基于Hyperviews在汽車前保險杠中的有限元分析及優(yōu)化

張文韜

摘要：根據(jù)汽車的正面碰撞特性，應(yīng)用有限元模擬技術(shù)，通過利用ANSA軟件建立某汽車前保險杠與正面剛性墻的碰撞模型，并用顯式動力學(xué)分析軟件LS-dyna求解器求解該模型，最后基于Hyperviews軟件進行保險杠強度的動態(tài)分析，得到相應(yīng)部件應(yīng)變力的應(yīng)變云圖，對薄弱部分提出更改建議并驗證其可行性，為整車碰撞分析提供參考。

關(guān)鍵詞：前保險杠;碰撞;有限元分析

中圖分類號：U463.326? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0055-02

0? 引言

汽車是伴隨著工業(yè)文明而出現(xiàn)的，是工業(yè)文明的標志之一，繼蒸汽汽車之后，燃油汽車和電動汽車先后誕生，汽車保有量日益增加，交通事故也不斷出現(xiàn)。由此可見，關(guān)于汽車的行駛安全正在被大家廣泛關(guān)注，因此對于如何將被動安全性能提高，在標準法規(guī)內(nèi)，最大程度的減少駕駛?cè)藛T和行人的傷害成為汽車有限元分析中的重要課題。

據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示正面碰撞發(fā)生的幾率是所有交通事故中最高的，并且前保險作為在碰過程中承擔吸能和承載的主要部件，對于提高整車碰撞性能有非常重要的意義。

由于碰撞過程非常短，而表現(xiàn)的結(jié)構(gòu)非線性和材料非線性又非常復(fù)雜且始終伴隨動態(tài)接觸[1]，因此本文采用有限元分析理論和顯式算法相結(jié)合來研究汽車前保險杠的碰撞性能，在滿足法規(guī)的前提下對前保險杠進行優(yōu)化改進，為以后的整車碰撞分析提供參考。

1? 接觸碰撞分析的基本過程

當發(fā)生碰撞時，垂直于接觸界面的速度是瞬時不連續(xù)的，沿界面的切向速度也是不連續(xù)的[2]，這些特點會給基于離散方程進行的時間積分帶來問題。針對這一問題，本文采用LS-dyna顯式動力學(xué)分析軟件對保險杠和剛性墻進行受力狀況的求解。為降低計算機求解時間，導(dǎo)入的CATIA整車模型只保留由橫梁，吸能盒支架組成的保險杠系統(tǒng)，然后將三維模型導(dǎo)入ANSA軟件中進行離散化網(wǎng)格劃分，并對網(wǎng)格賦予材料、厚度、重量等屬性，不同部件之間采用焊點鏈接，建立剛性墻，生成K文件，遞交LS-dyna求解器進行求解計算，最后將計算結(jié)果導(dǎo)入Hyperviews中進行計算結(jié)果的后處理。

1.1 搭建保險杠和剛性墻的有限元模型

將保險杠系統(tǒng)相關(guān)部件的CATIA模型導(dǎo)入ANSA軟件中進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸選用10mm，由于保險杠屬于鈑金件，所以使用BT殼單元劃分網(wǎng)格;材料為低碳鋼板，對應(yīng)材料編號為MAT24，該材料的本構(gòu)關(guān)系如式（1）所示為：

（1）

式中：為屈服應(yīng)力;為有效塑性應(yīng)變;C、p為材料常數(shù)，通過設(shè)置C值和p值可以求取其動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，針對本文的低碳鋼，可取C=40、p=5。

剛性墻由于定義為不可壓縮，不可變形，該結(jié)構(gòu)部件的相對位置保持不變。因此，使用MAT20材料模型。

1.2 沙漏控制

考慮到計算時間，為了提升計算的效率，絕大部分積分計算一般采用部分積分類型來進行計算。因此，在采用部分積分過程中有可能出現(xiàn)沙漏，當出現(xiàn)的沙漏問題較嚴重時則會導(dǎo)致模型的能量不守恒，影響了模型的計算精度甚至導(dǎo)致其計算結(jié)果的可信度降低，所以必須對計算沙漏進行相關(guān)控制。其中，沙漏控制分為兩種一個是對單個件的局部沙漏控制，另外一個是對整體的總體沙漏控制兩種[3]。

1.3 時間步長控制

時間步長為每一步有限元積分的時間長度[4]。顯式中心差分法的穩(wěn)定性決定于時間長度，如果積分步長大于則會發(fā)生計算不穩(wěn)定，導(dǎo)致計算精度迅速下降。其中為系統(tǒng)阻尼比，為系統(tǒng)最大固有頻率。

其中板殼單元的最大穩(wěn)定時間步長為：

（2）

Ls為單元的特征長度，ρ為質(zhì)量密度，E為彈性模量。

1.4 接觸定義

通過罰函數(shù)因子來計算得到接觸反力的大小，實現(xiàn)阻止相關(guān)節(jié)點對面的穿透。但存在著罰剛度過大可導(dǎo)致迭代次數(shù)增加，甚至引起剛度矩陣病態(tài)的問題，所以在選擇罰剛度時不能過大，應(yīng)該是逐漸增長的，取結(jié)果穩(wěn)定后的最小值[5]。

由于保險杠各部件之間的鏈接均為點焊連接，在ANSA軟件中通過關(guān)鍵字SPOTWELD模擬點焊連接;在此碰撞過程中，不考慮車身位移，因而為了節(jié)省計算時間，將車身簡化為一個剛性面，對車身剛性面和保險杠支架支撐處的六個自由度進行約束，以模擬保險杠和車體的鏈接。將保險杠橫梁和吸能盒厚度均設(shè)置為1.8mm，行駛初速度設(shè)置為4m/s，碰撞時長設(shè)置為100ms，完成模型搭建工作，提交LS-dyna進行求解計算。最終搭建的保險杠與剛性墻模型如圖1所示。

2? 保險杠撞擊剛性墻的分析結(jié)果

汽車在猛烈的撞擊中，沖擊力非常大，響應(yīng)時間也非常短，保險杠各個部件的位移量、速度、加速度都發(fā)生了較大的變化。本次分析計算最終求解時間為2.5h，碰撞時長為100ms，利用Hyperviews后處理軟件得到圖2在不同時間段內(nèi)，保險杠橫梁和吸能盒的變形狀況。

由應(yīng)力應(yīng)變云圖可知，在發(fā)生碰撞的瞬間，保險杠橫梁產(chǎn)生了較大的塑性形變，同時，該材料的屈服應(yīng)力極限不足以支撐吸能盒變形的局部應(yīng)力，也消耗了碰撞所產(chǎn)生的巨大能量，降低了整車動能。這種情況下，對汽車翼子板、車燈、前機罩、白車身以及乘員安全都有較大的影響。所以，為了充分發(fā)揮保險杠系統(tǒng)的吸能效果，有必要對其部件的相關(guān)參數(shù)進行調(diào)整，提高保險杠系統(tǒng)的吸能效果和碰撞特性。

3? 優(yōu)化及驗證

本文針對汽車前保險杠的優(yōu)化分析，目的在于保護其后面的汽車零部件如發(fā)動機、翼子板、機罩等不受損害，保護駕駛?cè)藛T和乘員不受傷害。因此，在碰撞發(fā)生的過程中，應(yīng)使吸能盒的壓潰吸能盡可能多的吸收碰撞時所產(chǎn)生的能量，提高被動安全性能。

此次優(yōu)化以保險杠橫梁和吸能盒的壁厚作為優(yōu)化參數(shù)，取橫梁中下端第4154個節(jié)點相對于吸能盒末端即車體剛性面的相對位移為參考指標，分析在三種不同壁厚的情況下，保險杠的吸能狀況，三種方案，：case01橫梁壁厚1.5mm，吸能盒壁厚1.5mm，相對位移最大值171.329mm;case02：1.5mm，2.5mm，105.115mm;case03：2.5mm，2.5mm，102.945mm。

仿真結(jié)果在HyperGraph2D中可以得到相應(yīng)節(jié)點位移、時間和吸能、時間的歷程曲線，如圖3、圖4所示。

由三種方案可知，case01中的最大相對位移為171mm，case02和case03中的相對最大位移相差不多，遠小于case01;從圖4可以看出case02和case03的吸能效果相差不大，而case03中的橫梁壁厚要比case02厚1mm，從車體輕量化和吸能效果的綜合考慮來看，選用case02中的壁厚參數(shù)最為合理。

4? 結(jié)語

①本文利用前處理軟件ANSA和顯式動力學(xué)分析軟件LS-DYNA聯(lián)合建模，通過Hyperviews后處理軟件進行優(yōu)化分析，得出最優(yōu)化保險杠壁厚參數(shù)，既提高了吸能盒的吸能效果，又保證了整車體的輕量化，縮短了設(shè)計周期，減小了實驗次數(shù)，為以后整車碰撞分析提供了重要的參考價值;②首次采用ANSA前處理軟件進行建模工作，在網(wǎng)格劃分，建立接觸等方面的優(yōu)越性要強于傳統(tǒng)建模軟件，但在分析后的結(jié)果處理方面有明顯不足;③在本次論文中提到的保險杠系統(tǒng)的改進中，只做了對原本數(shù)模參數(shù)的更改，并沒有對數(shù)模本身進行修改，在實際的企業(yè)級項目中，需要與相關(guān)設(shè)計人員進行協(xié)調(diào)，達到更理想的效果。

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