多胞结构在汽车前纵梁中的应用研究

多胞结构在汽车前纵梁中的应用研究
多胞结构在汽车前纵梁中的应用研究
口周鑫美口饶建强
华南理工大学机械与汽车工程学院广州510640
摘要:为研究多胞结构在汽车前纵梁中的应用对整车碰撞安全性能的影响,根据中国新车评价规程C—NCAP相
关要求,先后建立了采用单胞结构和多胞结构前纵梁的整车正碰有限元模型,经求解计算,分析,比较了两种形式下的碰
撞安全性,研究结果表明,相比于单胞结构,多胞结构在汽车前纵梁中的应用更有利于提高整车正碰安全性能.
关键词:多胞结构汽车前纵梁碰撞有限元安全
中图分类号:U461.91文献标识码:A文章编号:1000—4998(2010)01—0037—03
汽车发生正面碰撞时,其前纵梁,翼子板,发动
机罩等前部钣金件是碰撞能量的主要吸收部件,其
中以前纵梁的吸能最为突出.试验研究表明,当汽车
发生48km/h的正面碰撞时,其前纵梁吸收了约50%
～
70%的碰撞能量…1.因此,针对汽车正面碰撞的车
身结构耐撞性设计,主要任务便是前纵梁的耐撞性
设计.
传统的前纵梁通常为单胞,直梁形式,其吸能特
性及对汽车正碰安全性能的影响,国内外均有大量
学者进行了系统,深入的研究;多胞结构是近年来所
提出的新型吸能结构,文献[2】和[3]中,笔者分别对
独立的单胞和多胞直梁,多胞结构中的蜂窝形和方
管组合形直粱进行了碰撞仿真研究,结果表明,相比
于单胞结构,多胞结构直梁的碰撞过程更加平稳,吸
能量更大.
然而,多胞结构在汽车前纵梁中的应用及其对
整车正碰安全性能的影响,目前国内还未见报道.为此,本文先后建立了采用传统单胞构型和新型多胞
构型前纵梁的整车正面100%重叠刚性壁障碰撞有
限元模型,经求解计算,分析,验证了多胞形式前纵
梁的优越性.
1有限元模型的建立
参照中国新车评价规程C～NCAP的相关规定,本
文在hypermesh环境下的ls—dyna面板中,建立了整车正碰有限元模型(如图1所示).汽车初速度为5Okm/h, 为节约计算时间,取汽车与刚性墙距离为5mm时刻为初始分析时刻.
汽车结构主要由底盘和车身骨架组成,相对来说,
汽车玻璃,车身附件和非承载件等对整车正碰安全性能的影响很小,因此,在建模过程中需要进行必要的简化处理;材料,单元属性,接触及边界条件等有关信息
收稿日期:2009年8月
机械制造48卷第545期
的定义对模型的仿真结果影响很大.以上相关信息的设置如下…:
1)车身附件,备胎,电瓶等用质量单元直接创建
在相应的节点上.
2)发动机,变速器,传动轴在侧翻过程中变形量很
小,为节约计算时间,将其定义为刚体★mat—rigid. 3)除发动机,变速器,传动轴,轮胎和车桥采用体
单元进行模拟外,车身和底盘构件大多为薄壁梁或薄板结构,故采用壳单元模拟.
4)车身骨架,底盘等主要部件,采用多线段弹塑
性材料模型六mat—piceewise—linear—plasticity进行定义,材料类型为Q235,其材料参数如表1所示:
表1Q235材料参数
密度p弹性模量泊松比屈服极限强度极限
/(t/m)E/(GPa)/(MPa)/(MPa)
7.8621OO.3235386
对于弹塑性材料,应变变化的快慢会影响到材料
的塑性行为.考虑到应变率的影响,本文采用Cowper —
Symonds方式,屈服应力计算如下].
=
[1+(—等)古](O-o+卢(1)
乙
式中:≥表示应变率;C,P为应变率参数(本文取C= 40,P=5);O-o,/3,Es分别表示静屈服应力,硬化系
数,塑性硬化模量,有效塑性应变.
5)边界条件包括速度和载荷的施加.速度和载荷
2010/1圆l
分别用六initial—velocity和-A-load—body—z进行定义.
6)在本模型中,接触主要发生在车体与刚性墙,
轮胎与水平地面以及车体本身之间.各接触分别采用★rigidwall—planar—id,火rigidwall—planar—id和★contact—automatic—single—surface—id进行定义.
此外,为了对沙漏,时步,输出信息等进行有效控
制,一些控制卡片,如六control—timstep,★control—hourglass的设置是必要的.最终模型单元总数约140 万,其中三角形单元占3.8%,符合约定.
2数值仿真及结果分析
整车的正碰模拟是一个典型的包含几何非线性大
变形,材料非线性和接触非线性的动态非线性求解问题,因此,本文采用在汽车碰撞方面十分着名的通用显式动力学分析软件Ls—dyna对其进行求解,求解时间0.16s.采用了传统单胞结构前纵梁的整车模型计算
结果及分析如下.
2.1整车变形结果分析
仿真结果表明,碰撞过程中,变形主要发生在汽车
前端构件,其中单胞结构前纵梁的轴向压溃变形吸收了大部分能量;发动机罩在诱导槽的作用下,中部发生了弯折变形,如图2所示.
在本次分析中,主要以A柱与B柱的相对位移
量,转向柱中心后移量和上移量,刹车踏板侵入量,前挡板侵入量为安全性评价指标,各侵入量时间历程曲线如图3所示.
由图3可以看出,各侵入量在0.02～0.06s之内
的碰撞初始阶段,其数值均比较小,这是因为此阶段
车体变形主要发生在汽车前纵梁,大部5Y碰撞能量亦通过前纵梁的压溃变形得以吸收;0.06s后,前纵
梁的压溃变形基本结束,碰撞能量使各侵入量迅猛
增长.
总体看来,采用单胞结构前纵梁的整车模型,其各
侵入量的峰值均比较大,前纵梁的压溃阶段短,变形不够充分.
a)O时刻
c)20ms时刻d)30ms时刻
▲图2整车变形时序图
2.2能量分析
能量的转化贯穿于正碰的整个过程:车体动能转
化为地面与车体摩擦力所产生的热能及车体塑性变形能.由于碰撞过程中车体在地面上位移较小,所以在整个分析过程中,由地面摩擦力所产生的热能转化可忽略不计.因此,整车正碰过程中的能量变化可简化为车体动能转化为材料塑性变形能.
若采用单点高斯积分进行求解计算,沙漏现象不
可避免,一般认为,沙漏能若小于5%,求解可靠.图4是本模型各种能量的变化曲线,其中沙漏能约占
4.645%,所以本模型的求解过程是可以接受的.
2.3加速度分析
加速度的大小可直接反映出碰撞过程中车体以及
乘员所受冲击载荷的大小,理想的加速度历程曲线应该是在峰值加速度不超出人体承受极限的前提下,波动尽可能小.在碰撞过程中,后门槛中部位置变形相对较小,其运动过程受其他因素的干扰较小,因此,以后
门槛中部的加速度曲线来代表整车加速度a进行5Y 析(如图5实线所示),由图可知,碰撞前和碰撞后期,加速度数值波动较小,最大加速度约为500m/s,发生在0.07S时亥Ⅱ.
3改进设计
量
昌
\
<
3E
1E
O0.020.040.06O.O8O.1O0.120.140.16
时间/s
▲图3各考察点侵入量时间历程曲线
O0.020.040.060.080.1OO.120.14O.16
时间/s
▲图4碰撞过程中系统能量变化历程睦线
}圆2010/1机械制造48卷第545期
距
21
I.\避
\
景
ljl{ll
斗1斗;;C
lIli,{l}…..蔽并苦I
i^l辩iI…l～…,一……了一一,ll{l
…
0—一}m～r十一.
:
.
li{}l{l,\.
Ijll{1.;
00.020.040.060.080.100.120.140.16
时间/s
▲图5碰撞加速度时间历程曲线
由以上分析可知,由于单胞形式的前纵梁结构在
正碰过程中变形不够充分,吸能量小,整车各侵入量指标及加速度均出现了较大的峰值.为改进其吸能特性并验证多胞结构的优越性,现对该车前纵梁单胞形式的前端结构及吸能盒作改型设计,改型后的结构为蜂窝型多胞结构(见图6),材料为铝合金.
实验表明,薄壁结构在轴向压溃力作用下,其碰撞
加速度峰值n…有可能出现在两个时刻:吸能结构刚发生皱曲或压缩终了密实化的时候.对于前纵梁,碰撞加速度峰值口…的大小直接决定了碰撞过程中汽车安全性能的主要评价指标——人体头部损伤值HIC的大小,因此,本文以加速度指标.对改型前后汽车正
碰安全性能进行分析比较.
更加平稳,有效地吸收碰撞能量是前纵梁设计的
首要目标.理想的前纵梁吸能特性要求其具有前柔后刚的刚度匹配形式,并且在吸能量足够大的前提下,峰值碰撞力尽可能小.由图5可以看出,在正碰过程中,该模型的峰值加速度口…出现在前纵梁压溃变形终了并开始密实化的0.07s时刻,改型后的加速度指标得到了一定程度的改善,峰值加速度口…=475m/s,比改
型前降低了约5%.
刚性墙反力时间历程曲线也在一定程度上反映了
模型的碰撞安全性,由图7可知,经改型设计后,刚性墙反力峰值也有一定的减弱.
总体看来,采用多胞结构汽车前纵梁后,整车碰撞
加速度峰值有所降低,碰撞性能得到提高.
4结束语
通过建立整车正面碰撞有限元模型并求解计算
可以发现:前纵梁的结构形态对正碰安全性能有比
较大的影响;相对于传统的单胞结构前纵梁,采用了
多胞结构前纵梁的整车模型碰撞更加平稳,在总吸
机械制造48卷第545期
▲图6汽车前纵梁吸能盒的改型设计
时间/s
▲图7碰撞过程中刚性墙反力时间历程曲线
能量基本保持不变的基础上,峰值加速度更小;因
此,可以说多胞结构在前纵梁中的应用是有利于提
高其碰撞安全性能的.汽车前纵梁的材料,截面形
状,板厚对其吸能特性也有很大的影响,在后续的工
作中,可以在多胞结构的基础上,对前纵梁上述影响
因素做进一步的优化,以期达到最佳的碰撞吸能特
性.
参考文献
[1】McNayII,GeneH.NumericalModelingofTubeCrashwith ExperimentComparison[C】.SAEPassengerCarMeetingand Exposition,Detroit,1988.
【2】侯淑娟.薄壁构件的抗撞性优化设计[D】.长沙:湖南大学, 2007.
[3】高广军,姚松.车辆薄壁结构撞击吸能特性研究【JJ.铁道
机车车辆,2002(2).
【4】饶建强.车身薄壁管件耐撞性研究及截面优化[D].广州: 华南理工大学,2009.
(编辑功成)
2010/1J。