賴(lài)嘯、劉勇、郭晟

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 644003)

1 保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)的CAE數(shù)字化建模

運(yùn)用有限元分析方法模擬仿真技術(shù)研究保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，首先要運(yùn)用CAE軟件建立保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)力學(xué)性能仿真模型，涉及到建立基本單元體的幾何模型和尋找類(lèi)型合適、尺寸匹配的其他單元體對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散處理，建立保險(xiǎn)杠動(dòng)力學(xué)模型[1]。

在眾多有限元分析軟件中，運(yùn)用HyperWorks軟件對(duì)保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE數(shù)字化建模的技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)得到廣泛使用。該軟件可以根據(jù)用戶(hù)需要，進(jìn)行尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和形貌優(yōu)化。我們從實(shí)際企業(yè)中選取標(biāo)準(zhǔn)保險(xiǎn)杠實(shí)體，先用UG軟件進(jìn)行三維建模，然后結(jié)合UG軟件可轉(zhuǎn)化的功能，把IGES格式導(dǎo)入HyperWorks軟件進(jìn)行有限元分析處理，對(duì)該保險(xiǎn)杠進(jìn)行參數(shù)化建模，并進(jìn)行尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和形貌優(yōu)化。

因?yàn)楸ｋU(xiǎn)杠總體質(zhì)量較重，但由于長(zhǎng)度關(guān)系又較柔軟，所以支架要求結(jié)實(shí)，可以卡緊保險(xiǎn)杠不至于從上向下脫落，起到很好的穩(wěn)定作用，所以材料的厚度取得較厚。采用四面體單元離散化后的空間結(jié)構(gòu)物中單元尺寸為20 mm的四節(jié)點(diǎn)單元離散處理保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)。建立三維實(shí)體的螺栓模型，由HyperWorks自帶的螺紋接觸定義方式設(shè)置螺紋接觸。

2 汽車(chē)保險(xiǎn)杠機(jī)械參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

汽車(chē)保險(xiǎn)桿的力學(xué)性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的靈敏度是影響保險(xiǎn)杠正常工作的最重要機(jī)械參數(shù)。保險(xiǎn)杠材料的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、料厚、彈性模量、泊松比及屈服極限等都是重要的力學(xué)性能參數(shù)。

2.1 保險(xiǎn)杠力學(xué)性能參數(shù)

當(dāng)保持固有頻率和振型時(shí)，不同頻率所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度有很大差異，具體如圖1、2所示。當(dāng)設(shè)計(jì)頻率是大于25.00 Hz時(shí)，一階扭矩產(chǎn)生的實(shí)際頻率是26.15 Hz，一階彎曲產(chǎn)生的實(shí)際頻率是29.20 Hz，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)二階模態(tài)也是彎曲模態(tài)大于扭矩模態(tài)。

試驗(yàn)表明當(dāng)保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)一旦受到載荷發(fā)生變形時(shí)，彎曲強(qiáng)度很快變小，而扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度則變化緩慢。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果在實(shí)際中也能得到驗(yàn)證，當(dāng)汽車(chē)保險(xiǎn)杠前端受到碰撞時(shí)，在載荷作用剛發(fā)生的時(shí)候，接觸力主要表現(xiàn)為彎曲強(qiáng)度，保險(xiǎn)杠的前端很容易受到?jīng)_擊而發(fā)生彎曲，扭轉(zhuǎn)變形則很微?。粯?gòu)件如果受到?jīng)_擊載荷產(chǎn)生一定范圍的彎曲變形，彎曲強(qiáng)度在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)急速下降，導(dǎo)致產(chǎn)生的接觸力下降，同時(shí)構(gòu)件又受到較大的扭轉(zhuǎn)作用，此時(shí)接觸力主要表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，更容易導(dǎo)致大的扭轉(zhuǎn)變形。

2.2 保險(xiǎn)杠靈敏度

采用靈敏度分析可以確定尋求最優(yōu)化的求解方向，建立優(yōu)化方程和構(gòu)造迭加計(jì)算方程，通過(guò)改變不同零件的尺寸大小，求解各個(gè)零件關(guān)于尺寸厚度的倒數(shù)方程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，保險(xiǎn)杠隨著板料厚度的增加，本體質(zhì)量對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響程度比剛度對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響要大。一般情況下，當(dāng)保險(xiǎn)杠本體質(zhì)量占據(jù)整體總質(zhì)量的60%以上時(shí)，企業(yè)就采用減少板料厚度的方法來(lái)降低保險(xiǎn)杠總體質(zhì)量，提高保險(xiǎn)杠頻率。綜合考慮板料的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)及其能承受的載荷，將板料厚度降低了1.5 mm。

2.3 保險(xiǎn)杠的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)對(duì)保險(xiǎn)杠力學(xué)性能參數(shù)和靈敏度性能的分析，我們提出了以下措施對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化：第一，根據(jù)需求改變保險(xiǎn)杠的材料，可以考慮用質(zhì)量輕密度小而屈服強(qiáng)度較大的材料；第二，調(diào)整零部件的幾何位置和尺寸大小，增加加強(qiáng)筋，調(diào)整封閉結(jié)構(gòu)，使原先不封閉的結(jié)構(gòu)改成封閉結(jié)構(gòu)；第三，調(diào)整保險(xiǎn)杠材料的厚度，調(diào)整安裝孔位，提高彈性模量等力學(xué)性能；第四，保險(xiǎn)杠后部盡量與汽車(chē)構(gòu)件不發(fā)生接觸，在低速碰撞時(shí)可保護(hù)散熱器、翼子板及發(fā)動(dòng)機(jī)罩等重要部件。

圖1 一階扭轉(zhuǎn)

圖2 一階彎曲