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        基于Hyperviews在汽車前保險杠中的有限元分析及優(yōu)化

        2020-09-10 07:22:44張文韜
        內(nèi)燃機與配件 2020年21期
        關(guān)鍵詞:碰撞有限元分析

        張文韜

        摘要:根據(jù)汽車的正面碰撞特性,應用有限元模擬技術(shù),通過利用ANSA軟件建立某汽車前保險杠與正面剛性墻的碰撞模型,并用顯式動力學分析軟件LS-dyna求解器求解該模型,最后基于Hyperviews軟件進行保險杠強度的動態(tài)分析,得到相應部件應變力的應變云圖,對薄弱部分提出更改建議并驗證其可行性,為整車碰撞分析提供參考。

        關(guān)鍵詞:前保險杠;碰撞;有限元分析

        中圖分類號:U463.326? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號:1674-957X(2020)21-0055-02

        0? 引言

        汽車是伴隨著工業(yè)文明而出現(xiàn)的,是工業(yè)文明的標志之一,繼蒸汽汽車之后,燃油汽車和電動汽車先后誕生,汽車保有量日益增加,交通事故也不斷出現(xiàn)。由此可見,關(guān)于汽車的行駛安全正在被大家廣泛關(guān)注,因此對于如何將被動安全性能提高,在標準法規(guī)內(nèi),最大程度的減少駕駛?cè)藛T和行人的傷害成為汽車有限元分析中的重要課題。

        據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示正面碰撞發(fā)生的幾率是所有交通事故中最高的,并且前保險作為在碰過程中承擔吸能和承載的主要部件,對于提高整車碰撞性能有非常重要的意義。

        由于碰撞過程非常短,而表現(xiàn)的結(jié)構(gòu)非線性和材料非線性又非常復雜且始終伴隨動態(tài)接觸[1],因此本文采用有限元分析理論和顯式算法相結(jié)合來研究汽車前保險杠的碰撞性能,在滿足法規(guī)的前提下對前保險杠進行優(yōu)化改進,為以后的整車碰撞分析提供參考。

        1? 接觸碰撞分析的基本過程

        當發(fā)生碰撞時,垂直于接觸界面的速度是瞬時不連續(xù)的,沿界面的切向速度也是不連續(xù)的[2],這些特點會給基于離散方程進行的時間積分帶來問題。針對這一問題,本文采用LS-dyna顯式動力學分析軟件對保險杠和剛性墻進行受力狀況的求解。為降低計算機求解時間,導入的CATIA整車模型只保留由橫梁,吸能盒支架組成的保險杠系統(tǒng),然后將三維模型導入ANSA軟件中進行離散化網(wǎng)格劃分,并對網(wǎng)格賦予材料、厚度、重量等屬性,不同部件之間采用焊點鏈接,建立剛性墻,生成K文件,遞交LS-dyna求解器進行求解計算,最后將計算結(jié)果導入Hyperviews中進行計算結(jié)果的后處理。

        1.1 搭建保險杠和剛性墻的有限元模型

        將保險杠系統(tǒng)相關(guān)部件的CATIA模型導入ANSA軟件中進行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格尺寸選用10mm,由于保險杠屬于鈑金件,所以使用BT殼單元劃分網(wǎng)格;材料為低碳鋼板,對應材料編號為MAT24,該材料的本構(gòu)關(guān)系如式(1)所示為:

        (1)

        式中:為屈服應力;為有效塑性應變;C、p為材料常數(shù),通過設置C值和p值可以求取其動態(tài)應力應變關(guān)系,針對本文的低碳鋼,可取C=40、p=5。

        剛性墻由于定義為不可壓縮,不可變形,該結(jié)構(gòu)部件的相對位置保持不變。因此,使用MAT20材料模型。

        1.2 沙漏控制

        考慮到計算時間,為了提升計算的效率,絕大部分積分計算一般采用部分積分類型來進行計算。因此,在采用部分積分過程中有可能出現(xiàn)沙漏,當出現(xiàn)的沙漏問題較嚴重時則會導致模型的能量不守恒,影響了模型的計算精度甚至導致其計算結(jié)果的可信度降低,所以必須對計算沙漏進行相關(guān)控制。其中,沙漏控制分為兩種一個是對單個件的局部沙漏控制,另外一個是對整體的總體沙漏控制兩種[3]。

        1.3 時間步長控制

        時間步長為每一步有限元積分的時間長度[4]。顯式中心差分法的穩(wěn)定性決定于時間長度,如果積分步長大于則會發(fā)生計算不穩(wěn)定,導致計算精度迅速下降。其中為系統(tǒng)阻尼比,為系統(tǒng)最大固有頻率。

        其中板殼單元的最大穩(wěn)定時間步長為:

        (2)

        Ls為單元的特征長度,ρ為質(zhì)量密度,E為彈性模量。

        1.4 接觸定義

        通過罰函數(shù)因子來計算得到接觸反力的大小,實現(xiàn)阻止相關(guān)節(jié)點對面的穿透。但存在著罰剛度過大可導致迭代次數(shù)增加,甚至引起剛度矩陣病態(tài)的問題,所以在選擇罰剛度時不能過大,應該是逐漸增長的,取結(jié)果穩(wěn)定后的最小值[5]。

        由于保險杠各部件之間的鏈接均為點焊連接,在ANSA軟件中通過關(guān)鍵字SPOTWELD模擬點焊連接;在此碰撞過程中,不考慮車身位移,因而為了節(jié)省計算時間,將車身簡化為一個剛性面,對車身剛性面和保險杠支架支撐處的六個自由度進行約束,以模擬保險杠和車體的鏈接。將保險杠橫梁和吸能盒厚度均設置為1.8mm,行駛初速度設置為4m/s,碰撞時長設置為100ms,完成模型搭建工作,提交LS-dyna進行求解計算。最終搭建的保險杠與剛性墻模型如圖1所示。

        2? 保險杠撞擊剛性墻的分析結(jié)果

        汽車在猛烈的撞擊中,沖擊力非常大,響應時間也非常短,保險杠各個部件的位移量、速度、加速度都發(fā)生了較大的變化。本次分析計算最終求解時間為2.5h,碰撞時長為100ms,利用Hyperviews后處理軟件得到圖2在不同時間段內(nèi),保險杠橫梁和吸能盒的變形狀況。

        由應力應變云圖可知,在發(fā)生碰撞的瞬間,保險杠橫梁產(chǎn)生了較大的塑性形變,同時,該材料的屈服應力極限不足以支撐吸能盒變形的局部應力,也消耗了碰撞所產(chǎn)生的巨大能量,降低了整車動能。這種情況下,對汽車翼子板、車燈、前機罩、白車身以及乘員安全都有較大的影響。所以,為了充分發(fā)揮保險杠系統(tǒng)的吸能效果,有必要對其部件的相關(guān)參數(shù)進行調(diào)整,提高保險杠系統(tǒng)的吸能效果和碰撞特性。

        3? 優(yōu)化及驗證

        本文針對汽車前保險杠的優(yōu)化分析,目的在于保護其后面的汽車零部件如發(fā)動機、翼子板、機罩等不受損害,保護駕駛?cè)藛T和乘員不受傷害。因此,在碰撞發(fā)生的過程中,應使吸能盒的壓潰吸能盡可能多的吸收碰撞時所產(chǎn)生的能量,提高被動安全性能。

        此次優(yōu)化以保險杠橫梁和吸能盒的壁厚作為優(yōu)化參數(shù),取橫梁中下端第4154個節(jié)點相對于吸能盒末端即車體剛性面的相對位移為參考指標,分析在三種不同壁厚的情況下,保險杠的吸能狀況,三種方案,:case01橫梁壁厚1.5mm,吸能盒壁厚1.5mm,相對位移最大值171.329mm;case02:1.5mm,2.5mm,105.115mm;case03:2.5mm,2.5mm,102.945mm。

        仿真結(jié)果在HyperGraph2D中可以得到相應節(jié)點位移、時間和吸能、時間的歷程曲線,如圖3、圖4所示。

        由三種方案可知,case01中的最大相對位移為171mm,case02和case03中的相對最大位移相差不多,遠小于case01;從圖4可以看出case02和case03的吸能效果相差不大,而case03中的橫梁壁厚要比case02厚1mm,從車體輕量化和吸能效果的綜合考慮來看,選用case02中的壁厚參數(shù)最為合理。

        4? 結(jié)語

        ①本文利用前處理軟件ANSA和顯式動力學分析軟件LS-DYNA聯(lián)合建模,通過Hyperviews后處理軟件進行優(yōu)化分析,得出最優(yōu)化保險杠壁厚參數(shù),既提高了吸能盒的吸能效果,又保證了整車體的輕量化,縮短了設計周期,減小了實驗次數(shù),為以后整車碰撞分析提供了重要的參考價值;②首次采用ANSA前處理軟件進行建模工作,在網(wǎng)格劃分,建立接觸等方面的優(yōu)越性要強于傳統(tǒng)建模軟件,但在分析后的結(jié)果處理方面有明顯不足;③在本次論文中提到的保險杠系統(tǒng)的改進中,只做了對原本數(shù)模參數(shù)的更改,并沒有對數(shù)模本身進行修改,在實際的企業(yè)級項目中,需要與相關(guān)設計人員進行協(xié)調(diào),達到更理想的效果。

        參考文獻:

        [1]李瑞強.某乘用車后保險杠有限元仿真與實驗研究[D].吉林大學,2017.

        [2]白金澤.LS-DYNA3D理論基礎與實例分析[M].北京:科學出版社,2005:50-51.

        [3]胡遠志.基于LS-DYNA和Hyperworks的汽車安全仿真與分析[M].北京:清華大學出版社,2011:15-16.

        [4]田雨蒙.全鋁車身電動汽車正面碰撞耐撞性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].東北林業(yè)大學,2017.

        [5]樊建平,吳孟暢.基于界面接觸算法的車橋耦合動力學分析[J].中國公路學報,2017,4:54-55.

        [6]呂峰,陳方根.汽車前艙結(jié)構(gòu)耐撞性關(guān)鍵技術(shù)研究[J].交通信息與安全,2015,5:112-114.

        [7]李兆凱.汽車前部結(jié)構(gòu)低速碰撞耐撞性與輕量化優(yōu)化[J].中國公路學報,2016,10:149-157.

        [8]姚宙,郝玉敏,李紅建.基于能量管理與仿真的汽車前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[J].汽車安全與節(jié)能學報,2016,07:395-402.

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