǎng)的選取必須足夠小，才可以不破壞材料的本構(gòu)。于是，在汽車(chē)碰撞仿真過(guò)程中采用顯式非線(xiàn)性有限元方法[1-3]。

在大型工程問(wèn)題的計(jì)算分析中應(yīng)用非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)有限元方法時(shí)，需要解決的最大難題是如何減少機(jī)時(shí)消耗。在總耗機(jī)時(shí)中占主導(dǎo)的是單元機(jī)時(shí)消耗。利用高斯積分對(duì)單元機(jī)時(shí)消耗進(jìn)行計(jì)算可以最大限度地減少計(jì)算次數(shù)、計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間和數(shù)據(jù)占用空間。但零能模式即沙漏模態(tài)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果嚴(yán)重失真，并且使方程求解過(guò)程十分復(fù)雜，甚至難以求出解析解[4-5]。針對(duì)該問(wèn)題，應(yīng)采用人為控制的方法對(duì)沙漏模態(tài)進(jìn)行控制。

筆者選用Ls-Dyna作為模擬仿真的軟件，該軟件可以解決結(jié)構(gòu)分析與非線(xiàn)性動(dòng)力分析的問(wèn)題，是求解非線(xiàn)性方程較為常用的工具。但是其前處理功能尚不完善，為此利用CATIA、HyperMesh來(lái)輔助Ls-Dyna進(jìn)行建模求解。首先，通過(guò)CATIA建立基于保險(xiǎn)杠的幾何模型；其次，將幾何模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)一步建立有限元模型；再次，利用Ls-Dyna對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行分析求解；最后，求解結(jié)束后再利用Ls-Dyna對(duì)其進(jìn)行數(shù)值仿真分析。仿真流程如圖1所示。

圖1　仿真流程圖

2模型的建立

2.1保險(xiǎn)杠模型的建立

保險(xiǎn)杠模型主要包括吸能盒和保險(xiǎn)杠兩個(gè)部分，通常采用焊接技術(shù)將其進(jìn)行接合。根據(jù)已測(cè)得的某車(chē)型保險(xiǎn)杠參數(shù)，采用CATIA V5R20建立保險(xiǎn)杠碰撞系統(tǒng)實(shí)體模型，并根據(jù)歐洲前后端保護(hù)裝置標(biāo)準(zhǔn)ECE-R42建立擺錘的三維模型，如圖2所示。

圖2　保險(xiǎn)杠及擺錘的三維幾何模型圖

鑒于原保險(xiǎn)杠的實(shí)際結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜，筆者建立簡(jiǎn)化的模型。碰撞分析主要是針對(duì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析計(jì)算，因此建立簡(jiǎn)化的保險(xiǎn)杠模型必須考慮部件的結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)細(xì)小的孔結(jié)構(gòu)、零部件的連接等在建模時(shí)可適當(dāng)簡(jiǎn)化甚至不考慮；而車(chē)體縱梁以后的部分以帶有質(zhì)量的平面來(lái)簡(jiǎn)化。

由于保險(xiǎn)杠的一個(gè)方向比其他方向薄弱得多，因此多利用薄殼來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分。汽車(chē)車(chē)身零部件大部分由薄板沖壓而成，在碰撞中的力學(xué)特性可用薄殼單元理論來(lái)描述。由于BT殼單元的積分損耗最小，計(jì)算速度快，已成為L(zhǎng)s-Dyna缺省的殼單元公式，因此筆者采用BT殼單元。通過(guò)CATIA建立基于保險(xiǎn)杠的幾何模型，然后將幾何模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)一步繪畫(huà)網(wǎng)格，模型的單元尺寸為10mm，按對(duì)中碰撞要求對(duì)各部件位置進(jìn)行定位，最終得到的保險(xiǎn)杠碰撞系統(tǒng)有限元模型如圖3所示。

圖3　保險(xiǎn)杠碰撞系統(tǒng)有限元模型

保證計(jì)算精度和計(jì)算效率的首要因素是高質(zhì)量的單元，在顯示算法的有限元軟件中，若網(wǎng)格單元質(zhì)量太差，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不收斂和計(jì)算精度的大幅度降低，這樣得到的仿真結(jié)果不具有實(shí)際指導(dǎo)意義。將檢查出的不合格單元?jiǎng)h除，并將保險(xiǎn)杠各部件模型的網(wǎng)格進(jìn)行處理優(yōu)化后，單元質(zhì)量均滿(mǎn)足仿真要求。各部件的網(wǎng)格信息如表1所示。

表1　各部件的網(wǎng)格信息

2.2材料和屬性設(shè)置

筆者在保險(xiǎn)杠系統(tǒng)碰撞仿真中使用的材料為MATL24和MATL20。MATL24材料模型，在汽車(chē)碰撞、覆蓋件沖壓成形分析中，主要用于一些各向同性材料的分析。MATL20材料模型采用的是剛體材料，使用該材料的部件不考慮變形，所有節(jié)點(diǎn)將保持相對(duì)位置不變，其自由度耦合到剛體的質(zhì)量中心，不論有限元上模型定義多少節(jié)點(diǎn)，剛體最多有6個(gè)自由度，這樣就大大減少了CPU的計(jì)算時(shí)間。程序由組成剛體單元的密度與體積計(jì)算出質(zhì)心、質(zhì)量和慣量特性。作用于剛體上的力矩和力由每一時(shí)間步的節(jié)點(diǎn)值疊加而得，剛體運(yùn)動(dòng)通過(guò)質(zhì)心的計(jì)算得到，并將相應(yīng)位移值傳遞到節(jié)點(diǎn)[6-7]?；緟?shù)設(shè)置如表2所示。

表2　保險(xiǎn)杠系統(tǒng)部件的材料屬性

保險(xiǎn)杠的橫梁和吸能盒的厚度都設(shè)置為1.29 mm。 其中，吸能盒為低碳鋼，具有較低的屈服極限，容易產(chǎn)生屈服變形，在碰撞過(guò)程中能迅速進(jìn)入屈服階段，依靠屈服變形來(lái)吸收碰撞動(dòng)能。

2.3連接設(shè)置

保險(xiǎn)杠橫梁與吸能盒均屬于可變形體，其連接可以通過(guò)在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上建立相應(yīng)的焊點(diǎn)。該焊接方式中所用到的焊接單元不需要材料和屬性，否則會(huì)發(fā)生計(jì)算錯(cuò)誤。吸能盒與車(chē)體的連接采用共節(jié)點(diǎn)的方式。由于筆者將車(chē)體部分簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)量平面，屬性為不考慮變形的剛形體，而變形體與剛形體的連接不能用焊接方式，故采用共節(jié)點(diǎn)的連接方法。

3碰撞仿真結(jié)果分析

參照歐洲汽車(chē)前、后端保護(hù)裝置的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)ECE-R42，采用中心碰撞形式進(jìn)行仿真模擬。按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，擺錘的有效質(zhì)量應(yīng)與試驗(yàn)車(chē)輛的整車(chē)整備質(zhì)量相等，根據(jù)所選車(chē)型的參數(shù)將其設(shè)置為1 220 kg。擺錘在406.5～508 mm間的任意高度進(jìn)行自由下擺運(yùn)動(dòng)，以4 km/h的瞬時(shí)低速對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行撞擊[8-10]。在這種低速碰撞下會(huì)產(chǎn)生多種時(shí)間響應(yīng)歷程，主要包括瞬時(shí)位移、瞬時(shí)加速度、瞬時(shí)沖擊力響應(yīng)歷程。

將保險(xiǎn)杠碰撞的計(jì)算時(shí)間設(shè)置為100 ms，截取0 ms、15 ms、30 ms、50 ms、60 ms、80 ms這6個(gè)時(shí)刻的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，如圖4所示。

圖4　保險(xiǎn)杠各時(shí)刻應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

通過(guò)圖4可以看出，保險(xiǎn)杠橫梁前端在t=15 ms時(shí)已有輕微變形，說(shuō)明此時(shí)碰撞已經(jīng)發(fā)生。隨后橫梁與擺錘的相對(duì)位移繼續(xù)增大，在t=50 ms左右時(shí)橫梁的塑性變形達(dá)到最大，在t=60 ms時(shí)變形又趨于減小，在t=80 ms時(shí)只在橫梁與吸能盒接觸的地方應(yīng)力較為集中，基本恢復(fù)到初始狀態(tài)。由此可知，30～50 ms是橫梁發(fā)生較大彈塑性變形的時(shí)間區(qū)間。整個(gè)碰撞過(guò)程中橫梁的最大應(yīng)力為1 511 MPa，而其所用材料的屈服應(yīng)力值為800 MPa，已發(fā)生較明顯的塑性變形。在該時(shí)間區(qū)間內(nèi)系統(tǒng)能量形式發(fā)生劇烈變化，擺錘的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的內(nèi)能，即沖擊能量被吸收。由于是低速碰撞，初速度較小，50 ms后擺錘發(fā)生回彈，保險(xiǎn)杠變形在50～100 ms時(shí)間區(qū)間內(nèi)逐漸恢復(fù)。同時(shí)還可以看到保險(xiǎn)杠橫梁中部與擺錘碰撞后明顯向內(nèi)彎曲變形，這部分是應(yīng)力最集中的地方之一。

4保險(xiǎn)杠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

4.1截面形狀對(duì)碰撞性能的影響

將原來(lái)的B字型形截面改成呂字型，寬度、厚度等參數(shù)均不改變，在設(shè)計(jì)形狀時(shí)盡量保持截面面積不變，如圖5所示。仿真得到改進(jìn)后呂字型結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)杠橫梁的碰撞過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，如圖6所示。

圖5　保險(xiǎn)杠橫梁結(jié)構(gòu)

圖6　呂字型結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)杠各時(shí)刻應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

由圖6明顯可以發(fā)現(xiàn)，t=15 ms時(shí)橫梁前段已有輕微變形，30～50 ms是橫梁發(fā)生較大彈塑性變形的時(shí)間區(qū)間，隨后擺錘發(fā)生回彈，橫梁和吸能盒的變形逐漸恢復(fù)。整個(gè)碰撞過(guò)程中的最大應(yīng)力為1 461 MPa，超過(guò)橫梁屈服應(yīng)力極限800 MPa，但相對(duì)于原B字型結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力來(lái)說(shuō)，還是有所減小。

4.2橫梁厚度對(duì)碰撞性能的影響

保險(xiǎn)杠原橫梁厚度為1.29 mm，由于計(jì)算機(jī)仿真的便利性，可以任意修改其厚度值來(lái)觀(guān)察對(duì)碰撞性能的影響。分別將保險(xiǎn)杠橫梁厚度設(shè)置為1 mm和1.8 mm，其分別約在t=50 ms和t=40 ms時(shí)變形達(dá)到最大，該時(shí)刻的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖7所示。

圖7　不同厚度橫梁最大變形時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

從圖7中可以看出1 mm 橫梁的變形量明顯大于1.8 mm橫梁，但都沒(méi)有超過(guò)橫梁與車(chē)體間的距離，滿(mǎn)足耐撞性要求。兩者在碰撞過(guò)程中的最大應(yīng)力值分別為1 618 MPa和1 367 MPa，超出橫梁的屈服極限，塑性變形發(fā)生。該結(jié)果符合實(shí)際情況，壁薄的橫梁強(qiáng)度較軟，變形較大。

4.3保險(xiǎn)杠材料對(duì)碰撞性能的影響

汽車(chē)輕量化和安全性能是可以共存的，保險(xiǎn)杠的輕量化可以從兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：一是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)；二是采用低密度高強(qiáng)度的輕量化材料。這樣的材料主要有：①低密度的輕質(zhì)材料，如鋁合金、復(fù)合材料等；②高強(qiáng)度材料，如高強(qiáng)度鋼等。

筆者采用在汽車(chē)車(chē)身上運(yùn)用越來(lái)越廣的鋁合金材料進(jìn)行碰撞仿真實(shí)驗(yàn)。仿真得到的碰撞過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖8所示。

圖8　保險(xiǎn)杠各時(shí)刻應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

由圖8可知，在t=15 ms時(shí)橫梁前段已有輕微變形，30～50 ms是橫梁發(fā)生較大彈塑性變形的時(shí)間區(qū)間，隨后擺錘發(fā)生回彈，橫梁和吸能盒的變形逐漸恢復(fù)。整個(gè)碰撞過(guò)程中的最大應(yīng)力為610.9 MPa，而所用7075-T6鋁合金的屈服極限為524 MPa，發(fā)生了少許塑性變形。原保險(xiǎn)杠橫梁的屈服應(yīng)力值為800 MPa，而碰撞過(guò)程中的最大應(yīng)力為1 511 MPa，塑性變形較為嚴(yán)重。

5結(jié)論

按照ECE-R42法規(guī)建立了擺錘低速撞擊保險(xiǎn)杠的有限元模型，探討了橫梁的截面形狀、厚度、材料等因素對(duì)整體碰撞性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)截面形狀對(duì)碰撞性能的影響不大；增加保險(xiǎn)杠厚度沒(méi)有必要，相反減少厚度能夠在一定程度上增加保險(xiǎn)杠系統(tǒng)單位質(zhì)量所吸收的能量值。采用鋁合金材料不僅能有效地輕量化保險(xiǎn)杠，還能增強(qiáng)碰撞性能。研究結(jié)果對(duì)保險(xiǎn)杠橫梁的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義，對(duì)深入研究汽車(chē)正面碰撞亦有一定的參考價(jià)值。

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QIAO Weigao:Prof.; School of Automotive Engineering,WUT,WuHan 430070,China.

[編輯：王志全]

文章編號(hào)：2095-3852(2016)01-0110-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

收稿日期：2015-05-25.

作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)叹S高(1964-)，男，江蘇揚(yáng)州人，武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院教授.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275211).

中圖分類(lèi)號(hào)：U461.91

DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.01.024

Study of the Effects of Vehicle Bumper Structural Parameters Changing on Car Crash Characteristics

QIAO Weigao,ZUO Yishun,TU Jinjin,LI Yuan

Abstract：With the mass production of cars and utilities,the incidence of car accidents is increasing,while the case of car accidents in a variety ,collision probability is highest.The theory of the explicit nonlinear finite element which is adopted in the crash simulation is expounded.According to the European regulation of ECE-R42,a finite element model of low-speed crash .According to the European regulation of ECE-R42,a finite element model of low-speed crash between car bumper system and pendulum is established.The stress and strain contours,the displacement of node which on the deformation parts of bumper beam,the amount of compression of crash box and the process of energy conversion,etc.in the simulation results are objectively and deeply analyzed through Hyper View.Finally the paper discusses the influence factors on collision characteristics,such as the section shape,thickness and material properties of bumper beam.

Key words：bumper；collision；explicit nonlinear finite element；Ls-Dyna