汽车前保险杠缓冲吸能结构低速碰撞仿真分析

田国富，杨成国

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

汽车前保险杠缓冲吸能结构低速碰撞仿真分析

田国富，杨成国

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

在低速碰撞中对某车型的汽车保险杠进行仿真分析，对保险杠模型进行简化，利用HyperMesh建立有限元模型,再提交给LS-DYNA进行计算，使用HyperView对碰撞结果进行处理得到相关响应参数，并对响应参数进行结果分析，进而确定在汽车保险杠发生低速碰撞时其最主要吸能的部件以及吸能部位的响应特性，为保险杠设计提供理论基础。

汽车碰撞；保险杠；仿真分析；吸能

0 引言

随着汽车交通事故数量的逐年上升，作为保护人身财产安全的汽车安全工程已经引起了人们高度的关注与重视。汽车安全包括主动安全和被动安全两种方式，而目前被动安全仍然是汽车安全最主要的方式，在被动安全中汽车保险杠作为主要结构部件之一对车辆碰撞安全性能具有重要的影响，因此研究汽车保险杠横梁的碰撞特性,对于提高汽车碰撞安全性具有重要的意义。在汽车碰撞过程中,既有几何非线性又有物理非线性, 复杂的碰撞接触与摩擦问题也存在于汽车碰撞过程中。因此,汽车碰撞性能的研究已经远远超出了理论解析的范畴,必须借助于试验与数值分析方法[1]。

1 汽车保险杠概述

保险杠是汽车被动安全重要的零部件，当汽车发生低速碰撞(一般小于10 km/h)时，可以通过保险杠的变形吸收碰撞中的能量，有效地保护发动机舱室内的零部件，同时对行人有最大程度的保护作用。由于保险杠系统在低速碰撞和行人保护这两个方面起着关键性的作用，因此是国内外汽车被动安全领域中的一项重要研究内容。世界各国也都对保险杠的耐撞性有具体的法规和试验规范要求[2]。

保险杠一般是由外板、缓冲材料和横梁三部分组成。其中外板和缓冲材料用塑料制成，横梁用厚度为1.5 mm左右的冷轧薄板冲压而成U形槽。

图1 保险杠结构图

为了便于有限元分析，本文所研究的保险杠系统经过简化处理得到模型，如图1所示保险杠结构图由三部分组成：横梁、吸能盒和车身等效钢板(可以将保险杠后部分整车视为刚性板赋予整车的质量)，其中横梁和吸能盒支架都可作为缓冲吸能元件，其吸能好坏直接影响汽车安全性能。

2 汽车碰撞仿真有限元理论基础

2.1 汽车碰撞过程中的非线性特性

非线性分析问题是指结构的刚度随其变形而改变的问题，在一个非线性系统中，系统的响应与所施加载荷之间已不再是线性关系。

在汽车碰撞仿真模拟中有三种非线性情况[3-4]，分别是几何非线性、材料非线性和边界非线性(即接触非线性)。

2.2 沙漏控制

为节省计算机分析时间，在 LS-DYNA 中通常使用缩减积分单元进行非线性动力分析，但是缩减积分可能引起零能模式或称沙漏模式[5]。所谓零能模式，指单元在不消耗任何能量的情况下可以随意发生弯曲或剪切变形。分析过程中产生的沙漏变形往往会使得分析结果无效。沙漏现象只产生于实体和四边形单元。在整车碰撞模型中，90%以上的单元是由四边形和实体单元组成的。如果不对沙漏进行控制，结构的整体刚度将变小，从而使得仿真结果毫无意义[6]。

2.3 碰撞接触的定义

利用计算机模拟汽车碰撞时需提前对接触进行设置。汽车碰撞时的主要接触形式有变形体与变形体之间的接触、变形体与刚体之间的接触以及变形体内部之间的接触。对于这些接触，在碰撞仿真中分别采用节点对面的接触、面对面的接触和单面自动接触来定义。正确定义碰撞接触是准确进行碰撞仿真的必要条件。

2.4 时间步长控制

时间步长为每一步有限元积分的时间长度。时间步长过大，会使计算不稳定，导致模拟计算精度下降。因此，必须对时间步长进行控制。

3 汽车保险杠有限元模型建立

在导入的CAD模型中，将保险杠横梁和吸能盒四边形网格单元尺寸设置为10 mm，后钢板和刚性墙壁的网格单元尺寸为20 mm，吸能盒与横梁采用焊点连接，吸能盒与后板采用刚性连接，保险杠与墙壁接触定义为面面接触，碰撞速度根据法规设定为4 km/h，为后钢板上配重1 600 kg的mass点,用于模拟整车质量，具体流程如图2所示。

图2 有限元模型建立分析流程图

3.1 导入模型

将设计好的保险杠CAD模型通过Import命令导入HyperMesh。

3.2 几何清理

利用几何清理工具Quick edit、Edge edit、Surface等命令将CAD模型中重复和多余曲面删除，建立丢失的曲面，合并自由边。以便得到质量好的网格。

3.3 划分网格

本保险杠为薄壳结构，采用壳单元，由于碰撞过程中保险杠横梁和缓冲吸能盒是主要的变形吸能结构，对其响应特性进行重点分析，因此将保险杠横梁和吸能盒网格划分得细一些，将其单元尺寸设置为10 mm，对次要分析部件如后钢板和刚性墙单元格设置为20 mm。

按照从小到大的顺序划分网格，同时要尽量保证所划分网格主要为四边形，然后点击保存。得到如图3所示的保险杠有限元模型。

图3 保险杠有限元模型图

3.4 汽车保险杠有限元模型加载条件

对各零部件进行网格划分以后，对零部件设置材料和属性，并进行相应的链接、加载、约束并设置计算控制参数，之后即可完成模型建模生成K文件，提交LD-DYNA求解器计算。

(1)连接设置

①新建一个没有材料和属性的Components，为后续设置焊点做准备。

②点击Spotweld工具，利用焊点将吸能盒内外板与横梁连接起来，焊点间距约为40 mm,吸能盒靠近后钢板的焊点距后端不小于2个网格，以免影响下一步吸能盒与后板的连接受到破坏。

③在低速碰撞中吸能盒后方代表整车的以刚性板为主，因此吸能盒与后方刚性板的连接可以用刚体连接实现。

利用Elements工具，选中吸能盒后方一圈网格，点击move，将后一圈网格移动到后方刚板上，通过这种方法使吸能盒与后板刚性连接。

(2)配重和接触设置

①新建一个没有材料和属性的Component，为后续的配重接触做准备。

②在Masses菜单中，将mass后的空格填入0.3。在每个节点上赋予0.300 kg的质量(总共约1 600 kg)。

③在Analysis菜单中建立一个名字为Contact的文件,然后将保险杠与碰撞墙的接触定义为Surface to Surface接触。

(3)约束和加载设置

①进入Analysis菜单，利用Constrains工具中nodes命令，选中碰撞墙然后激活Create命令，从而将碰撞墙的节点全部约束为固定模式。

②在工具栏Loadcols菜单中，建立一个initialVel的加载，按照ECE R42 法规要求，设定的参考碰撞速度为4 km/h。

(4)计算机参数设置

①选取保险杠正后方中间节点、保险杠吸能盒正后方板上中心节点作为此output创建输出文件。

②在control cards设置菜单中，设置以下几种计算参数：control_energy、control_hourglass、control_shell，在关键字control_termination菜单中设置[ENDTIM]参数为0.050，关键字将计算时间长度设为50 ms。

③设置关键字在[TSUMIT]和[DT2MS]分别为1e-5和-1e-5,其他用默认值，[DT]关键字设置为0.002 5。该关键字将每个D3plot文件输出间隔设为2.5 ms。

图4 保险杠变形图

④database_option设置为10e-5，将Binary Options选为ASCII-BINARY,因此可同时使用ASCII码和Binary输出文件。

⑤打开Export功能菜单输出名称为count.k的文件。

(5)提交计算

打开LS-DYNA，在Input File 栏填入K文件路径及文件名，单击右上方RUN按钮即可开始该文件的求解计算。

4 保险杠碰撞动力响应特性分析

利用HyperView后处理器对保险杠的碰撞结果进行查看分析。

4.1 保险杠模型变形吸能分析

利用HyperView查看分析结果，得到保险杠在0～50 ms之内的变形过程如图4所示。

经过观察分析图4中保险杠形状变化，在0～25 ms之间保险杠横梁与碰撞墙逐渐接触，保险杠横梁由弯曲变得平直，此过程保险杠横梁主要以弹性变形为主，通过横梁的弹性变形，将碰撞初始时间段的动能转化为弹性势能。在25～50 ms时间段，随着横梁与碰撞墙进一步的接触，横梁受到碰撞墙给的反向力逐渐加大，超过了横梁的屈服条件，此时保险杠的横梁向内部有一个大的折弯，通过不可逆转的塑性变形吸收了低速碰撞后半段的动能。在整个低速碰撞过程中保险杠横梁变形较大，吸能盒变形很小。主要是由于在碰撞过程中，保险杠横梁先与碰撞墙发生接触，系统的动能先转化为保险杠横梁变形的势能，横梁的变形很大，吸收大部分动能，因此系统动能逐渐下降，同时由于低速碰撞的速度较低，在吸能盒大变形之前碰撞过程几乎停止。保险杠横梁的变形较大，吸能盒的变形较小，说明保险杠的结构设计合理。

图5 保险杠位移云图

4.2 位移云图变化分析

由于汽车碰撞分析中正面碰撞分析是主要分析方向，设保险杠系统的运动速度为4 km/h，方向为沿X方向。图5为保险杠系统的碰撞位移云图。

经过分析图5的位移云图可知，在碰撞过程中，保险杠横梁中间部分的云图颜色由深变浅，再由浅变深，这一过程说明保险杠的横梁先是向着碰撞墙移动，在与碰撞墙开始接触后，受到刚性墙的阻挡，位移不再增加，随着碰撞的继续，当横梁受到刚性墙的力大于屈服条件时，发生塑性变形，开始沿着X负方向折弯运动，这一过程导致了横梁的负方向位移开始增加，同时导致正向总体位移减少，这一变化过程与保险杠低速碰撞实际过程相符。

4.3 位移-时间和速度-时间曲线变化分析

在保险杠横梁中部选取某节点(节点4050)作为输出对象，得到该节点的位移-时间和速度-时间曲线，然后对曲线进行分析。如图6、图7所示。

分析图6的曲线：在0～5 ms区间，该节点位移与时间呈线性增加；在8 ms时曲线达到最高点，说明此时保险杠横梁开始与刚性墙接

图6 位移-时间响应曲线

图7 速度-时间响应曲线

触；在8～15 ms之间曲线总体呈下降趋势，说明这一阶段横梁在向X负方向压缩变形；然而在接下来的15～50 ms时间段，曲线又开始一小段上升然后又开始下降，这一过程主要是因为保险杠在发生塑形变形的同时，该节点受到挤压开始向X正方向凸起，直到凸起的顶点与刚性墙再次接触受到反向的力，该力使得接触部位继续向X负方向压缩变形，直到碰撞结束。这一碰撞过程中伴随着两次往返变形，使得变形更加充分，进而能吸收掉更多的动能。

分析图7曲线：在0～10 ms,曲线为水平直线，保险杠还没有与刚性墙接触，在10～30 ms区间上，曲线总体下降趋势，说明保险杠横梁与刚性墙接触发生碰撞，在10 ms时速度为零，在10～50 ms曲线呈两次先下降再上升并且为负值，说明横梁沿着X负方向有两次折弯运动，并且有一个回弹的过程，直到在50 ms时速度达到0时，说明此时碰撞几乎结束，此过程符合上述位移-时间曲线，并且同时与碰撞实际过程一致。

5 结束语

使用HyperMesh、LS-DYNA、HyperView对保险杠的变形图、位移云图、位移和速度与时间曲线关系进行分析，进而对保险杠在低速碰撞过程中的安全性与可行性做出了评价分析，确定在低速碰撞过程中保险杠横梁起主要吸能作用，为后续保险杠的设计提供理论参考。

[1] 檀晓红,冯伟,赵华松. 汽车保险杠横梁碰撞性能的有限元分析[J].力学与实践，2004,26(2)：35-38.

[2] 胡志远，曾比强，谢书港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽车安全仿真与分析[M].北京：清华大学出版社，2011.

[3] 赵唯．微型轿车侧面碰撞计算机仿真技术研究[D]．重庆：重庆交通大学，2008．

[4] 江志勇．基于轿车薄壁构件碰撞的变形及吸能特性的仿真与分析[D]．武汉：武汉理工大学，2009．

[5] 蒋小晴．焊点失效模型在前纵梁耐撞性中的应用分析[D]．长沙：湖南大学，2009．

[6] 王克．乘用车座椅动态性能模拟研究[D]．重庆：重庆交通大学，2012．

The simulation analysis on energy absorption structure of automotive front bumper at low-speed collision

Tian Guofu,Yang Chengguo

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

The article makes a simulation analysis on a bumper at low speed collision. The model of bumper should be simplified firstly. And then it builds a finite element model with Hypermesh, after that, the model is submitted to the LS-DYNA for analysis. Lastly, it uses HyperView to deal with the collision results and get the relevant response parameters. Through the analysis of these parameters, it is confirmed that which part is most important in the function of absorbing energy.This can provid theoretical basis for bumper design.

collision; bumper;simulation analysis; energy absorption

U461.91;TP20

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.03.007

田国富，杨成国.汽车前保险杠缓冲吸能结构低速碰撞仿真分析[J].微型机与应用，2017,36(3)：23-25，28.

2016-11-04)

田国富(1968-),男，博士后，副教授，主要研究方向：机械系统的CAD/CAE技术、工程车辆设计与试验等。

杨成国(1987-)，通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：车辆工程。E-mail:ychgkycg6699@163.com。