田國(guó)富，楊成國(guó)

　　（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

       摘要：在低速碰撞中對(duì)某車型的汽車保險(xiǎn)杠進(jìn)行仿真分析，對(duì)保險(xiǎn)杠模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，利用HyperMesh建立有限元模型,再提交給LS-DYNA進(jìn)行計(jì)算，使用HyperView對(duì)碰撞結(jié)果進(jìn)行處理得到相關(guān)響應(yīng)參數(shù)，并對(duì)響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行結(jié)果分析，進(jìn)而確定在汽車保險(xiǎn)杠發(fā)生低速碰撞時(shí)其最主要吸能的部件以及吸能部位的響應(yīng)特性，為保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：汽車碰撞；保險(xiǎn)杠；仿真分析；吸能

　　中圖分類號(hào)：U461.91;TP20文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.03.007

　　引用格式：田國(guó)富，楊成國(guó).汽車前保險(xiǎn)杠緩沖吸能結(jié)構(gòu)低速碰撞仿真分析［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（3）：23-25，28.

0引言

　　隨著汽車交通事故數(shù)量的逐年上升，作為保護(hù)人身財(cái)產(chǎn)安全的汽車安全工程已經(jīng)引起了人們高度的關(guān)注與重視。汽車安全包括主動(dòng)安全和被動(dòng)安全兩種方式，而目前被動(dòng)安全仍然是汽車安全最主要的方式，在被動(dòng)安全中汽車保險(xiǎn)杠作為主要結(jié)構(gòu)部件之一對(duì)車輛碰撞安全性能具有重要的影響，因此研究汽車保險(xiǎn)杠橫梁的碰撞特性,對(duì)于提高汽車碰撞安全性具有重要的意義。在汽車碰撞過(guò)程中,既有幾何非線性又有物理非線性, 復(fù)雜的碰撞接觸與摩擦問(wèn)題也存在于汽車碰撞過(guò)程中。因此,汽車碰撞性能的研究已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了理論解析的范疇,必須借助于試驗(yàn)與數(shù)值分析方法［1］。

1汽車保險(xiǎn)杠概述

　　保險(xiǎn)杠是汽車被動(dòng)安全重要的零部件，當(dāng)汽車發(fā)生低速碰撞（一般小于10 km/h）時(shí)，可以通過(guò)保險(xiǎn)杠的變形吸收碰撞中的能量，有效地保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙室內(nèi)的零部件，同時(shí)對(duì)行人有最大程度的保護(hù)作用。由于保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在低速碰撞和行人保護(hù)這兩個(gè)方面起著關(guān)鍵性的作用，因此是國(guó)內(nèi)外汽車被動(dòng)安全領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。世界各國(guó)也都對(duì)保險(xiǎn)杠的耐撞性有具體的法規(guī)和試驗(yàn)規(guī)范要求［2］。

　　保險(xiǎn)杠一般是由外板、緩沖材料和橫梁三部分組成。其中外板和緩沖材料用塑料制成，橫梁用厚度為1.5 mm左右的冷軋薄板沖壓而成U形槽。

　　圖1保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)圖為了便于有限元分析，本文所研究的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化處理得到模型，如圖1所示保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)圖由三部分組成：橫梁、吸能盒和車身等效鋼板（可以將保險(xiǎn)杠后部分整車視為剛性板賦予整車的質(zhì)量），其中橫梁和吸能盒支架都可作為緩沖吸能元件，其吸能好壞直接影響汽車安全性能。

2汽車碰撞仿真有限元理論基礎(chǔ)

　　2.1汽車碰撞過(guò)程中的非線性特性

　　非線性分析問(wèn)題是指結(jié)構(gòu)的剛度隨其變形而改變的問(wèn)題，在一個(gè)非線性系統(tǒng)中，系統(tǒng)的響應(yīng)與所施加載荷之間已不再是線性關(guān)系。

　　在汽車碰撞仿真模擬中有三種非線性情況［34］，分別是幾何非線性、材料非線性和邊界非線性(即接觸非線性)。

　　2.2沙漏控制

　　為節(jié)省計(jì)算機(jī)分析時(shí)間，在 LSDYNA 中通常使用縮減積分單元進(jìn)行非線性動(dòng)力分析，但是縮減積分可能引起零能模式或稱沙漏模式［5］。所謂零能模式，指單元在不消耗任何能量的情況下可以隨意發(fā)生彎曲或剪切變形。分析過(guò)程中產(chǎn)生的沙漏變形往往會(huì)使得分析結(jié)果無(wú)效。沙漏現(xiàn)象只產(chǎn)生于實(shí)體和四邊形單元。在整車碰撞模型中，90%以上的單元是由四邊形和實(shí)體單元組成的。如果不對(duì)沙漏進(jìn)行控制，結(jié)構(gòu)的整體剛度將變小，從而使得仿真結(jié)果毫無(wú)意義［6］。

　　2.3碰撞接觸的定義

　　利用計(jì)算機(jī)模擬汽車碰撞時(shí)需提前對(duì)接觸進(jìn)行設(shè)置。汽車碰撞時(shí)的主要接觸形式有變形體與變形體之間的接觸、變形體與剛體之間的接觸以及變形體內(nèi)部之間的接觸。對(duì)于這些接觸，在碰撞仿真中分別采用節(jié)點(diǎn)對(duì)面的接觸、面對(duì)面的接觸和單面自動(dòng)接觸來(lái)定義。正確定義碰撞接觸是準(zhǔn)確進(jìn)行碰撞仿真的必要條件。

　　2.4時(shí)間步長(zhǎng)控制

　　時(shí)間步長(zhǎng)為每一步有限元積分的時(shí)間長(zhǎng)度。時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)大，會(huì)使計(jì)算不穩(wěn)定，導(dǎo)致模擬計(jì)算精度下降。因此，必須對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行控制。

3汽車保險(xiǎn)杠有限元模型建立

　　在導(dǎo)入的CAD模型中，將保險(xiǎn)杠橫梁和吸能盒四邊形網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為10 mm，后鋼板和剛性墻壁的網(wǎng)格單元尺寸為20 mm，吸能盒與橫梁采用焊點(diǎn)連接，吸能盒與后板采用剛性連接，保險(xiǎn)杠與墻壁接觸定義為面面接觸，碰撞速度根據(jù)法規(guī)設(shè)定為4 km/h，為后鋼板上配重1 600 kg的mass點(diǎn),用于模擬整車質(zhì)量，具體流程如圖2所示。

　　3.1導(dǎo)入模型

　　將設(shè)計(jì)好的保險(xiǎn)杠CAD模型通過(guò)Import命令導(dǎo)入HyperMesh。

　　3.2幾何清理

　　利用幾何清理工具Quick edit、Edge edit、Surface等命令將CAD模型中重復(fù)和多余曲面刪除，建立丟失的曲面，合并自由邊。以便得到質(zhì)量好的網(wǎng)格。

　　3.3劃分網(wǎng)格

　　本保險(xiǎn)杠為薄殼結(jié)構(gòu)，采用殼單元，由于碰撞過(guò)程中保險(xiǎn)杠橫梁和緩沖吸能盒是主要的變形吸能結(jié)構(gòu)，對(duì)其響應(yīng)特性進(jìn)行重點(diǎn)分析，因此將保險(xiǎn)杠橫梁和吸能盒網(wǎng)格劃分得細(xì)一些，將其單元尺寸設(shè)置為10 mm，對(duì)次要分析部件如后鋼板和剛性墻單元格設(shè)置為20 mm。

　　按照從小到大的順序劃分網(wǎng)格，同時(shí)要盡量保證所劃分網(wǎng)格主要為四邊形，然后點(diǎn)擊保存。得到如圖3所示的保險(xiǎn)杠有限元模型。

　　3.4汽車保險(xiǎn)杠有限元模型加載條件

　　對(duì)各零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分以后，對(duì)零部件設(shè)置材料和屬性，并進(jìn)行相應(yīng)的鏈接、加載、約束并設(shè)置計(jì)算控制參數(shù)，之后即可完成模型建模生成K文件，提交LDDYNA求解器計(jì)算。

　　(1)連接設(shè)置

　　①新建一個(gè)沒(méi)有材料和屬性的Components，為后續(xù)設(shè)置焊點(diǎn)做準(zhǔn)備。

　　②點(diǎn)擊Spotweld工具，利用焊點(diǎn)將吸能盒內(nèi)外板與橫梁連接起來(lái)，焊點(diǎn)間距約為40 mm,吸能盒靠近后鋼板的焊點(diǎn)距后端不小于2個(gè)網(wǎng)格，以免影響下一步吸能盒與后板的連接受到破壞。

　　③在低速碰撞中吸能盒后方代表整車的以剛性板為主，因此吸能盒與后方剛性板的連接可以用剛體連接實(shí)現(xiàn)。

　　利用Elements工具，選中吸能盒后方一圈網(wǎng)格，點(diǎn)擊move，將后一圈網(wǎng)格移動(dòng)到后方剛板上，通過(guò)這種方法使吸能盒與后板剛性連接。

　　（2）配重和接觸設(shè)置

　　①新建一個(gè)沒(méi)有材料和屬性的Component，為后續(xù)的配重接觸做準(zhǔn)備。

　　②在Masses菜單中，將mass后的空格填入0.3。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上賦予0.300 kg的質(zhì)量（總共約1 600 kg）。

　　③在Analysis菜單中建立一個(gè)名字為Contact的文件,然后將保險(xiǎn)杠與碰撞墻的接觸定義為Surface to Surface接觸。

　　(3)約束和加載設(shè)置

　　①進(jìn)入Analysis菜單，利用Constrains工具中nodes命令，選中碰撞墻然后激活Create命令，從而將碰撞墻的節(jié)點(diǎn)全部約束為固定模式。

　　②在工具欄Loadcols菜單中，建立一個(gè)initialVel的加載，按照ECE R42 法規(guī)要求，設(shè)定的參考碰撞速度為4 km/h。

　　(4)計(jì)算機(jī)參數(shù)設(shè)置

　　①選取保險(xiǎn)杠正后方中間節(jié)點(diǎn)、保險(xiǎn)杠吸能盒正后方板上中心節(jié)點(diǎn)作為此output創(chuàng)建輸出文件。

　　②在control cards設(shè)置菜單中，設(shè)置以下幾種計(jì)算參數(shù)：control_energy、control_hourglass、control_shell，在關(guān)鍵字control_termination菜單中設(shè)置［ENDTIM］參數(shù)為0.050，關(guān)鍵字將計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)為50 ms。

　　③設(shè)置關(guān)鍵字在［TSUMIT］和［DT2MS］分別為1e-5和-1e-5,其他用默認(rèn)值，［DT］關(guān)鍵字設(shè)置為0.002 5。該關(guān)鍵字將每個(gè)D3plot文件輸出間隔設(shè)為2.5 ms。

　　圖4保險(xiǎn)杠變形圖④database_option設(shè)置為10e-5，將Binary Options選為ASCII-BINARY,因此可同時(shí)使用ASCII碼和Binary輸出文件。

　　⑤打開(kāi)Export功能菜單輸出名稱為count.k的文件。

　　(5)提交計(jì)算

　　打開(kāi)LS-DYNA，在Input File 欄填入K文件路徑及文件名，單擊右上方RUN按鈕即可開(kāi)始該文件的求解計(jì)算。

4保險(xiǎn)杠碰撞動(dòng)力響應(yīng)特性分析

　　利用HyperView后處理器對(duì)保險(xiǎn)杠的碰撞結(jié)果進(jìn)行查看分析。

　　4.1保險(xiǎn)杠模型變形吸能分析

　　利用HyperView查看分析結(jié)果，得到保險(xiǎn)杠在0～50 ms之內(nèi)的變形過(guò)程如圖4所示。

　　經(jīng)過(guò)觀察分析圖4中保險(xiǎn)杠形狀變化，在0～25 ms之間保險(xiǎn)杠橫梁與碰撞墻逐漸接觸，保險(xiǎn)杠橫梁由彎曲變得平直，此過(guò)程保險(xiǎn)杠橫梁主要以彈性變形為主，通過(guò)橫梁的彈性變形，將碰撞初始時(shí)間段的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能。在25～50 ms時(shí)間段，隨著橫梁與碰撞墻進(jìn)一步的接觸，橫梁受到碰撞墻給的反向力逐漸加大，超過(guò)了橫梁的屈服條件，此時(shí)保險(xiǎn)杠的橫梁向內(nèi)部有一個(gè)大的折彎，通過(guò)不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形吸收了低速碰撞后半段的動(dòng)能。在整個(gè)低速碰撞過(guò)程中保險(xiǎn)杠橫梁變形較大，吸能盒變形很小。主要是由于在碰撞過(guò)程中，保險(xiǎn)杠橫梁先與碰撞墻發(fā)生接觸，系統(tǒng)的動(dòng)能先轉(zhuǎn)化為保險(xiǎn)杠橫梁變形的勢(shì)能，橫梁的變形很大，吸收大部分動(dòng)能，因此系統(tǒng)動(dòng)能逐漸下降，同時(shí)由于低速碰撞的速度較低，在吸能盒大變形之前碰撞過(guò)程幾乎停止。保險(xiǎn)杠橫梁的變形較大，吸能盒的變形較小，說(shuō)明保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。圖5保險(xiǎn)杠位移云圖

　　4.2位移云圖變化分析

　　由于汽車碰撞分析中正面碰撞分析是主要分析方向，設(shè)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度為4 km/h，方向?yàn)檠豖方向。圖5為保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的碰撞位移云圖。

　　經(jīng)過(guò)分析圖5的位移云圖可知，在碰撞過(guò)程中，保險(xiǎn)杠橫梁中間部分的云圖顏色由深變淺，再由淺變深，這一過(guò)程說(shuō)明保險(xiǎn)杠的橫梁先是向著碰撞墻移動(dòng)，在與碰撞墻開(kāi)始接觸后，受到剛性墻的阻擋，位移不再增加，隨著碰撞的繼續(xù)，當(dāng)橫梁受到剛性墻的力大于屈服條件時(shí)，發(fā)生塑性變形，開(kāi)始沿著X負(fù)方向折彎運(yùn)動(dòng)，這一過(guò)程導(dǎo)致了橫梁的負(fù)方向位移開(kāi)始增加，同時(shí)導(dǎo)致正向總體位移減少，這一變化過(guò)程與保險(xiǎn)杠低速碰撞實(shí)際過(guò)程相符。

　　4.3位移-時(shí)間和速度-時(shí)間曲線變化分析

　　在保險(xiǎn)杠橫梁中部選取某節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)4050）作為輸出對(duì)象，得到該節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)間和速度時(shí)間曲線，然后對(duì)曲線進(jìn)行分析。如圖6、圖7所示。

　　分析圖6的曲線：在0～5 ms區(qū)間，該節(jié)點(diǎn)位移與時(shí)間呈線性增加；在8 ms時(shí)曲線達(dá)到最高點(diǎn)，說(shuō)明此時(shí)保險(xiǎn)杠橫梁開(kāi)始與剛性墻接　

　　觸；在8～15 ms之間曲線總體呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明這一階段橫梁在向X負(fù)方向壓縮變形；然而在接下來(lái)的15～50 ms時(shí)間段，曲線又開(kāi)始一小段上升然后又開(kāi)始下降，這一過(guò)程主要是因?yàn)楸ｋU(xiǎn)杠在發(fā)生塑形變形的同時(shí)，該節(jié)點(diǎn)受到擠壓開(kāi)始向X正方向凸起，直到凸起的頂點(diǎn)與剛性墻再次接觸受到反向的力，該力使得接觸部位繼續(xù)向X負(fù)方向壓縮變形，直到碰撞結(jié)束。這一碰撞過(guò)程中伴隨著兩次往返變形，使得變形更加充分，進(jìn)而能吸收掉更多的動(dòng)能。

　　分析圖7曲線：在0～10 ms,曲線為水平直線，保險(xiǎn)杠還沒(méi)有與剛性墻接觸，在10～30 ms區(qū)間上，曲線總體下降趨勢(shì)，說(shuō)明保險(xiǎn)杠橫梁與剛性墻接觸發(fā)生碰撞，在10 ms時(shí)速度為零，在10～50 ms曲線呈兩次先下降再上升并且為負(fù)值，說(shuō)明橫梁沿著X負(fù)方向有兩次折彎運(yùn)動(dòng)，并且有一個(gè)回彈的過(guò)程，直到在50 ms時(shí)速度達(dá)到0時(shí)，說(shuō)明此時(shí)碰撞幾乎結(jié)束，此過(guò)程符合上述位移時(shí)間曲線，并且同時(shí)與碰撞實(shí)際過(guò)程一致。

5結(jié)束語(yǔ)

　　使用HyperMesh、LSDYNA、HyperView對(duì)保險(xiǎn)杠的變形圖、位移云圖、位移和速度與時(shí)間曲線關(guān)系進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)保險(xiǎn)杠在低速碰撞過(guò)程中的安全性與可行性做出了評(píng)價(jià)分析，確定在低速碰撞過(guò)程中保險(xiǎn)杠橫梁起主要吸能作用，為后續(xù)保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)提供理論參考。

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