保险杠低速碰撞性能仿真研究

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欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 一、前言 随着世界汽车保有量的增加及道路交通伤害的不断增长，汽车耐撞性能已经成为汽车设计过程中的重要一环。低速碰撞过程中，减小车辆结构碰撞损伤及改善修复性能的要求，使得车辆前部结构除了必须能满足保护乘员及行人以外，还要尽可能的保护车身的主要框梁结构不受损坏，以降低车辆修复成本。汽车前部保险杠可以吸收低速撞击的能量，缓和外界对车身的冲击，对车体结构起着主要的防护作用。本文按照ECER 42法规要求[1]，对某轿车前部保险杠做了结构碰撞模拟，建立了通用碰撞分析有限元模型，并分析得到了此结构碰撞动力响应特性。 二、碰撞模型低速碰撞计算方法 由于低速碰撞分析属于非线性动态接触变形问题，在此采用显式有限元中心差分法来做多步代入求解计算，有限元方程描述如下[2]： 这里，在时间n时刻，为已知量，再将质量矩阵对角化，即可求得（7）式，从而代入求出各时刻解。 三、保险杠有限元模型的建立 （一）有限元计算模型 以某轿车前部保险杠为分析对象，包括保险杠蒙皮、进气隔栅、泡沫缓冲块，各构件属性见下表1。 按照ECE R42法规要求，碰撞形式分为角度碰撞和中心碰撞，碰撞器分别以2.50＋0.1km/h和40＋0.25km/h的碰撞速度撞击被测量车体前端，要求车体变形要尽可能的小，保险杠后部结构，包括保险杠横梁以及纵梁前端，要尽可能的不变形。 在这里为了简化模型，加快计算速度及模型收敛特性，只抽取前部保险杠结构建模，考察前保各构件变形及吸能效果，以间接考察对车体主要框梁结构的碰撞影响，即前保吸能效果越好，对车体框梁结构损伤越小，当前保吸收能量充分时，可认为对车体其余结构无影响[3]。 碰撞器按照法规要求尺寸建模，见图1 所示。 所建立有限元模型见图2和图3，前保模型采用单点积分BT薄壳单元，单元尺寸为10×10mm，单元数为24380，节点数为23842，碰撞器单元尺寸为前保险杠模型的2倍，采用刚性壳单元，以保证碰撞器在撞击过程中不变形。 （二）本构模型的选择 为简单起见，碰撞器和前保险杠均采用理想的弹塑性模型，碰撞器在计算中使用LS_DYNA中的刚体材料本构模型，保险杠采用“弹塑性＋破坏”材料模型，在材料达到失效应变（承受的应力值超过其抗拉强度）后发生破坏，屈服模型为mises应力屈服模型，失效模型为最大塑性应变[4]。碰撞器和保险杠之间采用自适应罚函数接触，并定义碰撞器为主接触面，保险杠为从接触面。保险杠金属横梁的基本材料特性如表1所示。 （三）时间步长 本文采用显示时间积分有限元算法，它无需组合刚度矩阵或求解系统方程组，每一个时间步都较快，但稳定时间步长受Courant条件限制，即时间步长受到应力波跨越单元所需的时间，求解问题的整个过程一般从几微秒到数十秒。 如上采用中心差分法进行时间积分，可以推导出方程有稳定解的条件是最大的时间步小于临界时间步，即 式中ωmax——固有频率 c——声波在材质中的传播速度 l——单元的特征长度 音速c是材料杨氏模量E、泊松比ν和质量密度ρ的函数，不同维数的单元计算是不同的，对于壳单元来说，音速计算方法为 为减小模型计算时间及保证计算稳定性，还可设定时间步长缩放因子，此缩放因子只在单元尺寸不满足临界阀值时起作用，通常设定为0.9。 （四）沙漏控制 由于此处单元场函数采用单点高斯积分形式计算，因此必然会给单元各场函数带来能量损失，发生所谓沙漏现象。但采用单点高斯积分形式，会带来计算时间约8 倍的下降，因此对于单元数量巨大的有限元模型来说，这有积极的意义。对于低速碰撞中，沙漏能量的损失比例往往更高，因此，必须设置沙漏系数，一般为0.1～0.3。 （五）边界条件处理[5] 由于整车结构相对于保险杠来说，质量要大的多，低速碰撞过程中，可认为车体基本不发生后移，因此将保险杠与车体安装及接触部位统一用rigidbody单元连接，并约束此刚性单元主节点六个自由度，考虑模型振荡原因及整车截面力传递效果，按照实车碰撞对比经验值，在此rigidbody主节点上配重300kg，所建立的有限元模型见图2 和图3。 四、碰撞计算结果的分析 如上图4、图5所示，碰撞中系统总能量几乎没发生任何变化，系统动能和内能变化趋于平衡，这说明计算模型沙漏控制较好，构件间非线性振荡很小。角度碰撞约在75ms的时刻，内能达到最大，之后构件发生弹性回弹，随着碰撞器能量的衰减，保险杠各构件变形逐渐稳定，发生永久塑性变形。中心碰撞系统动能逐渐衰减，由图示可见系统动能并未衰减为零，内能仍成增大趋势，说明构件计算时间不够，碰撞过程仍在继续，最终如同角度碰撞一样，系统动能、内能必趋于平衡。两图对比易知，角度碰撞由于发生在前保折弯处，曲率较大，弯曲刚度也大，因此抵抗变形的能力也强，能量可以很快衰减，碰撞过程较短；而中心碰撞由于前保中间无任何构件支撑，刚度较小，因此发生能量衰减速度较慢，计算时间相对较长。这也说明在保险杠与车身连接位置需要有保险杠金属横梁来做支撑，以保证保险杠适当的刚度要求[6]。目前很多国家行人保护及保险协会对车辆外部结构可修复特性要求，使得对前保外形及刚度的设计越来越重视，某种程度上甚至改变了以往的车辆设计方法。 由图6角度碰撞加速度易知，加速度最大值为3g，发生在内能最大时刻，最大值持续时间约有5ms，100ms之后碰撞器开始回弹，结合图4变形，由于碰撞器动能大多转化为保险杠内能，因此模型开始稍做反弹振荡后，保险杠及碰撞器开始以各自微小速度分离，至此碰撞结束；而观察图7中心碰撞加速度，由于碰撞未完全结束，所以加速度仍以同一个方向加速（X正向），可见此时如无保险杠金属横梁支撑，保险杠变形将加剧，导致低速碰撞中保险杠损坏严重，车辆修复成本升高，同时在做认证试验时，增加了车辆投保金额。这在消费者看来是不能接受的。 图8、图9分别为角度碰撞及中心碰撞时间终了位移，角度碰撞由线接触逐渐变为面接触，因此位移云图呈现由中心向外辐射状态，分布较有规律，并且由于前保弯角处刚度较大，因此总体位移较小；中心碰撞位移较大，分布也较有规律，其中最大值约为角度碰撞的2倍，为110mm；比较图2和图3能量分布曲线，可知，中心碰撞前保变形能约为角度碰撞的2倍，由此可验证此模拟模型的正确性。 下图10和图11为此模拟模型的应力云图，中心碰撞的最大应力值约为54MPa，位置在中心碰撞器与前保重叠面的上边沿，此处也是前保泡沫缓冲块刚度较大处；角度碰撞最大应力值约为49MPa，约在蒙皮折弯尖角处。两值比较，中心碰撞最大应力值稍大，究其原因，是中心碰撞接触变形更充分，碰撞器与前保蒙皮摩擦能量较大的缘故。 五、结束语 1．通过对某车型前部保险杠的模拟分析，建立了所有车型保险杠分析的普适性模型，并且其建模方法可以应用到其他零部件分析当中。 2．目前各国对保险杠低速碰撞都有法规要求，本文只按照相对严格的欧洲法规进行了模拟分析，模拟得到了能量、加速度、变形、应力等随时间变化规律，其结果可反映保险杠结构特性，这对设计具有较强的指导意义。这种分析方法也可满足各国此类法规分析要求。 3．通过有限元模拟，可在车辆开发过程中对保险杠结构进行多轮分析，经济实用。 4．碰撞仿真结果再现了保险杠的整个碰撞过程，模拟结果显示，虽然保险杠系统在法规要求的速度之下产生了较大的塑性变形，但保险杠系统仍有较好完整性，考察应力及能量变化，此保险杠具有较好的耐撞性能。 参考文献 1．黄世霖，张金换，王晓东.汽车碰撞与安全[M].北京：清华大学出版社，2000． 2．钟志华.汽车耐撞性分析的有限元法[J].汽车工程，2000，1994，16（1）：1-6． 3．陈晓东，苏清祖，程勇，等.汽车侧碰移动变形壁障有限元模型的开发[J]. 汽车工程，2003，25（3）：260-263. 4．钟志华，张维刚，曹立波.汽车碰撞安全技术[M].北京：机械工业出版社，2003. 5．薛亮，等.汽车碰撞仿真中的连接失效模拟[J].机械科学与技术，2000，（1）. 6．J.D.R ehkopf，etal.D ynam ic behaviour of anautom otive polyurethane foam under m ultiple com -pression cycles.SA E 940876.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/15/2007)