基于LS-DYNA的汽車保險(xiǎn)杠低速碰撞仿真研究

胡韶文，宋年秀，許津，孫根柱，劉鵬

（1.青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，山東青島 266520；2.無錫同捷汽車設(shè)計(jì)有限公司，江蘇無錫 214000）

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基于LS-DYNA的汽車保險(xiǎn)杠低速碰撞仿真研究

胡韶文1，宋年秀1，許津1，孫根柱2，劉鵬1

（1.青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，山東青島 266520；2.無錫同捷汽車設(shè)計(jì)有限公司，江蘇無錫 214000）

摘要：基于LS-DYNA軟件，利用有限元方法分析汽車保險(xiǎn)杠低速碰撞中的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性及碰撞過程中的能量變化，評(píng)價(jià)保險(xiǎn)杠的碰撞性能，研究保險(xiǎn)杠吸能盒厚度對保險(xiǎn)杠碰撞性能的影響，并提出了保險(xiǎn)杠優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：汽車；保險(xiǎn)杠；低速碰撞；CAE模型

保險(xiǎn)杠在汽車碰撞事故中發(fā)揮著不可替代的作用。汽車碰撞有高速和低速之分，高速碰撞的危害一般較嚴(yán)重，成為人們研究的重點(diǎn)，而低速碰撞沒有引起人們的足夠重視。因此，該文對保險(xiǎn)杠的低速碰撞過程進(jìn)行分析，了解保險(xiǎn)杠低速碰撞的動(dòng)力學(xué)特性，為其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，以提高保險(xiǎn)杠的碰撞安全性能，減少交通事故中的損失。

1　汽車碰撞仿真基本理論

1.1沙漏控制

在有限元分析中，如果不對沙漏模式進(jìn)行控制，則可能出現(xiàn)數(shù)值振蕩現(xiàn)象，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，分析結(jié)論也就無效。沙漏控制的主要方法有剛度控制法和粘性阻尼法。一般通過將沙漏能與總能量進(jìn)行比較來評(píng)價(jià)沙漏控制是否符合要求，如果所占比例不超過10%，則認(rèn)為沙漏控制效果好，有限元分析結(jié)果可信。

1.2碰撞接觸的定義

汽車實(shí)際碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜多樣的接觸，利用計(jì)算機(jī)模擬汽車碰撞時(shí)需提前對這些接觸進(jìn)行設(shè)置。汽車碰撞時(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和變形體內(nèi)部之間的接觸。對于這些接觸，在碰撞仿真中分別采用節(jié)點(diǎn)對面的接觸、面對面的接觸和單面自動(dòng)接觸來定義。如果接觸定義不合理，將導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間冗長，甚至出現(xiàn)負(fù)體積或某節(jié)點(diǎn)速度過高等錯(cuò)誤。正確定義碰撞接觸是準(zhǔn)確進(jìn)行碰撞仿真的必要條件。

1.3時(shí)間步長控制

時(shí)間步長為每一步有限元積分的時(shí)間長度。時(shí)間步長過大，會(huì)使計(jì)算不穩(wěn)定，導(dǎo)致模擬計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)大的偏差，計(jì)算精度下降。因此，必須對時(shí)間步長進(jìn)行控制。最小時(shí)間步長的計(jì)算公式為：

式中：Δtmin為最小時(shí)間步長；lmin為單元最小特征長度；c為聲速；E為彈性模量；θ為泊松比；ρ為密度。

由式（1）可以看出：最小時(shí)間步長的大小與模型材料的彈性模量、泊松比、密度及單元的最小特征長度有關(guān)。

2　保險(xiǎn)杠有限元模型的建立

在三維制圖軟件Solid Works中建立保險(xiǎn)杠CAD模型，在前處理軟件Hyper Mesh中對保險(xiǎn)杠部件賦予材料與屬性，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到由節(jié)點(diǎn)和單元構(gòu)成的CAE模型（如圖1所示），并對模型的連接、接觸、約束和計(jì)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(jì)算。

圖1　保險(xiǎn)杠CAE模型

3　保險(xiǎn)杠低速碰撞動(dòng)力響應(yīng)特性

3.1模型變形分析

低速碰撞過程中，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)變形過程如圖2 ～7所示。

圖2　t=0 ms時(shí)保險(xiǎn)杠變形圖

圖3　t=12 ms時(shí)保險(xiǎn)杠變形圖

圖4　t=25 ms時(shí)保險(xiǎn)杠變形圖

圖5　t=37 ms時(shí)保險(xiǎn)杠變形圖

觀察保險(xiǎn)杠系統(tǒng)低速碰撞變形過程可知：在30 ms以后，保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)變形較快；碰撞進(jìn)行到55 ms以后，結(jié)構(gòu)的變形量幾乎不隨時(shí)間變化。因此，將該保險(xiǎn)杠低速碰撞仿真的時(shí)間設(shè)置為60 ms。

圖6　t=50 ms時(shí)保險(xiǎn)杠變形圖

圖7　t=60 ms時(shí)保險(xiǎn)杠變形圖

根據(jù)圖2～7，在碰撞過程中，保險(xiǎn)杠橫梁發(fā)生了較大變形，而吸能盒變形很小。出現(xiàn)這種情況的原因是：發(fā)生碰撞時(shí)保險(xiǎn)杠橫梁中間的弧形突出部分首先與剛性墻接觸，剛性墻阻礙其運(yùn)動(dòng)，而橫梁其余部分繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，中間弧形部分受到擠壓而變形，系統(tǒng)中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；隨著碰撞的進(jìn)行，速度逐漸下降，橫梁的變形增大，吸收大部分能量，系統(tǒng)的動(dòng)能減小，并且由于碰撞速度不是很高，吸能盒還未發(fā)生大變形碰撞過程就已經(jīng)結(jié)束。

在低速碰撞過程中，保險(xiǎn)杠橫梁發(fā)生明顯變形，吸能盒也發(fā)生變形，但變形量很小，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的碰撞安全性能較好。

3.2位移變化分析

設(shè)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度為8 km/h（2 222.22 mm/s），方向?yàn)檠豿方向，可認(rèn)為在碰撞過程中只有x方向上的位移發(fā)生變化。y和z方向上的速度都為零，在碰撞過程中雖然會(huì)在這兩個(gè)方向發(fā)生振動(dòng)，但位移量非常小，可忽略不計(jì)。圖8～13為保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的碰撞位移云圖。

從圖8～13可以看出：在低速碰撞過程中，保險(xiǎn)杠橫梁弧形部分的位移先增加，再減少，碰撞快結(jié)束時(shí)又呈上升趨勢，這種情況與碰撞過程相一致。在未發(fā)生碰撞時(shí)，弧形部分一直沿x方向運(yùn)動(dòng)，與剛性墻剛發(fā)生接觸時(shí)，這部分運(yùn)動(dòng)受到阻礙，位移不再增加；隨著碰撞的進(jìn)行，當(dāng)橫梁兩端的弧形部分與剛性墻接觸時(shí)，橫梁中間部分由于受到壓力的作用將沿反方向運(yùn)動(dòng)，所以位移減少；碰撞快結(jié)束時(shí)，橫梁由于彈性作用慢慢恢復(fù)原狀，位移又會(huì)增加。保險(xiǎn)杠系統(tǒng)上位移變化量最大的節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)2 856）位于代表車體的鋼板上，最大位移為88.69 mm。

選取保險(xiǎn)杠橫梁中部弧形部分某節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)4 279）作為分析對象，通過分析該節(jié)點(diǎn)的位移-時(shí)間和速度-時(shí)間關(guān)系進(jìn)一步了解保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的碰撞過程。圖14為該節(jié)點(diǎn)在x方向上的位移-時(shí)間響應(yīng)曲線，圖15為速度-時(shí)間響應(yīng)曲線。

圖8　t=0 ms時(shí)保險(xiǎn)杠位移云圖（單位：mm）

圖9　t=12 ms時(shí)保險(xiǎn)杠位移云圖（單位：mm）

圖10　t=25 ms時(shí)保險(xiǎn)杠位移云圖（單位：mm）

圖11　t=37 ms時(shí)保險(xiǎn)杠位移云圖（單位：mm）

圖12　t=50 ms時(shí)保險(xiǎn)杠位移云圖（單位：mm）

圖13　t=60 ms時(shí)保險(xiǎn)杠位移云圖（單位：mm）

圖14　節(jié)點(diǎn)4 279在x方向的位移-時(shí)間響應(yīng)曲線

由圖14可知：在前7 ms內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的位移與時(shí)間呈正線性關(guān)系；7 ms時(shí)，保險(xiǎn)杠和剛性墻接觸，開始碰撞過程，但節(jié)點(diǎn)所在面還未與剛性墻接觸，所以位移繼續(xù)增加，大約在12 ms時(shí)節(jié)點(diǎn)位移達(dá)到最大，為19 mm。之后一直減少，直到碰撞快結(jié)束時(shí)，最小位移為3 mm。保險(xiǎn)杠橫梁發(fā)生的彈性變形開始恢復(fù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)的位移又呈現(xiàn)增長趨勢，與保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的位移云圖顯示結(jié)果幾乎一致。該節(jié)點(diǎn)最大變形量為16 mm。曲線變化較平穩(wěn)，說明保險(xiǎn)杠碰撞過程較穩(wěn)定。

該保險(xiǎn)杠采用低碳鋼，在軟件Hyper Mesh中的編號(hào)為MATL24，屬于彈塑性材料，保險(xiǎn)杠的變形應(yīng)包括彈性變形和塑性變形。其彈性變形部分應(yīng)隨著碰撞沖擊載荷的減弱逐漸消失，此時(shí)，保險(xiǎn)杠的彈性勢能使保險(xiǎn)杠慢慢恢復(fù)原來的形狀，即保險(xiǎn)杠有一個(gè)回彈過程，其速度應(yīng)減小到一個(gè)負(fù)值后再增加。由圖15可知：在30～57 ms時(shí)速度-時(shí)間曲線呈明顯上升趨勢，該保險(xiǎn)杠的碰撞性能較好。

圖15　節(jié)點(diǎn)4 279在x方向的速度-時(shí)間響應(yīng)曲線

4　吸能盒厚度對碰撞性能的影響

在保持橫梁厚度1.3 mm不變的前提下，改變吸能盒的厚度，探討吸能盒厚度對保險(xiǎn)杠的影響。前文分析中吸能盒的厚度為2 mm，取吸能盒厚度為1.5和2.5 mm進(jìn)行碰撞仿真，并將仿真結(jié)果與吸能盒厚度為2 mm時(shí)的結(jié)果進(jìn)行對比。圖16為吸能盒取不同厚度時(shí)保險(xiǎn)杠的吸能特性曲線。

圖16　不同吸能盒厚度時(shí)保險(xiǎn)杠的吸能特性曲線

由圖16可知：吸能盒厚度為2和2.5 mm時(shí)保險(xiǎn)杠吸收的能量比厚度為1.5 mm時(shí)的多，即吸能盒厚度增加時(shí)，保險(xiǎn)杠吸收的能量也增加，但保險(xiǎn)杠的碰撞安全性能并不一定提高。厚度為1.5 mm時(shí)吸能曲線在54 ms左右達(dá)到最高點(diǎn)，之后持平，幾乎保持不變，說明吸能盒還在吸收能量，吸能盒還在變形，吸能盒過大的變形可能導(dǎo)致車架發(fā)生碰撞，可認(rèn)為此時(shí)保險(xiǎn)杠的碰撞安全性能不好。吸能盒厚度為2.5 mm時(shí)，吸收的能量并不比厚度為2 mm保險(xiǎn)杠大很多，但會(huì)在一定程度上增加保險(xiǎn)杠的重量。綜上所述，吸能盒厚度為2 mm時(shí)，保險(xiǎn)杠的總體性能最好?？烧J(rèn)為當(dāng)保險(xiǎn)杠橫梁厚度為1.3 mm、吸能盒厚度為2 mm時(shí)，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。

5　結(jié)語

該文在Hyper Mesh中建立保險(xiǎn)杠低速碰撞有限元模型，并通過LS-DYNA進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，利用有限元后處理軟件Hyper View和Hyper Graph對碰撞模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，觀看碰撞過程的動(dòng)畫，得到低速碰撞過程中保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)變形圖和位移云圖，分析保險(xiǎn)杠低速碰撞過程，對保險(xiǎn)杠的碰撞安全性能作出了評(píng)價(jià)，并提出了優(yōu)化建議，為設(shè)計(jì)合適的保險(xiǎn)杠提供參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 劉少華.基于LS-DYNA的轎車保險(xiǎn)杠耐撞性研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2008.

［2］ 朱西產(chǎn)，鐘榮華.薄壁直梁件碰撞性能計(jì)算機(jī)仿真方法的研究［J］.汽車工程，2000，22（2）.

［3］ 范兵.薄壁梁碰撞仿真中時(shí)間步長問題的研究［J］.汽車科技，2005（2）.

［4］ 郭敏杰.基于CAE的AT換擋操縱機(jī)構(gòu)的研究［D］.西安：陜西科技大學(xué)，2011.

［5］ 方泳龍.公交車制動(dòng)理論與設(shè)計(jì)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［6］ 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.

［7］ 劉兆劍，熊欣.基于ANSYS/LS-DYNA的客車正面碰撞仿真分析研究［J］.客車技術(shù)與研究，2012（6）.

［8］ 謝旭海，陳昌明，許佰寧，等.基于LS-DYNA的客車側(cè)翻自動(dòng)分析［J］.客車技術(shù)與研究，2012（6）.

中圖分類號(hào)：U463.32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-2668（2016）03-0014-04

收稿日期：2016-01-11