田國富，楊成國

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

汽車前保險杠緩沖吸能結(jié)構(gòu)低速碰撞仿真分析

田國富，楊成國

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

在低速碰撞中對某車型的汽車保險杠進行仿真分析，對保險杠模型進行簡化，利用HyperMesh建立有限元模型,再提交給LS-DYNA進行計算，使用HyperView對碰撞結(jié)果進行處理得到相關(guān)響應(yīng)參數(shù)，并對響應(yīng)參數(shù)進行結(jié)果分析，進而確定在汽車保險杠發(fā)生低速碰撞時其最主要吸能的部件以及吸能部位的響應(yīng)特性，為保險杠設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

汽車碰撞；保險杠；仿真分析；吸能

0 引言

隨著汽車交通事故數(shù)量的逐年上升，作為保護人身財產(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。汽車安全包括主動安全和被動安全兩種方式，而目前被動安全仍然是汽車安全最主要的方式，在被動安全中汽車保險杠作為主要結(jié)構(gòu)部件之一對車輛碰撞安全性能具有重要的影響，因此研究汽車保險杠橫梁的碰撞特性,對于提高汽車碰撞安全性具有重要的意義。在汽車碰撞過程中,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題也存在于汽車碰撞過程中。因此,汽車碰撞性能的研究已經(jīng)遠遠超出了理論解析的范疇,必須借助于試驗與數(shù)值分析方法[1]。

1 汽車保險杠概述

保險杠是汽車被動安全重要的零部件，當(dāng)汽車發(fā)生低速碰撞(一般小于10 km/h)時，可以通過保險杠的變形吸收碰撞中的能量，有效地保護發(fā)動機艙室內(nèi)的零部件，同時對行人有最大程度的保護作用。由于保險杠系統(tǒng)在低速碰撞和行人保護這兩個方面起著關(guān)鍵性的作用，因此是國內(nèi)外汽車被動安全領(lǐng)域中的一項重要研究內(nèi)容。世界各國也都對保險杠的耐撞性有具體的法規(guī)和試驗規(guī)范要求[2]。

保險杠一般是由外板、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 保險杠結(jié)構(gòu)圖

為了便于有限元分析，本文所研究的保險杠系統(tǒng)經(jīng)過簡化處理得到模型，如圖1所示保險杠結(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 汽車碰撞過程中的非線性特性

非線性分析問題是指結(jié)構(gòu)的剛度隨其變形而改變的問題，在一個非線性系統(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)省計算機分析時間，在 LS-DYNA 中通常使用縮減積分單元進行非線性動力分析，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。分析過程中產(chǎn)生的沙漏變形往往會使得分析結(jié)果無效。沙漏現(xiàn)象只產(chǎn)生于實體和四邊形單元。在整車碰撞模型中，90%以上的單元是由四邊形和實體單元組成的。如果不對沙漏進行控制，結(jié)構(gòu)的整體剛度將變小，從而使得仿真結(jié)果毫無意義[6]。

2.3 碰撞接觸的定義

利用計算機模擬汽車碰撞時需提前對接觸進行設(shè)置。汽車碰撞時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。對于這些接觸，在碰撞仿真中分別采用節(jié)點對面的接觸、面對面的接觸和單面自動接觸來定義。正確定義碰撞接觸是準確進行碰撞仿真的必要條件。

2.4 時間步長控制

時間步長為每一步有限元積分的時間長度。時間步長過大，會使計算不穩(wěn)定，導(dǎo)致模擬計算精度下降。因此，必須對時間步長進行控制。

3 汽車保險杠有限元模型建立

在導(dǎo)入的CAD模型中，將保險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連接，吸能盒與后板采用剛性連接，保險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,用于模擬整車質(zhì)量，具體流程如圖2所示。

圖2 有限元模型建立分析流程圖

3.1 導(dǎo)入模型

將設(shè)計好的保險杠CAD模型通過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

本保險杠為薄殼結(jié)構(gòu)，采用殼單元，由于碰撞過程中保險杠橫梁和緩沖吸能盒是主要的變形吸能結(jié)構(gòu)，對其響應(yīng)特性進行重點分析，因此將保險杠橫梁和吸能盒網(wǎng)格劃分得細一些，將其單元尺寸設(shè)置為10 mm，對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，同時要盡量保證所劃分網(wǎng)格主要為四邊形，然后點擊保存。得到如圖3所示的保險杠有限元模型。

圖3 保險杠有限元模型圖

3.4 汽車保險杠有限元模型加載條件

對各零部件進行網(wǎng)格劃分以后，對零部件設(shè)置材料和屬性，并進行相應(yīng)的鏈接、加載、約束并設(shè)置計算控制參數(shù)，之后即可完成模型建模生成K文件，提交LD-DYNA求解器計算。

(1)連接設(shè)置

①新建一個沒有材料和屬性的Components，為后續(xù)設(shè)置焊點做準備。

②點擊Spotweld工具，利用焊點將吸能盒內(nèi)外板與橫梁連接起來，焊點間距約為40 mm,吸能盒靠近后鋼板的焊點距后端不小于2個網(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現(xiàn)。

利用Elements工具，選中吸能盒后方一圈網(wǎng)格，點擊move，將后一圈網(wǎng)格移動到后方剛板上，通過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新建一個沒有材料和屬性的Component，為后續(xù)的配重接觸做準備。

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

③在Analysis菜單中建立一個名字為Contact的文件,然后將保險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)點全部約束為固定模式。

②在工具欄Loadcols菜單中，建立一個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)計算機參數(shù)設(shè)置

①選取保險杠正后方中間節(jié)點、保險杠吸能盒正后方板上中心節(jié)點作為此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)鍵字將計算時間長度設(shè)為50 ms。

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

圖4 保險杠變形圖

④database_option設(shè)置為10e-5，將Binary Options選為ASCII-BINARY,因此可同時使用ASCII碼和Binary輸出文件。

⑤打開Export功能菜單輸出名稱為count.k的文件。

(5)提交計算

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

4 保險杠碰撞動力響應(yīng)特性分析

利用HyperView后處理器對保險杠的碰撞結(jié)果進行查看分析。

4.1 保險杠模型變形吸能分析

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

經(jīng)過觀察分析圖4中保險杠形狀變化，在0～25 ms之間保險杠橫梁與碰撞墻逐漸接觸，保險杠橫梁由彎曲變得平直，此過程保險杠橫梁主要以彈性變形為主，通過橫梁的彈性變形，將碰撞初始時間段的動能轉(zhuǎn)化為彈性勢能。在25～50 ms時間段，隨著橫梁與碰撞墻進一步的接觸，橫梁受到碰撞墻給的反向力逐漸加大，超過了橫梁的屈服條件，此時保險杠的橫梁向內(nèi)部有一個大的折彎，通過不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形吸收了低速碰撞后半段的動能。在整個低速碰撞過程中保險杠橫梁變形較大，吸能盒變形很小。主要是由于在碰撞過程中，保險杠橫梁先與碰撞墻發(fā)生接觸，系統(tǒng)的動能先轉(zhuǎn)化為保險杠橫梁變形的勢能，橫梁的變形很大，吸收大部分動能，因此系統(tǒng)動能逐漸下降，同時由于低速碰撞的速度較低，在吸能盒大變形之前碰撞過程幾乎停止。保險杠橫梁的變形較大，吸能盒的變形較小，說明保險杠的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

圖5 保險杠位移云圖

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)保險杠系統(tǒng)的運動速度為4 km/h，方向為沿X方向。圖5為保險杠系統(tǒng)的碰撞位移云圖。

經(jīng)過分析圖5的位移云圖可知，在碰撞過程中，保險杠橫梁中間部分的云圖顏色由深變淺，再由淺變深，這一過程說明保險杠的橫梁先是向著碰撞墻移動，在與碰撞墻開始接觸后，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，發(fā)生塑性變形，開始沿著X負方向折彎運動，這一過程導(dǎo)致了橫梁的負方向位移開始增加，同時導(dǎo)致正向總體位移減少，這一變化過程與保險杠低速碰撞實際過程相符。

4.3 位移-時間和速度-時間曲線變化分析

在保險杠橫梁中部選取某節(jié)點(節(jié)點4050)作為輸出對象，得到該節(jié)點的位移-時間和速度-時間曲線，然后對曲線進行分析。如圖6、圖7所示。

分析圖6的曲線：在0～5 ms區(qū)間，該節(jié)點位移與時間呈線性增加；在8 ms時曲線達到最高點，說明此時保險杠橫梁開始與剛性墻接

圖6 位移-時間響應(yīng)曲線

圖7 速度-時間響應(yīng)曲線

觸；在8～15 ms之間曲線總體呈下降趨勢，說明這一階段橫梁在向X負方向壓縮變形；然而在接下來的15～50 ms時間段，曲線又開始一小段上升然后又開始下降，這一過程主要是因為保險杠在發(fā)生塑形變形的同時，該節(jié)點受到擠壓開始向X正方向凸起，直到凸起的頂點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負方向壓縮變形，直到碰撞結(jié)束。這一碰撞過程中伴隨著兩次往返變形，使得變形更加充分，進而能吸收掉更多的動能。

分析圖7曲線：在0～10 ms,曲線為水平直線，保險杠還沒有與剛性墻接觸，在10～30 ms區(qū)間上，曲線總體下降趨勢，說明保險杠橫梁與剛性墻接觸發(fā)生碰撞，在10 ms時速度為零，在10～50 ms曲線呈兩次先下降再上升并且為負值，說明橫梁沿著X負方向有兩次折彎運動，并且有一個回彈的過程，直到在50 ms時速度達到0時，說明此時碰撞幾乎結(jié)束，此過程符合上述位移-時間曲線，并且同時與碰撞實際過程一致。

5 結(jié)束語

使用HyperMesh、LS-DYNA、HyperView對保險杠的變形圖、位移云圖、位移和速度與時間曲線關(guān)系進行分析，進而對保險杠在低速碰撞過程中的安全性與可行性做出了評價分析，確定在低速碰撞過程中保險杠橫梁起主要吸能作用，為后續(xù)保險杠的設(shè)計提供理論參考。

[1] 檀曉紅,馮偉,趙華松. 汽車保險杠橫梁碰撞性能的有限元分析[J].力學(xué)與實踐，2004,26(2)：35-38.

[2] 胡志遠，曾比強，謝書港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽車安全仿真與分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[3] 趙唯．微型轎車側(cè)面碰撞計算機仿真技術(shù)研究[D]．重慶：重慶交通大學(xué)，2008．

[4] 江志勇．基于轎車薄壁構(gòu)件碰撞的變形及吸能特性的仿真與分析[D]．武漢：武漢理工大學(xué)，2009．

[5] 蔣小晴．焊點失效模型在前縱梁耐撞性中的應(yīng)用分析[D]．長沙：湖南大學(xué)，2009．

[6] 王克．乘用車座椅動態(tài)性能模擬研究[D]．重慶：重慶交通大學(xué)，2012．

The simulation analysis on energy absorption structure of automotive front bumper at low-speed collision

Tian Guofu,Yang Chengguo

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

The article makes a simulation analysis on a bumper at low speed collision. The model of bumper should be simplified firstly. And then it builds a finite element model with Hypermesh, after that, the model is submitted to the LS-DYNA for analysis. Lastly, it uses HyperView to deal with the collision results and get the relevant response parameters. Through the analysis of these parameters, it is confirmed that which part is most important in the function of absorbing energy.This can provid theoretical basis for bumper design.

collision; bumper;simulation analysis; energy absorption

U461.91;TP20

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.03.007

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

2016-11-04)

田國富(1968-),男，博士后，副教授，主要研究方向：機械系統(tǒng)的CAD/CAE技術(shù)、工程車輛設(shè)計與試驗等。

楊成國(1987-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：車輛工程。E-mail:ychgkycg6699@163.com。