基于瞬態(tài)響應(yīng)的某輕型卡車保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)

李浩然 趙坤

摘 要：保險(xiǎn)杠是一種具有吸收、緩和外界沖擊力，保護(hù)輕型卡車前部重要的安全裝置。同時(shí)保險(xiǎn)杠有很強(qiáng)的造型美觀功能，是輕型卡車重要的外飾件之一。文章利用有限元計(jì)算和分析的方法對(duì)某輕型卡車保險(xiǎn)杠內(nèi)板進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)臺(tái)架和道路試驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)要求，該方法對(duì)今后輕型卡車的保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：前保險(xiǎn)杠;有限元計(jì)算和分析;瞬態(tài)響應(yīng)

中圖分類號(hào)：U463 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）06-62-03

Abstract： The bumper is an important safety device that absorbs and mitigates external impact and protects the front of the light truck. At the same time， the bumper has a strong styling function and is one of the important exterior parts of the light truck. In this paper， the finite element calculation and analysis method is used to analyze the transient response of heavy truck bumper inner panel and optimize the structure. After the test bench and road test meet the design requirements， this method has a certain guiding role for the design of the bumper of heavy trucks in the future.

Keywords： Front bumper; Finite element calculation and analysis; Transient response

CLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）06-62-03

前言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，安全和環(huán)保成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)，汽車輕量化就是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的有效途徑之一[1-2]。從全球鋁業(yè)協(xié)會(huì)的報(bào)告得知，汽車重量降低10%，油耗可降低6%～8%，排放出的尾氣可降低5%～6%。由此可知，汽車每節(jié)省1L燃油，即可向大氣中減少2.45kg的CO2排放[3-4]。降低整車重量，同時(shí)滿足運(yùn)輸法規(guī)和環(huán)保要求，因此汽車的各個(gè)部件都要求進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

在保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)的過(guò)程中，選用塑料材質(zhì)能最大限度地降低保險(xiǎn)杠的質(zhì)量，滿足車輛使用工況。在輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)，保險(xiǎn)杠整體的強(qiáng)度，剛度，耐沖擊性等多種性能仍要滿足指標(biāo)要求。但是如果其強(qiáng)度如果不滿足要求，結(jié)構(gòu)就會(huì)造成破壞，瞬態(tài)響應(yīng)分析就是根據(jù)車輛的振動(dòng)，分析并優(yōu)化保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)。對(duì)于車輛來(lái)說(shuō)，引起車輛振動(dòng)的激勵(lì)源主要有兩個(gè)方面：路面對(duì)輪胎的激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)激勵(lì)。汽車在行駛過(guò)程中，路面激勵(lì)為振動(dòng)的主要來(lái)源。因此，本文著重從魚(yú)鱗坑路譜作為激勵(lì)進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析。

1 保險(xiǎn)杠有限元模型建立

輕型卡車保險(xiǎn)杠分為保險(xiǎn)杠外板、保險(xiǎn)杠內(nèi)板和連接支架，保險(xiǎn)杠內(nèi)板作為保險(xiǎn)杠骨架，用來(lái)加強(qiáng)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)強(qiáng)度和剛度，連接保險(xiǎn)杠外板及支架。保險(xiǎn)杠內(nèi)板直接與支架連接，安裝點(diǎn)受到外部力影響大。在車輛實(shí)際道路運(yùn)行中，保險(xiǎn)杠內(nèi)板損壞的幾率更大，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將保險(xiǎn)杠內(nèi)板作為研發(fā)的重點(diǎn)。保險(xiǎn)杠內(nèi)板有限元模型如圖1所示。

2 瞬態(tài)分析理論

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析是動(dòng)響應(yīng)分析方法的一種，主要通過(guò)仿真計(jì)算得到結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化不同激勵(lì)載荷時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)。通過(guò)瞬態(tài)分析不同載荷工況疊加得到合成載荷作用下，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的力、力矩、位移、加速度等數(shù)據(jù)。[5]任何系統(tǒng)在隨時(shí)間相符合變化的激勵(lì)振動(dòng)作用下都會(huì)產(chǎn)生與時(shí)間相一致的振動(dòng)頻率，整個(gè)系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的受力、變形。由達(dá)朗貝爾原理可知，對(duì)于任意系統(tǒng)，作用于系統(tǒng)上所有的作用力以及慣性力之和必為零。由此，在研究系統(tǒng)動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題時(shí)，我們引入相應(yīng)的慣性作用，通過(guò)把復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的相應(yīng)的靜力平衡問(wèn)題來(lái)解決。[6]

分析研究動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的一般方法如果采用靜力平衡問(wèn)題解決過(guò)程如下：首先將結(jié)構(gòu)離散化—單元方程分析—單元體動(dòng)力學(xué)分析—整體的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析。

在瞬態(tài)響應(yīng)分析的求解方法中，目前主要采用直接法和模態(tài)法兩種。直接法原理是采用求解結(jié)構(gòu)耦合方程。模態(tài)法是在直接法的基礎(chǔ)上縮減求解空間大小，瞬態(tài)分析是模態(tài)分析的擴(kuò)展。

3 保險(xiǎn)杠瞬態(tài)響應(yīng)分析

3.1 仿真六自由度臺(tái)架

在六自由度臺(tái)架仿真臺(tái)架模型中計(jì)算保險(xiǎn)杠內(nèi)板瞬態(tài)響應(yīng)，將保險(xiǎn)杠內(nèi)板安裝在保險(xiǎn)杠托架上，托架與試驗(yàn)車架連接。駕駛室安裝在駕駛室懸置上，駕駛室進(jìn)行配重。約束位置在試驗(yàn)車架前后端及尾梁處，激勵(lì)施加位置如圖所示。

3.2 載荷及邊界條件

在路面不平度激勵(lì)的作用下，輕型卡車以一定速度行駛得到保險(xiǎn)杠時(shí)間載荷激勵(lì)曲線，路面激勵(lì)是保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)的主要影響因素。本文瞬態(tài)響應(yīng)所對(duì)應(yīng)的路面為魚(yú)鱗坑路。

瞬態(tài)響應(yīng)分析所需要的隨時(shí)間變化的載荷是通過(guò)道路試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件進(jìn)行迭代，作用于仿真懸架與試驗(yàn)車架的連接處，在有限元分析軟件中進(jìn)行計(jì)算。

懸架與車架連接處節(jié)點(diǎn)加載時(shí)域位移譜，分別是四個(gè)Z向時(shí)域位移譜，兩個(gè)Y向時(shí)域位移譜，一個(gè)X向時(shí)域位移譜。其中一個(gè)Z向時(shí)域位移譜如圖所示。

4 保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)優(yōu)化及結(jié)果

為了提高保險(xiǎn)杠內(nèi)板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)保險(xiǎn)杠內(nèi)板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)比原方案中應(yīng)力集中區(qū)域，通過(guò)調(diào)整加強(qiáng)筋布置方式，統(tǒng)一加強(qiáng)筋走向，將原有方向無(wú)規(guī)律的加強(qiáng)筋均勻排布，使應(yīng)力集中區(qū)域沿同向筋釋放，優(yōu)化加強(qiáng)筋數(shù)量，同時(shí)滿足輕量化設(shè)計(jì)要求。在安裝點(diǎn)方面，對(duì)保險(xiǎn)杠內(nèi)板周邊安裝點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，底部增加安裝固定點(diǎn)，減小局部剛度不足，導(dǎo)致的應(yīng)力集中。圖4為原結(jié)構(gòu)方案，圖5為優(yōu)化后方案。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后與原方案相比，在魚(yú)鱗坑路況下，保險(xiǎn)杠所受應(yīng)力峰值由610.31Mpa降低至229.88Mpa，應(yīng)力峰值大幅下降，新舊方案應(yīng)力峰值結(jié)果如圖6和圖8所示，新舊方案應(yīng)力動(dòng)態(tài)結(jié)果如圖7和圖9所示。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)臺(tái)架12000km和道路可靠性試驗(yàn)4021km驗(yàn)證，保險(xiǎn)杠內(nèi)板未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文利用瞬態(tài)響應(yīng)的方法在魚(yú)鱗坑路面激勵(lì)下，對(duì)保險(xiǎn)杠內(nèi)板的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析和計(jì)算，得到保險(xiǎn)杠內(nèi)板應(yīng)力時(shí)間分布云圖及時(shí)間應(yīng)力曲線，并根據(jù)瞬態(tài)響應(yīng)的結(jié)果對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。通過(guò)六自由度臺(tái)架試驗(yàn)及道路測(cè)試，保險(xiǎn)杠內(nèi)板滿足設(shè)計(jì)要求，到達(dá)預(yù)期目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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