賴嘯、劉勇、郭晟

（宜賓職業(yè)技術學院 644003)

1 保險杠結構的CAE數字化建模

運用有限元分析方法模擬仿真技術研究保險杠結構的力學性能，首先要運用CAE軟件建立保險杠結構力學性能仿真模型，涉及到建立基本單元體的幾何模型和尋找類型合適、尺寸匹配的其他單元體對結構進行離散處理，建立保險杠動力學模型[1]。

在眾多有限元分析軟件中，運用HyperWorks軟件對保險杠結構進行CAE數字化建模的技術在國外已經得到廣泛使用。該軟件可以根據用戶需要，進行尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和形貌優(yōu)化。我們從實際企業(yè)中選取標準保險杠實體，先用UG軟件進行三維建模，然后結合UG軟件可轉化的功能，把IGES格式導入HyperWorks軟件進行有限元分析處理，對該保險杠進行參數化建模，并進行尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和形貌優(yōu)化。

因為保險杠總體質量較重，但由于長度關系又較柔軟，所以支架要求結實，可以卡緊保險杠不至于從上向下脫落，起到很好的穩(wěn)定作用，所以材料的厚度取得較厚。采用四面體單元離散化后的空間結構物中單元尺寸為20 mm的四節(jié)點單元離散處理保險杠結構。建立三維實體的螺栓模型，由HyperWorks自帶的螺紋接觸定義方式設置螺紋接觸。

2 汽車保險杠機械參數優(yōu)化設計

汽車保險桿的力學性能參數和結構設計中的靈敏度是影響保險杠正常工作的最重要機械參數。保險杠材料的扭轉強度、彎曲強度、料厚、彈性模量、泊松比及屈服極限等都是重要的力學性能參數。

2.1 保險杠力學性能參數

當保持固有頻率和振型時，不同頻率所產生的彎曲和扭轉強度有很大差異，具體如圖1、2所示。當設計頻率是大于25.00 Hz時，一階扭矩產生的實際頻率是26.15 Hz，一階彎曲產生的實際頻率是29.20 Hz，經過試驗二階模態(tài)也是彎曲模態(tài)大于扭矩模態(tài)。

試驗表明當保險杠結構一旦受到載荷發(fā)生變形時，彎曲強度很快變小，而扭轉強度則變化緩慢。模擬實驗結果在實際中也能得到驗證，當汽車保險杠前端受到碰撞時，在載荷作用剛發(fā)生的時候，接觸力主要表現為彎曲強度，保險杠的前端很容易受到沖擊而發(fā)生彎曲，扭轉變形則很微??；構件如果受到沖擊載荷產生一定范圍的彎曲變形，彎曲強度在很短時間內就會急速下降，導致產生的接觸力下降，同時構件又受到較大的扭轉作用，此時接觸力主要表現為扭轉強度，更容易導致大的扭轉變形。

2.2 保險杠靈敏度

采用靈敏度分析可以確定尋求最優(yōu)化的求解方向，建立優(yōu)化方程和構造迭加計算方程，通過改變不同零件的尺寸大小，求解各個零件關于尺寸厚度的倒數方程。實驗結果證明，保險杠隨著板料厚度的增加，本體質量對整體結構的影響程度比剛度對整體結構的影響要大。一般情況下，當保險杠本體質量占據整體總質量的60%以上時，企業(yè)就采用減少板料厚度的方法來降低保險杠總體質量，提高保險杠頻率。綜合考慮板料的規(guī)范化、標準化生產及其能承受的載荷，將板料厚度降低了1.5 mm。

2.3 保險杠的機械結構優(yōu)化

通過對保險杠力學性能參數和靈敏度性能的分析，我們提出了以下措施對保險杠進行結構優(yōu)化：第一，根據需求改變保險杠的材料，可以考慮用質量輕密度小而屈服強度較大的材料；第二，調整零部件的幾何位置和尺寸大小，增加加強筋，調整封閉結構，使原先不封閉的結構改成封閉結構；第三，調整保險杠材料的厚度，調整安裝孔位，提高彈性模量等力學性能；第四，保險杠后部盡量與汽車構件不發(fā)生接觸，在低速碰撞時可保護散熱器、翼子板及發(fā)動機罩等重要部件。

圖1 一階扭轉

圖2 一階彎曲