汽车保险杠碰撞有限元分析

汽车保险杠碰撞有限元分析
摘要：本文基于Hypermesh和LS-DYNA软件对保险杠的正面碰撞进行了仿真模拟分析，分析了保险杠的耐撞性，并以计算结果为依据, 对保险杠的结构进行了改进,优化其吸能能力，对深入研究整车正面碰撞的模拟仿真具有重要的参考价值
关键词：保险杠碰撞优化
Abstract: this paper, analyzed from the positive impact bumpers on the simulation ofthe Hypermesh and LS-DYNA software , this paper analyzes the bumper crashworthiness, and put the structure of bumper improved, optimize the absorption ability, and further study the collision of the vehicle positive simulation for important reference value.
Keywords: bumper; collision; optimization
随着轿车的大规模生产和使用, 也由于车速的不断提高, 汽车交通事故的发生率已经大大的增加了。

在汽车交通安全事故中, 出现几率最高的是汽车碰撞, 其中正面碰撞最普遍。

据资料显示,汽车发生正面碰撞的概率在40%左右。

因此, 研究正面碰撞特性, 对降低乘员的伤害非常重要[1]。

而汽车结构中的保险杠是正面碰撞时主要的承载和吸能构件,提高保险杠的吸能能力,可以降低整车碰撞中的加速度,对乘员起保护作用[2]。

因此, 对保险杠吸能特性的研究有着重要的意义。

汽车碰撞是指汽车在极短的时间内发生剧烈碰撞,是一个瞬态的复杂物理过程,它包含结构以大位移、大转动和大应变为特征的几何非线性和各种材料发生大应变时所表现的物理非线性(材料非线性)。

本文针对汽车碰撞中的复杂性,运用数值模拟分析方法将有限元理论和显式动力学理论相结合以研究汽车保险杠的碰撞特性,同时按照乘用车保险杠系统低速碰撞实验规程———SAEJ2319的要求,对某国产汽车的保险杠进行刚性墙的正面碰撞仿真模拟分析,为以后保险杠改进设计以及整车碰撞仿真提供良好的基础。

1.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[3]：
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
（9）
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。

2.保险杠碰撞仿真的基本过程
本次模拟仿真的有限元计算软件选用LS- DYNA, 它是功能齐全的几何非线性求解程序, 以显式求解、结构分析、非线性动力分析为主,但其前处理功能相对较差[4],故本次实验使用了CATIA、Hypermesh和LS- DYNA联合建模求解技术(其整个实验的技术流程参见图1。

使用CATIA建立保险杠的几何模型,然后将该模型导入Hypermesh中进行网格划分,建立有限元模型,并生成关键字文件递交予LS-DYNA软件进行数值计算,计算结束后用LS-DYNA自带的LS-P REPOST后处理程序进行仿真计算的后处理。

图1技术流程图
3. 保险杠碰撞系统模型的建立
3.1几何模形的建立
本文的几何模型是以某国产轿车为原型，在CATIA软件中绘制完成的。

由于汽车保险杠的造型结构较为复杂, 故对保险杠结构形状进行简化,只保留了对碰撞影响较大的零部件, 如:保险杠本体，进气隔栅, 另外,对很多的过渡台阶、加强筋及倒角等结构特征, 它们对吸能特性影响很小, 对其进行简化和删除,以提高效率和改善模型的单元质量。

几何模型如图2 所示。

图2 保险杠的几何模型
3.2 有限元模型的建立
将几何模型通过Hypermesh自带的CATIA 写入端口导入其中, 运用Hypermesh 将保险杠的几何模型转化为需要的有限元模型。

由于保险杠属于薄壁件, 其所对应的单元类型为壳单元类型, 且壳单元能大大降低计算所需要的时间, 并节省内存空间, 故本文选用BT壳单元作为主要的模拟单元。

保险杠模型采用10×10mm的单元进行划分，共有60611个单元和57994个节点。

实际生产中保险杠本体采用PP+EPDM-T10材料，进气隔栅采用了PC+ABS材料。

在hypermesh中建立有限元模型时，材料选用弹塑性材料模型MATL81，其物理特性为：密度2.2e-6kg/mm3，弹性模量210,泊松比0.3，屈服强度120，属性采用SECTION_SHELL建立，本体与隔栅之间采用共节点连接。

有限元模型如图3所示。

图3 保险杠有限元模型
本文按照乘用车保险杠系统低速碰撞实验规程—SAEJ2319的要求,碰撞仿真计算采用的是碰撞速度为8km/h。

接触类型采用的是*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SUFACE 类型。

有限元模型建立好后,生成key(关键字)文件,然后导入LS- DYNA进行计算。

4.碰撞的模拟仿真计算与结果分析
计算结束后, 在LS_DYNA自带的LS_PREPOST中, 对整个碰撞仿真进行后处理。

图4-7显示了四个时刻的应力应变云图,从中可以观察到保险杠在四个时刻的变形情况和所受应力情况。

图4t=7ms时刻的变形状况
图5t=21ms时刻的变形状况
图6t=35ms时刻的变形状况
图7t=51ms时刻的变形状况
根据图4~7保险杠碰撞仿真的变形结果分析可知,碰撞保险杠受到刚性墙的冲击,保险杠发生了较大的塑性变形,直至破坏。

在低速正面碰撞中保险杠受到刚性墙的猛烈撞击,冲击力巨大,横梁产生变形,吸收大部分冲击能量。

可是保险杠在此冲击力的作用下受到的应力超过了材料的屈服极限而发生塑性变形,吸收了大部分冲击能量,直至破坏,这种情况将破坏翼子板、前大灯、散热器、引擎盖等零部件,对车身形成较大的破坏。

所以此保险杠系统在低速撞击时,横梁发生了较大的塑性变形,前纵梁产生压溃破坏,整个保险杠系统的吸能效果未能充分发挥,因此,有必要对保险杠的刚度参数进行调整,提高保险杠系统的吸能特性。

5.碰撞性能的优化及改进
为了提高保险杠的耐撞性,本文选择优化前纵梁结构，并尽量增大中部折弯处截面，使低速碰撞时保险杠与其后面的零部件尽量不发生接触,以保护其后端的翼子板、散热器、发动机罩等关键部件不受损害且使保险杠尽可能多的吸收能量,减小刚性墙对整个车身的剧烈冲击,使吸能特性达到一个更好的效果以更好的保护乘员,提高被动安全性能。

另外一方面也对保险杠的厚度进行了调整，改为2.4mm，以便更好的优化保险杠的碰撞性能。

将修改后的模型按照前面介绍的方法, 对碰撞过程重新进行仿真计算，得到了保险杠的碰撞加速度曲线图，如图8所示。

它与修改前的曲线图有较大的变化,其对比图形参见图9。

由图可以看出,修改后的加速度曲线较前面的加速度曲线平缓。

说明碰撞过程中保险杠所受冲击力有所减少, 保险杠的吸能能力得到了较大的改善, 结构和尺寸的更改取得了成功。

图8 修改后加速度曲线图
图9 修改前后加速度曲线对比
6.结论
本文应用显式动态有限元理论和有限元法,模拟了刚性墙正面碰撞保险杠实践并对保险杠发生碰撞时其变形状况、吸能特性进行了仿真分析，并对保险杠结构进行优化, 得到了基本满足要求的保险杠模型,该模型既提高了保险杠吸
能特性,又减小了保险杠的变形。

该模拟方法对企业设计保险杠时,在缩短设计周期、减少试验次数、节约成本等方面具有非常重要的参考价值。

参考文献
[1] 王瑄,李宏光,赵航,现代汽车安全, 人民交通出版社,2004:P226- P227.
[2] 许亮,胡宁,杨辉, 基于L S—D YNA 的汽车保险杠仿真优化,机械与电子,2007( 5) :P17-2 0.
[3] 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．
[4] 白金泽, LS- DYNA3D 理论基础与实例分析, 科学出版社,2005:P1- P11.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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