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        保險(xiǎn)杠吸能盒輕量化設(shè)計(jì)*

        2021-07-08 14:19:24劉美剛
        南方農(nóng)機(jī) 2021年12期
        關(guān)鍵詞:保險(xiǎn)杠剛性峰值

        劉美剛

        (西安航空學(xué)院,陜西 西安 710077)

        汽車工業(yè)的發(fā)展在為人類帶來便利的同時(shí)也帶來了很多弊端,比如資源的短缺、污染環(huán)境等問題。在未來,節(jié)能環(huán)保將成為汽車發(fā)展的趨勢。而車輛輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)的重要措施[1]。保險(xiǎn)杠是汽車被動(dòng)安全的一個(gè)重要部件,主要適用于汽車在發(fā)生低速碰撞時(shí),靠自身變形吸收能量,從而起到保護(hù)車輛和乘員的作用[2]。譚繼錦等[3]選取已有車型的保險(xiǎn)杠為研究對象,將鋁合金作為輕量化材料,以原保險(xiǎn)杠低速碰撞性能為目標(biāo),建立響應(yīng)面模型,對保險(xiǎn)杠厚度進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果表明,優(yōu)化后質(zhì)量減少許多。劉海江等[4]在現(xiàn)有保險(xiǎn)杠的基礎(chǔ)上,用新材料替代傳統(tǒng)鋼材對保險(xiǎn)杠進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。為了得到高性價(jià)比的保險(xiǎn)杠,應(yīng)該在傳統(tǒng)材料的基礎(chǔ)上對吸能盒尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

        1 保險(xiǎn)杠仿真模型的建立

        1.1 保險(xiǎn)杠仿真模型的建立

        計(jì)算機(jī)仿真相比較于實(shí)車試驗(yàn),可以大大節(jié)約成本且周期短,因此碰撞仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用在研究汽車耐撞性、乘員保護(hù)系統(tǒng)及人體碰撞損傷機(jī)理[5]。

        本論文采用UG建立保險(xiǎn)杠吸能盒碰撞簡化模型,利用Hypermesh軟件完成材料和屬性的賦予,對模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分、接觸、約束的設(shè)置及計(jì)算卡片參數(shù)的設(shè)置。最終,得到保險(xiǎn)杠吸能盒和剛性墻壁的CAE 模型,如圖1 所示。在DYNA中進(jìn)行計(jì)算分析,在LS-PREPOST程序環(huán)境下提取后處理結(jié)果,得到保險(xiǎn)杠吸能盒—?jiǎng)傂詨Ρ诘膭?dòng)力響應(yīng)。

        圖1 保險(xiǎn)杠有限元模型

        1.2 低速碰撞工況

        針對汽車低速碰撞安全性,許多國家制定了不同的乘用車保險(xiǎn)杠低速碰撞法規(guī),雖然不同法規(guī)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和要求不一樣,但是都是以真實(shí)汽車碰撞事故為基礎(chǔ)制定的,都是為了保障汽車低速碰撞安全性能。本文參照歐洲ECE-R42 法規(guī)、美國Part81 法規(guī)、加拿大CFVSS215,將它們設(shè)計(jì)成4種工況,如表1、圖2所示,該碰撞過程簡化為在不同的工況下保險(xiǎn)杠吸能盒受到質(zhì)量為500 kg 的剛性平面墻以速度為18 km/h撞擊。

        圖2 碰撞工況

        表1 保險(xiǎn)杠低速碰撞分析工況

        2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        正交試驗(yàn)法是一種科學(xué)的優(yōu)化方法,主要是利用正交表科學(xué)合理地搭配各因素水平,從而在不影響試驗(yàn)質(zhì)量的情況下,減少實(shí)驗(yàn)數(shù)量,得到最優(yōu)的水平組合[6-7]。

        2.1 因素和水平的選取

        保險(xiǎn)杠吸能盒的尺寸如圖3 所示,主要為吸能盒厚度A、吸能盒直徑B、吸能盒長度C。3個(gè)因素中的任意一個(gè)改變都會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果,因此作為正交試驗(yàn)的3個(gè)因素。

        圖3 保險(xiǎn)杠吸能盒尺寸

        根據(jù)現(xiàn)有保險(xiǎn)杠吸能盒尺寸確定優(yōu)化前初始的尺寸,約為厚度A=2 mm、直徑B=120 mm、長度C=120 mm。根據(jù)單因素分析法,確定因素水平的上下限,因素水平如表2所示。

        表2 正交試驗(yàn)各因素水平表

        2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

        根據(jù)正交表L16(43)將各水平因素進(jìn)行組合,然后完成仿真試驗(yàn),正交試驗(yàn)取值標(biāo)準(zhǔn)選取剛性墻壁質(zhì)心處x、y、z三個(gè)方向的最大加速度,得到如表3所示的試驗(yàn)結(jié)果。

        表3 正交優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

        為了更加簡潔明了地比較各水平因素的好壞,對表中的各因素的水平計(jì)算平均偏差和K值以及極差R,列于表4中。

        極差的大小可以評價(jià)因素水平變化對試驗(yàn)結(jié)果影響的大小,其數(shù)值越大,說明該因素對試驗(yàn)結(jié)果影響越大。表4數(shù)據(jù)說明3 個(gè)因素對試驗(yàn)的影響大小排序?yàn)锳 >C >B,得到本實(shí)驗(yàn)最佳組合:A1B4C1,即吸能盒厚度A=1 mm、直徑B=110 mm、長度C=80 mm。

        表4 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

        3 優(yōu)化前后對比及最優(yōu)組合驗(yàn)證的仿真分析

        通過仿真軟件LS-DNYA 進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算,Ls-prepost 軟件進(jìn)行后處理顯示,得到剛性墻以5 m/s 碰撞保險(xiǎn)杠吸能盒的正面碰撞動(dòng)態(tài)動(dòng)畫圖,分別截取不同工況碰撞過程的變化,如圖4所示。

        圖4 優(yōu)化后保險(xiǎn)杠吸能盒碰撞仿真過程

        如圖4 所示,在碰撞過程中,保險(xiǎn)杠吸能盒發(fā)生了較大的變形,承擔(dān)了減輕沖擊和吸收能量的主要作用,可以很好地保護(hù)車輛和乘員。

        車輛發(fā)生碰撞時(shí)一般選用加速度來衡量事故的嚴(yán)重性。如果碰撞時(shí)所產(chǎn)生加速度越大,乘員受到的危害就越大,因此,減小碰撞加速度對保險(xiǎn)杠吸能盒的研究是很有意義的。為了進(jìn)一步觀察保險(xiǎn)杠吸能盒的吸能效果,將優(yōu)化前與優(yōu)化后吸能盒加速度峰值進(jìn)行對比,優(yōu)化前后4種工況加速度峰值數(shù)據(jù)如表5所示。

        表5 模型加速度比較

        從表5和圖5可以看出加速度峰值的對比結(jié)果:正面碰撞時(shí),優(yōu)化后模型的加速度峰值比優(yōu)化前的加速度減少了60.2%;30°夾角碰撞時(shí),優(yōu)化后比優(yōu)化前的加速度峰值減少了9.4%;偏置40%碰撞時(shí),優(yōu)化后比優(yōu)化前的加速度峰值減少了 9.1%;偏置60%碰撞時(shí),優(yōu)化后比優(yōu)化前的加速度峰值減少23.7%。從數(shù)據(jù)分析中可以看出優(yōu)化后的保險(xiǎn)杠吸能盒每個(gè)工況的加速度峰值比優(yōu)化前的都小,從而降低了低速碰撞時(shí)對乘員身體的傷害,同時(shí)也減少了對車輛的破壞性,更能保障車輛的安全性。

        圖5 優(yōu)化前后加速度峰值對比

        4 結(jié)論

        本文參考相關(guān)碰撞法規(guī)建立保險(xiǎn)杠吸能盒—?jiǎng)傂詨Ρ诘呐鲎卜抡婺P停⒔Y(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對吸能盒進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì),可以得到以下結(jié)論:

        1)結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對保險(xiǎn)杠吸能盒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),得到優(yōu)化后的尺寸最優(yōu)組合,即吸能盒厚度A=1 mm,吸能盒直徑B=110 mm,吸能盒長度C=80 mm。

        2)對保險(xiǎn)杠吸能盒進(jìn)行了多工況仿真分析,結(jié)果表明優(yōu)化后的保險(xiǎn)杠吸能盒與優(yōu)化前比較,各碰撞工況的最大加速度較小,能較好地減小碰撞損傷,有效保護(hù)車輛和人員。

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