有限元分析保险杠1

汽车防撞梁的受力及优化分析
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一．前言
汽车前后端所装有的保险梁，其重要之处在于可以在冲撞时吸收能量并保护车身和车内成员安全。

早先汽车的防撞钢梁以金属材料为主，用厚度为3毫米以上的钢板冲压成U形槽钢，表面处理镀铬，与车架纵梁铆接或焊接在一起，看上去十分不美观。

近年来家用车的保险杠主要由加强壳体，吸能材料和加强横梁组成。

fig. 1 保险杠结构 fig. 2 实物图解
由上图可见，在发生高速碰撞时，能起到最大保护作用的是最后一层的防撞钢梁，防撞钢梁大多数由轻质铝合金或钢材制成。

目前防撞钢梁的结构有如下横截面。

fig. 3 大多数防撞梁所采取的结构 fig. 4分析中所采取的结构
一．建立模型并求解
1.先按照图4的横截面绘制防撞梁的三维模型。

fig. 5 防撞梁三维模型
2.用import命令将其导入到workbench中，选择材料并设置材料属性，本次分析中采用铝合金。

弹性模量E=71Gpa,泊松比为0.3
3.
fig. 6 材料属性
3.划分网格，由于三维模型尺寸与实际尺寸相符，为保证求解速度，故网格
单元大小设为5mm，结果如图7所示。

fig. 7 网格划分
4.设置边界条件，如图8所示，在保险梁和车身骨架连接处设置fixed
support ，并在正面设置50吨的力，保持和实际撞击情况相符。

fig. 8 边界条件设置
5.求解结果。

从图9和图10可以看出，铝合金梁是可以承受的住50吨的冲击力，梁的变形量最大有19.857mm ，最大应力4751.8Mpa ，还不至发生破坏。

二． 结构优化
fig. 9变形云图 fig. 10 应力云图
优化分析使用Workbench中自带的shape optimization优化功能，其还处于实验阶段，功能并不完善,但是可以进行简单的结构优化处理。

先进行网格划分，单位为
5mm。

然后设置边界条件，同受力分析一致，这里不在赘述。

优化时要设置重力方向。

fig. 11 重力方向设置
设置同样的加载条件后进行求解，结果如下所示，橘红色的部分为可去除部分，意
为在去除那么多材料后防撞梁还能够承受同样大小的力，并保持变形量一定。

Workbench优化功能默认的材料去除量为20%。

fig. 12 连接处可去除量 fig. 13 梁体可去除量
三．结构改良
汽车保险梁的梁体部分若想不更换材料而承受更大的冲击力，就必须要加强
x方向的约束，这可以最大限度发挥外拱形梁的承力优势。

从优化结果可以看出，汽车防撞梁的关键除了材料以外，还包括连接部位。

现在高档车的防撞梁连接部位均会采用吸能盒来吸收冲击能量。

保险梁之所以能保护乘客因为它不仅耐撞，而且受撞击之后变形能够吸收大部分冲击的能量。

fig. 14变截面吸能盒 fig. 15 修改后的三维模型
由此可见，防撞梁的设计过程应着重考虑到变形量大的部位，有限元分析时可细化局部网格，变形小的地方可以疏化网格，可以大幅度提高效率。

如图16所示的改进吸能盒的受力分析可见保险梁变形加大，其所吸收的能量更多。

有限元优化汽车保险杠
fig. 16 修改吸能盒后的保险梁位移
四．结论
汽车的保险梁的抗撞击能力取决于材料，结构等因素，本次分析主要针对结构。

通过分析可以看出，相同的梁可以在去除20%的材料后仍能承受相同的载荷并且保证应变和应力的数据均相同。

另一方面，汽车保险梁通过变形的方式吸收能量以此保护车内成员的安全，分析中体现了吸能盒结构的不同可以改变保险梁所吸收的能量。

本分析中的吸能盒是一种变截面吸能盒。

受相同的载荷后所吸收的能量是之前对比组的两倍多。