汽车简易保险杠碰撞特性分析概要

汽车简易保险杠碰撞特性分析
于学兵
栗荫帅(大连理工大学能源与动力学院,大连116023
Crashworthiness analysis of a simple-structured bumper
YU Xue-bing ,LI Yin-shuai (Dalian University of Technology ,Dalian 116023,China
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【摘
要】有限元法已经广泛应用于车身结构设计中,这里利用非线性有限元软件LS-DY-
NA 对某一简易保险杠进行了正面刚性墙碰撞分析,得出一重要结论;同时,对该保险杠进行了
试验法规模拟,并对结构进行修改,在满足法规要求前提下,减小了结构质量。

关键词:保险杠;抗撞性;有限元法
【Abstract 】Finite element method (FEM has been widely used in vehicle structure design ,the
frontal rigid-wall crashworthiness of a simple-structured bumper is analyzed by the nonlinear FEM soft-ware LS-DYNA ,and an important conclusion is
reached ;Meanwhile ,analyses based on the crash law are also launched ,including some changes of the structure ;Finally the bumper's weight is reduced while in accordance with the crash law .
Key words:Bumper ;Crashworthiness ;Finite element method (FEM
中图分类号:TH12,V46
文献标识码:A
*来稿日期:2007-04-21
文章编号:1001-3997(200802-0010-03
在车辆碰撞安全事故中,绝大多数都涉及到保险杠系统,因
此国内外对汽车保险杠的研究越来越多。

目前,研究主要集中在合理选用缓冲材料和合理设计缓冲结构方面。

利用原有材料对保险杠的结构进行改进,增强了保险杠吸能能力;同时按照GB 17354-1998
《汽车前、后端保护装置》法规对其进行了碰撞模拟。

计算中采用ANSYS 作为前处理器进行建模和加载,然后用
LS-DYNA 作为求解器进行求解,最后用LS-PREPOST 进行后
处理。

1碰撞问题计算方法
1.1碰撞接触算法
最常用和有效的碰撞接触算法是罚函数法,它在每一个时间步首先检查各从节点是否穿透主面,如没有穿透不作任何处理;如果穿透,则在该从节点与被穿透主面间引入一个较大的界面接触力,其大小与穿透深度、主面的刚度成正比。

这在物理上
相当于在两者之间放置一法向弹簧,以限制从节点对主面的穿透。

在罚函数法中"对称罚函数法"则是同时对每个主节点也作类似上述处理,它由于具有对称性、动量守恒准确,不需要碰撞和释放条件,因此很少引起沙漏效应,噪声小。

此外,对称罚函数法在每一个时间步对从节点和主节点循环处理一遍,算法相同。

下面以从节点为例详细描述该算法的基本步骤:
(1搜索所有从动点,确定从动点是否穿透主面。

(2如否不作处理,搜索结束;如是则在从节点与主面上的接触点间附加一法向接触力Fn 。

(3处理摩擦力。

(4将接触力Fn 和摩擦力投影到总体坐标,组集到总体载荷向量中。

1.2显式动力分析的特点
碰撞问题采用显式差分算法,用中心差分法在时间t 求加速度,此时加速度表达式如下:
{a t }=[M]-1
([F t ext ]-[F t int ]
(1
式中:[F t ext ]—施加外力和体力矢量;[F t int ]—内力矢量,其表达式为:
F int =#
!
$
B T "n d !+F h %&
g +F com tact
(2
式中:F hg —沙漏阻力;F com tact —常量力。

速度与位移用下式得到:
{v t+△t/2}={v t-△t/2}+{a t }△t t (3{u t+△t/2}={u t }+{u t+△t/2}△t t+△t/2
(4
式中:△t t+△t/2=12
(△t t +△t t+△t
新的几何构形由初始构形加上{x o }获得:
{x t+△t }={x o }+{u t+△t }(5
2保险杠正面刚性墙碰撞分析
模拟中采用的简易保险杠由横梁、连接板和支架三部分组成。

其中横梁长1200mm ,宽60mm ,高100mm 。

此外为了连接方便,横梁边缘多出10mm 的凸边;连接板为边长120mm 的方形平板;支架为横截面边长65mm ,长400mm 的方形梁。

2.1单元、
材料选取和实常数确定在结构碰撞性模拟中一般采用显式薄壳单元shell163来对梁结构进行模拟,薄壳单元算法选用Belytschko-Wong-Chiang ,其特点是适合大变形和屈曲分析;模拟中保险杠材料全部选用双线性应变率相关塑性材料,密度
7850kg/m 3,弹性模量2E11Pa,屈服强度2.35E8Pa ,剪切模量9.5E8Pa ,泊松比为0.3,应变率系
第2期
-10-
2008年2月
Machinery Design &Manufacture
机械设计与制造
数C 取40,P 取5;横梁壁厚选为3mm ,连接板壁厚为2mm ,支架壁厚为
1.5mm 。

2.2几何模型建立和有限元网格划分
在ANSYS 中建立保险杠几何模型,然后对其进行映射网格划分。

单元大小选为10mm ,共生成6595个节点和6414个单元,模型中各部件连接采用共节点法。

保险杠有限元模型如下图:
图1保险杠模型
2.3其它参数设定
模拟中采用质量为1000kg 的刚性墙以5m/s 的速度对保险杠进行正面碰撞,过程中约束支架后端节点所有自由度;碰撞中接触算法采用自动单面接触,接触系数中动摩擦和静摩擦系数均选为0.15。

2.4模拟结果与结果分析
保险杠的变形过程图(侧视图如下:
(a t=0ms (b t=20ms
(c t=40ms
(d t=100ms
图2保险杠变形过程
由上面保险杠变形图可以看出:在正面碰撞中变形主要集中在连接板和支架上,而横梁只有很小变形。

碰撞过程中各部件吸能随时间变化曲线如下:
图3保险杠各部件吸能曲线(A-横梁和连接板
B-支架
由上面保险杠吸能曲线可以看出:在碰撞进行到10ms 以后,横梁和连接板内能就不再增加,而支架内能开始增加直到碰撞结束。

这说明轻微碰撞中保险杆横梁和连接板起主要吸能作用,而严重碰撞中保险杠后部零件起主要吸能作用。

2.5保险杠改进
由图3可以看出此保险杠横梁和连接板部分吸收能量很少,但一般设计要求保险杠保险杠在低速碰撞中要有一定吸能能力,而且越大越好,所以这里有必要对其进行改进。

2.5.1改进方法
由图2可看出碰撞中连接杆撞入横梁中空部位一段距离,这段距离可以用来安装吸能材料来增加保险杠吸能能力。

本设计在中空部为增加一段与支架等截面的添充梁,其壁厚取为1mm 。

2.5.2改进后碰撞结果
对改进后结构进行与原结构相同条件下的碰撞模拟,其变形结果如下:
图4改进后保险杠变形过程
改进前后碰撞过程中各部件吸能随时间变化曲线如下:
图5保险前端杠部件吸能曲线(A-改进前
B-改进后
由上图可以看出:在加装了填充梁后,保险杠前部结构的吸能能力明显提高,提高量接近改进前的1/3,而且质量增加很少,更好的起到了保护其后部结构的作用。

3保险杠试验法规模拟
GB 17354-1998
《汽车前、后端保护装置》中对车辆保险杠的碰撞性能提出了具体要求,这里根据法规要求对保险杠的碰撞安全性进行模拟。

3.1法规要求
汽车前后端保护装置中对车辆规定:车辆应处于停止状态,前轮应处在直行位置,制动器应松开,变速器挂空档,轮胎应按制造商规定的气压充气车辆的碰撞速度应控制在4Km/h 。

汽车前后端保护装置中对碰撞器(重锤规定:碰撞器应结构坚固,其撞击头材料为淬火钢,碰撞器表面有具体形状,碰撞的有效质量应与试验车辆的“整车整备质量”相等,碰撞器的A 平面应保持垂直,而基准线则应保持水平。

3.2原型保险杠碰撞过程模拟
3.2.1整车质量模拟
由于法规中规定保险杠试验是在整车上进行的,所以在模
l n t e r n a l E n e r g y (J (E -3
1086420
0.02
0.040.06 0.08 Time (s B
B
B
B
A A
A
A
B 43210
00.02 0.040.06 0.08 Time (s B
B
B
B
B
A
A
A A
l n t e r n a l E n e r g y (J (E -3
第2期-11-
于学兵等:汽车简易保险杠碰撞特性分析
拟中要体现出整车质量。

模拟中设定整车质量为2ton ,采用
mass166集中质量单元把整车质量加载在保险杠支架后端,这
样不但体现出了整车质量,而且减少了计算时间。

3.2.2碰撞器
(重锤模拟重锤采用刚性体shell163壳单元进行建模,其前部形状按照法规中规定形状设计,然后在其后部加载mass166质量单元,使其与整车质量一致。

3.2.3约束条件和地面摩擦力处理
由于法规规定试验时车辆制动器松开,而且车轮放正,所以模拟中只约束支架末端节点两个方向自由度,使得在碰撞方向保险杠可自由移动;同时取地面动摩擦系数为0.01,根据动摩擦力公式算出摩擦力为200N ,将此力加载在保险杠支架末端,其方向与锤击方向相反,从而模拟碰撞方向车轮与地面摩擦力。

3.2.4模拟结果和数据处理
碰撞器和保险杠的撞击过程图(俯视图如下:
图6撞击过程
碰撞过程中系统各能量变化过程如下图:
图7系统能量变化过程
(A-总能
B-动能
C-内能D-沙漏能
由上图可以看出:系统总能在不断减少,这是加栽在支架后端的摩擦力作用的效果,验证了摩擦力的存在;系统动能减少和内能增加也是与事实一致;由于增加了系统体积粘度的控制,沙漏能非常小,保证了结果的精确性,这是我们希望看到的。

在《汽车前、后端保护装置》法规中只是规定车灯等部件的破坏与否来对结果进行评价,而没有做具体数据上的规定,所以本模拟中以横梁最大变形量为评价指标。

由结构对称性和撞击位置可知:横梁中间一排节点的变形量最大,所以取其中一个节点在碰撞方向的变形量为研究对象。

由于没有约束车架碰撞方向的自由度车架既有刚体位移又有几何变形,而且程序记录的是节点相对于它本身初始位置的位移,这样一来想要求得它的变形量就需要一个相对参照。

因为在试验中支架基本没有变形,所以这里以支架最前端节点为参照。

对中间节点和参照点的位移随时间变化曲线进行相减操作便可得到横梁中间节点的变形
量时间历程曲线,其结果如下图:
图8中间节点变形量-时间曲线
由图可看出:横梁中间节点在40ms 时发生最大形变,此形变包括弹性和非弹性两部分,此后弹性形变逐渐恢复为零,过程在60ms 时结束。

由于这两个变形量都相对较小,所以可判定此保险杠能达到法规要求。

3.3保险杠轻量化设计
根据上面保险杠碰撞结果可以得出结论:此保险杠有改进余地,这里对横梁钢板厚度进行了几组改变,并分别对各组进行模拟,然后以横梁中点变形量为评价标准对其进行比较。

各组数据及结果如下表:
表1几组设计比较
由上表可以看出:随着横梁厚度降低,最大变形量和最终变形量都有所增加,当降到1.5mm 以后变形量显著增加,这是不希望看到的,所以结构可以取第三组或第四组数据,这样既可以减小整体重量,同时满足碰撞法规要求。

4结论
通过对某一简易保险杠正面刚性墙碰撞模拟,分析出其前部结构吸能能力的不足,并对结构进行了改进,在没有增加外围尺寸的前提下,很大程度上提高了其前部结构吸能能力;然后对此保险杠进行了碰撞法规模拟,巧妙的提出了整车质量和地面摩擦力的处理方法,给同类试验模拟提供了重要参考,同时也给出了结果的评价方法,在第一次改进的基础上又对原结构进行了厚度改变,在满足法规要求的前提下减轻了此保险杠的质量。

参考文献
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6张维刚,钟志华.汽车正碰吸能部件改进的计算机仿真.汽车工程,2001 (22520151050-5X -d i s p l a c e m e n t (m (E -03
0.02
0.040.06
0.08
0.1
Time
(s 各组
第一组第二组第三组
第四组
横梁厚度(mm3321.5
有无吸能材料没有有有有
最大变形(mm26.318.321.328.3
最终变形(mm
19.812.917.223.5
E n e r g y
(J (E -30
0.02
0.040.06
0.08
Time (s 1.41.210.00.60.40.20B A A
A
A
B C
C
C
C
B
B
B C D
D D
D D
No.2
-12-Feb.2008
机械设计与制造。