姜旭

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基于SolidWorks Simulation的轎車后防撞梁強度非線性分析*

姜旭

（包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014035）

汽車的后防撞梁作為汽車后部的支撐保護裝置，對汽車后部的保護及汽車的安全性起著至關(guān)重要的作用。后防撞梁通過吸能盒連接到車身左右縱梁，當(dāng)車輛遭遇到追尾事故時，后防撞梁及吸能盒可以很大程度上緩沖追尾碰撞的沖擊力，并把部分能量傳遞到車身的左右縱梁，以減少車身損壞程度，保護油箱及保護乘員安全。文章利用SolidWorks Simulation有限元分析軟件，在小轎車以60km/h的速度行駛時，對C型后防撞梁發(fā)生正面追尾碰撞，進行強度非線性分析，研究C型防撞梁在碰撞過程中的應(yīng)力及變形情況。

SolidWorks Simulation；后防撞梁；吸能盒；應(yīng)力；變形

1 后防撞梁概述

隨著人們生活水平不斷的提高，擁有轎車的家庭已經(jīng)占有很大的比例。轎車保有量的增多，交通事故也在增多，其中汽車追尾事故是最為常見的交通事故之一[4]。轎車的后防撞梁作為其后部保護裝置，當(dāng)發(fā)生追尾事故時可以起到緩沖撞擊力、保護乘員、保護車身和油箱的安全[1]。C型后防撞梁是汽車行業(yè)經(jīng)常采用的形式，本文以其為例，應(yīng)用 SolidWorks Simulation有限元分析組件，模擬后防撞梁追尾后在碰撞沖擊力的作用下，內(nèi)部應(yīng)力及變形的情況。

2 模型建立及網(wǎng)格劃分

后防撞梁總成為車輛后部主要的吸能部件，如圖1所示，后防撞梁主要包括防撞橫梁，左、右吸能盒，安裝基板及螺栓等組成[2]。參照某型轎車后防撞梁基本外形尺寸，應(yīng)用SolidWorks建立后防撞梁簡化模型。在SolidWorks Simulation中建立非線性計算算例，并應(yīng)用自動劃分網(wǎng)格功能劃分網(wǎng)格，其中，網(wǎng)格單元大小為11.9162mm，節(jié)總數(shù)為45355，單元總數(shù)為22221，如圖2所示。

圖1 后防撞梁的基本結(jié)構(gòu)

1-后防撞橫梁、2-吸能盒、3-安裝基板

圖2 后防撞梁網(wǎng)格圖

3 定義材料屬性

本文C型后防撞梁模型應(yīng)用合金鋼，材料厚度為2mm，后防撞梁的重量為8.7kg，后防撞梁的材料屬性如表1所示[1]，其中，E為彈性模量，μ為泊松比，G為抗剪模量為，ρ為質(zhì)量密度為，S為張力強度為，δs為屈服強度。

表1 后防撞梁的材料特性

4 載荷及約束條件的設(shè)定

假設(shè)轎車以60km/h的速度發(fā)生正面追尾碰撞，試分析如下：

1）假設(shè)轎車追尾過程是勻減速直線運動

3）轎車在追尾過程中的加速度在穩(wěn)態(tài)階段時，可以按平均加速度來計算，即：

轎車在60km/h碰撞過程中加速度為14g，即140m/s2,

由：F=ma

計算沖擊力：F=1400×140=196000N

其中，1400Kg為轎車質(zhì)量。考慮最危險時的情況，把沖擊力F作為集中載荷加載在后防撞梁中間位置，如圖3所示。把左右兩個吸能盒底部的安裝基板位置做固定約束處理，如圖4所示。

圖3 后防撞梁加載位置圖

圖4 安裝基板固定約束圖

數(shù)值分析的模型采用 mm-kg-s單位制，然后由 Solid Works Simulation 仿真軟件進行求解并輸出仿真結(jié)果。

5 結(jié)果分析

如圖5所示，應(yīng)力圖中可以看出，應(yīng)力最大值發(fā)生在載荷加載的中間位置，其數(shù)值為6390Mpa，而所選材料的屈服強度為620Mpa，最大應(yīng)力值已經(jīng)超出材料屈服強度的10倍，此時，整個后防撞梁已發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞。如圖6所示，變形圖中可以看出，中間立筋位置有向兩側(cè)分離的趨勢，吸能盒處的變形與梁體相比變形要小，后防撞梁的最大位移也發(fā)生在中間置其數(shù)值為146mm，兩側(cè)變形較小。

圖5 后防撞梁應(yīng)力圖

圖6 后防撞梁變形位移圖

6 結(jié)論

（1）將小轎車追尾的碰撞沖擊力加載在后防撞梁中間部位時，主要的變形發(fā)生在后防撞梁的梁體上，左右兩側(cè)吸能盒的變形較小。應(yīng)該在左右兩側(cè)的吸能盒上設(shè)計潰縮引導(dǎo)槽，可以分散并吸收碰撞時所產(chǎn)生的能量。

（2）C型后防撞梁在模擬仿真的過程中，其中間立筋位置有向兩側(cè)分離的趨勢，為了加強后防撞梁整體結(jié)構(gòu)強度，在中間位置可以采用矩形閉合結(jié)構(gòu)。

（3）小轎車在60Km/h速度的情況下發(fā)生追尾碰撞，后防撞梁已發(fā)生嚴(yán)重變形損壞，可能會對車輛其他部件造成損壞，所以車輛設(shè)計時要考慮后防撞梁與其后部部件要有足夠的緩沖空間。

[1] 李可.汽車防撞梁的結(jié)構(gòu)強度分析及優(yōu)化[J].云南:中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2013:06（下）.

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Nonlinear analysis of the strength of the rear bumper beam of a car based on SolidWorks Simulation

Jiang Xu

( Baotou college of light industry and technology, Inner Mongolia Baotou 014035 )

As the support and protection device of the rear of the car, the rear anti-collision beam plays an important role in the protection of the rear of the car and the safety of the car. The rear anticollision beam is connected to the left and right longitudinal beam of the body through the energy absorption box. When the vehicle encounters a rear-end collision, the rear anticollision beam and the energy absorption box can largely buffer the impact force of the rear-end collision and transfer part of the energy to the left and right longitudinal beam of the body, so as to reduce the damage degree of the body, protect the oil tank and protect the safety of passengers. In this paper, the finite element analysis software SolidWorks Simulation was used to study the stress and deformation of c-type rear anti-collision beam in the collision process by conducting a non-linear strength analysis of the head-on rear-end collision of c-type rear anti-collision beam when the car was driving at a speed of 60km/h.

SolidWorks Simulation; rear anti-collision beam; energy absorption box; stress; deformation

A

1671-7988(2019)03-54-03

U467

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1671-7988(2019)03-54-03

U467

姜旭（1981-），女，碩士研究生，遼寧鞍山人，工程師、講師，主要從事機械設(shè)計及汽車運用與維修相關(guān)工作。

包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院2017年校級課題，項目計劃編號：QY2017-1-1-6。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.015