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当保险杠低速碰撞性能仿真研究

发布时间:2021-09-10 11:02:23 阅读: 来源:AS厂家

保险杠低速碰撞性能仿真研究

一、前言

随着世界汽车保有量的增加及道路交通伤害的不断增长,汽车耐撞性能已经成为汽车设计过程中的重要一环。低速碰撞过程中,减小车辆结构碰撞损伤及改善修复性1. 了解模具的有关资料:能的要求,使得车辆前部结构除了必须能满足保护乘员及行人以外,还要尽可能的保护车身的主要框梁结构不受损坏,以降低车辆修复成本。汽车前部保险杠可以吸收低速撞击的能量,缓和外界对车身的冲击,对车体结构起着主要的防护作用。本文按照ECER 42法规要求[1],对某轿车具45°(±22.5°)、90°(±45°)、180°(±90°)、180°(±90°)、540°等标准测试模式及自定义测试测试模式等多种电源线曲折选择前部保险杠做了结构碰撞模拟,建立了通用碰撞分析有限元模型,并分析得到了此结构碰撞动力响应特性。

二、碰撞模型低速碰撞计算方法

由于低速碰撞分析属于非线性动态接触变形问题,在此采用显式有限元中心差分法来做多步代入求解计算,有限元方程描述如下[2]:

这里,在时间n时刻,为已知量,再将质量矩阵对角化,即可求得(7)式,从而代入求出各时刻解。

三、保险杠有限元模型的建立

(一)有限元计算模型

以某轿车前部保险杠为分析对象,包括保险杠蒙皮、进气隔栅、泡沫缓冲块,各构件属性见下表1。

按照ECE R42法规要求,碰撞形式分为角度碰撞和中心碰撞,碰撞器分别以2.50+0.1km/h和40+0.25km/h的碰撞速度撞击被测量车体前端,要求车体变形要尽可能的小,保险杠后部结构,包括保险杠横梁以及纵梁前端,要尽可能的不变形。

在这里为了简化模型,加快计算速度及模型收敛特性,只抽取前部保险杠结构建模,考察前保各构件变形及吸能效果,以间接考察对车体主要框梁结构的碰撞影响,即前保吸能效果越好,对车体框梁结构损伤越小,当前保吸收能量充分时,可认为对车体其余结构无影响[3]。

碰撞器按照法规要求尺寸建模,见图1 所示。

所建立有限元模型见图2和图3,前保模型采用单点积分BT薄壳单元,单元尺寸为10×10mm,单元数为24380,节点数为23842,碰撞器单元尺寸为前保险杠模型的2倍,采用刚性壳单元,以保证碰撞器在撞击过程中不变形。

(二)本构模型的选择

为简单起见,碰撞器和前保险杠均采用理想的弹塑性模型,碰撞器在计算中使用LS_DYNA中的刚体材料本构模型,保险杠采用“弹塑性+破坏”材料模型,在材料达到失效应变(承受的应力值超过其抗拉强度)后发生破坏,屈服模型为mises应力屈服模型,失效模型为最大塑性应变[4]。碰撞器和保险杠之间采用自适应罚函数接触,并定义碰撞器为主接触面,保险杠为从接触面。保险杠金属横梁的基本材料特性如表1所示。

(三)时间步长

本文采用显示时间积分有限元算法,它无需组合刚度矩阵或求解系统方程组,每一个时间步都较快,但稳定时间步长受Courant条件限制,即时间步长受到应力波跨越单元所需的时间,求解问题的整个过程一般从几微秒到数十秒。

如上采用中心差分法进行时间积分,可以推导出方程有稳定解的条件是最大的时间步小于临界时间步,即

式中ωmax——固有频率

c——声波在材质中的传播速度

l——单元的特征长度

音速c是材料杨氏模量E、泊松比ν和质量密度ρ的函数,不同维数的单元计算是不同的,对于壳单元来说,音速计算方法为

为减小模型计算时间及保证计算稳定性,还可设定时间步长缩放因子,此缩放因子只在单元尺寸不满足临界阀值时起作用,通常设定为0.9。

(四)沙漏控制

由于此处单元场函数采用单点高斯积分形式计算,因此必然会给单元各场函数带来能量损失,发生所谓沙漏现象。但采用单点高斯积分形式,会带来计算时间约8 倍的下降,因此对于单元数量巨大的有限元模型来说,这有积极的意义。对于低速碰撞中,沙漏能量的损失比例往往更高,因此,必须设置沙漏系数,一般为0.1~0.3。

(五)边界条件处理[5]

由于整车结构相对于保险杠来说,质量要大的多,低速碰撞过程中,可认为车体基本不发生后移,因此将保险杠与车体安装及接触部位统一用rigidbody单元连接,并约束此刚性单元主节点六个自由度,考虑模型振荡原因及整车截面力传递效果,按照实车碰撞对比经验值,在此rigidbody主节点上配重300kg,所建立的有限元模型见图2 和图3。

四、碰撞计算结果的分析

如上图4、图5所示,碰撞中系统总能量几乎没发生任何变化,系统动能和内能变化趋于平衡,这说明计算模型沙漏控制较好,构件间非线性振荡很小。角度碰撞约在75ms的时刻,内能达到最大,之后构件发生弹性回弹,随着碰撞器能量的衰减,保险杠各构件变形逐渐稳定,发生永久塑性变形。中心碰撞系统动能逐渐衰减,由图示可见系统动能并未衰减为零,内能仍成增大趋势,说明构件计算时间不够,碰撞过程仍在继续,最终如同角度碰撞一样,系统动能、内能必趋于平衡。两图对比易知,角度碰撞由于发生在前保折弯处,曲率较大,弯曲刚度也大,因此抵抗变形的能力也强,能量可以很快衰减,碰撞过程较短;而中心碰撞由于前保中间无任何构件支撑,刚度较小,因此发生能量衰减速度较慢,计算时间相对较长。这也说明在保险杠与车身连接位置需要有保险杠金属横梁来做支撑,以保证保险杠适当的刚度要求[6]。目前很多国家行人保护及保险协会对车辆外部结构可修复特性要求,使得对前保外形及刚度的设计越来越重视,某种程度上甚至改变了以往的车辆设计方法。

由图6角度碰撞加速度易知,加速度最大值为3g,发生在内能最大时刻,最大值持续时间约有5ms,100ms之后碰撞器开始回弹,结合图4变形,由于碰撞器动能大多转化为保险杠内能,因此模型开始稍做反弹振荡后,保险杠及碰撞器开始以各自微小速度分离,至此碰撞结束;而观察图7中心碰撞加速度,由于碰撞未完全结束,所以加速度仍以同一个方向加速(X正向),可见此时如无保险杠金属横梁支撑,保险杠变形将加剧,导致低速碰撞中保险杠损坏严重,车辆修复成本升高,同时在做认证试验时,增加了车辆投保金额。这在消费者看来是不能接受的。

图8、图9分别为角度碰撞及中心碰撞时间终了位移,角度碰撞由线接触逐渐变为面接触,因此位移云图呈现由中心向外辐射状态,分布较有规律,并且由于前保弯角处刚度较大,因此总体位移较小;中心碰撞位移较大,分布也较有规律,其中最大值约为角度碰撞的2倍,为110mm;比较图2和图3能量分布曲线,可知,中心碰撞前保变形能约为角度碰撞的2倍,由此可验证此模拟模型的正确性。

下图10和图11为此模拟模型的应力云图,中心碰撞的最大应力值约为54MPa,位置在中心碰撞器与前保重叠面的上边沿,此处也是前保泡沫缓冲块刚度较大处;角度碰撞最大应力值约为49MPa,约在蒙皮折弯尖角处。两值比较,中心碰撞最大应力值稍大,究其原因,是中心碰撞接触变形更充分,碰撞器与前保蒙皮摩擦能量较大的缘故。

五、结束语

1.通过对某车型前部保险杠的模拟分析,建立了所有车型保险杠分析的普适性模型,并且其建模方法可以应用到其他零部件分析当中。

2.目前各国对保险杠低速碰撞都有法规要求,本文只按照相对严格的欧洲法规进行了模拟分析,模拟得到了能量、加速度、变形、应力等随时间变化规律,其结果可反映保险杠结构特性,这对设计具有较强的指导意义。这种分析方法也可满足各国此类法规分析要求。

3.通过有限元模拟,可在车辆开发过程中对保险杠结构进行多轮分析,经济实用。

4.碰撞仿真结果再现了保险杠的整个碰撞过程,模拟结果显示,虽然保险杠系统在法规要求的速度之下产生了较大的塑性变形,但保险杠系统仍有较好完整性,考察应力及能量变化,此保险杠具有较好的耐撞性能。

参考文献

1.黄世霖,张金换,王晓东试验机怎么升级?.汽车碰撞与安全[M].北京:清华大学出版社,2000.

2.钟志华.汽车耐撞性分析的有限元法[J].汽车工程,2000,1994,16(1):.

3.陈晓东,苏清祖,程勇,等.汽车侧碰移动变形壁障有限元模型的开发[J]. 汽车工程,2003,25(3):.

4.钟志华,张维刚,曹立波.汽车碰撞安全技术[M].北京:机械工业出版社,2003.

5.薛亮,等.汽车碰撞仿真中的连接失效模拟[J].机械科学与技术,2000,(1).

6.J.D.R ehkopf,etal.D ynam ic behaviour of a上压盘装在横梁的螺杆下端nautom otive polyurethane foam under m ultiple com -pression E 940876.(end)

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