李楚琳，莫昊，朱英豪

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

保險杠的形狀和結(jié)構(gòu)對汽車的安全、空氣動力學(xué)性能和整車外觀造型等都有較大的影響［1］。保險杠的質(zhì)量、安全可靠性等要求較高，通過增加材料來提高其承受載荷和碰撞性能的方法又與汽車輕量化目標矛盾。保險杠設(shè)計如何在輕量化目標與碰撞安全性目標之間達到更好的平衡，受到工程師們的廣泛關(guān)注［2］。目前廣泛采用的方法是對結(jié)構(gòu)重新設(shè)計，但往往使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)加工難度較大，因此考慮采用3D打印技術(shù)。文中針對某商用車保險杠進行模態(tài)、局部剛度及碰撞性能的仿真分析；基于Altair的Optistruct模塊，對保險杠模型進行拓撲優(yōu)化，并考慮3D打印的工藝要求對結(jié)構(gòu)進行改進。在保證使用性能的前提下，調(diào)整局部厚度增設(shè)加強筋，去除冗余部分，減輕保險杠重量；與原始模型進行對比，驗證設(shè)計的合理性。

1 原始保險杠模型有限元分析

1.1 有限元模型建立

利用HyperMesh導(dǎo)入某商用車保險杠的數(shù)字模型，完成模型清理、劃分網(wǎng)格及網(wǎng)格質(zhì)量檢查工作。按照5mm大小的網(wǎng)格尺寸標準進行網(wǎng)格劃分，其中四邊形板殼單元總數(shù)為43338個，建立有限元模型，如圖1所示。保險杠的材料為工程塑料，主體厚度為3mm，彈性模量為1300MPa，泊松比為0.38 ，密度為1.1 ×10??kg·mm?3。

圖1 保險杠有限元模型圖

1.2 模態(tài)分析

汽車在行駛時，保險杠受到路面及發(fā)動機的振動激勵共同作用，若激勵頻率與模型振動頻率接近，易發(fā)生共振破壞，因此重點分析其模態(tài)性能。原始模型前4階模態(tài)頻率計算結(jié)果如表1所示，圖2為各階振型。

圖2 保險杠前4階模態(tài)振型圖

表1 前4階模態(tài)頻率與振型描述

路面激勵頻率一般取0～25Hz，發(fā)動機怠速時產(chǎn)生的振動頻率一般為25～27Hz，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗及某主機廠提供的數(shù)據(jù)，保險杠的頻率大于30Hz才能夠避開共振［3］。模型的1階頻率為64.9 Hz，遠離激勵頻率，能夠防止共振發(fā)生。

1.3 局部剛度分析

汽車使用時，要求保險桿能夠承受一定的沖擊，盡量避免內(nèi)部散熱器、燈具嚴重損壞，故應(yīng)重點分析其局部剛度。為防止超出彈性形變范圍，參考企業(yè)標準，載荷大小取50N，節(jié)點共17個?？紤]保險杠為對稱結(jié)構(gòu)，工況加載示意圖如圖3所示。

圖3 保險杠抗凹分析工況示意圖

利用式（1）計算各點局部剛度：

式中：K為剛度；P為作用于結(jié)構(gòu)的力；δ為由于力的作用而產(chǎn)生的位移。保險杠模型局部位移及剛度如表2所示。由表2可知，節(jié)點8～14的局部剛度整體偏小，節(jié)點1～7和節(jié)點15～17的局部剛度較強，即模型上下位置局部剛度較好，中間部位較差。后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)重點提高中間部位抗凹能力。

表2 節(jié)點局部位移及剛度

1.4 低速碰撞結(jié)果分析

汽車碰撞事故多為低速碰撞，根據(jù)GB17354—1988［5］建立碰撞器模型，利用LS-DYNA對原始模型進行正碰、偏置碰撞、60°角碰仿真分析。碰撞器初始速度為4km·h?1，角碰中為2.5 km·h?1，離地高度為445mm；工況1為正中4.0 km·h?1縱向碰撞，工況2為正中偏置300mm、4.0 km·h?1縱向碰撞，工況3為2.5 km·h?1、60°角碰；定義碰撞器與保險杠接觸，動摩擦系數(shù)為0.1 、靜摩擦系數(shù)為0.1 ，配重設(shè)置為1.85 t。碰撞器采用MAT20（剛性），彈性模量為210GPa，泊松比為0.3 ，密度為7.86 ×10??kg·mm?3。

考察材料斷裂失效風險，過大的塑變會引起材料斷裂失效。由圖4可知，保險杠最大位移為63.4 mm，最大塑性應(yīng)變?yōu)?.013 ；防撞梁最大位移為36.2 mm，最大塑性應(yīng)變?yōu)?.13 。參照企業(yè)標準，防撞梁最大變形量不得超過95mm，故碰撞過程中碰撞器未與車體后備廂及其他部件接觸，符合國家安全標準。其他2種碰撞同理，均未發(fā)生干涉，分析結(jié)果如表3所示。3種碰撞中均未對車身及其他部件造成損壞，滿足國家安全標準。

圖4 正碰最大位移和最大塑性應(yīng)變圖

表3 原始模型碰撞分析結(jié)果

2 保險杠模型結(jié)構(gòu)改進及對比分析

2.1 工況確定及拓撲優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

原始模型滿足使用要求，但輕量化程度不夠，因此利用拓撲優(yōu)化對其進行減重設(shè)計。考慮碰撞分析的工況，在拓撲優(yōu)化時采用加載靜力的2種工況，以100N力加載在正碰和角碰位置。圖5為優(yōu)化模型工況示意圖。優(yōu)化模型的設(shè)計變量為設(shè)計空間單元密度，約束函數(shù)為前4階模態(tài)分別不小于64.9 Hz，66.3 Hz，66.5 Hz，66.8 Hz，體積分數(shù)（優(yōu)化后結(jié)構(gòu)體積占原始結(jié)構(gòu)的比例）不大于0.3，優(yōu)化目標是使加權(quán)柔度（應(yīng)變能）最小。計算結(jié)果如圖6所示，應(yīng)變能較集中的區(qū)域是二次設(shè)計時需注意和調(diào)整的位置。

圖5 工況加載示意圖

圖6 單元密度云圖

2.2 結(jié)構(gòu)改進

采用傳統(tǒng)注塑工藝進行制造時易在脫模過程中造成損壞，而3D打印增材制造具有一次成型且無脫模環(huán)節(jié)的特點，故針對3D打印技術(shù)設(shè)計了加強筋［4］，采用“米”字型布置的結(jié)構(gòu)方案，如圖7所示。原始模型厚度為3mm，改進模型蒙皮厚度調(diào)整為1.8 mm，內(nèi)部筋厚度為1.8 mm，其他筋厚度為2mm，高度均為18mm，質(zhì)量由改進前的3.071 kg降為2.794 kg，減重9%。

圖7 優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2.3 改進模型模態(tài)及剛度分析

對改進模型進行模態(tài)分析，與原始模型進行對比，如表4所示，改進模型前4階頻率較原始模型有明顯增高。局部剛度測試結(jié)果及對比如表5所示，改進模型在整體數(shù)值上增大，中間部位即節(jié)點8～14局部剛度提升明顯，故改進模型抵抗彈性變形的能力更強。

表4 改進模型模態(tài)頻率 Hz

表5 改進模型節(jié)點局部剛度 N·mm-1

2.4 改進模型低速碰撞結(jié)果分析

利用HyperWorks/LS-DYNA軟件對改進模型進行碰撞仿真分析，與原始模型對比，如表6所示。由表6可看出，在優(yōu)化后的保險杠保護下，后防撞梁產(chǎn)生的最大位移和塑性應(yīng)變皆有所降低；且碰撞分析中，未發(fā)生干涉，車體及后備廂均未受到嚴重損害，符合國家安全標準。

表6 改進模型低速碰撞分析結(jié)果

2.5 改進模型3D打印處理

改進模型滿足減重要求，且模態(tài)、局部剛度、碰撞安全性能相較原結(jié)構(gòu)均有提高，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。與傳統(tǒng)加工方式相比，3D打印技術(shù)具有不需要模具且能加工任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件、快速成型的特點。根據(jù)零件材料選擇基于熔融沉積成型的3D打印技術(shù)對改進后的保險杠模型進行加工制造，步驟如下：將改進模型導(dǎo)出STL格式，利用CAD進行模型重構(gòu)，并將三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機分層軟件，設(shè)置打印層厚、熱床溫度等參數(shù)進行打印。

3 結(jié)論

在對保險桿進行模態(tài)、局部剛度、低速碰撞的有限元分析的基礎(chǔ)上，進行保險杠的拓撲優(yōu)化和結(jié)構(gòu)改進，通過對比得出結(jié)論：1）在保險杠內(nèi)加設(shè)加強筋后，保險杠模態(tài)、局部剛度相比原結(jié)構(gòu)均有提升，防護性能明顯提高；2）通過加設(shè)筋板、改變厚度的方法可以提高保險杠的局部剛度并減小質(zhì)量；3）將拓撲優(yōu)化與3D打印技術(shù)結(jié)合可實現(xiàn)復(fù)雜零件的創(chuàng)新設(shè)計，對類似零件的設(shè)計有一定借鑒意義。