田國富,，楊成國
?。ㄉ蜿柟I(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）
摘要：在低速碰撞中對某車型的汽車保險杠進行仿真分析,，對保險杠模型進行簡化,，利用HyperMesh建立有限元模型,再提交給LS-DYNA進行計算,，使用HyperView對碰撞結(jié)果進行處理得到相關(guān)響應(yīng)參數(shù),，并對響應(yīng)參數(shù)進行結(jié)果分析，進而確定在汽車保險杠發(fā)生低速碰撞時其最主要吸能的部件以及吸能部位的響應(yīng)特性,，為保險杠設(shè)計提供理論基礎(chǔ),。
關(guān)鍵詞：汽車碰撞；保險杠,；仿真分析,；吸能
中圖分類號：U461.91;TP20文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.03.007
引用格式：田國富，楊成國.汽車前保險杠緩沖吸能結(jié)構(gòu)低速碰撞仿真分析［J］.微型機與應(yīng)用,，2017,36（3）：23-25,，28.
0引言
隨著汽車交通事故數(shù)量的逐年上升，作為保護人身財產(chǎn)安全的汽車安全工程已經(jīng)引起了人們高度的關(guān)注與重視,。汽車安全包括主動安全和被動安全兩種方式,，而目前被動安全仍然是汽車安全最主要的方式，在被動安全中汽車保險杠作為主要結(jié)構(gòu)部件之一對車輛碰撞安全性能具有重要的影響,，因此研究汽車保險杠橫梁的碰撞特性,對于提高汽車碰撞安全性具有重要的意義,。在汽車碰撞過程中,既有幾何非線性又有物理非線性, 復(fù)雜的碰撞接觸與摩擦問題也存在于汽車碰撞過程中。因此,汽車碰撞性能的研究已經(jīng)遠遠超出了理論解析的范疇,必須借助于試驗與數(shù)值分析方法［1］,。
1汽車保險杠概述
保險杠是汽車被動安全重要的零部件,，當汽車發(fā)生低速碰撞（一般小于10 km/h）時，可以通過保險杠的變形吸收碰撞中的能量,，有效地保護發(fā)動機艙室內(nèi)的零部件,，同時對行人有最大程度的保護作用。由于保險杠系統(tǒng)在低速碰撞和行人保護這兩個方面起著關(guān)鍵性的作用,，因此是國內(nèi)外汽車被動安全領(lǐng)域中的一項重要研究內(nèi)容,。世界各國也都對保險杠的耐撞性有具體的法規(guī)和試驗規(guī)范要求［2］。
保險杠一般是由外板,、緩沖材料和橫梁三部分組成,。其中外板和緩沖材料用塑料制成，橫梁用厚度為1.5 mm左右的冷軋薄板沖壓而成U形槽,。
圖1保險杠結(jié)構(gòu)圖為了便于有限元分析,，本文所研究的保險杠系統(tǒng)經(jīng)過簡化處理得到模型，如圖1所示保險杠結(jié)構(gòu)圖由三部分組成：橫梁,、吸能盒和車身等效鋼板（可以將保險杠后部分整車視為剛性板賦予整車的質(zhì)量）,，其中橫梁和吸能盒支架都可作為緩沖吸能元件,，其吸能好壞直接影響汽車安全性能。
2汽車碰撞仿真有限元理論基礎(chǔ)
2.1汽車碰撞過程中的非線性特性
非線性分析問題是指結(jié)構(gòu)的剛度隨其變形而改變的問題,，在一個非線性系統(tǒng)中,，系統(tǒng)的響應(yīng)與所施加載荷之間已不再是線性關(guān)系。
在汽車碰撞仿真模擬中有三種非線性情況［34］,，分別是幾何非線性,、材料非線性和邊界非線性(即接觸非線性)。
2.2沙漏控制
為節(jié)省計算機分析時間,，在 LSDYNA 中通常使用縮減積分單元進行非線性動力分析,，但是縮減積分可能引起零能模式或稱沙漏模式［5］。所謂零能模式,，指單元在不消耗任何能量的情況下可以隨意發(fā)生彎曲或剪切變形,。分析過程中產(chǎn)生的沙漏變形往往會使得分析結(jié)果無效。沙漏現(xiàn)象只產(chǎn)生于實體和四邊形單元,。在整車碰撞模型中,，90%以上的單元是由四邊形和實體單元組成的。如果不對沙漏進行控制,，結(jié)構(gòu)的整體剛度將變小,，從而使得仿真結(jié)果毫無意義［6］。
2.3碰撞接觸的定義
利用計算機模擬汽車碰撞時需提前對接觸進行設(shè)置,。汽車碰撞時的主要接觸形式有變形體與變形體之間的接觸,、變形體與剛體之間的接觸以及變形體內(nèi)部之間的接觸。對于這些接觸,，在碰撞仿真中分別采用節(jié)點對面的接觸,、面對面的接觸和單面自動接觸來定義。正確定義碰撞接觸是準確進行碰撞仿真的必要條件,。
2.4時間步長控制
時間步長為每一步有限元積分的時間長度,。時間步長過大，會使計算不穩(wěn)定,，導(dǎo)致模擬計算精度下降,。因此，必須對時間步長進行控制,。
3汽車保險杠有限元模型建立
在導(dǎo)入的CAD模型中,，將保險杠橫梁和吸能盒四邊形網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為10 mm，后鋼板和剛性墻壁的網(wǎng)格單元尺寸為20 mm,，吸能盒與橫梁采用焊點連接,，吸能盒與后板采用剛性連接，保險杠與墻壁接觸定義為面面接觸,，碰撞速度根據(jù)法規(guī)設(shè)定為4 km/h,，為后鋼板上配重1 600 kg的mass點,用于模擬整車質(zhì)量,，具體流程如圖2所示。
3.1導(dǎo)入模型
將設(shè)計好的保險杠CAD模型通過Import命令導(dǎo)入HyperMesh,。
3.2幾何清理
利用幾何清理工具Quick edit,、Edge edit、Surface等命令將CAD模型中重復(fù)和多余曲面刪除,，建立丟失的曲面,，合并自由邊。以便得到質(zhì)量好的網(wǎng)格,。
3.3劃分網(wǎng)格
本保險杠為薄殼結(jié)構(gòu),，采用殼單元,，由于碰撞過程中保險杠橫梁和緩沖吸能盒是主要的變形吸能結(jié)構(gòu),，對其響應(yīng)特性進行重點分析，因此將保險杠橫梁和吸能盒網(wǎng)格劃分得細一些,，將其單元尺寸設(shè)置為10 mm,，對次要分析部件如后鋼板和剛性墻單元格設(shè)置為20 mm。
按照從小到大的順序劃分網(wǎng)格,，同時要盡量保證所劃分網(wǎng)格主要為四邊形,，然后點擊保存。得到如圖3所示的保險杠有限元模型,。
3.4汽車保險杠有限元模型加載條件
對各零部件進行網(wǎng)格劃分以后,，對零部件設(shè)置材料和屬性，并進行相應(yīng)的鏈接,、加載,、約束并設(shè)置計算控制參數(shù)，之后即可完成模型建模生成K文件,，提交LDDYNA求解器計算,。
(1)連接設(shè)置
①新建一個沒有材料和屬性的Components,，為后續(xù)設(shè)置焊點做準備,。
②點擊Spotweld工具,，利用焊點將吸能盒內(nèi)外板與橫梁連接起來,，焊點間距約為40 mm,吸能盒靠近后鋼板的焊點距后端不小于2個網(wǎng)格，以免影響下一步吸能盒與后板的連接受到破壞,。
?、墼诘退倥鲎仓形芎泻蠓酱碚嚨囊詣傂园鍨橹鳎虼宋芎信c后方剛性板的連接可以用剛體連接實現(xiàn),。
利用Elements工具,，選中吸能盒后方一圈網(wǎng)格,，點擊move，將后一圈網(wǎng)格移動到后方剛板上,，通過這種方法使吸能盒與后板剛性連接,。
（2）配重和接觸設(shè)置
?、傩陆ㄒ粋€沒有材料和屬性的Component,，為后續(xù)的配重接觸做準備。
?、谠贛asses菜單中,，將mass后的空格填入0.3。在每個節(jié)點上賦予0.300 kg的質(zhì)量（總共約1 600 kg）,。
?、墼贏nalysis菜單中建立一個名字為Contact的文件,然后將保險杠與碰撞墻的接觸定義為Surface to Surface接觸。
(3)約束和加載設(shè)置
?、龠M入Analysis菜單,，利用Constrains工具中nodes命令，選中碰撞墻然后激活Create命令,，從而將碰撞墻的節(jié)點全部約束為固定模式,。
②在工具欄Loadcols菜單中,，建立一個initialVel的加載,，按照ECE R42 法規(guī)要求，設(shè)定的參考碰撞速度為4 km/h,。
(4)計算機參數(shù)設(shè)置
?、龠x取保險杠正后方中間節(jié)點、保險杠吸能盒正后方板上中心節(jié)點作為此output創(chuàng)建輸出文件,。
?、谠赾ontrol cards設(shè)置菜單中，設(shè)置以下幾種計算參數(shù)：control_energy,、control_hourglass,、control_shell，在關(guān)鍵字control_termination菜單中設(shè)置［ENDTIM］參數(shù)為0.050,，關(guān)鍵字將計算時間長度設(shè)為50 ms,。
③設(shè)置關(guān)鍵字在［TSUMIT］和［DT2MS］分別為1e-5和-1e-5,其他用默認值,，［DT］關(guān)鍵字設(shè)置為0.002 5,。該關(guān)鍵字將每個D3plot文件輸出間隔設(shè)為2.5 ms。
圖4保險杠變形圖④database_option設(shè)置為10e-5，將Binary Options選為ASCII-BINARY,因此可同時使用ASCII碼和Binary輸出文件,。
?、荽蜷_Export功能菜單輸出名稱為count.k的文件。
(5)提交計算
打開LS-DYNA,，在Input File 欄填入K文件路徑及文件名,，單擊右上方RUN按鈕即可開始該文件的求解計算。
4保險杠碰撞動力響應(yīng)特性分析
利用HyperView后處理器對保險杠的碰撞結(jié)果進行查看分析,。
4.1保險杠模型變形吸能分析
利用HyperView查看分析結(jié)果,，得到保險杠在0～50 ms之內(nèi)的變形過程如圖4所示。
經(jīng)過觀察分析圖4中保險杠形狀變化,，在0～25 ms之間保險杠橫梁與碰撞墻逐漸接觸,，保險杠橫梁由彎曲變得平直，此過程保險杠橫梁主要以彈性變形為主,，通過橫梁的彈性變形,，將碰撞初始時間段的動能轉(zhuǎn)化為彈性勢能。在25～50 ms時間段,，隨著橫梁與碰撞墻進一步的接觸,，橫梁受到碰撞墻給的反向力逐漸加大,，超過了橫梁的屈服條件,，此時保險杠的橫梁向內(nèi)部有一個大的折彎，通過不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形吸收了低速碰撞后半段的動能,。在整個低速碰撞過程中保險杠橫梁變形較大,，吸能盒變形很小。主要是由于在碰撞過程中,，保險杠橫梁先與碰撞墻發(fā)生接觸,，系統(tǒng)的動能先轉(zhuǎn)化為保險杠橫梁變形的勢能，橫梁的變形很大,，吸收大部分動能,，因此系統(tǒng)動能逐漸下降，同時由于低速碰撞的速度較低,，在吸能盒大變形之前碰撞過程幾乎停止,。保險杠橫梁的變形較大，吸能盒的變形較小,，說明保險杠的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,。圖5保險杠位移云圖
4.2位移云圖變化分析
由于汽車碰撞分析中正面碰撞分析是主要分析方向，設(shè)保險杠系統(tǒng)的運動速度為4 km/h,，方向為沿X方向,。圖5為保險杠系統(tǒng)的碰撞位移云圖。
經(jīng)過分析圖5的位移云圖可知，在碰撞過程中,，保險杠橫梁中間部分的云圖顏色由深變淺,，再由淺變深，這一過程說明保險杠的橫梁先是向著碰撞墻移動,，在與碰撞墻開始接觸后,，受到剛性墻的阻擋，位移不再增加,，隨著碰撞的繼續(xù),，當橫梁受到剛性墻的力大于屈服條件時，發(fā)生塑性變形,，開始沿著X負方向折彎運動,，這一過程導(dǎo)致了橫梁的負方向位移開始增加，同時導(dǎo)致正向總體位移減少,，這一變化過程與保險杠低速碰撞實際過程相符,。
4.3位移-時間和速度-時間曲線變化分析
在保險杠橫梁中部選取某節(jié)點（節(jié)點4050）作為輸出對象，得到該節(jié)點的位移時間和速度時間曲線,，然后對曲線進行分析,。如圖6、圖7所示,。
分析圖6的曲線：在0～5 ms區(qū)間,，該節(jié)點位移與時間呈線性增加；在8 ms時曲線達到最高點,，說明此時保險杠橫梁開始與剛性墻接
觸,；在8～15 ms之間曲線總體呈下降趨勢，說明這一階段橫梁在向X負方向壓縮變形,；然而在接下來的15～50 ms時間段,，曲線又開始一小段上升然后又開始下降，這一過程主要是因為保險杠在發(fā)生塑形變形的同時,，該節(jié)點受到擠壓開始向X正方向凸起,，直到凸起的頂點與剛性墻再次接觸受到反向的力，該力使得接觸部位繼續(xù)向X負方向壓縮變形,，直到碰撞結(jié)束,。這一碰撞過程中伴隨著兩次往返變形，使得變形更加充分,，進而能吸收掉更多的動能,。
分析圖7曲線：在0～10 ms,曲線為水平直線，保險杠還沒有與剛性墻接觸,，在10～30 ms區(qū)間上,，曲線總體下降趨勢,，說明保險杠橫梁與剛性墻接觸發(fā)生碰撞，在10 ms時速度為零,，在10～50 ms曲線呈兩次先下降再上升并且為負值,，說明橫梁沿著X負方向有兩次折彎運動，并且有一個回彈的過程,，直到在50 ms時速度達到0時,，說明此時碰撞幾乎結(jié)束，此過程符合上述位移時間曲線,，并且同時與碰撞實際過程一致,。
5結(jié)束語
使用HyperMesh、LSDYNA,、HyperView對保險杠的變形圖,、位移云圖、位移和速度與時間曲線關(guān)系進行分析,，進而對保險杠在低速碰撞過程中的安全性與可行性做出了評價分析,，確定在低速碰撞過程中保險杠橫梁起主要吸能作用，為后續(xù)保險杠的設(shè)計提供理論參考,。
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