基于汽車低速碰撞的前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)安全性能研究

李　巖，石柏軍，張兆元，鐘佳彬

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣東 廣州　510640)

由于城市道路工況的復(fù)雜性，汽車經(jīng)常低速行駛，汽車低速碰撞時(shí)前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)最先受到損壞，為保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)、散熱器等部件，前保險(xiǎn)杠應(yīng)具有良好的耐撞性[1]。本文以某乘用車為例，利用Hypermesh建立了前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)低速碰撞有限元模型，然后將該模型導(dǎo)入Ls-dyna求解器進(jìn)行計(jì)算，針對(duì)正面碰撞和角度碰撞兩種工況對(duì)保險(xiǎn)杠的安全性能進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)保險(xiǎn)杠橫梁的材料和厚度提出改進(jìn)措施。本文對(duì)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)安全性能的研究可為后續(xù)保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1　前保險(xiǎn)杠低速碰撞有限元模型

為更好地考察保險(xiǎn)杠的低速碰撞性能，本文選取比中國GB 17354—1998更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)——加拿大CFVSS215，其規(guī)定擺錘正面撞擊保險(xiǎn)杠的速度為8.0km/h，以及對(duì)車輛縱向?qū)ΨQ面呈60°角的撞擊速度為4.8km/h，碰撞器的有效質(zhì)量與試驗(yàn)車輛的“整車整備質(zhì)量”相等，中心與撞擊中心高度一致[2]。

該前保險(xiǎn)杠主要由蒙皮、吸能泡沫、保險(xiǎn)杠橫梁組成，該款汽車的前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1　模型網(wǎng)格劃分

將蒙皮按照5mm的特征尺寸劃分，橫梁按照8mm的網(wǎng)格尺寸劃分，泡沫和碰撞器也按照8mm尺寸劃分。最終主要部件的網(wǎng)格數(shù)目統(tǒng)計(jì)見表1。

圖1　前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)圖

表1　主要部件網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)

1.2　材料模型的選擇

在模擬車輛碰撞時(shí)常用到以下幾種材料模型：MATL24、MATL20、MATL57、MATL9等[3]，本文用MATL24材料模型來模擬蒙皮和橫梁的材料性能，并考慮應(yīng)變率的影響；用MATL20材料模型來模擬擺錘碰撞器；用MATL57高度可壓縮低密度發(fā)泡材料來模擬吸能泡沫的材料模型。另外，為防止泡沫產(chǎn)生負(fù)體積，保證計(jì)算的收斂，將空材料模型MATL9應(yīng)用于吸能泡沫外表面。主要部件的材料參數(shù)見表2。

表2　主要部件材料參數(shù)

1.3　連接設(shè)置

現(xiàn)代轎車車身結(jié)構(gòu)通常通過焊接、螺栓連接、鉚接和卡扣連接等方式連接組成，不同部件連接建模通常分為以下3種：可變形體(柔性體)之間的連接、可變形體與剛形體之間的連接、剛形體之間的連接[4-5]。本文通過rigidbody模擬可變形鎖扣之間的連接和螺栓連接。

1.4　配重和接觸設(shè)置

為了減少計(jì)算量，只對(duì)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行分析，為了更符合實(shí)際結(jié)果，還要設(shè)置質(zhì)心坐標(biāo)，并賦予集中質(zhì)量以達(dá)到“整車整備質(zhì)量”1 595kg。另外碰撞器也要賦予相同的質(zhì)量。

在整車碰撞中使用最多的是單面接觸和面面接觸。通常先設(shè)置一個(gè)總體的單面接觸，用于防止部件自身或與其他部件的穿透。但是總體接觸在一些關(guān)鍵部件可能失效，因此還需要局部定義接觸[6]。本文除定義了總體接觸外，還在泡沫與橫梁、橫梁與蒙皮、碰撞器與蒙皮之間單獨(dú)設(shè)置了局部接觸。

1.5　約束設(shè)置

根據(jù)低速碰撞法規(guī)，在整車碰撞試驗(yàn)中，擺錘碰撞器在水平方向上做自由運(yùn)動(dòng)，車輛需要放開剎車，整車在碰撞方向上不受約束，因此擺錘碰撞器需要控制垂直方向自由度，整車正面碰撞時(shí)x方向自由度不受限制，角度碰撞時(shí)x方向和y方向自由度不受限制。最后建立的保險(xiǎn)杠低速碰撞有限元模型如圖2所示。

圖2　低速碰撞有限元模型

2　碰撞仿真結(jié)果分析

正面碰撞和角度碰撞的仿真時(shí)間均設(shè)為120ms，各個(gè)時(shí)刻碰撞模型的位移云圖如圖3和圖4所示。正面碰撞時(shí)蒙皮中部是主要的變形區(qū)域，角度碰撞時(shí)蒙皮的角度位置是主要的變形區(qū)域，當(dāng)t=120ms時(shí)，在正面碰撞工況下整個(gè)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的最大位移為186.0mm，在角度碰撞工況下整個(gè)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的最大位移為122.6mm，因?yàn)榕鲎策^程中保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在碰撞方向上不受約束，所以得到的位移是保險(xiǎn)杠的變形與保險(xiǎn)杠在碰撞方向上的位移之和。

圖3　不同時(shí)刻保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的位移云圖(正面碰撞)

圖4　不同時(shí)刻保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的位移云圖(角度碰撞)

2.1　碰撞能量分析

擺錘碰撞器的質(zhì)量是1 595kg，當(dāng)擺錘碰撞器以8.0km/h和4.8km/h的速度撞擊前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)時(shí)，整體碰撞能量曲線如圖5所示。

圖5　整體碰撞能量曲線

由圖可知，總能量曲線幾乎水平，說明碰撞前后能量基本守恒。正面碰撞時(shí)初始總能量為3 938.34J，內(nèi)能最大為1 945.22J，占總能量的49.39%；角度碰撞時(shí)初始總能量為1 417.04J，內(nèi)能最大為643.75J，占總能量的45.43%；兩種工況下保險(xiǎn)杠均吸收了將近一半的能量，因此可知此保險(xiǎn)杠系統(tǒng)整體吸能特性較好。

另外兩種工況下沙漏能和滑移界面能均小于總能量的5%，而且曲線平滑性較好，無突變現(xiàn)象，因此可說明本模型的計(jì)算結(jié)果較為精確，可信度較高。

2.2　碰撞器加速度

正面碰撞和角度碰撞時(shí)碰撞器加速度和碰撞力曲線如圖6和圖7所示，很明顯，兩種工況下加速度曲線和碰撞力曲線走勢幾乎完全一致。根據(jù)力的計(jì)算公式F=ma，其中F為碰撞器碰撞力,m為碰撞器質(zhì)量,a為碰撞器加速度，碰撞器質(zhì)量與“整車整備質(zhì)量”一致，即為1 595kg，計(jì)算得正面碰撞時(shí)Fmax1=68.31kN,角度碰撞時(shí)Fmax2=88.00kN，理論計(jì)算與仿真計(jì)算所得結(jié)果相對(duì)誤差分別為0.10%和0.40%，由此可說明仿真結(jié)果是可信的。

2.3　碰撞器侵入量

本模型正面碰撞時(shí)碰撞器的許用侵入量L1=215mm，角度碰撞時(shí)碰撞器的許用侵入量L2=170mm。因汽車在碰撞方向上不受約束，所以為得到碰撞器的實(shí)際侵入量，要減去碰撞器隨汽車的位移，最后得到的實(shí)際侵入量曲線如圖8所示。正面碰撞時(shí)最大侵入量為λmax1=133.76mm，角度碰撞時(shí)最大侵入量為λmax2=94.34mm，均小于許用侵入量，因此保險(xiǎn)杠起到了較好的保護(hù)作用。

圖7　碰撞器碰撞力

2.4　保險(xiǎn)杠橫梁的變形量

正面碰撞時(shí)，為了保證散熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)等結(jié)構(gòu)的完整性，一般要求橫梁的最大變形量Dmax不能超過其與這些重要結(jié)構(gòu)的最小距離L3=50mm。角度碰撞時(shí)，因橫梁繞一端轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)橫梁的最大變形沒有要求。

最后得到的保險(xiǎn)杠橫梁的實(shí)際變形量如圖9所示，正面碰撞時(shí)，隨著碰撞的進(jìn)行，蒙皮與泡沫先產(chǎn)生壓縮變形，到50ms之后，橫梁受到泡沫的擠壓作用開始產(chǎn)生明顯的變形，在80ms左右橫梁的變形量達(dá)到最大，其最大值為10.98mm，隨后碰撞器與保險(xiǎn)杠開始分離，橫梁的變形開始回彈，到115ms左右時(shí)，變形量維持在5.09mm左右，不再有顯著變化，說明橫梁產(chǎn)生了部分塑性變形，且占了總變形量的46.36%，這不利于碰撞后的維修，所以需要進(jìn)一步改善。

圖9　保險(xiǎn)杠橫梁變形量(正面碰撞)

2.5　碰撞器和車體速度

隨著碰撞的進(jìn)行，碰撞器的速度將減小，汽車的速度將增大，擺錘的一部分動(dòng)能將轉(zhuǎn)化為汽車的動(dòng)能，碰撞器和汽車的速度變化反映了保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的碰撞性能，可以用恢復(fù)系數(shù)e表示[7]：

(1)

式中：U1，U2分別為碰撞器和車體碰撞后的速度；V1，V2分別為它們碰撞前的速度。e越接近于1，說明保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的彈性變形越大，碰撞后恢復(fù)能力越好。

碰撞器與車體速度變化曲線如圖10所示。由圖可知，正面碰撞時(shí)碰撞器的初始速度為2.22m/s，車體初始靜止，隨著碰撞的進(jìn)行，碰撞器的速度逐漸降低，車體的速度逐漸增加，在80ms左右時(shí)，碰撞器的速度與車體的速度一致，碰撞器侵入量最大，直到115ms左右時(shí)，碰撞器與車體速度趨于穩(wěn)定，此時(shí)的碰撞器速度為0.65m/s，車體速度為1.56m/s，根據(jù)式(1)計(jì)算可得恢復(fù)系數(shù)e1=0.41；同理可求得角度碰撞時(shí)的恢復(fù)系數(shù)e2=0.32。由此可知，保險(xiǎn)杠塑性變形較大，碰撞后恢復(fù)能力一般，不利于碰撞后汽車的維護(hù)，后續(xù)需要進(jìn)行改進(jìn)。

圖10　碰撞器與車體速度

3　前保險(xiǎn)杠安全性能改進(jìn)

由以上分析可知，雖然此保險(xiǎn)杠系統(tǒng)低速碰撞時(shí)耐撞性較好，但是碰撞后恢復(fù)能力較差，塑性變形較大，不利于汽車的維護(hù)，另外還要考慮汽車的輕量化，所以綜合考慮后對(duì)保險(xiǎn)杠橫梁的材料和厚度提出兩種方案進(jìn)行改進(jìn)：第一種方案選取某超高強(qiáng)度鋼，其屈服強(qiáng)度為1 000MPa，橫梁厚度由原來的2.5mm減為1.5mm；第二種方案選取某鋁合金，其屈服強(qiáng)度為480MPa[8]，橫梁厚度為2.5mm。

將改進(jìn)后的模型進(jìn)行仿真計(jì)算，最后得出改進(jìn)前后的主要指標(biāo)值見表3和表4?？梢钥闯觯倪M(jìn)后兩個(gè)方案碰撞器侵入量和橫梁最大變形量雖略有增加，但仍然在許用范圍內(nèi)，滿足要求；總吸能變化很小，但是方案一質(zhì)量下降了21.00%，方案二質(zhì)量下降了34.35%，因此在正面碰撞和角度碰撞兩種工況下方案一比吸能分別增加了26.35%和31.47%，方案二比吸能分別增加了52.55%和60.07%，達(dá)到了汽車輕量化的目標(biāo)；兩種工況下方案一恢復(fù)系數(shù)分別增加了21.95%和96.88%，而方案二的恢復(fù)系數(shù)分別增加了14.63%和0%，即方案二在角度碰撞時(shí)恢復(fù)系數(shù)并沒有改變，但綜合來說兩種方案都提高了保險(xiǎn)杠碰撞后的恢復(fù)能力。

表3　改進(jìn)前后主要指標(biāo)值(正面碰撞)

表4　改進(jìn)前后主要指標(biāo)值(角度碰撞)

綜合考慮保險(xiǎn)杠的恢復(fù)能力和汽車的輕量化，方案一相比另外兩個(gè)方案來說更好，因此選用方案一，此時(shí)保險(xiǎn)杠質(zhì)量降低了21.00%，兩種工況下的恢復(fù)系數(shù)分別增加了21.95%和96.88%，既滿足法規(guī)要求，又極大地提高了保險(xiǎn)杠碰后恢復(fù)能力，而且還考慮了輕量化。

4　結(jié)束語

本文基于比中國GB 17354—1998更為嚴(yán)格的法規(guī)——加拿大CFVSS215對(duì)某乘用車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行低速碰撞仿真分析，從吸能情況、對(duì)后部車體的保護(hù)和碰撞后恢復(fù)能力3方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雖然低速耐撞性較好，能很好地保護(hù)后部重要部件，但是碰撞后恢復(fù)能力一般。因此對(duì)原保險(xiǎn)杠橫梁材料和厚度提出了兩種改進(jìn)方案，分析發(fā)現(xiàn)，方案一各方面性能更好，不但極大地提高了碰撞后恢復(fù)能力，而且實(shí)現(xiàn)了輕量化。但是還有一些不足，沒有進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，后續(xù)需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出調(diào)整。

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