我国汽车保险杠研究现状和有限元分析方法在汽车产品中的应用

赖啸，刘勇

(宜宾职业技术学院，四川 宜宾 644003)

汽车这项交通工具发展迅速，在日常生活中使用广泛。随着汽车的大量普及，随之产生的交通事故也日益增加，汽车的安全性能显得十分重要。在历年来大量的交通事故统计中，有很大比例是与汽车保险杠的设计有关，保险杠承担着很大的安全保护责任。

1 汽车保险杆的发展

1896年卡尔本茨发明了第一辆汽车(三轮汽车)，当时的汽车没有保险杠，只有一个安装喇叭和车灯用的金属横梁，后来为了达到美观的效果，增加了装饰用的前盖板，这就是最初的保险杆原型。随着交通事故的频繁发生，人们逐渐意识到保险杠对车辆及行人的保护作用，有人考虑在前盖板上增加保护功能，具体采用与前横梁留有一定间隙的保险杠盖板，后来进一步发展成在保险杠盖板与横梁之间增加能吸能缓冲的橡胶构件，这样做能够很大程度降低汽车对行人的冲击，这种结构最终演变成后来的金属保险杠总成。随后汽车保险杠又出现了由外板、缓冲材料和横梁三部分组成的保险杠结构。近些年随着各行各业技术的大力发展，新型的保险杠结构也不断涌现，如液压吸能式、带气腔式等。另外，出于保护行人的要求，现在国外也在研究安全气囊式保险杠。

2 我国汽车保险杆的研究现状

在我国的汽车行业中，保险杠作为一种重要的安全装置正处于高速发展的阶段。目前，我国轿车的保险杠拥有保护汽车部件、保护行人安全、满足车身空气动力性要求等作用以外，还具有装饰和美化车身的作用，追求车型的美观与和谐。因此，我国目前的汽车保险杆都采用塑料保险杆，主要有聚丙烯(PP)和由抗冲PP共聚物、苯乙烯类弹性体和聚烯烃类橡胶3种组成共混改性材料，注射成型。比如上海大众桑塔纳、斯柯达轿车的保险杠，采用了聚酯系材料，并用反应注射模成型法做成；一汽大众的速腾、迈腾和新高尔夫轿车采用了聚丙烯系材料注射成型做成。塑料保险杠具有强度好、刚性好，有一定装饰性等特点，并且当汽车发生碰撞事故时能起到缓冲作用而保护了车体，安全性能好。

3 有限元分析方法在汽车产品中的应用

有限元分析法(Finite Element Analysis)是根据变分原理求解数理方程的一种数值计算方法，是一种解决工程实际问题的近似数值计算工具，利用简单而又相互作用的元素，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。因为有限元方法多用于求解一些复杂形状或者多维应力场的场合，所以通过人工计算，大部分的求解过程都很难得到理论解。随着计算机软件技术的高速发展，计算机辅助工程技术(CAE)的形成，开始实现借助计算机技术来求解汽车产品中的大变形非线性的方程组。CAE技术一经应用就表现出独特的优越性，它不仅使计算时间大大缩短，同时也获得了良好的精确度。

把CAE技术结合有限元分析方法运用在汽车保险杆上，目前流行的是，建立符合保险杠开发精度要求的有限元模型，然后获得较好的保险杠结构及模拟参数，并为相关的结构系统分析提供理论及方法上的参考。在原理样车的制造之前，先进行保险杠机械结构基本力学性能的模拟仿真，预测所设计的保险杠结构是否达到应有的刚度、强度和动态特性等基本力学性能要求，分析结构不能满足这些基本力学性能要求的原因，并根据分析结果提出结构设计方案。用有限元分析方法结合仿真技术对保险杠结构基本力学性能进行分析也是取得质量轻、刚性高的保险杠结构的有效手段。保险杠结构基本力学性能仿真技术以线弹性有限元法为基础，在国外先进的汽车制造公司己得到普遍应用。基于线弹性有限元法的保险杠结构基本力学性能仿真技术，其仿真过程包括建立力学仿真模型、定义边界条件、分析结构的各种力学特性、根据结果对所设保险杠结构基本力学性能进行评价、指出性能缺陷和提出结构改进措施等多方面。

目前能应用到汽车产品领域的常见的有限元分析方法软件总结如下：

(1)MSC.PATRAN和NASTRAN。MSC.PATRAN和NASTRAN的主要功能模块有：基本分析模块，包括静力、模态、屈曲、热应力、流固耦合及数据库管理等；动力学分析模块；热传导模块；非线性分析模块；设计灵敏度分析及优化模块等常见模块。除模块化外，本软件还具备可以按照解题规模分成10000节点到无限节点，用户引进时可根据自身的经费状况和功能需求灵活地选择不同的模块和不同的解题规模，以最小的经济成本获取最大效益。

(2)HYPERWORKS。HYPERWORKS是由法国ALTAIR公司开发的系列产品，它的开放式平台可以直接运用先进的CAD、CAE求解技术，并内嵌与产品数据管理以及客户端软件包交互的界面。它有强大的几何输入、输出功能，支持多种格式的复杂装配几何模型读入，如TIA、UG、Pro/E、STEP、IGES、PDGS、DXF、STL、VDAFS等格式的输入。支持UG动态装配，并可设定几何容差，修复儿何模型，并支持IGES、STEP等CAD格式输出。另外它还与主流求解器实现无缝集成。HYPERWORKS具有强大的网格功能，并且还提供了多种焊接单元生成方法，支持焊接单元的自动创建还可进行等值线图等多种类型的后处理浏览与应力应变位移速度的云图。

(3)LS.DYNA。LS.DYNA是美国LSTC公司创建的全球知名通用显式动力分析程序，是被公认为是显式有限元程序的鼻祖和理论先导，是目前所有显式求解程序的基础代码。在工程界得到广泛应用并被认为是最佳的显式分析软件包。它以Lagrange算法为主，兼有ALE和Euler算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流体.结构耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能。

参考文献：

[1] 林玮静，齐学先.汽车前轴设计中有限元方法的应用[J].山东交通科技，2012(3).

[2] 孙泉.中国汽车市场现状及发展趋势[J].新财经，2013(7).