汽车薄壁直梁抗弯曲特性的仿真研究

任润国，尉庆国，王秒秒

（中北大学 机械与动力工程学院，山西 太原 030051）

工艺·设备·材料

汽车薄壁直梁抗弯曲特性的仿真研究

任润国，尉庆国，王秒秒

（中北大学 机械与动力工程学院，山西 太原 030051）

针对汽车前纵梁在斜向碰撞中出现的抗弯能力不足，在刚性墙极限倾角下发生欧拉变形的问题，利用HyperMesh软件建立了薄壁梁斜向碰撞有限元模型，LS-DYNA求解。分别分析了梁长度∕截面宽，高、接触面摩擦系数、壁厚对梁抗弯能力的影响。从中得出了一些提高薄壁梁抗弯能力的有意义的方法。

薄壁直梁；抗弯特性；斜向碰撞；模拟仿真

CLC NO.:TH16,U463.821Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)03-84-04

引言

由薄壁管件构成的汽车前纵梁梁结构具有质量小、轴向压缩力稳定、轴向强度高、吸能特性好等优点，被应用于大多数汽车的前纵梁结构中。目前大多数关于薄壁梁轴向碰撞的研究集中在梁的截面形状、诱导槽的性能、梁的厚度和材料等。然而，发生的大部分汽车正面碰撞事故里，汽车的前纵梁并不是与被撞物体发生纯轴向碰撞，而是呈一定角度发生相互之间的撞击。因此，针对汽车前纵梁的设计，不仅要使其满足在轴向碰撞中结构变形的要求，同时，也应该适应宽泛的撞击角度，即薄壁梁能够承受一定的斜向载荷，避免发生欧拉弯曲变形现象[1]。

本文建立了薄壁梁斜向碰撞有限元模型，对可能影响薄壁梁抗弯能力的参数进行了模拟仿真的分析。通过分析，得出了一些改善薄壁梁斜向碰撞性能有意义的方法和措施。

1、前纵梁斜向碰撞有限元模型

前纵梁几何模型是用CATIA软件建立的，保存为IGES格式导入到HYPERMESH软件中进行网格划分。模拟仿真所采用的薄壁梁截面尺寸为100mm ×100mm，长度为500mm。薄壁梁的材料选用高强度钢DP600,材料参数为：密度：7.9×10-9t/mm，弹性模量：2.1×105MPa，泊松比：0.3，屈服点应力：340MPa。简化车体采用刚体材料模型（M20），简化车体与薄壁梁之间采用共节点的方式进行连接。

1.1 网格尺寸的确定

依据文献[2]所做的研究，方形薄壁梁的折叠半径可估计为r=0.7C1/3t2/3。其中C为截面宽，对于矩形薄壁梁，C可取截面的高或宽；t为壁厚。为了精确的描述薄壁梁的变形，网格尺寸应小于0.5。经过计算，文中选用6×6mm的单元网格对薄壁梁进行划分。

1.2 接触与加载条件的设置

为了更准确的描述薄壁梁的过程，薄壁梁与刚性墙之间设置面面接触，前纵梁自身构件间采用自动单面接触。刚性墙约束其全部自由度，约束前纵梁与车体连接处除X方向的全部自由度。

1.3 摩擦参数的确定

在接触的设置中考虑摩擦的影响，摩擦系数表达式如下：

其中，μs静摩擦系数；μd动摩擦系数；DC衰减系数；v相对速度[3]。此次仿真分析中，静摩擦系数选为0.2；动摩擦系数选为0.1；仿真时间确定为80ms。

根据上述条件所建立的薄壁梁模型如图1所示：

2、薄壁梁斜向碰撞的有限元分析

应用LS-DYNA软件对所建立的薄壁梁斜向碰撞有限元模型进行求解，其碰撞变形如图2所示：

从上图可以看出：薄壁梁的碰撞变形比较规整，形成“褶皱’,能够起到很好的吸能变形作用，没有发生不规则的变形。以1°的变化作为刚性墙的倾角，当刚性墙倾角达到19°时，薄壁梁开始发生不规则变形，整个薄壁梁进入欧拉弯曲变形模式，如图3

所示。通过对比分析，可见：发生欧拉弯曲变形的薄壁梁的吸能能力、轴向载荷较之前大幅度降低。薄壁梁发生欧拉弯曲变形模式前后的刚性墙反力，内能对比图如图4,5所示：

3、影响薄壁直梁弯曲变形的因素分析

3.1 薄壁直梁长度∕截面宽、高的影响

表1 薄壁梁长度，截面宽度变化斜向临界倾角计算

为研究薄壁直梁长度，截面宽、高对梁弯曲变形的影响，采用三种措施：

1.梁长度，截面高度，厚度保持不变，以4mm作为截面宽度的变化范围；

2.截面宽、高，厚度保持不变，变化梁的长度；

3.梁长度，截面宽度，厚度保持不变，以4mm作为截面高度的变化范围；

计算不同结构参数的薄壁梁在斜向载荷下发生欧拉弯曲变形的的临界倾角，以1°作为刚性墙临界倾角。计算结果如表1,2所示：

表2 薄壁梁截面度高变化斜向临界倾角计算

表1,2说明：方形截面的薄壁梁在斜向载荷冲击下，引起梁发生欧拉变形模式的刚性墙临界倾角与薄壁梁的长度，截面的宽和高存在一定的关系。引起梁发生欧拉变形模式的刚性墙临界倾角随着梁截面的宽度的减小而逐渐减小，随着梁长度的增加而减小。当方形薄壁梁的截面高度维持在一定数值范围时，可保证薄壁梁能承受较大的刚性墙临界倾角，不发生欧拉弯曲变形。

3.2 刚体墙表面摩擦系数的影响

通过增加刚性墙表面的摩擦系数与原方案进行对比分析，分析结果如表3所示：

表3 相同薄壁梁斜向撞击表面摩擦系数不同的刚体墙仿真结果

当薄壁梁与倾斜一定角度的刚体墙发生碰撞时，梁的前端相对刚性墙表面发生滑移现象。这样，刚性墙表面的摩擦阻力相当于给薄壁梁的端面施加了一定的约束，可以有效的缓解薄壁梁的弯曲变形。

3.3 薄壁梁厚度的影响

为了研究不同壁厚薄壁梁承受斜向载荷的极限抗弯能力，选1.2/1.4/1.6/1.8/2.0/2.2mm六种厚度进行仿真分析，计算得到的各厚度平均界面合力和内能变化如图6,7所示：

从上图中可以看出：从平均界面合力来看，厚度为1.2mm的薄壁梁的平均界面合力要低于其它各种厚度。其余五种厚度的薄壁梁在未发生欧拉弯曲变形的情况下（0°～16°），其平均界面合力基本保持一致。当刚性墙倾角达到18°～19°时，六种厚度的薄壁梁的平均界面合力急剧下降。可以断定，薄壁梁此时进入了欧拉弯曲变形模式。同时，薄壁梁厚度越小，其平均界面合力下降的比例也越大。

从吸收能量的角度来看，薄壁梁在未发生欧拉弯曲变形的情况下（0°～16°），六种厚度的薄壁梁吸能能力基本一致，每种厚度吸收的能量随着刚性墙倾角增加变化的范围也不是很大。当刚性墙倾角达到18°～19°时，六种厚度薄壁梁吸能能力急剧下降，同时，薄壁梁厚度越小，其吸能能力下降的比例也越大。

上图也说明，六种厚度的薄壁梁发生欧拉弯曲变形的刚性墙临界倾角均在18°～19°范围内，即刚性墙的临界倾角对薄壁梁厚度的变化不敏感。

4、结论

建立了薄壁梁斜向碰撞模型，进行了斜向碰撞的仿真分析。对影响薄壁梁极限抗弯性能的参数进行了分析。得出了提高薄壁梁极限抗弯性能的一些措施。

1. 采用较小的梁截面长宽比，截面高度应保持在一定的数值范围内。

2. 提高梁端的约束。可以在车辆的前部结构采用一些摩擦系数较大的材料。

3. 厚度较大的薄壁梁在发生欧拉弯曲变形模式的情况下其平均界面合力和吸能能力下降的比例要小于厚度较小的。刚性墙的临界倾角对薄壁梁厚度的变化不敏感。

[1] 张金换，杜汇良，马春生等．汽车碰撞安全性设计[M]．北京：清华大学出版社2010．

[2] Abramowiez W , JonesN．Dynamic Axial Crushing of Circular Tubes [J]．International Journal of Impact Engineering．2000(2)：63—81.

[3] 栗萌帅, 与学兵. 汽车薄壁结构碰撞吸能特性分析与改进［D］. 大连理工大学硕士学位论文 2007.

[4] 张维刚, 黄栋. 汽车薄壁梁斜向碰撞性能仿真研究[J].2010(6) :515-519汽车工程 2010.06.

[5] Nagel G M，Thambiratnam D P．DyIlamie Simulation and Energy Absorption of Tapered Thin·walled Tubes Under Oblique Impact Loading[J]．Intemational Journal of Impact Engineering. 2006，32：1595一1620．

Simulation Study on the Bending Resistance Characteristic of Thin—Walled Straight Beam in Vehicle

Ren Runguo, Wei Qingguo, Wang Miaomiao
(College of Mechanical and Power Engineering, North university of China, Shaanxi Taiyuan 030051)

In view of the inadequate abilities in bending resistance of thin—walled straight beam in oblique impact,the problem of euler deformation in the limit angle of the rigid wall, the thin-walled beam oblique collision finite element model was set up through HyperMesh, solved by LS-DYNA. The beam length/section wide, height, the contact surface friction coefficient, wall thickness, reinforcement plate and filling material to beam were analyzed respectively. From above, we can draw some meaningful methods in improving bending resistance.

thin wall straight beam; bending resistance characteristic; oblique collision; simulation

TH16,U463.821

A

1671-7988(2014)03-84-04

任润国，硕士研究生，就读于中北大学，主要研究方向：车辆的整车设计。