某微型電動汽車保險杠結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真分析

譚 飛，王旭飛，焦登寧，張重陽，王 蒙

(陜西理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，汽車的保有量也越來越大，給人們生活帶來很多便利的同時，也產(chǎn)生了許多安全問題，汽車安全工程受到人們廣泛關(guān)注。當(dāng)前汽車被動安全仍是汽車安全方式最重要的一個方面[1-2]。近些年來，微型汽車由于其嬌小外形、省油等多方面特點，受到了眾多消費者的青睞。同時嬌小外形也使得其安全性成為大家關(guān)注問題。微型汽車與普通乘用車不同的是，它車身前部較短，吸能區(qū)域有限，因此其正面碰撞安全性設(shè)計難度較大，吸能盒設(shè)計并不適用于微型汽車，只能將吸能盒與縱梁結(jié)合在一起[3]。保險杠系統(tǒng)是汽車正面碰撞中關(guān)鍵的能量吸收部分，保險杠系統(tǒng)的有效設(shè)計、性能的提高，能較大水平提高汽車的安全性[4-5]?，F(xiàn)有許多保險杠類型，如雙帽型保險杠[6]、液壓成型保險杠[7]、鋁合金保險杠[8]以及碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)[9]等，大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者成本較高，具有不利于加工生產(chǎn)等缺點。

本文在兼顧耐撞性與輕量化的基礎(chǔ)上，基于顯式動態(tài)有限元理論及沖擊動力學(xué)原理，對某微型電動汽車保險杠進行有限元分析，提出5種優(yōu)化方案，并對各方案保險杠的變形和吸能情況進行仿真分析，以提高該微型電動汽車的安全性。

1 碰撞性能分析基本理論

碰撞是瞬時的復(fù)雜物理變化過程，是一種非線性動態(tài)接觸變形問題。LS-DYNA求解碰撞問題主要采用顯式中心差分法，利用中心差分法離散時間域，無需構(gòu)造剛度矩陣即可求解節(jié)點的運動方程，有效回避了因非線性問題引起的收斂問題[10]。根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的質(zhì)量、動量和能量守恒方程，保險杠系統(tǒng)的基本方程[11]可分別寫成如下形式。

動量方程：

(1)

質(zhì)量守恒方程：

ρ=Jρ0，

(2)

能量守恒方程：

(3)

式中v為現(xiàn)時構(gòu)形的體積，εij為應(yīng)變率，q為體積黏性阻力。

2 保險杠正面碰撞分析

2.1 保險杠碰撞系統(tǒng)建立

采用聯(lián)合建模的方式構(gòu)建模型。首先，通過CATIA建立保險杠的三維幾何模型，如圖1(a)所示，然后將幾何模型導(dǎo)入HyperMesh中進一步建立有限元模型，如圖1(b)所示，把有限元模型導(dǎo)入LS-DYNA，對所建模型進行求解。

(a)三維模型 (b)有限元模型圖1 保險杠三維模型與有限元模型

本文所用保險杠系統(tǒng)采用貝葉斯科薄殼單元，選擇面與面(Contact-Surface-To-Surface)類型接觸方式來模擬保險杠和碰撞墻之間的碰撞接觸，其中靜態(tài)摩擦系數(shù)設(shè)為0.3，動摩擦系數(shù)設(shè)為0.2。保險杠系統(tǒng)中本身的接觸選擇單表面(Contact-Single-Surface)類型接觸。本文選擇以剛性墻碰撞保險杠系統(tǒng)以便更好地模擬保險杠的安全性，假如以保險杠系統(tǒng)來碰撞剛性墻，會使保險杠所連接的縱梁在無約束的情況下產(chǎn)生很大的慣性力，使分析失真。因為微型汽車多在城市道路運行，多處于中低速工況下運行，選擇在國際上有較大影響力的RCAR低速碰撞規(guī)程中的15 km/h作為該仿真速度。對保險杠系統(tǒng)采用部分沙漏控制，選擇基于剛度的沙漏控制，避免零能量變形模式。碰撞系統(tǒng)模型參數(shù)如表1所示。剛性墻采用MAT20材料，它是一種剛形體材料模型。保險杠系統(tǒng)采用MAT24材料，它為彈塑性材料本構(gòu)模型，保險杠橫梁屈服強度為270 MPa。

表1 碰撞系統(tǒng)模型參數(shù)

2.2 仿真結(jié)果分析

保險杠系統(tǒng)應(yīng)力如圖2所示。在碰撞過程中，保險杠橫梁與縱梁均發(fā)生了變形，但與剛性墻直接接觸的保險杠橫梁發(fā)生的形變更大。保險杠橫梁中部向后發(fā)生形變，最大變形量153.8 mm，超過了橫梁與散熱器之間的距離140 mm。較大的應(yīng)力主要集中在保險杠橫梁中部及保險杠橫梁與車架縱梁過渡的區(qū)域。在發(fā)生碰撞時，帶弧度的保險杠橫梁中部最先與碰撞墻發(fā)生接觸，保險杠阻止碰撞墻繼續(xù)運動，繼續(xù)向前的碰撞墻與保險杠大面積發(fā)生接觸變形，部分變形直至整個保險杠橫梁發(fā)生變形，在這過程中也將力傳遞到了縱梁，使縱梁發(fā)生了形變。

由圖3可知總能量基本保持不變。系統(tǒng)動能逐漸減小，內(nèi)能逐漸增大，這也體現(xiàn)在保險杠系統(tǒng)的變形上。碰撞過程中沙漏能的曲線變化很小，沙漏能為總能量的3%，因此仿真結(jié)果有效。結(jié)果表明保險杠系統(tǒng)內(nèi)能中保險杠橫梁增加最大，為主要的吸能部件。然而橫梁向后變形很大，吸能效果不理想。因為該保險杠橫梁結(jié)構(gòu)過于簡單，且橫梁變形量超過140 mm，所以有必要進行設(shè)計優(yōu)化。

圖2 保險杠系統(tǒng)應(yīng)力云圖 圖3 保險杠系統(tǒng)能量變化圖

3 保險杠優(yōu)化設(shè)計分析

微型汽車的保險杠和普通乘用車有所不同，其正面碰撞安全性設(shè)計難度較大，并且吸能效果較佳的保險杠大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者成本較高，不利于加工生產(chǎn)。因此本文采用簡單加固的方法進行結(jié)構(gòu)改進，在原保險杠的基礎(chǔ)上提出5種加肋板的優(yōu)化方案，使保險杠的最大變形量小于140 mm，在控制保險杠重量的情況下，提高保險杠的吸能特性，從而提高保險杠系統(tǒng)的安全性能。

3.1 保險杠優(yōu)化方案

圖4 C1的三維效果圖

在兼顧耐撞性與輕量化的基礎(chǔ)上，首先設(shè)計一種在保險杠橫梁與車架縱梁連接處加一層后板，然后在原保險杠橫梁與后板之間焊接一肋板用于吸能，位置位于橫梁的中間，三維圖如圖4所示。

如圖4所示變化1型(命名為Change1-C1)。原保險橫梁厚度為1.5 mm，質(zhì)量為1.635 kg?，F(xiàn)將保險杠橫梁厚度設(shè)置為0.8 mm，中間肋板設(shè)置為0.5 mm，后板厚度為0.8 mm，質(zhì)量為1.698 kg，在原基礎(chǔ)上增加很小的質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上衍生出C2如圖5(b)所示，將后板寬度由原來的137 mm減少到50 mm，增加后板的厚度到1.5 mm，質(zhì)量為1.341 kg。在后板與橫梁之間設(shè)置兩個肋板得到如圖5(c)中的C3，再將后板從中間斷開得到如圖5(d)中的C4，質(zhì)量分別為1.712、1.657 kg。C5將開始的一個或兩個橫置肋板轉(zhuǎn)換成9個縱置肋板，質(zhì)量為1.531 kg(圖5(e))。各優(yōu)化保險杠的結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示。

圖5 優(yōu)化保險杠肋板正視、側(cè)視圖

類型C1C2C3C4C5參數(shù)/mma=137a=50a=137,b=67a=50,c=18c=18質(zhì)量/kg1.6981.3411.7121.6571.531

注：a為后板寬度，b為兩肋板之間間距，c為兩后板之間間距。

3.2 吸能評價指標(biāo)

評價保險杠系統(tǒng)的耐撞和吸能特性，常用比吸能(Specific Energy Absorption，SEA)和峰值載荷(Fpeak)來衡量保險杠系統(tǒng)的吸能特性[12]。

令EA是碰撞過程中吸收的能量[13]，比吸能代表單位質(zhì)量吸收的能量[14],

SEA=EA/m，

(4)

可得

(5)

式中F(t)為每一時刻的載荷。對于保險杠系統(tǒng)而言，比吸能越高，吸能性越強[12]。

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)吸能評價指標(biāo)，通過計算載荷可以進行對比分析。從圖6(a)原保險杠(C0)與各優(yōu)化保險杠載荷曲線圖觀察可知，原保險杠載荷曲線在整個碰撞過程中，曲線急劇上升后急劇下降然后又再次大幅度的上升，這說明原保險杠結(jié)構(gòu)的變形并不理想。對應(yīng)于圖7保險杠變形圖中，橫梁中部出現(xiàn)了較大形變、整體塌陷變形的現(xiàn)象。

(a) 保險杠載荷曲線圖 (b) 保險杠比吸能曲線圖圖6 保險杠正面碰撞響應(yīng)

對于C1、C2，保險杠加上了后板，保險杠前板厚度減小，結(jié)構(gòu)的強度相對較低，兩者的初始峰值載荷要比原保險杠低。在中間加上了肋板，使載荷曲線更為平穩(wěn)且波動較小，保險杠并沒有出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象，且應(yīng)力分布更為均勻，肋板消除了原保險杠中間無支撐帶來的強度低的缺陷，同時肋板起到傳遞載荷的作用。對于C3、C4、C5的載荷曲線在1.8 ms之前趨勢非常接近，出現(xiàn)了一次波谷，然后上升達到比較平穩(wěn)的載荷，1.8 ms之后的載荷曲線相對平穩(wěn)且波動較小，C1、C2也是加肋板，保險杠沒有出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象，且應(yīng)力分布更為均勻。如圖7所示。所有優(yōu)化保險杠的最大變形量均小于原保險杠的153.8 mm且小于140 mm，分別為136.5、139.3、123.6、135.2、133.0 mm，可以在碰撞后更好地保護散熱器及其他器件。C2、C3相比于原保險杠分別達到了17.98%與7.46%的減重，其中C1、C3、C4在增加結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，僅增重3.90%、4.71%與1.30%。

圖7 保險杠變形圖

圖8 保險杠峰值載荷和比吸能

由圖8可看出各優(yōu)化保險杠峰值載荷均小于原保險杠，分別為39.14%、44.52%、23.81%、31.53%和36.58%。在吸能特性方面，其中C2保險杠的比吸能最高，比原保險杠提高了19.20%。C5較原保險杠的比吸能提高了2.36%，C1、C3、C4的比吸能小于原保險杠但接近持平。通過分析，各優(yōu)化保險杠可以有效地提高結(jié)構(gòu)的強度和吸能特性，并且使載荷變化更加平穩(wěn)，峰值載荷降低。

4 結(jié) 論

本文通過對微型汽車保險杠系統(tǒng)進行研究及分析，在原保險杠的基礎(chǔ)上提出5種優(yōu)化橫梁結(jié)構(gòu)，并對其進行了仿真分析。結(jié)果表明優(yōu)化保險杠完成優(yōu)化目標(biāo)，在控制保險杠質(zhì)量的情況下，優(yōu)化保險杠的最大變形量均小于140 mm的安全距離；各優(yōu)化保險杠的峰值載荷均低于原保險杠；各優(yōu)化保險杠的比吸能在增加肋板的情況下基本保持穩(wěn)定，個別較原保險杠有一定程度的提高。

本研究證明通過對微型汽車的保險杠加肋板，可以在保證輕量化的前提下有效提高保險杠的安全性。對微型汽車保險杠的研究提供一種思路，可以在碰撞試驗之前提供參考，避免盲目試驗。