保險杠壁厚對低速碰撞性能的影響研究

許津，宋年秀，胡韶文，劉鵬

（青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，山東青島 266520）

保險杠壁厚對低速碰撞性能的影響研究

許津，宋年秀，胡韶文，劉鵬

（青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，山東青島 266520）

基于LS-DYNA軟件，利用有限元方法分析了汽車保險杠低速碰撞中的動力學(xué)響應(yīng)特性及碰撞過程中的能量變化，評價了保險杠的碰撞性能，研究了保險杠橫梁與吸能盒厚度對保險杠碰撞性能的影響；通過改變保險杠橫梁或吸能盒的壁厚，比較了不同壁厚下保險杠的碰撞動力響應(yīng)特性，分析了壁厚對保險杠碰撞性能的影響，對保險杠提出了優(yōu)化建議。

汽車；保險杠；低速碰撞；吸能盒壁厚；碰撞性能

根據(jù)碰撞時汽車速度的不同，碰撞有高速碰撞和低速碰撞之分。低速碰撞是指車輛在速度低于15km/h時與其他車輛或障礙物發(fā)生的碰撞。該文以某微型車保險杠作為研究對象，利用有限元分析方法對其低速碰撞過程進(jìn)行分析，研究保險杠橫梁或吸能盒不同壁厚下保險杠的碰撞動力響應(yīng)特性，為增強(qiáng)低速碰撞吸能特性、提高安全等級、降低維修成本提供參考。

1 保險杠有限元模型的建立

在汽車碰撞安全研究中，計算機(jī)仿真已成為不可替代的研究方法，根據(jù)仿真結(jié)論，可以對汽車的設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，從而提高汽車的碰撞安全性。因此，仿真精度直接影響汽車設(shè)計改進(jìn)的合理性。用于仿真的有限元模型能最大程度地反映汽車的實際結(jié)構(gòu)，對仿真精度有很大影響。

1.1保險杠幾何模型的建立

幾何模型的建立精度將對有限元模型的建立精度產(chǎn)生直接影響，從而影響模型碰撞仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用三維制圖軟件Solid Works，根據(jù)該微型車保險杠的實際測量數(shù)據(jù)建立保險杠碰撞系統(tǒng)簡化幾何模型。保險杠外蓋板的抗沖擊強(qiáng)度相對于鋼來說可忽略不計，故保險杠簡化模型中將車身簡化為一塊鋼板。如圖1所示，保險杠碰撞系統(tǒng)的CAD模型由保險杠橫梁、左右吸能盒、代表車體的鋼板和剛性墻組成。

1.2保險杠有限元模型的建立

在三維制圖軟件Solid Works中建立保險杠CAD模型，在前處理軟件Hyper Mesh中對保險杠部件賦予材料與屬性，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到由節(jié)點和單元構(gòu)成的保險杠CAE模型（如圖2所示），同時對模型的連接、接觸、約束和計算參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置，生成K文件，導(dǎo)入求解器LS-DYNA中進(jìn)行碰撞仿真計算。

圖1　保險杠碰撞系統(tǒng)幾何模型

圖2　保險杠CAE模型

2 保險杠壁厚對碰撞性能的影響分析

影響保險杠碰撞性能的因素有很多，如保險杠橫梁的結(jié)構(gòu)形式、吸能盒的形狀、橫梁和吸能盒的壁厚、吸能盒是否有導(dǎo)流槽、保險杠的材料等。在保險杠碰撞安全性研究中，壁厚通常作為首要考慮的因素，而且壁厚在建模時容易調(diào)整，故通過改變壁厚來分析其對保險杠碰撞安全性的影響。

可采用正交試驗法或控制變量法研究壁厚對保險杠安全性的影響。正交試驗法通常運用于需要同時考慮3個及3個以上影響因素的試驗中。這里僅考慮橫梁厚度和吸能盒厚度2個因素，故采用控制變量法，分析在橫梁或吸能盒厚度不變的情況下改變吸能盒或橫梁的厚度對保險杠碰撞性能的影響。

2.1橫梁厚度對碰撞性能的影響

在保證吸能盒壁厚不變的前提下，分別取橫梁厚度為1.3和1.6mm進(jìn)行仿真分析，得出不同橫梁厚度保險杠的吸能-時間曲線（如圖3所示）。

由圖3可知：橫梁厚度為1.3和1.6mm保險杠的吸能-時間曲線的總體趨勢大致相同，橫梁厚度為1mm的保險杠吸收的能量明顯低于橫梁厚度為1.3和1.6mm的保險杠。說明隨著橫梁厚度的增加，吸收的能量增加，但并非厚度越大越好，厚度的增加無疑會使車重增加，不符合環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的要求，且還要考慮整個撞擊過程中保險杠系統(tǒng)的吸能特性與碰撞過程相吻合。橫梁厚度為1.3和1.6mm時吸能-時間曲線的最高點在t=45ms附近，即在45ms時橫梁厚度為1.3和1.6mm的保險杠吸收的能量最多。

圖3　不同橫梁厚度保險杠的吸能-時間曲線

圖4為45ms時橫梁厚度為1、1.3和1.6mm保險杠的變形圖。

圖4　不同橫梁厚度保險杠的變形圖

由圖4可知：橫梁厚度為1mm時，橫梁的變形最大，吸能盒幾乎不變形；橫梁厚度為1.3mm時，橫梁的變形變小，但吸能盒的變形增大；橫梁厚度為1.6mm時，橫梁變形非常小，吸能盒變形較大。出現(xiàn)這種情況的原因是：橫梁厚度增加時，橫梁的剛度也隨之增加，碰撞發(fā)生時，剛度較大的橫梁變形較小，吸收碰撞過程中的少部分能量，橫梁將大部分沖擊力傳遞到吸能盒上，吸能盒在力的作用下發(fā)生變形，吸收大部分能量。

在保險杠碰撞過程中，要求保險杠橫梁吸收一部分能量發(fā)生一定變形后，吸能盒發(fā)生變形，吸收能量。橫梁厚度為1.6mm的保險杠不滿足這一要求，這種保險杠在碰撞過程中吸能盒的變形大，使保險杠在碰撞方向的位移增大，可能導(dǎo)致車架發(fā)生碰撞，不能較好地保護(hù)車體。由此也說明橫梁厚度并不是越大越好，保險杠的碰撞安全性能與橫梁的厚度并不成正比關(guān)系。橫梁厚度為1.3mm時能較好地滿足這一要求，其碰撞性能比橫梁厚度為1mm的保險杠高。因此，在這3種保險杠中，橫梁厚度為1.3mm的保險杠的碰撞性能最好。

2.2吸能盒厚度對碰撞性能的影響

在保持橫梁厚度為1.3mm不變的前提下，改變吸能盒的厚度，探討吸能盒厚度對保險杠的影響。取吸能盒厚度為1.5和2.5mm進(jìn)行碰撞仿真，并將仿真結(jié)果與吸能盒厚度為2mm的結(jié)果進(jìn)行對比。圖5為不同吸能盒厚度保險杠的吸能特性曲線。

圖5　不同吸能盒厚度保險杠的吸能特性曲線

由圖5可知：吸能盒厚度為2和2.5mm的保險杠吸收的能量比厚度為1.5mm的保險杠多，即吸能盒厚度增加時，保險杠吸收的能量也增加，但保險杠的碰撞安全性能并不一定提高。厚度為1.5mm的吸能曲線在54ms左右達(dá)到最高點，之后持平，幾乎保持不變，說明吸能盒還在吸收能量，還在變形。而吸能盒過大的變形可能導(dǎo)致車架發(fā)生碰撞，故認(rèn)為該保險杠的碰撞安全性能不好。吸能盒厚度為2.5mm時，吸收的能量并不比厚度為2mm的保險杠大很多，但會在一定程度上增加保險杠的重量。因此，認(rèn)為吸能盒厚度為2mm時保險杠的總體性能最好。

綜上所述，當(dāng)保險杠橫梁厚度為1.3mm、吸能盒厚度為2mm時，兩者的強(qiáng)度匹配合理，能最大限度地吸收碰撞過程中的能量。因此，將該車保險杠橫梁厚度增加為1.3mm，提高其碰撞安全性能。

3 結(jié)語

該文建立保險杠低速碰撞系統(tǒng)有限元模型，就保險杠橫梁壁厚和吸能盒壁厚對保險杠碰撞安全性能的影響進(jìn)行仿真分析，得出了使保險杠碰撞安全性能得到優(yōu)化的橫梁厚度與吸能盒厚度的合理組合，為保險杠的優(yōu)化提供依據(jù)。

［1］ 鐘志華，張維剛，曹立波，等.汽車碰撞安全技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］ 朱宇.轎車低速前碰撞保險杠系統(tǒng)改進(jìn)研究［D］.長沙：湖南大學(xué)，2012.

［3］ 胡遠(yuǎn)志，曾必強(qiáng)，謝書港.基于LS-DYNA和Hyper-Works的汽車安全仿真與分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［4］ 張金虎.汽車保險杠碰撞仿真研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

［5］ 楊永生.汽車保險杠系統(tǒng)低速碰撞性能研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

［6］ 魯建霞，茍慧芳.有限元法的基本思想與發(fā)展過程［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2009，24（2）.

［7］ 田永，方瑛，劉龍飛，等.汽車保險杠材料的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.客車技術(shù)與研究，2015（1）.

［8］ 毛英慧，何新，酒軍亮.蒙皮對客車側(cè)面碰撞仿真精度的影響［J］.客車技術(shù)與研究，2011（3）.

［9］ 烏秀春，宿學(xué)深.汽車保險杠系統(tǒng)耐撞性研究［J］.上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報，2012，15（1）.

［10］ 章正偉.保險桿低速碰撞性能仿真研究［J］.噪聲與振動控制，2007（4）.

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1671-2668（2016）05-0004-03

2016-01-24