馬建偉

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基于ANSYS/LS-DYNA的輕型貨車車身緩沖區(qū)有限元分析

馬建偉

（邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺 054035）

分析了輕型貨車安全性，介紹了碰撞有限元法的基本原理和有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA，對原車進(jìn)行耐撞性改進(jìn)設(shè)計，增加了緩沖區(qū)，根據(jù)車身緩沖區(qū)的三維結(jié)構(gòu)，用UG軟件建立了車身緩沖區(qū)的力學(xué)模型，并利用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對車身緩沖區(qū)進(jìn)行了模擬碰撞分析，將輸出結(jié)果與原車身前部的碰撞結(jié)果相對比，證明對車身的改進(jìn)設(shè)計是合理的，簡化了設(shè)計流程，對輕型貨車的耐撞性設(shè)計有很好的指導(dǎo)意義。

輕型貨車；車身；碰撞；有限元

交通事故日益增加，汽車的安全性設(shè)計在現(xiàn)代汽車設(shè)計中占有越來越重要的地位，但不同類型的車輛，安全性設(shè)計的側(cè)重點(diǎn)不盡相同。針對輕型貨車價格低廉、廣泛應(yīng)用于城鄉(xiāng)結(jié)合部、事故率高、事故傷害大的特點(diǎn)，在主要考慮安全性的同時，還要兼顧成本和適用性。

一、碰撞有限元法的基本原理

有限元法是將彈性體劃分為有限單元，彼此只在有限點(diǎn)連接的，把有限的單元組合起來進(jìn)行研究，用一個離散結(jié)構(gòu)代替原結(jié)構(gòu)，作為真實(shí)結(jié)構(gòu)的近似力學(xué)模型，后續(xù)的數(shù)值計算在這一離散結(jié)構(gòu)上進(jìn)行，即有限單元離散化[1]。

圖1 碰撞有限元用于工程實(shí)際分析的一般過程

汽車耐撞性分析的有限元法是在20世紀(jì)80年代以后逐步發(fā)展和完善起來的先進(jìn)技術(shù)，現(xiàn)在在汽車車身設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用很廣，并為汽車車身設(shè)計提供很大方便[2]。碰撞有限元用于工程實(shí)際分析的一般過程如圖1所示。

和碰撞試驗(yàn)法相比，有限元法是數(shù)值分析方法，在電腦上完成分析與運(yùn)算，這種方法非常方便、快捷，減少了實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用，因此在汽車碰撞安全性研究方面占有特殊重要的地位[3][4]。

二、貨車緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)建模與改進(jìn)

為提高輕型貨車的安全性，加大對駕駛員的保護(hù)，減少碰撞時對駕駛員的傷害，對平頭式貨車進(jìn)行改進(jìn)，在保證貨車內(nèi)部空間的前提下，在貨車前部增加耐撞吸能區(qū)，在汽車的前縱梁和保險杠中間增加汽車碰撞安全保護(hù)結(jié)構(gòu)[5]，以保證在汽車發(fā)生碰撞時，汽車絕大部分的能量由前縱梁通過潰縮變形來吸收能量，使得車身覆蓋件向車內(nèi)的侵入位移不致過大，并且前縱梁結(jié)構(gòu)不應(yīng)先于保險杠總成產(chǎn)生碰撞壓潰失效[6]。在進(jìn)行有限元分析之前，本設(shè)計采用UG軟件建立三維力學(xué)模型，并為了在ANSYS中順利地劃分網(wǎng)格，增加了緩沖區(qū)模型做了如下修改：對不平滑、質(zhì)量不好的的曲面截取邊界，重新作曲面；對曲面之間由于接觸不好產(chǎn)生的縫隙，在修改后將兩曲面在默認(rèn)的公差下縫合。對于一些不影響分析結(jié)果的細(xì)微結(jié)構(gòu)，在簡化模型的時候?qū)⑵浜雎裕绲箞A角、工藝結(jié)構(gòu)等。在修改了各個部件后，將其裝配成一個整體，修改后模型如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后緩沖區(qū)的三維圖模型圖

圖3 墻和緩沖區(qū)部件的網(wǎng)格劃分

三、對緩沖區(qū)進(jìn)行碰撞有限元分析

1.前處理

以GUI方式啟動ANSYS/LS-DYNA，將壓潰桿的模型導(dǎo)入。將緩沖區(qū)和撞擊墻單元類型都定義成殼單元，將墻的實(shí)常數(shù)厚度定義為0.001m；再將前頂件、壓潰桿、前圍板的厚度分別定義為0.0025m、0.0008m、0.003m。將墻材料定義為密度為7830kg/，彈性模量為207GPa，泊松比為0.28。由于緩沖區(qū)是彈塑性材料，在ANSYS中定義該材料模型，首先需要定義兩個數(shù)組來輸入應(yīng)變和相應(yīng)的應(yīng)力，然后生成一條應(yīng)力應(yīng)變曲線，最后該材料模型調(diào)用該應(yīng)力應(yīng)變曲線。對墻和緩沖區(qū)部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。將接觸定義成單面接觸，分別將靜摩擦和動摩擦定義成0.2、0.18，將緩沖區(qū)的初速度設(shè)置為20m/s。

2.求解

完成上述操作后可以直接遞交求解，也可以輸出關(guān)鍵字文件，然后遞交給LS-DYNA進(jìn)行計算。本文先直接遞交求解并輸出關(guān)鍵字文件，算出結(jié)果后觀察結(jié)果，修改關(guān)鍵字文件，再遞交給LS-DYNA（Ls970.exe）進(jìn)行計算。

3.后處理

上述求解后輸出D3PLOT文件，用Isprepost進(jìn)行后處理。得到整個緩沖區(qū)不同時刻的變形情況如圖6所示。

圖4 緩沖區(qū)的變形過程

四、對前圍板的分析

前圍板的分析過程同上述的分析過程大致一樣，而且為了對比結(jié)果，兩次分析的一些初始參數(shù)如初速度等被設(shè)置為相同。修改后的前圍板模型如圖5所示。

圖5 原前圍板修改后的模型

對前圍板的變形在ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行碰撞分析，碰撞過程中的變形情況如圖6所示。

圖6 前圍板碰撞變形過程

1.結(jié)果分析

根據(jù)分析結(jié)構(gòu)獲得碰撞中前圍板的動能變化曲線如圖，碰撞中X方向上加速度變化曲線如圖7所示，動能變化曲線如圖8所示。

圖7 加速度變化曲線

加速度曲線表明，加緩沖區(qū)后的前圍板在碰撞過程中的加速度最大值為2.1左右，而原前圍板在碰撞過程中的加速度峰值卻達(dá)到了5.5左右，原前圍板的性能明顯不如加緩沖區(qū)后的前圍板。另外，從上述加緩沖區(qū)后的加速度變化曲線還可以看出，在0.004S左右，加速度出現(xiàn)最大值時，這個加速值還持續(xù)了一小段時間，這正滿足了“碰撞過程中要加速度盡量小，在加速度峰值時持續(xù)的時間最長”的理想特征。

圖8 動能變化曲線

動能變化曲線表明，加緩沖區(qū)前圍板的動能在0.005秒內(nèi)減少接近至0，而加緩沖區(qū)后的動能在0.02秒時才減少趨近于0，可見，在碰撞中，緩沖區(qū)能使動能在一段比較長的時間內(nèi)衰減，而不會出現(xiàn)急劇降低的情況，性能要明顯優(yōu)于原前圍板。

五、結(jié)論

通過對結(jié)果分析，可知所加的緩沖區(qū)起到了緩沖效果，碰撞中表現(xiàn)出能量的衰減、加速度的變化都較契合理想特性，加緩沖區(qū)的前圍板的性能明顯好于原前圍板，因此，對原車的改進(jìn)設(shè)計對于提高原車的耐撞特性是有效的。

在碰撞分析過程中，參數(shù)的設(shè)定是在反復(fù)的幾次碰撞模擬計算、根據(jù)觀察變形情況并修改后計算得到的。這些參數(shù)將對緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計起到參考作用。

利用有限元法碰撞分析法，簡化了緩沖區(qū)設(shè)計的過程，提高了設(shè)計精度，對設(shè)計出具有良好的耐撞性的貨車有很好的指導(dǎo)意義。

[1]趙桂范，柳東威，孟媛媛.轎車正面碰撞有限元仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2010（1）：18-20.

[2]龔潔.汽車前保險杠碰撞的有限元仿真分析研究[D].沈陽：東北大學(xué)：2010.

[3]張積洪，李德根.基于ANSYS/LS-DYNA的進(jìn)近燈光桿塔撞擊應(yīng)力數(shù)值仿真[J].制造業(yè)自動化，2011，32（3）：131-133.

[4]時黨勇，李裕春，張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進(jìn)行顯式動力分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[5]趙海鷗.LS-DYNA動力分析指南[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2003.

[6]黃金陵.汽車車身設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

Finite Element Analysis on Buffer of Light-duty Truck Body Based on ANSYS/LS-DYNA

MA Jian-wei

（Xingtai Polytechnic College, Xingtai, Hebei 054035, China）

The safety of light-duty truck is analyzed，basic principle of the collision finite element method and collision finite element analysis software ANSYS/LS-DYNA are introduced. Improved design of the original car is conducted, the buffer is added. According to three-dimensional structure of body buffer, the mechanics model of the buffer is built using UG software, and simulated collision analysis of buffer is conducted using the finite element analysis software ANSYS/LS-DYNA. With the original in the front of the car body collision, the output result is contrasted with original body collision results. It proved that improvement design to body is reasonable, design process is simplified, and it has a good guidance to crashworthiness design of light-duty truck.

light-duty truck; body; collision; finite element

（責(zé)任編輯 王傲冰）

U463

A

1008—6129（2016）05—0083—05

2016—08—11

馬建偉（1981—），河北唐山人，邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，講師。