胡 磊，徐 飆（麥格納斯太爾汽車技術(shù)（上海）有限公司武漢分公司，武漢 430056）

基于CAE分析的汽車前保險杠下沉問題研究

胡 磊，徐 飆
（麥格納斯太爾汽車技術(shù)（上海）有限公司武漢分公司，武漢 430056）

本文采用有限元分析的方法，對汽車前保險杠下沉問題進行分析，截取前保險杠局部采用Hyperworks建模，OptiStruct作為結(jié)構(gòu)計算求解器。在提出的五種保險杠加強方案中，結(jié)合性能、成本和周期找出了最合適的加強方案。

保險杠；下沉；有限元分析

胡磊

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)材料學(xué)院，碩士學(xué)位，現(xiàn)任麥格納斯太爾（上海）汽車技術(shù)有限公司武漢分公司項目管理部經(jīng)理，已發(fā)表論文數(shù)篇。

汽車前保險杠下沉問題是一個常見的售后抱怨，在汽車行駛一定距離后，由于其保險杠自重，車身的震動等各種因素的影響，會導(dǎo)致保險杠下沉，對汽車的感知質(zhì)量造成嚴重影響。本文以某量產(chǎn)車型在路試過程中出現(xiàn)的保險杠下沉問題為例，采用CAE分析的方式提出了保險杠下沉的解決方案，并應(yīng)用該方案成功解決了保險杠下沉問題。

1　前保險杠下沉問題描述

某車型在路試進行到2000公里時，前保險杠開始出現(xiàn)輕微下沉，隨著路試的進行，前翼子板與前翼子板處出現(xiàn)喇叭狀開口，且在8000公里時保險杠前部翻邊出現(xiàn)斷裂失效，如下圖1所示（路試距離8000公里時實車照片）。

2　前保險杠受力分析

前保險杠在車身行駛過程中，由于路面不平以及發(fā)動機、傳動系統(tǒng)等激發(fā)的車身的振動，將導(dǎo)致前保險杠通過與車身安裝部分發(fā)生強制位移。因此，保險杠在車身行駛過程中主要受到振動所帶來的動載荷。如圖2所示，汽車行駛過程中受到的路面激勵。

路面激勵將通過懸架傳導(dǎo)至車身直至前保險杠的安裝點，前保險杠與車身搭界的安裝點部分是受力最大的部分。對保險杠下沉的實車進行詳細分析發(fā)現(xiàn)：

1） 保險杠前部與前翼子板之間間隙達2mm，出現(xiàn)喇叭狀開口；

2） 保險杠前部翻邊與表皮斷裂失效；

從保險杠失效情況與其受力情況來看，保險杠是在應(yīng)力水平較高的情況下出現(xiàn)的低周疲勞失效。實踐表明，低周疲勞失效的有效應(yīng)對方案是降低應(yīng)力。

根據(jù)前保險杠的受力情況，我們在此次分析中，采用截取前保險杠與前翼子板搭接區(qū)域的局部來進行建模模擬斷裂部位的受力情況，保險杠局部模型如下圖3所示。在前保險杠的兩個安裝點設(shè)置約束，沿Z-方向（失效斷面的法向）賦予F=50N的單位載荷，來考察保險杠所受應(yīng)力的情況。

3　有限元建模與分析

本文采取HYPERWORKS對保險杠局部進行建模，將CATIA數(shù)模直接導(dǎo)入到HyperMesh中進行有限元網(wǎng)格的劃分，采用OptiStruct作為結(jié)構(gòu)計算求解器，Hyperview進行后處理。

3.1前保險杠建模

對實車前保險杠斷裂部位的斷口進行分析發(fā)現(xiàn)，如下圖4所示，斷裂處凹槽厚度t=0.8mm，比對3D數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)設(shè)計厚度t=1.199mm。

根據(jù)以上信息，建立兩個前保險杠的分析模型，如下表1所示，基準方案按照實車保險杠凹槽實際厚度t=0.8mm進行建模；設(shè)計方案按照保險杠凹槽設(shè)計厚度t=1.2mm進行建模。

表1　前保險杠建模方案

3.2有限元網(wǎng)格

采用Hypermesh劃分網(wǎng)格，根據(jù)前保險杠建模方案完成后的前保險杠網(wǎng)格模型如下圖5所示：

3.3仿真分析與仿真結(jié)果

在CAE模型中選取P1～P10共10個考察點來分析前保險杠所受應(yīng)力的情況，如下圖6所示：

對基準方案和設(shè)計方案分析計算后，前保險杠局部受力的應(yīng)力分布如下圖7所示。提取P1～P10共10個關(guān)鍵考察點的局部應(yīng)力情況，具體數(shù)據(jù)見表3：

圖7和表3的數(shù)據(jù)顯示，保險杠凹槽應(yīng)力集中在加強筋上，因此，對前保險杠局部進行加強是降低應(yīng)力集中的有效方案。

表2　前保險杠加強方案

3.4前保險杠加強方案

在考慮性能、成本、周期等三方面的影響因素后，提出以下5種對前保險杠局部進行加強的方案來降低保險杠凹槽處所受的應(yīng)力，如下表2所示：

對五種加強方案分析計算后，前保險杠局部受力的應(yīng)力分布如下圖8所示。提取P1～P10共10個關(guān)鍵考察點的局部應(yīng)力情況，具體數(shù)據(jù)如下表3所示?；鶞史桨?，設(shè)計方案和五種加強方案的應(yīng)力曲線如圖9所示：

對比分析基準方案、設(shè)計方案和五種加強方案所受應(yīng)力情況的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：

1） 根據(jù)性能對加強方案進行評價：

加強方案5＞加強方案4＞加強方案1＞加強方案3＞加強方案2；

加強方案5（即將加強筋的距離從20mm減小為5mm、同時將前保連接支架更改為0.72mm 厚的L型鋼支架）相比基準方案最大應(yīng)力降低67.8%，平均應(yīng)力降低74.8%，此方案為性能最佳方案。

加強方案1（即凹槽厚度t=1.2mm，增加垂直加強筋，將加強筋的距離從20mm減小為5mm）相比基準方案最大應(yīng)力降低57.5%，平均應(yīng)力降低51%。

2） 根據(jù)成本對加強方案進行評價：

加強方案1＜加強方案3＜加強方案5＜加強方案4＜加強方案2

加強方案1（即凹槽厚度t=1.2mm，增加垂直加強筋，將加強筋的距離從20mm減小為5mm）僅需對前保險杠模具進行小的調(diào)整，無需增加新的零件，加強方案1為成本最優(yōu)方案。

3） 根據(jù)實施周期對加強方案進行評價：

加強方案1＜加強方案5=加強方案1＜加強方案2＜加強方案3

加強方案1（即凹槽厚度t=1.2mm，增加垂直加強筋，將加強筋的距離從20mm減小為5mm）僅需對前保險杠模具進行小的調(diào)整，無需為新增加的零件重新開發(fā)模具，加強方案1需時最短，是周期最優(yōu)方案。

表3　前保險P1～P10應(yīng)力數(shù)據(jù)

4　結(jié)論

根據(jù)以上分析，綜合性能、成本和周期三方面考慮，加強方案1是最優(yōu)化方案，該方案相比基準方案最大應(yīng)力降低57.5%，平均應(yīng)力降低51%。采用此方案進行對前保險杠加強后經(jīng)過20000KM公里實車驗證路試，成功解決了保險杠下沉的問題。

［1］ HyperWorks User's Manual.

［2］余志生. 汽車理論［M］. 第5版. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［3］許亮， 胡寧， 楊輝. 基于LS-DYNA的汽車保險杠仿真優(yōu)化［J］. 機械與電子. 2007（05）：17-20.

［4］ 胡遠志， 曾必強， 謝書港. 基于LS-DYNA和 HyperWorks的汽車安全仿真與分析［M］. 北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［5］汪小鵬， 劉文彬， 黃俊杰， 李振遠. 路面隨機激勵下的汽車振動仿真分析［J］. 山東交通學(xué)院學(xué)報. 2010，18（3）： 7-11.

專家推薦

陳濤：

論文對保險杠沉降這一工程問題進行了系統(tǒng)性的分析，并提出了針對性的工程改進意見。分析和實驗的結(jié)果表明，方案對于問題的解決有很好的指導(dǎo)作用。

Study on the Front Bumper Sink with CAE Simulation

HU Lei， XU Biao
（ Magnasteyr China， Wuhan Branch， Wuhan 430056， China ）

Analyzed the front bumper sink issue with FEA， cut the local area of front bumper to build the model with Hyperworks， and use OptiStruct as the structural analysis solver. The most reasonable solution has been chosen among the 5 front bumper reinforce proposals based on the performance， cost and delay.

Front bumper； sink； FEA

TB301

A

1005-2550（2015）05-0041-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.05.008

2015-05-29