鄭龍?jiān)?，王吉忠，呂?/p>

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，山東青島 266520)

0 引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，汽車(chē)已經(jīng)步入人們的日常生活中[1]。隨著汽車(chē)保有量的增多，交通事故也逐年增加。據(jù)調(diào)查，追尾事故在交通事故中發(fā)生的比例最高，其中在追尾事故中傷害程度最大、數(shù)量最多的為小轎車(chē)與商用車(chē)之間的碰撞。因此，本文作者對(duì)某商用車(chē)后下防護(hù)裝置在碰撞過(guò)程中的強(qiáng)度進(jìn)行研究，對(duì)現(xiàn)有的后下防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步改進(jìn)[2]，以提高汽車(chē)的被動(dòng)安全性和乘員的乘車(chē)安全性。

1 法規(guī)要求與邊界條件

文中所研究的后下防護(hù)裝置以車(chē)輛縱向中心平面為軸對(duì)稱(chēng)。根據(jù)法規(guī)中的有關(guān)規(guī)定，若汽車(chē)的后下防護(hù)裝置滿(mǎn)足上述要求，在兩點(diǎn)和三點(diǎn)靜態(tài)加載試驗(yàn)中可以只研究后防護(hù)裝置中同一側(cè)的三個(gè)點(diǎn)。

1.1 加載點(diǎn)位置的確定

靜態(tài)加載試驗(yàn)分為兩點(diǎn)加載和三點(diǎn)加載。分別設(shè)加載點(diǎn)位置為P1、P2、P3，加載點(diǎn)位置如圖1所示。兩點(diǎn)加載時(shí)，兩作用點(diǎn)P2之間的距離應(yīng)為700～1 000 mm，且兩作用點(diǎn)相對(duì)于后下部防護(hù)裝置縱向中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)。三點(diǎn)加載時(shí)，點(diǎn)P1距離車(chē)輛后軸車(chē)輪最外端(300±25) mm；點(diǎn)P3位于P2兩點(diǎn)連線(xiàn)之間，并且處于車(chē)輛中心垂直平面上[3]。

圖1 加載點(diǎn)位置示意

1.2 試驗(yàn)載荷的確定

兩點(diǎn)加載時(shí)，每點(diǎn)加載力為100 kN或者相當(dāng)于車(chē)輛最大設(shè)計(jì)總重力50%的水平載荷，試驗(yàn)時(shí)取兩者的較小值。三點(diǎn)加載時(shí)，每點(diǎn)加載力為50 kN或相當(dāng)于車(chē)輛最大設(shè)計(jì)總重力25%的水平載荷，試驗(yàn)時(shí)取兩者的較小值。

該模型中車(chē)輛的總重力為4 500×9.8 N，兩點(diǎn)加載時(shí)，車(chē)輛總重力的50%為2 250×9.8 N，約為22.5 kN，小于100 kN，取靜態(tài)加載載荷為22.5 kN；三點(diǎn)加載時(shí)，車(chē)輛總重力的25%為1 125×9.8 N，約為11.25 kN，小于50 kN，取靜態(tài)加載載荷為11.25 kN。

2 仿真模型的建立

2.1 幾何模型

根據(jù)車(chē)輛的結(jié)構(gòu)和法規(guī)中對(duì)于加載裝置的規(guī)定，應(yīng)用CATIA軟件建立了后下防護(hù)裝置和加載裝置的幾何模型，如圖2所示。

圖2 后下防護(hù)裝置幾何模型

該模型由支架、縱梁、尾梁、橫梁和加載裝置五部分組成。其中支架與縱梁、縱梁與尾梁之間用螺栓連接，支架與橫梁之間采用焊接連接。

2.2 有限元模型

對(duì)后下防護(hù)裝置建立有限元仿真模型，如圖3所示，該模型共有69 998個(gè)單元，實(shí)體單元69 484個(gè)，殼單元514個(gè)，單元尺寸選擇5 mm。

圖3 后下防護(hù)裝置有限元模型

2.3 模型材料的選擇

模型材料的選擇決定了仿真效果的真實(shí)性，為該模型在LS-DYNA中選擇的材料卡片為MATL1、MATL20、MATL24。支架和橫梁之間的焊接選用的材料卡片為MATL1。支架和橫梁應(yīng)具有阻擋、吸能和緩沖的作用，應(yīng)為線(xiàn)性彈塑性材料，即材料達(dá)到屈服極限后，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)由多線(xiàn)段組成，故支架和橫梁的材料卡片為MATL24，設(shè)選用的材料為A。縱梁和尾梁選用的材料卡片也為MATL24，但由于部件的功能不同，材料的參數(shù)也各有差別，設(shè)選用的材料為B。由于材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)等參數(shù)屬于商業(yè)機(jī)密，給出部分A與B材料參數(shù)，如表1所示。

表1 A與B材料參數(shù)

3 后下防護(hù)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析

3.1 優(yōu)化后的后下防護(hù)裝置介紹

在后下防護(hù)裝置的靜態(tài)加載試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)生變形的主要部件為支架與橫梁，因而對(duì)支架和橫梁的結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，可以使后下防護(hù)裝置在碰撞過(guò)程中更好地起到防護(hù)的作用。

考慮經(jīng)濟(jì)原因，在基本不改變?cè)桨傅幕A(chǔ)上對(duì)橫梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]。在橫梁橫截面尺寸100 mm×50 mm不變的基礎(chǔ)上，橫梁厚度由原來(lái)的2 mm增加至3 mm。改進(jìn)后的橫梁截面如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的橫梁

3.2 強(qiáng)度仿真分析

將HyperMesh中處理好的有限元文件導(dǎo)入LS-DYNA中求解計(jì)算。

圖5、圖6、圖7分別為原方案兩點(diǎn)加載P2和三點(diǎn)加載P1、P3的后下防護(hù)裝置的橫梁與支架的受力云圖。可知：在兩點(diǎn)加載和三點(diǎn)加載的方式下，后下防護(hù)裝置所承受的最大應(yīng)力值分別為523、457、339 MPa。由制造商提供的后下防護(hù)裝置的材料參數(shù)(表1)可知：加載點(diǎn)為P1、P2時(shí)的后下防護(hù)裝置的最大受力均超過(guò)了屈服極限。若隨著靜態(tài)加載試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，此裝置可能會(huì)出現(xiàn)斷裂或者永久變形，在發(fā)生小轎車(chē)追尾商用車(chē)的事故時(shí)，小轎車(chē)很容易發(fā)生鉆撞現(xiàn)象，不利于汽車(chē)的行駛安全性與乘員的乘車(chē)安全性，所以需要對(duì)后下防護(hù)裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖8、圖9、圖10分別為優(yōu)化方案兩點(diǎn)加載P2和三點(diǎn)加載P1、P3的后下防護(hù)裝置的受力云圖[5]?？芍趦牲c(diǎn)加載和三點(diǎn)加載的方式下，后下防護(hù)裝置所達(dá)到的最大應(yīng)力值分別為352、330、287 MPa，兩點(diǎn)加載和三點(diǎn)加載下后下防護(hù)裝置的最大應(yīng)力值均相應(yīng)減少，且均沒(méi)有超過(guò)后下防護(hù)裝置的屈服極限。表明優(yōu)化后的后下防護(hù)裝置滿(mǎn)足了法規(guī)要求，在發(fā)生追尾碰撞時(shí)能夠在一定程度上阻止鉆撞事故的發(fā)生，提高了汽車(chē)的被動(dòng)安全性。

優(yōu)化前后的后下防護(hù)裝置最大應(yīng)力改善幅度如表2所示。

表2 最大應(yīng)力改善幅度

4 結(jié)論

根據(jù)法規(guī)中的要求，利用CATIA和HyperMesh建立后下防護(hù)裝置的幾何模型與有限元模型，進(jìn)行了靜態(tài)加載試驗(yàn)。在原方案的基礎(chǔ)上，對(duì)后下防護(hù)裝置的橫梁進(jìn)行了厚度改進(jìn)，并將優(yōu)化前后的后下防護(hù)裝置的最大應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比分析[6]。根據(jù)靜態(tài)加載的仿真結(jié)果，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行汽車(chē)的強(qiáng)度分析可以完善汽車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而提高汽車(chē)的被動(dòng)安全性能。