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        某微型電動汽車保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真分析

        2019-12-11 01:36:00王旭飛焦登寧張重陽
        關(guān)鍵詞:肋板保險(xiǎn)杠橫梁

        譚 飛,王旭飛,焦登寧,張重陽,王 蒙

        (陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 漢中 723000)

        隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,汽車的保有量也越來越大,給人們生活帶來很多便利的同時,也產(chǎn)生了許多安全問題,汽車安全工程受到人們廣泛關(guān)注。當(dāng)前汽車被動安全仍是汽車安全方式最重要的一個方面[1-2]。近些年來,微型汽車由于其嬌小外形、省油等多方面特點(diǎn),受到了眾多消費(fèi)者的青睞。同時嬌小外形也使得其安全性成為大家關(guān)注問題。微型汽車與普通乘用車不同的是,它車身前部較短,吸能區(qū)域有限,因此其正面碰撞安全性設(shè)計(jì)難度較大,吸能盒設(shè)計(jì)并不適用于微型汽車,只能將吸能盒與縱梁結(jié)合在一起[3]。保險(xiǎn)杠系統(tǒng)是汽車正面碰撞中關(guān)鍵的能量吸收部分,保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)、性能的提高,能較大水平提高汽車的安全性[4-5]?,F(xiàn)有許多保險(xiǎn)杠類型,如雙帽型保險(xiǎn)杠[6]、液壓成型保險(xiǎn)杠[7]、鋁合金保險(xiǎn)杠[8]以及碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)[9]等,大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者成本較高,具有不利于加工生產(chǎn)等缺點(diǎn)。

        本文在兼顧耐撞性與輕量化的基礎(chǔ)上,基于顯式動態(tài)有限元理論及沖擊動力學(xué)原理,對某微型電動汽車保險(xiǎn)杠進(jìn)行有限元分析,提出5種優(yōu)化方案,并對各方案保險(xiǎn)杠的變形和吸能情況進(jìn)行仿真分析,以提高該微型電動汽車的安全性。

        1 碰撞性能分析基本理論

        碰撞是瞬時的復(fù)雜物理變化過程,是一種非線性動態(tài)接觸變形問題。LS-DYNA求解碰撞問題主要采用顯式中心差分法,利用中心差分法離散時間域,無需構(gòu)造剛度矩陣即可求解節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動方程,有效回避了因非線性問題引起的收斂問題[10]。根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的質(zhì)量、動量和能量守恒方程,保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的基本方程[11]可分別寫成如下形式。

        動量方程:

        (1)

        質(zhì)量守恒方程:

        ρ=Jρ0,

        (2)

        能量守恒方程:

        (3)

        式中v為現(xiàn)時構(gòu)形的體積,εij為應(yīng)變率,q為體積黏性阻力。

        2 保險(xiǎn)杠正面碰撞分析

        2.1 保險(xiǎn)杠碰撞系統(tǒng)建立

        采用聯(lián)合建模的方式構(gòu)建模型。首先,通過CATIA建立保險(xiǎn)杠的三維幾何模型,如圖1(a)所示,然后將幾何模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)一步建立有限元模型,如圖1(b)所示,把有限元模型導(dǎo)入LS-DYNA,對所建模型進(jìn)行求解。

        (a)三維模型 (b)有限元模型圖1 保險(xiǎn)杠三維模型與有限元模型

        本文所用保險(xiǎn)杠系統(tǒng)采用貝葉斯科薄殼單元,選擇面與面(Contact-Surface-To-Surface)類型接觸方式來模擬保險(xiǎn)杠和碰撞墻之間的碰撞接觸,其中靜態(tài)摩擦系數(shù)設(shè)為0.3,動摩擦系數(shù)設(shè)為0.2。保險(xiǎn)杠系統(tǒng)中本身的接觸選擇單表面(Contact-Single-Surface)類型接觸。本文選擇以剛性墻碰撞保險(xiǎn)杠系統(tǒng)以便更好地模擬保險(xiǎn)杠的安全性,假如以保險(xiǎn)杠系統(tǒng)來碰撞剛性墻,會使保險(xiǎn)杠所連接的縱梁在無約束的情況下產(chǎn)生很大的慣性力,使分析失真。因?yàn)槲⑿推嚩嘣诔鞘械缆愤\(yùn)行,多處于中低速工況下運(yùn)行,選擇在國際上有較大影響力的RCAR低速碰撞規(guī)程中的15 km/h作為該仿真速度。對保險(xiǎn)杠系統(tǒng)采用部分沙漏控制,選擇基于剛度的沙漏控制,避免零能量變形模式。碰撞系統(tǒng)模型參數(shù)如表1所示。剛性墻采用MAT20材料,它是一種剛形體材料模型。保險(xiǎn)杠系統(tǒng)采用MAT24材料,它為彈塑性材料本構(gòu)模型,保險(xiǎn)杠橫梁屈服強(qiáng)度為270 MPa。

        表1 碰撞系統(tǒng)模型參數(shù)

        2.2 仿真結(jié)果分析

        保險(xiǎn)杠系統(tǒng)應(yīng)力如圖2所示。在碰撞過程中,保險(xiǎn)杠橫梁與縱梁均發(fā)生了變形,但與剛性墻直接接觸的保險(xiǎn)杠橫梁發(fā)生的形變更大。保險(xiǎn)杠橫梁中部向后發(fā)生形變,最大變形量153.8 mm,超過了橫梁與散熱器之間的距離140 mm。較大的應(yīng)力主要集中在保險(xiǎn)杠橫梁中部及保險(xiǎn)杠橫梁與車架縱梁過渡的區(qū)域。在發(fā)生碰撞時,帶弧度的保險(xiǎn)杠橫梁中部最先與碰撞墻發(fā)生接觸,保險(xiǎn)杠阻止碰撞墻繼續(xù)運(yùn)動,繼續(xù)向前的碰撞墻與保險(xiǎn)杠大面積發(fā)生接觸變形,部分變形直至整個保險(xiǎn)杠橫梁發(fā)生變形,在這過程中也將力傳遞到了縱梁,使縱梁發(fā)生了形變。

        由圖3可知總能量基本保持不變。系統(tǒng)動能逐漸減小,內(nèi)能逐漸增大,這也體現(xiàn)在保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的變形上。碰撞過程中沙漏能的曲線變化很小,沙漏能為總能量的3%,因此仿真結(jié)果有效。結(jié)果表明保險(xiǎn)杠系統(tǒng)內(nèi)能中保險(xiǎn)杠橫梁增加最大,為主要的吸能部件。然而橫梁向后變形很大,吸能效果不理想。因?yàn)樵摫kU(xiǎn)杠橫梁結(jié)構(gòu)過于簡單,且橫梁變形量超過140 mm,所以有必要進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

        圖2 保險(xiǎn)杠系統(tǒng)應(yīng)力云圖 圖3 保險(xiǎn)杠系統(tǒng)能量變化圖

        3 保險(xiǎn)杠優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

        微型汽車的保險(xiǎn)杠和普通乘用車有所不同,其正面碰撞安全性設(shè)計(jì)難度較大,并且吸能效果較佳的保險(xiǎn)杠大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者成本較高,不利于加工生產(chǎn)。因此本文采用簡單加固的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),在原保險(xiǎn)杠的基礎(chǔ)上提出5種加肋板的優(yōu)化方案,使保險(xiǎn)杠的最大變形量小于140 mm,在控制保險(xiǎn)杠重量的情況下,提高保險(xiǎn)杠的吸能特性,從而提高保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的安全性能。

        3.1 保險(xiǎn)杠優(yōu)化方案

        圖4 C1的三維效果圖

        在兼顧耐撞性與輕量化的基礎(chǔ)上,首先設(shè)計(jì)一種在保險(xiǎn)杠橫梁與車架縱梁連接處加一層后板,然后在原保險(xiǎn)杠橫梁與后板之間焊接一肋板用于吸能,位置位于橫梁的中間,三維圖如圖4所示。

        如圖4所示變化1型(命名為Change1-C1)。原保險(xiǎn)橫梁厚度為1.5 mm,質(zhì)量為1.635 kg?,F(xiàn)將保險(xiǎn)杠橫梁厚度設(shè)置為0.8 mm,中間肋板設(shè)置為0.5 mm,后板厚度為0.8 mm,質(zhì)量為1.698 kg,在原基礎(chǔ)上增加很小的質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上衍生出C2如圖5(b)所示,將后板寬度由原來的137 mm減少到50 mm,增加后板的厚度到1.5 mm,質(zhì)量為1.341 kg。在后板與橫梁之間設(shè)置兩個肋板得到如圖5(c)中的C3,再將后板從中間斷開得到如圖5(d)中的C4,質(zhì)量分別為1.712、1.657 kg。C5將開始的一個或兩個橫置肋板轉(zhuǎn)換成9個縱置肋板,質(zhì)量為1.531 kg(圖5(e))。各優(yōu)化保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示。

        圖5 優(yōu)化保險(xiǎn)杠肋板正視、側(cè)視圖

        類型C1C2C3C4C5參數(shù)/mma=137a=50a=137,b=67a=50,c=18c=18質(zhì)量/kg1.6981.3411.7121.6571.531

        注:a為后板寬度,b為兩肋板之間間距,c為兩后板之間間距。

        3.2 吸能評價(jià)指標(biāo)

        評價(jià)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的耐撞和吸能特性,常用比吸能(Specific Energy Absorption,SEA)和峰值載荷(Fpeak)來衡量保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的吸能特性[12]。

        令EA是碰撞過程中吸收的能量[13],比吸能代表單位質(zhì)量吸收的能量[14],

        SEA=EA/m,

        (4)

        可得

        (5)

        式中F(t)為每一時刻的載荷。對于保險(xiǎn)杠系統(tǒng)而言,比吸能越高,吸能性越強(qiáng)[12]。

        3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

        根據(jù)吸能評價(jià)指標(biāo),通過計(jì)算載荷可以進(jìn)行對比分析。從圖6(a)原保險(xiǎn)杠(C0)與各優(yōu)化保險(xiǎn)杠載荷曲線圖觀察可知,原保險(xiǎn)杠載荷曲線在整個碰撞過程中,曲線急劇上升后急劇下降然后又再次大幅度的上升,這說明原保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)的變形并不理想。對應(yīng)于圖7保險(xiǎn)杠變形圖中,橫梁中部出現(xiàn)了較大形變、整體塌陷變形的現(xiàn)象。

        (a) 保險(xiǎn)杠載荷曲線圖 (b) 保險(xiǎn)杠比吸能曲線圖圖6 保險(xiǎn)杠正面碰撞響應(yīng)

        對于C1、C2,保險(xiǎn)杠加上了后板,保險(xiǎn)杠前板厚度減小,結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度相對較低,兩者的初始峰值載荷要比原保險(xiǎn)杠低。在中間加上了肋板,使載荷曲線更為平穩(wěn)且波動較小,保險(xiǎn)杠并沒有出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象,且應(yīng)力分布更為均勻,肋板消除了原保險(xiǎn)杠中間無支撐帶來的強(qiáng)度低的缺陷,同時肋板起到傳遞載荷的作用。對于C3、C4、C5的載荷曲線在1.8 ms之前趨勢非常接近,出現(xiàn)了一次波谷,然后上升達(dá)到比較平穩(wěn)的載荷,1.8 ms之后的載荷曲線相對平穩(wěn)且波動較小,C1、C2也是加肋板,保險(xiǎn)杠沒有出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象,且應(yīng)力分布更為均勻。如圖7所示。所有優(yōu)化保險(xiǎn)杠的最大變形量均小于原保險(xiǎn)杠的153.8 mm且小于140 mm,分別為136.5、139.3、123.6、135.2、133.0 mm,可以在碰撞后更好地保護(hù)散熱器及其他器件。C2、C3相比于原保險(xiǎn)杠分別達(dá)到了17.98%與7.46%的減重,其中C1、C3、C4在增加結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,僅增重3.90%、4.71%與1.30%。

        圖7 保險(xiǎn)杠變形圖

        圖8 保險(xiǎn)杠峰值載荷和比吸能

        由圖8可看出各優(yōu)化保險(xiǎn)杠峰值載荷均小于原保險(xiǎn)杠,分別為39.14%、44.52%、23.81%、31.53%和36.58%。在吸能特性方面,其中C2保險(xiǎn)杠的比吸能最高,比原保險(xiǎn)杠提高了19.20%。C5較原保險(xiǎn)杠的比吸能提高了2.36%,C1、C3、C4的比吸能小于原保險(xiǎn)杠但接近持平。通過分析,各優(yōu)化保險(xiǎn)杠可以有效地提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和吸能特性,并且使載荷變化更加平穩(wěn),峰值載荷降低。

        4 結(jié) 論

        本文通過對微型汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行研究及分析,在原保險(xiǎn)杠的基礎(chǔ)上提出5種優(yōu)化橫梁結(jié)構(gòu),并對其進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明優(yōu)化保險(xiǎn)杠完成優(yōu)化目標(biāo),在控制保險(xiǎn)杠質(zhì)量的情況下,優(yōu)化保險(xiǎn)杠的最大變形量均小于140 mm的安全距離;各優(yōu)化保險(xiǎn)杠的峰值載荷均低于原保險(xiǎn)杠;各優(yōu)化保險(xiǎn)杠的比吸能在增加肋板的情況下基本保持穩(wěn)定,個別較原保險(xiǎn)杠有一定程度的提高。

        本研究證明通過對微型汽車的保險(xiǎn)杠加肋板,可以在保證輕量化的前提下有效提高保險(xiǎn)杠的安全性。對微型汽車保險(xiǎn)杠的研究提供一種思路,可以在碰撞試驗(yàn)之前提供參考,避免盲目試驗(yàn)。

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