許津，宋年秀，胡韶文，劉鵬

（青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，山東青島 266520）

保險(xiǎn)杠壁厚對低速碰撞性能的影響研究

許津，宋年秀，胡韶文，劉鵬

（青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，山東青島 266520）

基于LS-DYNA軟件，利用有限元方法分析了汽車保險(xiǎn)杠低速碰撞中的動力學(xué)響應(yīng)特性及碰撞過程中的能量變化，評價(jià)了保險(xiǎn)杠的碰撞性能，研究了保險(xiǎn)杠橫梁與吸能盒厚度對保險(xiǎn)杠碰撞性能的影響；通過改變保險(xiǎn)杠橫梁或吸能盒的壁厚，比較了不同壁厚下保險(xiǎn)杠的碰撞動力響應(yīng)特性，分析了壁厚對保險(xiǎn)杠碰撞性能的影響，對保險(xiǎn)杠提出了優(yōu)化建議。

汽車；保險(xiǎn)杠；低速碰撞；吸能盒壁厚；碰撞性能

根據(jù)碰撞時(shí)汽車速度的不同，碰撞有高速碰撞和低速碰撞之分。低速碰撞是指車輛在速度低于15km/h時(shí)與其他車輛或障礙物發(fā)生的碰撞。該文以某微型車保險(xiǎn)杠作為研究對象，利用有限元分析方法對其低速碰撞過程進(jìn)行分析，研究保險(xiǎn)杠橫梁或吸能盒不同壁厚下保險(xiǎn)杠的碰撞動力響應(yīng)特性，為增強(qiáng)低速碰撞吸能特性、提高安全等級、降低維修成本提供參考。

1 保險(xiǎn)杠有限元模型的建立

在汽車碰撞安全研究中，計(jì)算機(jī)仿真已成為不可替代的研究方法，根據(jù)仿真結(jié)論，可以對汽車的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，從而提高汽車的碰撞安全性。因此，仿真精度直接影響汽車設(shè)計(jì)改進(jìn)的合理性。用于仿真的有限元模型能最大程度地反映汽車的實(shí)際結(jié)構(gòu)，對仿真精度有很大影響。

1.1保險(xiǎn)杠幾何模型的建立

幾何模型的建立精度將對有限元模型的建立精度產(chǎn)生直接影響，從而影響模型碰撞仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用三維制圖軟件Solid Works，根據(jù)該微型車保險(xiǎn)杠的實(shí)際測量數(shù)據(jù)建立保險(xiǎn)杠碰撞系統(tǒng)簡化幾何模型。保險(xiǎn)杠外蓋板的抗沖擊強(qiáng)度相對于鋼來說可忽略不計(jì)，故保險(xiǎn)杠簡化模型中將車身簡化為一塊鋼板。如圖1所示，保險(xiǎn)杠碰撞系統(tǒng)的CAD模型由保險(xiǎn)杠橫梁、左右吸能盒、代表車體的鋼板和剛性墻組成。

1.2保險(xiǎn)杠有限元模型的建立

在三維制圖軟件Solid Works中建立保險(xiǎn)杠CAD模型，在前處理軟件Hyper Mesh中對保險(xiǎn)杠部件賦予材料與屬性，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到由節(jié)點(diǎn)和單元構(gòu)成的保險(xiǎn)杠CAE模型（如圖2所示），同時(shí)對模型的連接、接觸、約束和計(jì)算參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置，生成K文件，導(dǎo)入求解器LS-DYNA中進(jìn)行碰撞仿真計(jì)算。

圖1　保險(xiǎn)杠碰撞系統(tǒng)幾何模型

圖2　保險(xiǎn)杠CAE模型

2 保險(xiǎn)杠壁厚對碰撞性能的影響分析

影響保險(xiǎn)杠碰撞性能的因素有很多，如保險(xiǎn)杠橫梁的結(jié)構(gòu)形式、吸能盒的形狀、橫梁和吸能盒的壁厚、吸能盒是否有導(dǎo)流槽、保險(xiǎn)杠的材料等。在保險(xiǎn)杠碰撞安全性研究中，壁厚通常作為首要考慮的因素，而且壁厚在建模時(shí)容易調(diào)整，故通過改變壁厚來分析其對保險(xiǎn)杠碰撞安全性的影響。

可采用正交試驗(yàn)法或控制變量法研究壁厚對保險(xiǎn)杠安全性的影響。正交試驗(yàn)法通常運(yùn)用于需要同時(shí)考慮3個(gè)及3個(gè)以上影響因素的試驗(yàn)中。這里僅考慮橫梁厚度和吸能盒厚度2個(gè)因素，故采用控制變量法，分析在橫梁或吸能盒厚度不變的情況下改變吸能盒或橫梁的厚度對保險(xiǎn)杠碰撞性能的影響。

2.1橫梁厚度對碰撞性能的影響

在保證吸能盒壁厚不變的前提下，分別取橫梁厚度為1.3和1.6mm進(jìn)行仿真分析，得出不同橫梁厚度保險(xiǎn)杠的吸能-時(shí)間曲線（如圖3所示）。

由圖3可知：橫梁厚度為1.3和1.6mm保險(xiǎn)杠的吸能-時(shí)間曲線的總體趨勢大致相同，橫梁厚度為1mm的保險(xiǎn)杠吸收的能量明顯低于橫梁厚度為1.3和1.6mm的保險(xiǎn)杠。說明隨著橫梁厚度的增加，吸收的能量增加，但并非厚度越大越好，厚度的增加無疑會使車重增加，不符合環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的要求，且還要考慮整個(gè)撞擊過程中保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的吸能特性與碰撞過程相吻合。橫梁厚度為1.3和1.6mm時(shí)吸能-時(shí)間曲線的最高點(diǎn)在t=45ms附近，即在45ms時(shí)橫梁厚度為1.3和1.6mm的保險(xiǎn)杠吸收的能量最多。

圖3　不同橫梁厚度保險(xiǎn)杠的吸能-時(shí)間曲線

圖4為45ms時(shí)橫梁厚度為1、1.3和1.6mm保險(xiǎn)杠的變形圖。

圖4　不同橫梁厚度保險(xiǎn)杠的變形圖

由圖4可知：橫梁厚度為1mm時(shí)，橫梁的變形最大，吸能盒幾乎不變形；橫梁厚度為1.3mm時(shí)，橫梁的變形變小，但吸能盒的變形增大；橫梁厚度為1.6mm時(shí)，橫梁變形非常小，吸能盒變形較大。出現(xiàn)這種情況的原因是：橫梁厚度增加時(shí)，橫梁的剛度也隨之增加，碰撞發(fā)生時(shí)，剛度較大的橫梁變形較小，吸收碰撞過程中的少部分能量，橫梁將大部分沖擊力傳遞到吸能盒上，吸能盒在力的作用下發(fā)生變形，吸收大部分能量。

在保險(xiǎn)杠碰撞過程中，要求保險(xiǎn)杠橫梁吸收一部分能量發(fā)生一定變形后，吸能盒發(fā)生變形，吸收能量。橫梁厚度為1.6mm的保險(xiǎn)杠不滿足這一要求，這種保險(xiǎn)杠在碰撞過程中吸能盒的變形大，使保險(xiǎn)杠在碰撞方向的位移增大，可能導(dǎo)致車架發(fā)生碰撞，不能較好地保護(hù)車體。由此也說明橫梁厚度并不是越大越好，保險(xiǎn)杠的碰撞安全性能與橫梁的厚度并不成正比關(guān)系。橫梁厚度為1.3mm時(shí)能較好地滿足這一要求，其碰撞性能比橫梁厚度為1mm的保險(xiǎn)杠高。因此，在這3種保險(xiǎn)杠中，橫梁厚度為1.3mm的保險(xiǎn)杠的碰撞性能最好。

2.2吸能盒厚度對碰撞性能的影響

在保持橫梁厚度為1.3mm不變的前提下，改變吸能盒的厚度，探討吸能盒厚度對保險(xiǎn)杠的影響。取吸能盒厚度為1.5和2.5mm進(jìn)行碰撞仿真，并將仿真結(jié)果與吸能盒厚度為2mm的結(jié)果進(jìn)行對比。圖5為不同吸能盒厚度保險(xiǎn)杠的吸能特性曲線。

圖5　不同吸能盒厚度保險(xiǎn)杠的吸能特性曲線

由圖5可知：吸能盒厚度為2和2.5mm的保險(xiǎn)杠吸收的能量比厚度為1.5mm的保險(xiǎn)杠多，即吸能盒厚度增加時(shí)，保險(xiǎn)杠吸收的能量也增加，但保險(xiǎn)杠的碰撞安全性能并不一定提高。厚度為1.5mm的吸能曲線在54ms左右達(dá)到最高點(diǎn)，之后持平，幾乎保持不變，說明吸能盒還在吸收能量，還在變形。而吸能盒過大的變形可能導(dǎo)致車架發(fā)生碰撞，故認(rèn)為該保險(xiǎn)杠的碰撞安全性能不好。吸能盒厚度為2.5mm時(shí)，吸收的能量并不比厚度為2mm的保險(xiǎn)杠大很多，但會在一定程度上增加保險(xiǎn)杠的重量。因此，認(rèn)為吸能盒厚度為2mm時(shí)保險(xiǎn)杠的總體性能最好。

綜上所述，當(dāng)保險(xiǎn)杠橫梁厚度為1.3mm、吸能盒厚度為2mm時(shí)，兩者的強(qiáng)度匹配合理，能最大限度地吸收碰撞過程中的能量。因此，將該車保險(xiǎn)杠橫梁厚度增加為1.3mm，提高其碰撞安全性能。

3 結(jié)語

該文建立保險(xiǎn)杠低速碰撞系統(tǒng)有限元模型，就保險(xiǎn)杠橫梁壁厚和吸能盒壁厚對保險(xiǎn)杠碰撞安全性能的影響進(jìn)行仿真分析，得出了使保險(xiǎn)杠碰撞安全性能得到優(yōu)化的橫梁厚度與吸能盒厚度的合理組合，為保險(xiǎn)杠的優(yōu)化提供依據(jù)。

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