EQ140汽车保险杠碰撞过程的有限元分析

lichengwan

以EQ140货车为例，应用动力有限元软件ANSYS／LS-DYNA对汽车保险杠的碰撞过程进行数值模拟。得到结构的瞬态动力响应以及变形、速度、碰撞力等参数的时程曲线。清晰地展示了保险杠的变形的全过程，为改进保险杠的设计提供了参考。
关键词：保险杠；碰撞；有限元

在科学技术日益发达的今天。汽车无疑已经成为人们生活中不可缺少的交通工具。如何提高汽车在碰撞过程中的安全性能。最大限度地避免或减轻乘员在汽车碰撞中的伤亡将成为我国汽车被动安全性研究的重要课题。国外对整车碰撞模拟的研究经过二十多年的发展，积累了大量的经验，也制定了相应的标准和规范。而国内整车的碰撞模拟研究才刚刚起步。相应的标准和规范还没建立起来。涉及到的一些技术问题还没解决。同时就目前的硬件条件、技术力量。并不足以完成整车的碰撞模拟。本文对EQI40货车保险杠碰撞过程中的变形进行了模拟，得到了其碰撞过程中的位移、速度、碰撞力等参数的时程曲线。通过这样的模拟。也为进行整车的碰撞模拟提供了一定的参考。

1 计算模型的建立

分析时。模型所采用的数据是参考EQ140货车保险杠的原始尺寸。并对某些地方进行结构简化以便于进行有限元分析。由于主要研究的是保险杆在碰撞过程中的变形。所以考虑建立模型时。保险杠后面的部分都未建立，而是以质量单元代替，这样既可以极大的减少计算时间，同时又能得到所需的数据。


1．1 实体模型的建立

模型由两部分组成，一个是保险杠，一个是刚性墙，考虑到保险杠外形是曲面，在ANSYS中不易建立模型，所以选择在Pro／E软件中建立模型，再通过ANSYS软件的接口导入。

1．2 单元和材料

由于保险杠由薄壁板制成，刚性墙也是平板，所以整个模型选用薄壳单元(SHELL163)进行网格划分，刚性墙也采用该单元。都选择软件默认的算法。以便提高分析计算的效率。

材料采用Bilinear Kinematic模型．其基本公式如下：


式中：σo一初始屈服应力；ε-应变率；C，P-Cowper symonds应变率参数；β-硬化参数；Ep- 塑性硬化模量； -有效塑性应变。

网格划分完成后的模型如图l所示。单元划分应尽量避免小单元，因为这将大大减小时间步长，增加求解时间；也应避免夹角单元和翘曲的壳，这将降低结果精度。在需要沙漏控制的地方使用全积分单元，如果考虑塑性效应时。高斯积分点应选择在3—5个之间。

1．3 定义接触面

本次计算中保险杠与刚性墙的接触采用LS—DYNA的Automatic Contact。Surface to Surface接触模型[2]。
1．4 载荷工况

LS—DYNA程序中所有的载荷必须与时间相关，在对模型进行加载的时候，刚性墙的所有自由度都约束住。保险杠与刚性墙碰撞时刻的时速为14m／s(即为50km／h)。

2 计算结果

2．1 保险杠的变形与破坏

图2-5是保险杠在不同时刻的应力云图，整个过程历时0．03s，在0．014s的以前，保险杠以14m／s做匀速直线运动；在0．014s的时候，保险杠中心的很小部分最先与刚性墙发生接触，这个时候碰撞开始。随后，随着时间的增加，接触面逐渐扩大，而应力也变得更加剧烈。由动画演示观察可知随着碰撞的加大，在最先发生碰撞的地方的应力越来越大。最终产生破坏一断裂。

2．2 保险杆中心时程位移、速度、碰撞力曲线

由图6 9可见：在碰撞运动开始的时候，速度最大，碰撞力和位移都最小，随着时间的增加，碰撞过程的发展，碰撞接触面积的变化，相应的位移值和碰撞力都同步增大，速度减小。当位移值达到最大时，速度值稍后才达到最小，而碰撞力则在此之前就达到最大值。其原因开始保险杠与刚性墙之间有一段间隙，没接触前，保险杆的速度是恒定的；接触后，保险杆发生变形，接触面积的变化，使得发生碰撞没多久，碰撞力很快就达到了最大，而此时由于墙壁阻力的作用，其速度在不断的减小，变形的影响使得位移继续增大，当保险杆到了最大变形时，位移也同时达到最大值。

根据能量变化曲线(图9)，可以看出，碰撞结束后，保险杆并没有吸收完所有的能量，碰撞时候的结构变形能量吸收尚不够充分，但由于实际碰撞过程中碰撞时结构变形能量并非完全由保险杠吸收，车上的保险杠是通过一定的连接方式与车架相连，车架、车头也同时参与了吸收变形能量，因此本次计算得到的图9曲线与保险杠模型的建立方式有关。


3 分析结论与展望

通过以上的分析计算，可得到如下结论：

1)碰撞仿真是研究汽车碰撞安全问题非常有效的方法。

2)研究中获得的一些参数的选用经验，如材料模式、网格尺寸等与整车碰撞建模是一致的，这些经验和参数可直接用于指导整车碰撞仿真建模工作。

3)对汽车保险杠的碰撞模拟仿真分析，可以得到保险杠在碰撞过程中的动态变形信息，同时可以清晰的再现碰撞的整个过程，其能量的消耗和分布情况及失效过程，这些参数信息对结构设计的优化，减少设计盲目性都是很有益处的。可以为今后保险杠的结构设计提供一定的参考。

本文的分析并没有考虑网格密度对计算结果的影响，应当是变形越大的部位，网格划分的越细；变形越小的部位，网格划分的越粗，这样不仅可以减少计算时间，同时得到的数据可以满足要求。

本文研究汽车保险杠的碰撞采用的方法是把保险杠从整车中独立出来，单独进行分析，但是这样的计算结果还不能完全反映实际情况，所以在今后的研究中有必要进行整车的碰撞模拟分析，但是整车的碰撞模拟仿真属高度非线性课题，难度与复杂性都较大，同时在假人模拟、气囊模拟、侧面碰撞模拟等许多方面还有很多研究工作需要开展，这是我们今后努力研究的方向。