保险杠壁厚对低速碰撞性能的影响研究

2016-11-29许津宋年秀胡韶文刘鹏

公路与汽运 2016年5期

关键词：保险杠横梁厚度

许津，宋年秀，胡韶文，刘鹏

（青岛理工大学汽车与交通学院，山东青岛 266520）

保险杠壁厚对低速碰撞性能的影响研究

许津，宋年秀，胡韶文，刘鹏

（青岛理工大学汽车与交通学院，山东青岛 266520）

基于LS-DYNA软件，利用有限元方法分析了汽车保险杠低速碰撞中的动力学响应特性及碰撞过程中的能量变化，评价了保险杠的碰撞性能，研究了保险杠横梁与吸能盒厚度对保险杠碰撞性能的影响；通过改变保险杠横梁或吸能盒的壁厚，比较了不同壁厚下保险杠的碰撞动力响应特性，分析了壁厚对保险杠碰撞性能的影响，对保险杠提出了优化建议。

汽车；保险杠；低速碰撞；吸能盒壁厚；碰撞性能

根据碰撞时汽车速度的不同，碰撞有高速碰撞和低速碰撞之分。低速碰撞是指车辆在速度低于15km/h时与其他车辆或障碍物发生的碰撞。该文以某微型车保险杠作为研究对象，利用有限元分析方法对其低速碰撞过程进行分析，研究保险杠横梁或吸能盒不同壁厚下保险杠的碰撞动力响应特性，为增强低速碰撞吸能特性、提高安全等级、降低维修成本提供参考。

1 保险杠有限元模型的建立

在汽车碰撞安全研究中，计算机仿真已成为不可替代的研究方法，根据仿真结论，可以对汽车的设计进行改进，从而提高汽车的碰撞安全性。因此，仿真精度直接影响汽车设计改进的合理性。用于仿真的有限元模型能最大程度地反映汽车的实际结构，对仿真精度有很大影响。

1.1保险杠几何模型的建立

几何模型的建立精度将对有限元模型的建立精度产生直接影响，从而影响模型碰撞仿真结果的准确性。采用三维制图软件Solid Works，根据该微型车保险杠的实际测量数据建立保险杠碰撞系统简化几何模型。保险杠外盖板的抗冲击强度相对于钢来说可忽略不计，故保险杠简化模型中将车身简化为一块钢板。如图1所示，保险杠碰撞系统的CAD模型由保险杠横梁、左右吸能盒、代表车体的钢板和刚性墙组成。

1.2保险杠有限元模型的建立

在三维制图软件Solid Works中建立保险杠CAD模型，在前处理软件Hyper Mesh中对保险杠部件赋予材料与属性，并进行网格划分，得到由节点和单元构成的保险杠CAE模型（如图2所示），同时对模型的连接、接触、约束和计算参数等进行设置，生成K文件，导入求解器LS-DYNA中进行碰撞仿真计算。

图1　保险杠碰撞系统几何模型

图2　保险杠CAE模型

2 保险杠壁厚对碰撞性能的影响分析

影响保险杠碰撞性能的因素有很多，如保险杠横梁的结构形式、吸能盒的形状、横梁和吸能盒的壁厚、吸能盒是否有导流槽、保险杠的材料等。在保险杠碰撞安全性研究中，壁厚通常作为首要考虑的因素，而且壁厚在建模时容易调整，故通过改变壁厚来分析其对保险杠碰撞安全性的影响。

可采用正交试验法或控制变量法研究壁厚对保险杠安全性的影响。正交试验法通常运用于需要同时考虑3个及3个以上影响因素的试验中。这里仅考虑横梁厚度和吸能盒厚度2个因素，故采用控制变量法，分析在横梁或吸能盒厚度不变的情况下改变吸能盒或横梁的厚度对保险杠碰撞性能的影响。

2.1横梁厚度对碰撞性能的影响

在保证吸能盒壁厚不变的前提下，分别取横梁厚度为1.3和1.6mm进行仿真分析，得出不同横梁厚度保险杠的吸能-时间曲线（如图3所示）。

由图3可知：横梁厚度为1.3和1.6mm保险杠的吸能-时间曲线的总体趋势大致相同，横梁厚度为1mm的保险杠吸收的能量明显低于横梁厚度为1.3和1.6mm的保险杠。说明随着横梁厚度的增加，吸收的能量增加，但并非厚度越大越好，厚度的增加无疑会使车重增加，不符合环保和经济的要求，且还要考虑整个撞击过程中保险杠系统的吸能特性与碰撞过程相吻合。横梁厚度为1.3和1.6mm时吸能-时间曲线的最高点在t=45ms附近，即在45ms时横梁厚度为1.3和1.6mm的保险杠吸收的能量最多。

图3　不同横梁厚度保险杠的吸能-时间曲线

图4为45ms时横梁厚度为1、1.3和1.6mm保险杠的变形图。

图4　不同横梁厚度保险杠的变形图

由图4可知：横梁厚度为1mm时，横梁的变形最大，吸能盒几乎不变形；横梁厚度为1.3mm时，横梁的变形变小，但吸能盒的变形增大；横梁厚度为1.6mm时，横梁变形非常小，吸能盒变形较大。出现这种情况的原因是：横梁厚度增加时，横梁的刚度也随之增加，碰撞发生时，刚度较大的横梁变形较小，吸收碰撞过程中的少部分能量，横梁将大部分冲击力传递到吸能盒上，吸能盒在力的作用下发生变形，吸收大部分能量。

在保险杠碰撞过程中，要求保险杠横梁吸收一部分能量发生一定变形后，吸能盒发生变形，吸收能量。横梁厚度为1.6mm的保险杠不满足这一要求，这种保险杠在碰撞过程中吸能盒的变形大，使保险杠在碰撞方向的位移增大，可能导致车架发生碰撞，不能较好地保护车体。由此也说明横梁厚度并不是越大越好，保险杠的碰撞安全性能与横梁的厚度并不成正比关系。横梁厚度为1.3mm时能较好地满足这一要求，其碰撞性能比横梁厚度为1mm的保险杠高。因此，在这3种保险杠中，横梁厚度为1.3mm的保险杠的碰撞性能最好。

2.2吸能盒厚度对碰撞性能的影响

在保持横梁厚度为1.3mm不变的前提下，改变吸能盒的厚度，探讨吸能盒厚度对保险杠的影响。取吸能盒厚度为1.5和2.5mm进行碰撞仿真，并将仿真结果与吸能盒厚度为2mm的结果进行对比。图5为不同吸能盒厚度保险杠的吸能特性曲线。

图5　不同吸能盒厚度保险杠的吸能特性曲线

由图5可知：吸能盒厚度为2和2.5mm的保险杠吸收的能量比厚度为1.5mm的保险杠多，即吸能盒厚度增加时，保险杠吸收的能量也增加，但保险杠的碰撞安全性能并不一定提高。厚度为1.5mm的吸能曲线在54ms左右达到最高点，之后持平，几乎保持不变，说明吸能盒还在吸收能量，还在变形。而吸能盒过大的变形可能导致车架发生碰撞，故认为该保险杠的碰撞安全性能不好。吸能盒厚度为2.5mm时，吸收的能量并不比厚度为2mm的保险杠大很多，但会在一定程度上增加保险杠的重量。因此，认为吸能盒厚度为2mm时保险杠的总体性能最好。

综上所述，当保险杠横梁厚度为1.3mm、吸能盒厚度为2mm时，两者的强度匹配合理，能最大限度地吸收碰撞过程中的能量。因此，将该车保险杠横梁厚度增加为1.3mm，提高其碰撞安全性能。