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(duì)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(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性及碰撞過程中的能量變化，評(píng)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(duì)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(dòng)力響應(yīng)特性，分析了壁厚對(duì)保險(xiǎn)杠碰撞性能的影響，對(duì)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(duì)象，利用有限元分析方法對(duì)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(dòng)力響應(yīng)特性，為增強(qiáng)低速碰撞吸能特性、提高安全等級(jí)、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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)量數(shù)據(jù)建立保險(xiǎn)杠碰撞系統(tǒng)簡(jiǎn)化幾何模型。保險(xiǎn)杠外蓋板的抗沖擊強(qiáng)度相對(duì)于鋼來(lái)說(shuō)可忽略不計(jì)，故保險(xiǎn)杠簡(jiǎn)化模型中將車身簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(duì)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(lái)分析其對(duì)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(duì)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(duì)保險(xiǎn)杠碰撞性能的影響。

2.1橫梁厚度對(duì)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(shì)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(shuō)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(wú)疑會(huì)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(shuō)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(duì)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(duì)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(duì)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(shuō)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(huì)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(yǔ)

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(duì)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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2016-01-24