田國(guó)富,,楊成國(guó)
(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,,遼寧 沈陽(yáng) 110870)
摘要:在低速碰撞中對(duì)某車(chē)型的汽車(chē)保險(xiǎn)杠進(jìn)行仿真分析,,對(duì)保險(xiǎn)杠模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,利用HyperMesh建立有限元模型,再提交給LS-DYNA進(jìn)行計(jì)算,,使用HyperView對(duì)碰撞結(jié)果進(jìn)行處理得到相關(guān)響應(yīng)參數(shù),,并對(duì)響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行結(jié)果分析,進(jìn)而確定在汽車(chē)保險(xiǎn)杠發(fā)生低速碰撞時(shí)其最主要吸能的部件以及吸能部位的響應(yīng)特性,,為保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ),。
關(guān)鍵詞:汽車(chē)碰撞;保險(xiǎn)杠,;仿真分析,;吸能
中圖分類(lèi)號(hào):U461.91;TP20文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.03.007
引用格式:田國(guó)富,楊成國(guó).汽車(chē)前保險(xiǎn)杠緩沖吸能結(jié)構(gòu)低速碰撞仿真分析[J].微型機(jī)與應(yīng)用,,2017,36(3):23-25,,28.
0引言
隨著汽車(chē)交通事故數(shù)量的逐年上升,作為保護(hù)人身財(cái)產(chǎn)安全的汽車(chē)安全工程已經(jīng)引起了人們高度的關(guān)注與重視,。汽車(chē)安全包括主動(dòng)安全和被動(dòng)安全兩種方式,,而目前被動(dòng)安全仍然是汽車(chē)安全最主要的方式,在被動(dòng)安全中汽車(chē)保險(xiǎn)杠作為主要結(jié)構(gòu)部件之一對(duì)車(chē)輛碰撞安全性能具有重要的影響,,因此研究汽車(chē)保險(xiǎn)杠橫梁的碰撞特性,對(duì)于提高汽車(chē)碰撞安全性具有重要的意義,。在汽車(chē)碰撞過(guò)程中,既有幾何非線(xiàn)性又有物理非線(xiàn)性, 復(fù)雜的碰撞接觸與摩擦問(wèn)題也存在于汽車(chē)碰撞過(guò)程中,。因此,汽車(chē)碰撞性能的研究已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了理論解析的范疇,必須借助于試驗(yàn)與數(shù)值分析方法[1]。
1汽車(chē)保險(xiǎn)杠概述
保險(xiǎn)杠是汽車(chē)被動(dòng)安全重要的零部件,,當(dāng)汽車(chē)發(fā)生低速碰撞(一般小于10 km/h)時(shí),,可以通過(guò)保險(xiǎn)杠的變形吸收碰撞中的能量,有效地保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙室內(nèi)的零部件,,同時(shí)對(duì)行人有最大程度的保護(hù)作用,。由于保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在低速碰撞和行人保護(hù)這兩個(gè)方面起著關(guān)鍵性的作用,因此是國(guó)內(nèi)外汽車(chē)被動(dòng)安全領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容,。世界各國(guó)也都對(duì)保險(xiǎn)杠的耐撞性有具體的法規(guī)和試驗(yàn)規(guī)范要求[2],。
保險(xiǎn)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(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)圖為了便于有限元分析,,本文所研究的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化處理得到模型,,如圖1所示保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)圖由三部分組成:橫梁、吸能盒和車(chē)身等效鋼板(可以將保險(xiǎn)杠后部分整車(chē)視為剛性板賦予整車(chē)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(chē)安全性能。
2汽車(chē)碰撞仿真有限元理論基礎(chǔ)
2.1汽車(chē)碰撞過(guò)程中的非線(xiàn)性特性
非線(xiàn)性分析問(wèn)題是指結(jié)構(gòu)的剛度隨其變形而改變的問(wèn)題,,在一個(gè)非線(xiàn)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(xiàn)性關(guān)系。
在汽車(chē)碰撞仿真模擬中有三種非線(xiàn)性情況[34],,分別是幾何非線(xiàn)性,、材料非線(xiàn)性和邊界非線(xiàn)性(即接觸非線(xiàn)性)。
2.2沙漏控制
為節(jié)省計(jì)算機(jī)分析時(shí)間,,在 LSDYNA 中通常使用縮減積分單元進(jìn)行非線(xiàn)性動(dòng)力分析,,但是縮減積分可能引起零能模式或稱(chēng)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(guò)程中產(chǎn)生的沙漏變形往往會(huì)使得分析結(jié)果無(wú)效。沙漏現(xiàn)象只產(chǎn)生于實(shí)體和四邊形單元,。在整車(chē)碰撞模型中,90%以上的單元是由四邊形和實(shí)體單元組成的,。如果不對(duì)沙漏進(jìn)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(wú)意義[6],。
2.3碰撞接觸的定義
利用計(jì)算機(jī)模擬汽車(chē)碰撞時(shí)需提前對(duì)接觸進(jìn)行設(shè)置,。汽車(chē)碰撞時(shí)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(duì)于這些接觸,,在碰撞仿真中分別采用節(jié)點(diǎn)對(duì)面的接觸,、面對(duì)面的接觸和單面自動(dòng)接觸來(lái)定義。正確定義碰撞接觸是準(zhǔn)確進(jìn)行碰撞仿真的必要條件,。
2.4時(shí)間步長(zhǎng)控制
時(shí)間步長(zhǎng)為每一步有限元積分的時(shí)間長(zhǎng)度,。時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)大,會(huì)使計(jì)算不穩(wěn)定,,導(dǎo)致模擬計(jì)算精度下降,。因此,必須對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行控制,。
3汽車(chē)保險(xiǎn)杠有限元模型建立
在導(dǎo)入的CAD模型中,,將保險(xiǎn)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(diǎn)連接,,吸能盒與后板采用剛性連接,保險(xiǎn)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(diǎn),用于模擬整車(chē)質(zhì)量,具體流程如圖2所示,。
3.1導(dǎo)入模型
將設(shè)計(jì)好的保險(xiǎn)杠CAD模型通過(guò)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(xiǎn)杠為薄殼結(jié)構(gòu),采用殼單元,,由于碰撞過(guò)程中保險(xiǎn)杠橫梁和緩沖吸能盒是主要的變形吸能結(jié)構(gòu),,對(duì)其響應(yīng)特性進(jìn)行重點(diǎn)分析,因此將保險(xiǎn)杠橫梁和吸能盒網(wǎng)格劃分得細(xì)一些,,將其單元尺寸設(shè)置為10 mm,,對(duì)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(shí)要盡量保證所劃分網(wǎng)格主要為四邊形,,然后點(diǎn)擊保存。得到如圖3所示的保險(xiǎn)杠有限元模型。
3.4汽車(chē)保險(xiǎn)杠有限元模型加載條件
對(duì)各零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分以后,,對(duì)零部件設(shè)置材料和屬性,,并進(jìn)行相應(yīng)的鏈接、加載,、約束并設(shè)置計(jì)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(jì)算,。
(1)連接設(shè)置
?、傩陆ㄒ粋€(gè)沒(méi)有材料和屬性的Components,為后續(xù)設(shè)置焊點(diǎn)做準(zhǔn)備,。
?、邳c(diǎn)擊Spotweld工具,利用焊點(diǎn)將吸能盒內(nèi)外板與橫梁連接起來(lái),,焊點(diǎn)間距約為40 mm,吸能盒靠近后鋼板的焊點(diǎn)距后端不小于2個(gè)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?chē)的以剛性板為主,,因此吸能盒與后方剛性板的連接可以用剛體連接實(shí)現(xiàn)。
利用Elements工具,,選中吸能盒后方一圈網(wǎng)格,,點(diǎn)擊move,將后一圈網(wǎng)格移動(dòng)到后方剛板上,,通過(guò)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€(gè)沒(méi)有材料和屬性的Component,,為后續(xù)的配重接觸做準(zhǔn)備。
?、谠贛asses菜單中,,將mass后的空格填入0.3。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上賦予0.300 kg的質(zhì)量(總共約1 600 kg),。
?、墼贏(yíng)nalysis菜單中建立一個(gè)名字為Contact的文件,然后將保險(xiǎn)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(jìn)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(diǎn)全部約束為固定模式,。
?、谠诠ぞ邫贚oadcols菜單中,建立一個(gè)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(jì)算機(jī)參數(shù)設(shè)置
?、龠x取保險(xiǎn)杠正后方中間節(jié)點(diǎn)、保險(xiǎn)杠吸能盒正后方板上中心節(jié)點(diǎn)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(jì)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(jì)算時(shí)間長(zhǎng)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(rèn)值,,[DT]關(guān)鍵字設(shè)置為0.002 5,。該關(guān)鍵字將每個(gè)D3plot文件輸出間隔設(shè)為2.5 ms。
圖4保險(xiǎn)杠變形圖④database_option設(shè)置為10e-5,,將Binary Options選為ASCII-BINARY,因此可同時(shí)使用ASCII碼和Binary輸出文件,。
⑤打開(kāi)Export功能菜單輸出名稱(chēng)為count.k的文件,。
(5)提交計(jì)算
打開(kāi)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(kāi)始該文件的求解計(jì)算,。
4保險(xiǎn)杠碰撞動(dòng)力響應(yīng)特性分析
利用HyperView后處理器對(duì)保險(xiǎn)杠的碰撞結(jié)果進(jìn)行查看分析,。
4.1保險(xiǎn)杠模型變形吸能分析
利用HyperView查看分析結(jié)果,得到保險(xiǎn)杠在0~50 ms之內(nèi)的變形過(guò)程如圖4所示,。
經(jīng)過(guò)觀(guān)察分析圖4中保險(xiǎn)杠形狀變化,,在0~25 ms之間保險(xiǎn)杠橫梁與碰撞墻逐漸接觸,保險(xiǎn)杠橫梁由彎曲變得平直,,此過(guò)程保險(xiǎn)杠橫梁主要以彈性變形為主,,通過(guò)橫梁的彈性變形,將碰撞初始時(shí)間段的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能,。在25~50 ms時(shí)間段,,隨著橫梁與碰撞墻進(jìn)一步的接觸,橫梁受到碰撞墻給的反向力逐漸加大,,超過(guò)了橫梁的屈服條件,,此時(shí)保險(xiǎn)杠的橫梁向內(nèi)部有一個(gè)大的折彎,,通過(guò)不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形吸收了低速碰撞后半段的動(dòng)能。在整個(gè)低速碰撞過(guò)程中保險(xiǎn)杠橫梁變形較大,,吸能盒變形很小,。主要是由于在碰撞過(guò)程中,保險(xiǎn)杠橫梁先與碰撞墻發(fā)生接觸,,系統(tǒng)的動(dòng)能先轉(zhuǎn)化為保險(xiǎn)杠橫梁變形的勢(shì)能,,橫梁的變形很大,吸收大部分動(dòng)能,,因此系統(tǒng)動(dòng)能逐漸下降,,同時(shí)由于低速碰撞的速度較低,在吸能盒大變形之前碰撞過(guò)程幾乎停止,。保險(xiǎn)杠橫梁的變形較大,,吸能盒的變形較小,說(shuō)明保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,。圖5保險(xiǎn)杠位移云圖
4.2位移云圖變化分析
由于汽車(chē)碰撞分析中正面碰撞分析是主要分析方向,,設(shè)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度為4 km/h,方向?yàn)檠豖方向,。圖5為保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的碰撞位移云圖,。
經(jīng)過(guò)分析圖5的位移云圖可知,在碰撞過(guò)程中,,保險(xiǎn)杠橫梁中間部分的云圖顏色由深變淺,,再由淺變深,這一過(guò)程說(shuō)明保險(xiǎn)杠的橫梁先是向著碰撞墻移動(dòng),,在與碰撞墻開(kāi)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(dāng)橫梁受到剛性墻的力大于屈服條件時(shí),發(fā)生塑性變形,,開(kāi)始沿著X負(fù)方向折彎運(yùn)動(dòng),,這一過(guò)程導(dǎo)致了橫梁的負(fù)方向位移開(kāi)始增加,同時(shí)導(dǎo)致正向總體位移減少,,這一變化過(guò)程與保險(xiǎn)杠低速碰撞實(shí)際過(guò)程相符,。
4.3位移-時(shí)間和速度-時(shí)間曲線(xiàn)變化分析
在保險(xiǎn)杠橫梁中部選取某節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)4050)作為輸出對(duì)象,得到該節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)間和速度時(shí)間曲線(xiàn),,然后對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行分析,。如圖6、圖7所示,。
分析圖6的曲線(xiàn):在0~5 ms區(qū)間,,該節(jié)點(diǎn)位移與時(shí)間呈線(xiàn)性增加,;在8 ms時(shí)曲線(xiàn)達(dá)到最高點(diǎn),說(shuō)明此時(shí)保險(xiǎn)杠橫梁開(kāi)始與剛性墻接
觸,;在8~15 ms之間曲線(xiàn)總體呈下降趨勢(shì),,說(shuō)明這一階段橫梁在向X負(fù)方向壓縮變形;然而在接下來(lái)的15~50 ms時(shí)間段,,曲線(xiàn)又開(kāi)始一小段上升然后又開(kāi)始下降,,這一過(guò)程主要是因?yàn)楸kU(xiǎn)杠在發(fā)生塑形變形的同時(shí),該節(jié)點(diǎn)受到擠壓開(kāi)始向X正方向凸起,,直到凸起的頂點(diǎn)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(fù)方向壓縮變形,,直到碰撞結(jié)束,。這一碰撞過(guò)程中伴隨著兩次往返變形,使得變形更加充分,,進(jìn)而能吸收掉更多的動(dòng)能,。
分析圖7曲線(xiàn):在0~10 ms,曲線(xiàn)為水平直線(xiàn),保險(xiǎn)杠還沒(méi)有與剛性墻接觸,,在10~30 ms區(qū)間上,,曲線(xiàn)總體下降趨勢(shì),說(shuō)明保險(xiǎn)杠橫梁與剛性墻接觸發(fā)生碰撞,,在10 ms時(shí)速度為零,,在10~50 ms曲線(xiàn)呈兩次先下降再上升并且為負(fù)值,說(shuō)明橫梁沿著X負(fù)方向有兩次折彎運(yùn)動(dòng),,并且有一個(gè)回彈的過(guò)程,,直到在50 ms時(shí)速度達(dá)到0時(shí),說(shuō)明此時(shí)碰撞幾乎結(jié)束,,此過(guò)程符合上述位移時(shí)間曲線(xiàn),,并且同時(shí)與碰撞實(shí)際過(guò)程一致。
5結(jié)束語(yǔ)
使用HyperMesh,、LSDYNA,、HyperView對(duì)保險(xiǎn)杠的變形圖、位移云圖,、位移和速度與時(shí)間曲線(xiàn)關(guān)系進(jìn)行分析,,進(jìn)而對(duì)保險(xiǎn)杠在低速碰撞過(guò)程中的安全性與可行性做出了評(píng)價(jià)分析,確定在低速碰撞過(guò)程中保險(xiǎn)杠橫梁起主要吸能作用,,為后續(xù)保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)提供理論參考,。
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