汽車前保險(xiǎn)杠低速碰撞試驗(yàn)計(jì)算分析方法

李 旻， 夏彰陽， 李云飛， 尤黎民， 何鼎峰， 上官文斌

(1. 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 廣州 510641；2. 寧波宏協(xié)承汽車部件有限公司， 浙江 寧波 315822)

汽車前保險(xiǎn)杠低速碰撞試驗(yàn)計(jì)算分析方法

李 旻1， 夏彰陽1， 李云飛1， 尤黎民2， 何鼎峰2， 上官文斌1

(1. 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 廣州 510641；2. 寧波宏協(xié)承汽車部件有限公司， 浙江 寧波 315822)

對比分析了各國保險(xiǎn)杠低速碰撞試驗(yàn)法規(guī)，參照歐洲ECE-R42、美國Part 581和加拿大CFVSS215法規(guī)，提出了4種保險(xiǎn)杠低速碰撞分析的計(jì)算工況。建立了保險(xiǎn)杠系統(tǒng)低速碰撞分析的有限元分析方法，以最大縱向變形量和吸能百分比作為主要評價(jià)指標(biāo)，對一保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在4種工況下的碰撞性能進(jìn)行有限元模擬分析。在其它條件不變的情況下，對比分析了不同厚度保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及能量變化情況，并選擇橫梁厚度為2.0 mm的保險(xiǎn)杠。該工作對低速碰撞下保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

汽車保險(xiǎn)杠；低速碰撞；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；仿真分析

保險(xiǎn)杠系統(tǒng)是汽車被動(dòng)安全的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一[1-2]，影響保險(xiǎn)杠碰撞性能的主要因素有3個(gè)：①材料，不同的材料是怎樣影響碰撞性能以及如何通過材料的優(yōu)選來降低成本是生產(chǎn)商首先要考慮的；②截面形狀，在滿足碰撞性能要求的前提下，設(shè)計(jì)出便于制造且輕量化的結(jié)構(gòu)是當(dāng)今發(fā)展趨勢；③厚度，保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)厚度的改變對碰撞性能有重要的影響[3-5]。在汽車低速碰撞(通常小于15 km/h)過程中，保險(xiǎn)杠橫梁是主要的吸能部件[6]，它能有效地緩沖碰撞沖擊力，保護(hù)翼子板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和燈具等部件，對降低維修成本和理賠費(fèi)用，延長車輛的使用壽命有重要意義。

國外很早就對汽車前保險(xiǎn)杠低速碰撞問題進(jìn)行了研究。Redhe等[7]使用LS-OPT對汽車吸能部件進(jìn)行了形狀改進(jìn)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法優(yōu)化了吸能部件的幾何形狀，在減少保險(xiǎn)杠橫梁的侵入量、剛性墻侵入量和降低縱梁應(yīng)變等約束條件下提高了車輛的低速碰撞性能，改進(jìn)后的模型取得了較好的吸能效果。Szabo等[8]對1981～1983年型的Ford Escorts轎車進(jìn)行了低速碰撞試驗(yàn)，在2.23 m/s(8 km/h)、4.47 m/s(16 km/h)和6.71 m/s(24 km/h)3種碰撞速度下各進(jìn)行了兩次試驗(yàn)，獲得了保險(xiǎn)杠的位移、汽車速度和汽車加速度的時(shí)間響應(yīng)特性。章正偉[9]按照歐洲ECE-R42法規(guī)要求，建立了保險(xiǎn)杠有限元仿真模型，并對其進(jìn)行了非線性模擬分析，得出了增強(qiáng)保險(xiǎn)杠耐撞性的規(guī)律[10]。

本文首先對汽車保險(xiǎn)杠低速碰撞法規(guī)和試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了分析，以一汽車前保險(xiǎn)杠為研究對象，建立了保險(xiǎn)杠系統(tǒng)低速碰撞有限元模型，參照歐洲ECE-R42、美國Part 581、加拿大CFVSS215法規(guī)要求提出了4種計(jì)算工況。由保險(xiǎn)杠系統(tǒng)各部件材料參數(shù)以及試驗(yàn)條件，計(jì)算得到了基于保險(xiǎn)杠模型在碰撞過程中保險(xiǎn)杠的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和能量變化，包括結(jié)構(gòu)變形、碰撞力以及吸能特性。在其他參數(shù)不變的條件下，改變保險(xiǎn)杠橫梁的厚度，由得到的不同工況下保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的最大縱向變形量和總吸能，判斷保險(xiǎn)杠系統(tǒng)是否滿足法規(guī)的要求。本文提出的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)低速碰撞有限元建模方法和分析方法，可為保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)提供支持。

1 保險(xiǎn)杠低速碰撞試驗(yàn)法規(guī)和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 各國保險(xiǎn)杠低速碰撞試驗(yàn)法規(guī)

目前，許多國家和地區(qū)都制定了汽車保險(xiǎn)杠低速碰撞法規(guī)和試驗(yàn)要求，雖然評價(jià)的方法和要求各不相同，但是它們都是以真實(shí)事故統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，旨在提高汽車的低速碰撞安全性能。表1所示為保險(xiǎn)杠低速碰撞法規(guī)介紹。

表1 各國保險(xiǎn)杠低速碰撞法規(guī)

美國法規(guī)Part581和加拿大法規(guī)CFVSS215是強(qiáng)制性法規(guī)，所有進(jìn)入美國和加拿大市場的轎車都必須滿足這兩個(gè)法規(guī)，因此一些歐洲的生產(chǎn)廠家銷往美國的轎車配有專用的保險(xiǎn)杠，而進(jìn)入其他市場的轎車可以配置成本較低的普通保險(xiǎn)杠。其余法規(guī)雖然是非強(qiáng)制性的，但它們能夠影響消費(fèi)者的購買意向，所以也受到汽車制造廠商的高度重視[11]。

表2和表3所示為各種法規(guī)的試驗(yàn)內(nèi)容以及試驗(yàn)要求，其中擺錘碰撞是用碰撞器撞擊靜止的車輛，碰撞器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，撞擊頭為高強(qiáng)度鋼，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，碰撞器A平面與地面保持垂直，撞擊中心保持水平且離地高度達(dá)到445 mm。整車撞墻是指汽車前、后部分別以一定的速度撞擊靜止的剛性墻；整車撞30°斜墻是指汽車前部以一定的速度撞30°角的斜墻；40%偏置碰撞是汽車前部以一定的速度撞墻，撞擊部位靠駕駛員一側(cè)，占車頭寬度的40%。

表2 各國保險(xiǎn)杠低速碰撞法規(guī)的試驗(yàn)內(nèi)容

表3 各國保險(xiǎn)杠低速碰撞法規(guī)對車輛的規(guī)定及試驗(yàn)結(jié)果評價(jià)

圖1 碰撞器結(jié)構(gòu)尺寸示意圖(單位：mm)Fig.1 The schematic diagram of the structure size of the impactor (unit:mm)

1.2 保險(xiǎn)杠低速碰撞評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)以上法規(guī)要求，本文主要從保險(xiǎn)杠系統(tǒng)總吸能和結(jié)構(gòu)變形兩方面對某保險(xiǎn)杠低速碰撞性能進(jìn)行評價(jià)。前者規(guī)定保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在碰撞結(jié)束時(shí)，吸收的能量與總能量的比值不低于40%，后者規(guī)定保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的最大縱向變形量不能超過許可變形。如圖2所示，當(dāng)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)發(fā)生正面碰撞時(shí)，橫梁中間位置最大縱向變形量H1不能超過許可變形[H1]；發(fā)生角度碰撞時(shí)，橫梁與吸能盒連接位置最大縱向變形量H2不能超過許可變形[H2]。本文研究的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)許可變形[H1]為70.6 mm，[H2]為15 mm。

(a)正面碰撞

(b)角度碰撞圖2 保險(xiǎn)杠變形示意圖Fig.2 The schematic diagram of the deformation of bumper

2 保險(xiǎn)杠低速碰撞分析的建模

2.1 汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的有限元模型

汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)一般由橫梁、左右吸能盒組成，它們之間通過焊點(diǎn)和焊縫連接。橫梁的作用是將前部碰撞中產(chǎn)生的能量均勻地傳遞到兩邊的吸能盒上，使碰撞能量最大限度被吸能盒均勻地吸收。吸能盒的作用一方面是將橫梁傳來的能量最大限度地吸收，消除碰撞對車身前部的損壞以及保護(hù)駕乘人員的生存空間，另一方面是將碰撞力通過縱梁傳遞到車身。本文所建立的該汽車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)有限元模型如圖3所示。

(a)

(b) (c)1-右車身連接板; 2-右吸能盒; 3-橫梁; 4-左吸能盒; 5-左車身連接板圖3 保險(xiǎn)杠系統(tǒng)有限元模型Fig.3 The finite element model of the bumper system

圖3所示的保險(xiǎn)杠有限元模型為薄壁件，厚度方向的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他方向的尺寸，所以各元件均采用薄殼單元來劃分網(wǎng)格。本文選用Belytschko-Tsay 殼單元，在保證計(jì)算精度和提高運(yùn)算效率的前提下，選用5 mm×5 mm大小的四邊形網(wǎng)格，沿殼單元厚度方向選取5個(gè)積分點(diǎn)[12]，該保險(xiǎn)杠系統(tǒng)共劃分139 477個(gè)單元。

本模型中所有元件的材料均為低碳鋼，采用LS-DYNA中的24號分段線性塑性材料模型，考慮到材料應(yīng)變率效應(yīng)的影響，24號材料模型可以通過輸入材料Cowper-Symonds本構(gòu)模型相關(guān)參數(shù)將材料的應(yīng)變率效應(yīng)考慮進(jìn)去，其本構(gòu)模型表達(dá)式為

(1)

橫梁與吸能盒的材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，各元件材料力學(xué)性能參數(shù)如表4所示。

對于模型接觸的定義，保險(xiǎn)杠橫梁、吸能盒以及連接板之間的接觸為單面接觸，保險(xiǎn)杠與碰撞器的接觸為面面接觸，動(dòng)靜摩擦因數(shù)均為0.1[14]。焊點(diǎn)與各部件之間的接觸采用點(diǎn)面接觸，焊點(diǎn)為從面，接觸的動(dòng)靜摩擦因數(shù)均為0.2。焊點(diǎn)的模擬采用焊接單元，創(chuàng)建焊接單元1D-connectors-spot，采用LS-DYNA中的100號焊點(diǎn)材料模型。焊縫的模擬采用rb2剛性單元。

(a)橫梁材料應(yīng)力?應(yīng)變曲線(b)吸能盒材料應(yīng)力?應(yīng)變曲線

圖4 主要元件的材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)低速碰撞的工況

參照歐洲ECE-R42法規(guī)、美國Part581法規(guī)、加拿大CFVSS215，將它們設(shè)計(jì)成4種工況，見表5。由于我國汽車前、后端保護(hù)裝置的碰撞法規(guī)GB 17354—1998參照歐洲ECE R42，所以本文選用歐洲ECE R42作為參考法規(guī)之一。

表5 保險(xiǎn)杠低速碰撞分析工況

圖5所示為ECE R42規(guī)定的兩種工況(工況1和工況3)，在碰撞仿真過程中取汽車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行分析，約束連接板上節(jié)點(diǎn)全部自由度使其固定。碰撞器質(zhì)量與試驗(yàn)車輛的整車整備質(zhì)量相等，設(shè)置為剛體。根據(jù)主機(jī)廠提出的要求，參考加拿大CFVSS215法規(guī)，在工況1的基礎(chǔ)上將碰撞器速度增至8 km/h進(jìn)行極限工況分析，驗(yàn)證保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在更為嚴(yán)格的條件下是否滿足低速碰撞性能要求，將其整理成工況2。

美國的Part581在歐洲ECE R42 的基礎(chǔ)上增加了整車正面撞擊剛性墻的工況，要求保險(xiǎn)杠系統(tǒng)以4 km/h的速度對剛性墻進(jìn)行正面撞擊，同時(shí)約束剛性墻全部自由度使其固定。車身左右連接板賦予整車整備質(zhì)量，如圖6所示。

(a)工況1(工況2) (b)工況3圖5 碰撞器撞擊保險(xiǎn)杠Fig.5 The impactor impacts the bumper

工況4圖6 正面撞擊剛性墻Fig.6 The bumper impacts the rigid wall

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

由表6可知，4種工況下該保險(xiǎn)杠系統(tǒng)均滿足法規(guī)要求。安全裕量表示許可相對變形與保險(xiǎn)杠系統(tǒng)最大縱向變形量的差值，其中工況1、工況2和工況4的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)碰撞變形主要發(fā)生在橫梁中間位置，許可相對變形為70.6 mm，工況3保險(xiǎn)杠系統(tǒng)碰撞變形主要發(fā)生在橫梁與吸能盒連接位置，許可相對變形為15 mm；吸能百分比表示碰撞結(jié)束時(shí)吸收的能量與總能量的比值。當(dāng)兩者均滿足本文保險(xiǎn)杠低速碰撞性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則視為符合以上法規(guī)要求。

表6 4種工況的分析結(jié)果

利用HYPERVIEW對碰撞結(jié)果進(jìn)行后處理，以工況1分析結(jié)果為例，圖7所示為保險(xiǎn)杠系統(tǒng)撞擊后X方向上的位移響應(yīng)。從圖7中可以看出，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)受到碰撞器正面撞擊后，變形最大處位于橫梁的中部，X方向上最大結(jié)構(gòu)變形量為22.98 mm，小于許可變形70.6 mm；此外，吸能盒產(chǎn)生了少量的壓縮變形。

圖7 保險(xiǎn)杠系統(tǒng)撞擊后X方向的位移響應(yīng)云圖Fig.7 The displacement response contour of the impacted bumper system in the X direction

圖8所示為碰撞器速度-時(shí)間曲線，可以看出在21 ms之前，碰撞器以1.1 m/s的速度勻速運(yùn)動(dòng)，發(fā)生碰撞之后速度迅速下降，在82 ms左右趨于平緩，碰撞過程結(jié)束，此時(shí)碰撞器的速度為-0.8 m/s。

圖8 碰撞器速度-時(shí)間曲線Fig.8 The speed-time curve of the impactor

圖9所示為碰撞器加速度和碰撞力曲線，由圖可知，碰撞器加速度和碰撞力的絕對值都是先從0開始增加到某個(gè)值后，再減少至0，這與實(shí)際的碰撞機(jī)理相符合。力和加速度之間滿足F=ma公式(m表示碰撞器質(zhì)量，它與整車整備質(zhì)量相等，為1 240 kg)，并且兩者有很好的一致性，這說明仿真結(jié)果是可靠的。

(a) 碰撞器加速度-時(shí)間曲線 (b) 碰撞器碰撞力-時(shí)間曲線圖9 碰撞器碰撞動(dòng)態(tài)特性曲線Fig.9 The impact dynamic characteristic curve of the impactor

3.2 保險(xiǎn)杠系統(tǒng)吸能特性分析

在保險(xiǎn)杠系統(tǒng)碰撞過程中，各元件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是一個(gè)涉及幾何非線性、材料非線性和復(fù)雜接觸摩擦問題的大變形過程。由圖10可以看出，在碰撞過程中總能量保持不變。隨著碰撞器與橫梁接觸，動(dòng)能逐漸減少，內(nèi)能逐漸增加，在82 ms左右趨向于穩(wěn)定，這表示碰撞器與橫梁分離，碰撞過程結(jié)束。碰撞過程中保險(xiǎn)杠系統(tǒng)吸收的能量用內(nèi)能表示，由圖11的曲線可知，橫梁內(nèi)能的最大值比吸能盒大，但吸能盒最終吸收的能量比橫梁多，這說明橫梁主要發(fā)生彈性變形，而吸能盒主要發(fā)生塑性變形。

圖10 保險(xiǎn)杠系統(tǒng)能量變化時(shí)間歷程曲線Fig.10 The time history curve of the energy change of the bumper system

圖11 保險(xiǎn)杠各元件內(nèi)能變化時(shí)間歷程曲線Fig.11 The time history curve of the internal energy change of the bumper components

由表7可知，碰撞結(jié)束時(shí)總能量的45.62%被保險(xiǎn)杠系統(tǒng)吸收，這說明該系統(tǒng)具有較好的吸能性能，但仍有一定的改進(jìn)空間。系統(tǒng)碰撞結(jié)束時(shí)動(dòng)能還有405.9 J，說明碰撞結(jié)束時(shí)有一定的反彈，這在實(shí)際的碰撞過程中是真實(shí)存在的，這也從另一個(gè)側(cè)面說明了仿真的正確性。系統(tǒng)的沙漏能與滑移能都控制在5%以內(nèi)，控制效果很好。

表7 碰撞過程各能量變化情況

3.3 保險(xiǎn)杠橫梁厚度對碰撞性能的影響

由表6可知，在橫梁厚度為2.4 mm時(shí)，碰撞后最大縱向變形量遠(yuǎn)小于所允許的最大縱向變形量，這說明此厚度的保險(xiǎn)杠橫梁低速碰撞性能設(shè)計(jì)過于保守，有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

考慮到汽車輕量化和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益要求，對保險(xiǎn)杠橫梁的厚度進(jìn)行優(yōu)化。選取橫梁厚度為2.0 mm、1.8 mm和1.6 mm的保險(xiǎn)杠，分別進(jìn)行仿真模擬分析，分析結(jié)果如表8～表10所示。

表8 橫梁厚度為2.0 mm時(shí)的分析結(jié)果

表9 橫梁厚度為1.8 mm時(shí)的分析結(jié)果

表10 橫梁厚度為1.6 mm時(shí)的分析結(jié)果

對比表8～表10的分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

(1)對應(yīng)工況1、工況3和工況4，不同橫梁厚度的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)均滿足法規(guī)要求。其中在第3種工況下的變形量明顯小于第1種和第4種工況，這是因?yàn)榈?種工況是發(fā)生角度碰撞，碰撞部位為橫梁與吸能盒連接位置，所以變形相對第1、4種工況小很多。同時(shí)第1種工況橫梁最大縱向變形量比第4種工況均小，所以可認(rèn)為在滿足第4種工況的前提下，第1種工況也能滿足。

(2)橫梁厚度為2.4 mm和2.0 mm保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在四種工況下均滿足法規(guī)要求，而1.8 mm和1.6 mm厚度的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在工況2下已經(jīng)失效。在滿足法規(guī)要求的前提下，為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化和提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，可以選擇橫梁厚度為2.0 mm的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

(1)提出了汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)低速碰撞有限元建模方法，基于歐洲ECE R42、美國Part581以及加拿大CFVSS215法規(guī)，提出了4種設(shè)計(jì)分析工況。

(2)對一保險(xiǎn)杠在4種工況下的碰撞性能進(jìn)行了計(jì)算分析，對比4種橫梁厚度的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，選擇橫梁厚度為2.0 mm的保險(xiǎn)杠。該保險(xiǎn)杠系統(tǒng)發(fā)生正面碰撞時(shí)，最大縱向變形量為60.09 mm，小于許可變形量70.6 mm；發(fā)生角度碰撞時(shí)，最大縱向變形量為10.01 mm，小于許可變形量15 mm，且最小吸能百分比為48.31%，吸能充分，對車身及司乘人員起到保護(hù)作用，滿足法規(guī)要求。

(3)本文主要對低速碰撞下保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，由于缺少整車數(shù)模，所以對整車部分進(jìn)行了簡化分析。本文工作對低速碰撞下保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

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Calculation and analytical methods for front bumpers of a vehicle at low-speed impact test

LI Min1, XIA Zhangyang1, LI Yunfei1, YOU Limin2, HE Dingfeng2, SHANGGUAN Wenbin1

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China;2. Ningbo Hongxiecheng Auto Parts Co., Ltd., Ningbo 315822, China)

Bumper low-speed impact test regulations of different countries were comprehensively analyzed. With reference to the European ECE-R42, the United States Part 581 and Canada CFVSS215 regulations, four kinds of load conditions were proposed to analyze bumper performances at low-speed crash. A finite element analysis method was presented to estimate crash performance of a bumper, and a calculation was carried out for a real car bumper under the four proposed conditions, with maximum longitudinal deformation and energy-absorbing rate as main evaluation indicators. Also, the influence of the bumper thickness on crash performance was investigated, and the results showed that the two-mm-thick beam has the best performance. The calculation and analytical methods and results presented in this paper are helpful for considering crash performances of a bumper at low-speed impact.

automotive bumper; low-speed impact; test standard; simulation analysis

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11472107)；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014A030313254；2015A030310383)

2016-08-10 修改稿收到日期： 2016-11-01

李旻 男，博士，副教授，1974年生

上官文斌 男，博士，教授，1963年生

U461.91

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.16.039