汽車簡(jiǎn)易保險(xiǎn)杠碰撞特性分析

1、汽車簡(jiǎn)易保險(xiǎn)杠碰撞特性分析于學(xué)兵栗蔭帥(大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院,大連116023Crashworthiness analysis of a simple-structured bumperYU Xue-bing ,LI Yin-shuai (Dalian University of Technology ,Dalian 116023,China !"!"!"!"【摘要】有限元法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,這里利用非線性有限元軟件LS-DY-NA 對(duì)某一簡(jiǎn)易保險(xiǎn)杠進(jìn)行了正面剛性墻碰撞分析,得出一重要結(jié)論;同時(shí),對(duì)該保險(xiǎn)杠進(jìn)行了試驗(yàn)法規(guī)模擬,并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)

2、行修改,在滿足法規(guī)要求前提下,減小了結(jié)構(gòu)質(zhì)量。關(guān)鍵詞:保險(xiǎn)杠;抗撞性;有限元法【Abstract 】Finite element method (FEM has been widely used in vehicle structure design ,thefrontal rigid-wall crashworthiness of a simple-structured bumper is analyzed by the nonlinear FEM soft-ware LS-DYNA ,and an important conclusion is reached ;Meanwhile ,an

3、alyses based on the crash law are also launched ,including some changes of the structure ;Finally the bumper's weight is reduced while in accordance with the crash law .Key words:Bumper ;Crashworthiness ;Finite element method (FEM 中圖分類號(hào):TH12,V46文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A*來(lái)稿日期:2007-04-21文章編號(hào):1001-3997(200802-0010-0

4、3在車輛碰撞安全事故中,絕大多數(shù)都涉及到保險(xiǎn)杠系統(tǒng),因此國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車保險(xiǎn)杠的研究越來(lái)越多。目前,研究主要集中在合理選用緩沖材料和合理設(shè)計(jì)緩沖結(jié)構(gòu)方面。利用原有材料對(duì)保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),增強(qiáng)了保險(xiǎn)杠吸能能力;同時(shí)按照GB 17354-1998汽車前、后端保護(hù)裝置法規(guī)對(duì)其進(jìn)行了碰撞模擬。計(jì)算中采用ANSYS 作為前處理器進(jìn)行建模和加載,然后用LS-DYNA 作為求解器進(jìn)行求解,最后用LS-PREPOST 進(jìn)行后處理。1碰撞問(wèn)題計(jì)算方法1.1碰撞接觸算法最常用和有效的碰撞接觸算法是罰函數(shù)法,它在每一個(gè)時(shí)間步首先檢查各從節(jié)點(diǎn)是否穿透主面,如沒(méi)有穿透不作任何處理;如果穿透,則在該從節(jié)點(diǎn)與被穿透主面間引

5、入一個(gè)較大的界面接觸力,其大小與穿透深度、主面的剛度成正比。這在物理上相當(dāng)于在兩者之間放置一法向彈簧,以限制從節(jié)點(diǎn)對(duì)主面的穿透。在罰函數(shù)法中"對(duì)稱罰函數(shù)法"則是同時(shí)對(duì)每個(gè)主節(jié)點(diǎn)也作類似上述處理,它由于具有對(duì)稱性、動(dòng)量守恒準(zhǔn)確,不需要碰撞和釋放條件,因此很少引起沙漏效應(yīng),噪聲小。此外,對(duì)稱罰函數(shù)法在每一個(gè)時(shí)間步對(duì)從節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)循環(huán)處理一遍,算法相同。下面以從節(jié)點(diǎn)為例詳細(xì)描述該算法的基本步驟:(1搜索所有從動(dòng)點(diǎn),確定從動(dòng)點(diǎn)是否穿透主面。(2如否不作處理,搜索結(jié)束;如是則在從節(jié)點(diǎn)與主面上的接觸點(diǎn)間附加一法向接觸力Fn 。(3處理摩擦力。(4將接觸力Fn 和摩擦力投影到總體坐標(biāo),組

6、集到總體載荷向量中。1.2顯式動(dòng)力分析的特點(diǎn)碰撞問(wèn)題采用顯式差分算法,用中心差分法在時(shí)間t 求加速度,此時(shí)加速度表達(dá)式如下:a t =M-1(F t ext -F t int (1式中:F t ext 施加外力和體力矢量;F t int 內(nèi)力矢量,其表達(dá)式為:F int =#!$B T "n d !+F h %&g +F com tact(2式中:F hg 沙漏阻力;F com tact 常量力。速度與位移用下式得到:v t+t/2=v t-t/2+a t t t (3u t+t/2=u t +u t+t/2t t+t/2(4式中:t t+t/2=12(t t +t t+t

7、新的幾何構(gòu)形由初始構(gòu)形加上x o 獲得:x t+t =x o +u t+t (52保險(xiǎn)杠正面剛性墻碰撞分析模擬中采用的簡(jiǎn)易保險(xiǎn)杠由橫梁、連接板和支架三部分組成。其中橫梁長(zhǎng)1200mm ,寬60mm ,高100mm 。此外為了連接方便,橫梁邊緣多出10mm 的凸邊;連接板為邊長(zhǎng)120mm 的方形平板;支架為橫截面邊長(zhǎng)65mm ,長(zhǎng)400mm 的方形梁。2.1單元、材料選取和實(shí)常數(shù)確定在結(jié)構(gòu)碰撞性模擬中一般采用顯式薄殼單元shell163來(lái)對(duì)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬,薄殼單元算法選用Belytschko-Wong-Chiang ,其特點(diǎn)是適合大變形和屈曲分析;模擬中保險(xiǎn)杠材料全部選用雙線性應(yīng)變率相關(guān)塑性材料

8、,密度7850kg/m 3,彈性模量2E11Pa,屈服強(qiáng)度2.35E8Pa ,剪切模量9.5E8Pa ,泊松比為0.3,應(yīng)變率系第2期-10-2008年2月Machinery Design &Manufacture機(jī)械設(shè)計(jì)與制造數(shù)C 取40,P 取5;橫梁壁厚選為3mm ,連接板壁厚為2mm ,支架壁厚為1.5mm 。2.2幾何模型建立和有限元網(wǎng)格劃分在ANSYS 中建立保險(xiǎn)杠幾何模型,然后對(duì)其進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。單元大小選為10mm ,共生成6595個(gè)節(jié)點(diǎn)和6414個(gè)單元,模型中各部件連接采用共節(jié)點(diǎn)法。保險(xiǎn)杠有限元模型如下圖:圖1保險(xiǎn)杠模型2.3其它參數(shù)設(shè)定模擬中采用質(zhì)量為1000kg

9、 的剛性墻以5m/s 的速度對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行正面碰撞,過(guò)程中約束支架后端節(jié)點(diǎn)所有自由度;碰撞中接觸算法采用自動(dòng)單面接觸,接觸系數(shù)中動(dòng)摩擦和靜摩擦系數(shù)均選為0.15。2.4模擬結(jié)果與結(jié)果分析保險(xiǎn)杠的變形過(guò)程圖(側(cè)視圖如下:(a t=0ms (b t=20ms(c t=40ms(d t=100ms圖2保險(xiǎn)杠變形過(guò)程由上面保險(xiǎn)杠變形圖可以看出:在正面碰撞中變形主要集中在連接板和支架上,而橫梁只有很小變形。碰撞過(guò)程中各部件吸能隨時(shí)間變化曲線如下:圖3保險(xiǎn)杠各部件吸能曲線(A-橫梁和連接板B-支架由上面保險(xiǎn)杠吸能曲線可以看出:在碰撞進(jìn)行到10ms 以后,橫梁和連接板內(nèi)能就不再增加,而支架內(nèi)能開始增加直到碰撞

10、結(jié)束。這說(shuō)明輕微碰撞中保險(xiǎn)桿橫梁和連接板起主要吸能作用,而嚴(yán)重碰撞中保險(xiǎn)杠后部零件起主要吸能作用。2.5保險(xiǎn)杠改進(jìn)由圖3可以看出此保險(xiǎn)杠橫梁和連接板部分吸收能量很少,但一般設(shè)計(jì)要求保險(xiǎn)杠保險(xiǎn)杠在低速碰撞中要有一定吸能能力,而且越大越好,所以這里有必要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。2.5.1改進(jìn)方法由圖2可看出碰撞中連接桿撞入橫梁中空部位一段距離,這段距離可以用來(lái)安裝吸能材料來(lái)增加保險(xiǎn)杠吸能能力。本設(shè)計(jì)在中空部為增加一段與支架等截面的添充梁,其壁厚取為1mm 。2.5.2改進(jìn)后碰撞結(jié)果對(duì)改進(jìn)后結(jié)構(gòu)進(jìn)行與原結(jié)構(gòu)相同條件下的碰撞模擬,其變形結(jié)果如下:圖4改進(jìn)后保險(xiǎn)杠變形過(guò)程改進(jìn)前后碰撞過(guò)程中各部件吸能隨時(shí)間變化曲線

11、如下:圖5保險(xiǎn)前端杠部件吸能曲線(A-改進(jìn)前B-改進(jìn)后由上圖可以看出:在加裝了填充梁后,保險(xiǎn)杠前部結(jié)構(gòu)的吸能能力明顯提高,提高量接近改進(jìn)前的1/3,而且質(zhì)量增加很少,更好的起到了保護(hù)其后部結(jié)構(gòu)的作用。3保險(xiǎn)杠試驗(yàn)法規(guī)模擬GB 17354-1998汽車前、后端保護(hù)裝置中對(duì)車輛保險(xiǎn)杠的碰撞性能提出了具體要求,這里根據(jù)法規(guī)要求對(duì)保險(xiǎn)杠的碰撞安全性進(jìn)行模擬。3.1法規(guī)要求汽車前后端保護(hù)裝置中對(duì)車輛規(guī)定:車輛應(yīng)處于停止?fàn)顟B(tài),前輪應(yīng)處在直行位置,制動(dòng)器應(yīng)松開,變速器掛空檔,輪胎應(yīng)按制造商規(guī)定的氣壓充氣車輛的碰撞速度應(yīng)控制在4Km/h 。汽車前后端保護(hù)裝置中對(duì)碰撞器(重錘規(guī)定:碰撞器應(yīng)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,其撞擊頭材料

12、為淬火鋼,碰撞器表面有具體形狀,碰撞的有效質(zhì)量應(yīng)與試驗(yàn)車輛的“整車整備質(zhì)量”相等,碰撞器的A 平面應(yīng)保持垂直,而基準(zhǔn)線則應(yīng)保持水平。3.2原型保險(xiǎn)杠碰撞過(guò)程模擬3.2.1整車質(zhì)量模擬由于法規(guī)中規(guī)定保險(xiǎn)杠試驗(yàn)是在整車上進(jìn)行的,所以在模l n t e r n a l E n e r g y (J (E -310864200.020.040.060.08Time(s BBBBA AAAB 4321000.020.040.060.08Time(s BBBBBAAA Al n t e r n a l E n e r g y (J (E -3第2期-11-于學(xué)兵等:汽車簡(jiǎn)易保險(xiǎn)杠碰撞特性分析擬中要體現(xiàn)出整

13、車質(zhì)量。模擬中設(shè)定整車質(zhì)量為2ton ,采用mass166集中質(zhì)量單元把整車質(zhì)量加載在保險(xiǎn)杠支架后端,這樣不但體現(xiàn)出了整車質(zhì)量,而且減少了計(jì)算時(shí)間。3.2.2碰撞器(重錘模擬重錘采用剛性體shell163殼單元進(jìn)行建模,其前部形狀按照法規(guī)中規(guī)定形狀設(shè)計(jì),然后在其后部加載mass166質(zhì)量單元,使其與整車質(zhì)量一致。3.2.3約束條件和地面摩擦力處理由于法規(guī)規(guī)定試驗(yàn)時(shí)車輛制動(dòng)器松開,而且車輪放正,所以模擬中只約束支架末端節(jié)點(diǎn)兩個(gè)方向自由度,使得在碰撞方向保險(xiǎn)杠可自由移動(dòng);同時(shí)取地面動(dòng)摩擦系數(shù)為0.01,根據(jù)動(dòng)摩擦力公式算出摩擦力為200N ,將此力加載在保險(xiǎn)杠支架末端,其方向與錘擊方向相反,從而模

14、擬碰撞方向車輪與地面摩擦力。3.2.4模擬結(jié)果和數(shù)據(jù)處理碰撞器和保險(xiǎn)杠的撞擊過(guò)程圖(俯視圖如下:圖6撞擊過(guò)程碰撞過(guò)程中系統(tǒng)各能量變化過(guò)程如下圖:圖7系統(tǒng)能量變化過(guò)程(A-總能B-動(dòng)能C-內(nèi)能D-沙漏能由上圖可以看出:系統(tǒng)總能在不斷減少,這是加栽在支架后端的摩擦力作用的效果,驗(yàn)證了摩擦力的存在;系統(tǒng)動(dòng)能減少和內(nèi)能增加也是與事實(shí)一致;由于增加了系統(tǒng)體積粘度的控制,沙漏能非常小,保證了結(jié)果的精確性,這是我們希望看到的。在汽車前、后端保護(hù)裝置法規(guī)中只是規(guī)定車燈等部件的破壞與否來(lái)對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),而沒(méi)有做具體數(shù)據(jù)上的規(guī)定,所以本模擬中以橫梁最大變形量為評(píng)價(jià)指標(biāo)。由結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和撞擊位置可知:橫梁中間一排節(jié)點(diǎn)

15、的變形量最大,所以取其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)在碰撞方向的變形量為研究對(duì)象。由于沒(méi)有約束車架碰撞方向的自由度車架既有剛體位移又有幾何變形,而且程序記錄的是節(jié)點(diǎn)相對(duì)于它本身初始位置的位移,這樣一來(lái)想要求得它的變形量就需要一個(gè)相對(duì)參照。因?yàn)樵谠囼?yàn)中支架基本沒(méi)有變形,所以這里以支架最前端節(jié)點(diǎn)為參照。對(duì)中間節(jié)點(diǎn)和參照點(diǎn)的位移隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行相減操作便可得到橫梁中間節(jié)點(diǎn)的變形量時(shí)間歷程曲線,其結(jié)果如下圖:圖8中間節(jié)點(diǎn)變形量-時(shí)間曲線由圖可看出:橫梁中間節(jié)點(diǎn)在40ms 時(shí)發(fā)生最大形變,此形變包括彈性和非彈性兩部分,此后彈性形變逐漸恢復(fù)為零,過(guò)程在60ms 時(shí)結(jié)束。由于這兩個(gè)變形量都相對(duì)較小,所以可判定此保險(xiǎn)杠能達(dá)到法

16、規(guī)要求。3.3保險(xiǎn)杠輕量化設(shè)計(jì)根據(jù)上面保險(xiǎn)杠碰撞結(jié)果可以得出結(jié)論:此保險(xiǎn)杠有改進(jìn)余地,這里對(duì)橫梁鋼板厚度進(jìn)行了幾組改變,并分別對(duì)各組進(jìn)行模擬,然后以橫梁中點(diǎn)變形量為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行比較。各組數(shù)據(jù)及結(jié)果如下表:表1幾組設(shè)計(jì)比較由上表可以看出:隨著橫梁厚度降低,最大變形量和最終變形量都有所增加,當(dāng)降到1.5mm 以后變形量顯著增加,這是不希望看到的,所以結(jié)構(gòu)可以取第三組或第四組數(shù)據(jù),這樣既可以減小整體重量,同時(shí)滿足碰撞法規(guī)要求。4結(jié)論通過(guò)對(duì)某一簡(jiǎn)易保險(xiǎn)杠正面剛性墻碰撞模擬,分析出其前部結(jié)構(gòu)吸能能力的不足,并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),在沒(méi)有增加外圍尺寸的前提下,很大程度上提高了其前部結(jié)構(gòu)吸能能力;然后對(duì)此保

17、險(xiǎn)杠進(jìn)行了碰撞法規(guī)模擬,巧妙的提出了整車質(zhì)量和地面摩擦力的處理方法,給同類試驗(yàn)?zāi)M提供了重要參考,同時(shí)也給出了結(jié)果的評(píng)價(jià)方法,在第一次改進(jìn)的基礎(chǔ)上又對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行了厚度改變,在滿足法規(guī)要求的前提下減輕了此保險(xiǎn)杠的質(zhì)量。參考文獻(xiàn)1白金澤.LS-DYNA3D 理論基礎(chǔ)與實(shí)例分析.北京:科學(xué)出版社,20052王富恥,張朝暉編著.ANSYS100有限元分析理論與應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社,2006(53朱西產(chǎn),鐘榮華.薄壁直梁件碰撞吸能計(jì)算機(jī)仿真方法的研究.汽車工程,2000(224劉晶郁,李曉霞主編.汽車安全與法規(guī).北京:人民交通出版社,2005(85龔培康.有限單元法及其在汽車工程中的應(yīng)用.重慶:重慶大學(xué)出版社,19936張維剛,鐘志華.汽車正碰吸能部件改進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真.汽車工程,2001(2