胡兵

摘要：汽車保險(xiǎn)杠在汽車碰撞的過程中是吸收和緩和外界沖擊力、防護(hù)車身前后部的安全裝置。如果沒有汽車保險(xiǎn)杠，那么在碰撞時(shí)，汽車車身的其他部位和乘員會(huì)受到更大的沖擊力，乘員的損傷也會(huì)更大。以往，汽車保險(xiǎn)杠的作用驗(yàn)證一般都是采用實(shí)體車輛進(jìn)行碰撞，此方法可重復(fù)性差，而且成本極高。本文采用有限元仿真的方法進(jìn)行車輛正碰模擬，利用solidworks軟件建立汽車的幾何模型，將其保存為IGES文件格式，然后導(dǎo)入到hypermesh中進(jìn)行前處理，設(shè)置邊界條件中的速度為50km/h，將導(dǎo)出的K文件用LS-DYNA求解后，結(jié)果文件用hyperview打開，仿真模擬汽車在有無保險(xiǎn)杠的情況下的正面碰撞情況。

關(guān)鍵詞：有限元;保險(xiǎn)杠;正碰;仿真

中圖分類號(hào)：U463.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近幾年，中國(guó)汽車的保有量大幅度提高，隨之而來的就是交通事故的發(fā)生概率上升。因此，增加汽車的安全系數(shù)是汽車發(fā)展的一個(gè)很大的課題。目前減少碰撞時(shí)汽車的變形量和對(duì)人體的損傷而采用的通用方法是將汽車前端的保險(xiǎn)杠進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化。例如采用高強(qiáng)度鋼、鈦合金、鋁合金等一系列吸能性較好的物質(zhì)材料。保險(xiǎn)杠的合格指標(biāo)一般采用的是對(duì)汽車整體變形量指數(shù)。同樣的速度進(jìn)行碰撞，觀察汽車變形量的變化。汽車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)一般由3部分組成：迎撞面保險(xiǎn)杠、車架以及吸能盒。其中迎撞面保險(xiǎn)杠是與被撞物直接接觸的第一道吸能構(gòu)件，吸能盒是第二道吸能構(gòu)件，其能夠吸收的能量要大于保險(xiǎn)杠吸收的能量。當(dāng)吸能盒發(fā)揮作用時(shí)，碰撞物體將對(duì)車身及乘員產(chǎn)生一定程度的危害[1]。本文利用有限元技術(shù)進(jìn)行汽車正碰的仿真研究。其中，利用catia進(jìn)行汽車的幾何模型建立，后用hypermesh軟件進(jìn)行汽車模型的網(wǎng)格劃分與邊界條件的設(shè)置，得到k文件導(dǎo)入LS-DYNA中進(jìn)行求解后產(chǎn)生d3plot文件，導(dǎo)入到hyperview里面進(jìn)行后處理，觀察車輛的變形量進(jìn)行分析。

1 保險(xiǎn)杠的有限元模型建立

利用catia進(jìn)行保險(xiǎn)杠以及整車的幾何模型建構(gòu)，因?yàn)楸ｋU(xiǎn)杠是鈑金件，所以在hypermesh里面進(jìn)行中面抽取后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的標(biāo)準(zhǔn)如圖1，標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格由汽車的整體大小進(jìn)行確定，這里取10mm×10mm較為合適，時(shí)間步長(zhǎng)與最小網(wǎng)格有關(guān)，所以最小網(wǎng)格的尺寸不宜過小，否則時(shí)間步長(zhǎng)會(huì)很大，提交求解的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)，雅可比設(shè)置為0.6，一般不宜超過1，如果設(shè)置過高求解時(shí)會(huì)造成求解中斷。劃分網(wǎng)格后，用rigid和spotweld 1D單元模擬焊縫連接和點(diǎn)焊連接，將一部分部件連接，余下的部件采用鉸連接，最終形成一個(gè)有限元整車模型，有限元整車以及保險(xiǎn)杠模型如圖2和圖3。整車模型一共538422個(gè)單元，其中大部分單元為殼單元，發(fā)動(dòng)機(jī)等部件采用體單元，因碰撞時(shí)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的變形量很小，因此材料設(shè)置為MATL20即剛性材料。發(fā)動(dòng)機(jī)為體單元，周圍還有其他一些部件也為體單元，體單元與體單元在碰撞時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)體積問題，為了解決這個(gè)問題，將在體單元的表面設(shè)置一層殼單元，材料為MATL9。保險(xiǎn)杠由三部分部件組成，分別是橫梁、吸能盒、后鋼板。下面分別敘述各個(gè)主要零件的材料參數(shù)。

橫梁的材料屬性為彈塑性，密度為7850kg/m3，彈性模量為210GPa，屈服極限為1006MPa，泊松比為0.3（無量綱），厚度設(shè)置為3.5mm。吸能盒的材料屬性為彈塑性，質(zhì)量密度為7850kg/m3，彈性模量為210GPa，屈服極限為500MPa，泊松比為0.3（無量綱），厚度設(shè)置為2.2mm。后鋼板的材料屬性為剛性，密度為7850kg/m3，彈性模量為210GPa，無屈服極限，泊松比為0.3（無量綱），厚度為1mm。墻壁的材料屬性為剛性。

整車及保險(xiǎn)杠有限元模型的接觸設(shè)置一共有2個(gè)，分別是整車的自接觸和汽車與剛性墻之間的面面接觸。在設(shè)置接觸前，為了方便起見，將汽車有限元模型的所有層設(shè)置為一個(gè)set（集合），然后進(jìn)行接觸設(shè)置。取汽車輪胎上的所有node設(shè)置為一個(gè)set，然后建立速度的載荷，將速度賦予node set，此時(shí)汽車就有向前的速度了。

2 有限元模型的求解和導(dǎo)入

LS-DYNA中的積分算法分為顯示算法和隱式算法。顯示算法又分為動(dòng)態(tài)顯示算法和靜態(tài)顯示算法，動(dòng)態(tài)顯示算法采用動(dòng)力學(xué)方程的一些差分格式，不用直接求解切線剛度，不需要進(jìn)行平衡迭代，計(jì)算速度快，而且收斂問題一般不存在。數(shù)值計(jì)算過程可以很容易地進(jìn)行并行計(jì)算，程序編制也相對(duì)簡(jiǎn)單[2]。顯示算法中質(zhì)量矩陣為對(duì)角矩陣，只有在單元級(jí)計(jì)算盡可能少時(shí)才能發(fā)揮其速度優(yōu)勢(shì)，所以計(jì)算精度難以保證。靜態(tài)顯示算法不需要迭代，因?yàn)樗谄胶夥匠探M和Eular向前差分法[3]，這種方法在計(jì)算時(shí)會(huì)使所得結(jié)果慢慢偏離正確值，可靠性較強(qiáng)。

Hypermesh僅僅是前處理軟件，要求解必須設(shè)置于求解器相對(duì)應(yīng)的控制卡片。LS-DYNA求解器常用于汽車碰撞，因此本文選擇LS-DYNA求解器。需要設(shè)置的控制卡片主要包括沙漏控制、時(shí)間步長(zhǎng)等。如若這些控制卡片的設(shè)置出現(xiàn)問題，那么將會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

邊界條件中速度的設(shè)置按照國(guó)際上碰撞研究的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置，以50km/h的速度向剛性墻進(jìn)行碰撞，求解時(shí)間設(shè)置為0.5s，汽車與剛性墻、地面之間的靜摩擦和動(dòng)摩擦因數(shù)均選為0.3，求解完成后把d3plot文件導(dǎo)入到hyperview中進(jìn)行變形分析。采用對(duì)比的方法，分別用有保險(xiǎn)杠的和沒有保險(xiǎn)杠的SUV車輛進(jìn)行碰撞，取碰撞的0.65s和0.75s兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行分析，其變形量使用位移云圖表示。0.75s時(shí)有保險(xiǎn)杠的位移云圖為圖4;0.75s時(shí)無保險(xiǎn)杠的位移云圖為圖5;0.65s時(shí)有保險(xiǎn)杠的位移云圖為圖6;0.65s時(shí)無保險(xiǎn)杠的位移云圖為圖7。

3 有限元模型后處理分析

有限元模型經(jīng)過前處理，使用LS-DYNA求解器進(jìn)行求解，得到d3plot文件，然后觀察整車的位移云圖。以50km/h的速度進(jìn)行正面碰撞，有保險(xiǎn)杠的整車的白車身部分的位移變形為3.015e2mm-4.523e2mm之間;無保險(xiǎn)杠的整車的白車身的位移變形在4.523e2mm-6.030e2mm之間，可以看出保險(xiǎn)杠使得汽車的變形位移最大減少了3e2mm，保險(xiǎn)杠很大程度上減少了汽車正碰時(shí)的變形問題。0.75s時(shí)的碰撞結(jié)果如圖4、圖5所示，同樣也可以分析出保險(xiǎn)杠對(duì)于汽車碰撞的變形有很大的緩沖作用。從仿真的結(jié)果可以看出，保險(xiǎn)杠的作用是減少車輛的變形，在同一時(shí)間點(diǎn)時(shí)，有保險(xiǎn)杠作緩沖作用的汽車碰撞，其車蓋的變形量較小，沒有保險(xiǎn)杠作緩沖作用的汽車車蓋變形量較大，與實(shí)際的情況相符，為實(shí)際的研究提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

4 結(jié)論

利用hypermesh與LS-DYNA進(jìn)行有限元模型的建立和仿真，得出汽車前部保險(xiǎn)杠在汽車碰撞中具有很好的吸能作用，減少汽車車身的變形，有利于乘坐安全性的提高，有限元仿真與實(shí)際情況相近，可以采用。本文的研究中需要改進(jìn)的地方：1.后續(xù)研究可以針對(duì)吸能盒裝置，其能夠有效吸收碰撞時(shí)的能量;2.保險(xiǎn)杠與汽車車身連接方式會(huì)影響碰撞時(shí)的變形情況，因此后續(xù)研究可以改變連接方式或者連接單元的數(shù)量。

參考文獻(xiàn)

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