汽车保险杠横梁的研究与改进

李洋，施伟辰

（上海海事大学，上海 201306）

汽车保险杠横梁的研究与改进

李洋，施伟辰

（上海海事大学，上海 201306）

碳纤维增强复合材料(CFRP)是一种新型复合材料，具有优良的性能。由于其具有较轻质量和较高的比强度比吸能比刚度等特性很适合用作汽车构件。碳纤维增强复合材料的可设计性强的优势为其用作汽车保险杠提供了方便。文章针对碳纤维增强复合材料和橡胶制作成的汽车保险杠横梁在碰撞时表现出来的优势进行分析探讨，并与传统的钢制保险杠横梁和碳纤维复合材料保险杠横梁进行对比，通过ANSYS进行仿真，利用LS-DYNA对保险杠模型进行碰撞模拟。结果显示有橡胶层保险杠横梁变形较小，性能优异，满足要求。

复合材料；橡胶；保险杠；碰撞；仿真

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-164-03

前言

随着各国对新型材料研发的力度逐渐增加，碳纤维增强复合材料的性能也越来越好。由于这种材料具有各向异性的特点，这样就可以满足某些结构在一定方向上的力学性能要求而在别的方向上性能过剩的局面。汽车保险杠要求自身具有良好的吸能效果，保护汽车及汽车内乘客的安全。碳纤维增强复合材料和橡胶材料在碰撞时均具有很好的吸能效果，从这些方面考虑，结合两者共同的优势开发新的汽车保险杠横梁是可行的。传统的钢结构保险杠质量大，增加了汽车的油耗，改用碳纤维复合材料保险杠极大的降低了这一问题，在碳纤维复合材料横梁的基础上，增加橡胶层，有效的保护了横梁，改善了碰撞情况。国外很多机构已经对碳纤维复合材料用作汽车结构件和覆盖件做了大量研究，国内这一领域由于受到材料研发的制约，还未大量推广研究。随着时代的发展，碳纤维复合材料一定会普及，而且的到快速的发展。提前对其进行研究是很有价值和意义的。

1、碳纤维复合材料层合板力学基础

取坐标x,y,z中z=0的xoy面为中面。沿着板厚范围内x,y,z方向的位移是

μ，v，ω，中面上点x,y,z方向的位移为μ0，v0，ω0，如图1所示。

图1 层合板坐标图

假设层合板中变形前垂直于中面的直线段，变形后仍未直线且垂直中面。该线段的长度不改变。由假设，板中某一垂直于中面的直线段AB变形后为A′B′。如图2。

图2 直线段变形前后关系

原中面上o点的x方向位移为μ0，直线段AB变形后仍与中面垂直，的切角是，则C点在x方向的位移。

同理可得C点在y方向的位移：

由弹性力学公式位移与应变的关系：

带入可得，

2、新型汽车保险杠设计模型

选取某种汽车保险杠模型作为参考，利用UG进行建模设计出保险杠模型，导入ANSYS进行前处理，处理结果使用LS-DYNA进行运算。该模型保险杠横梁采用8毫米厚度橡胶与8毫米厚碳纤维复合材料粘结结构，复合材料采用+45°和-45°交叉铺层，每层厚度0.2毫米，铺设40层。碰撞速度为4km/h。模型方案如下图：

图3

碳纤维复合材料采用环氧树脂基碳纤维增强复合材料T300/5208，材料属性如下：

表1-1 T300/5208材料参数

橡胶的材料参数为橡胶材料属性：密度1000 Kg/m^3，弹性模量 6.1*10^6 Pa，泊松比 0.490抗剪模量 2.9*10^6 Pa，屈服强度 9.24*10^6 Pa。

3、结果分析

新型保险杠在碳纤维横梁粘有橡胶材料。图1为三种模型加速度变化对比，即无橡胶层的碳纤维复合材料保险杠和有橡胶层的碳纤维复合材料保险杠以及钢制保险杠对比，从图中可以看出，从开始接触计算，0-0.026s无橡胶层的保险杠的车身加速度高于有橡胶层的保险杠的，碰撞在0.026-0.047s时，二者加速度相差不大，0.047s后，有橡胶层的保险杠加速度变化明显低于无橡胶层的保险杠。说明有橡胶层的保险杠碰撞过程更加平稳，性能优于无橡胶层的保险杠。而钢制保险杠的加速度在0.047s前始终高于有橡胶层保险杠。之后二者加速度相差不大。

图4 三种保险杠加速度变化图像

图5为无橡胶保险杠横梁节点A68073和有橡胶保险杠横梁节点A346406的位移情况及钢制保险杠横梁节点A33629位移情况，从节点位移可以看出保险杠在受到碰撞时发生的变形情况，二者正相关。无橡胶层的保险杠横梁在较短时间内位移较大，最大值达到15.387毫米。有橡胶层保险杠横梁的位移较小，最大值为13.92毫米，而且达到最大值时所用时间更长。钢制保险杠横梁位移最大，最大值是20.26毫米。远大于其他保险杠横梁变形。

图5 节点位移图

图7 有橡胶保险杠Z 方向应力云图

图6 无橡胶保险杠Z方向应力云图

图8 无橡胶保险杠Z方向应变云图

图10 钢制保险杠Z方向应力云图

图11 钢制保险杠Z 方向应变云图

图9 有橡胶保险杠Z 方向应变云图

如图所示为碰撞开始保险杠横梁中心节点位移峰值时刻的应力图像和应变图像。无橡胶保险杠位移最大值时刻为0.0548s，有橡胶保险杠位移最大值时刻是0.0596s。图6为无橡胶保险杠位移峰值时刻Z方向应力云图，图7为有橡胶保险杠位移峰值时刻Z方向应力云图。从图像可以看出，无橡胶保险杠横梁应变峰值为大于有橡胶保险杠应变峰值。图8为无橡胶保险杠位移峰值时刻Z方向应变云图，图9为有橡胶保险杠位移峰值时刻Z方向应变云图。由图8图9看出，有橡胶保险杠的应变低于无橡胶保险杠的应变。由于橡胶的作用，延缓了保险杠位移峰值的出现的时间，降低了碰撞时保险杠横梁的最大应力应变，增加了系统整体碰撞时间。而钢制保险杠横梁最大变形量的最大应力是4.71，最大应变是12.57%。如图10和图11。

4、结论

1）根据图2 可以看出，铺设了橡胶层的保险杠横梁能够减少保险杠横梁的变形，提高了保险杠横梁的抗撞击性能。

2）本文的研究为改进保险杠横梁设计提供参考。

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Research and improvement of the bumper beams

Li Yang, Shi Weicheng
( Shanghai maritime university, Shanghai 201306 )

Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) is a new kind of composite material, it has excellent performance.Since it has lower quality and higher stiffness than the intensity of energy absorption characteristics and it is suitable for automobile components.Carbon fiber reinforced composite materials can be the advantage of strong convenience to be provided for its used in automobile bumpers.This article in view of the carbon fiber reinforced composite materials and rubber made in the collision of the car bumper beams shows advantage analysis, And compared with the traditional steel bumper beams and carbon fiber composite bumper beams were compared through the ANSYS simulation, using ls-dyna to simulate the bumper model collision. Results show that the layer has a rubber bumper beam deformation is small, excellent performance, meet the requirements.

composite material; Rubber; Bumper; The collision; The simulation

U463.8

A

1671-7988 (2017)10-164-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.057

李洋，就读于上海海事大学物流工程学院，硕士研究生，研究方向机械动态性能分析与研究，施伟辰，教授，就职于上海海事大学物流工程学院。