汽车保险杠结构参数化模型的建立与机械参数优化设计

赖啸、刘勇、郭晟

（宜宾职业技术学院 644003)

1 保险杠结构的CAE数字化建模

运用有限元分析方法模拟仿真技术研究保险杠结构的力学性能，首先要运用CAE软件建立保险杠结构力学性能仿真模型，涉及到建立基本单元体的几何模型和寻找类型合适、尺寸匹配的其他单元体对结构进行离散处理，建立保险杠动力学模型[1]。

在众多有限元分析软件中，运用HyperWorks软件对保险杠结构进行CAE数字化建模的技术在国外已经得到广泛使用。该软件可以根据用户需要，进行尺寸优化、形状优化和形貌优化。我们从实际企业中选取标准保险杠实体，先用UG软件进行三维建模，然后结合UG软件可转化的功能，把IGES格式导入HyperWorks软件进行有限元分析处理，对该保险杠进行参数化建模，并进行尺寸优化、形状优化和形貌优化。

因为保险杠总体质量较重，但由于长度关系又较柔软，所以支架要求结实，可以卡紧保险杠不至于从上向下脱落，起到很好的稳定作用，所以材料的厚度取得较厚。采用四面体单元离散化后的空间结构物中单元尺寸为20 mm的四节点单元离散处理保险杠结构。建立三维实体的螺栓模型，由HyperWorks自带的螺纹接触定义方式设置螺纹接触。

2 汽车保险杠机械参数优化设计

汽车保险杆的力学性能参数和结构设计中的灵敏度是影响保险杠正常工作的最重要机械参数。保险杠材料的扭转强度、弯曲强度、料厚、弹性模量、泊松比及屈服极限等都是重要的力学性能参数。

2.1 保险杠力学性能参数

当保持固有频率和振型时，不同频率所产生的弯曲和扭转强度有很大差异，具体如图1、2所示。当设计频率是大于25.00 Hz时，一阶扭矩产生的实际频率是26.15 Hz，一阶弯曲产生的实际频率是29.20 Hz，经过试验二阶模态也是弯曲模态大于扭矩模态。

试验表明当保险杠结构一旦受到载荷发生变形时，弯曲强度很快变小，而扭转强度则变化缓慢。模拟实验结果在实际中也能得到验证，当汽车保险杠前端受到碰撞时，在载荷作用刚发生的时候，接触力主要表现为弯曲强度，保险杠的前端很容易受到冲击而发生弯曲，扭转变形则很微小；构件如果受到冲击载荷产生一定范围的弯曲变形，弯曲强度在很短时间内就会急速下降，导致产生的接触力下降，同时构件又受到较大的扭转作用，此时接触力主要表现为扭转强度，更容易导致大的扭转变形。

2.2 保险杠灵敏度

采用灵敏度分析可以确定寻求最优化的求解方向，建立优化方程和构造迭加计算方程，通过改变不同零件的尺寸大小，求解各个零件关于尺寸厚度的倒数方程。实验结果证明，保险杠随着板料厚度的增加，本体质量对整体结构的影响程度比刚度对整体结构的影响要大。一般情况下，当保险杠本体质量占据整体总质量的60%以上时，企业就采用减少板料厚度的方法来降低保险杠总体质量，提高保险杠频率。综合考虑板料的规范化、标准化生产及其能承受的载荷，将板料厚度降低了1.5 mm。

2.3 保险杠的机械结构优化

通过对保险杠力学性能参数和灵敏度性能的分析，我们提出了以下措施对保险杠进行结构优化：第一，根据需求改变保险杠的材料，可以考虑用质量轻密度小而屈服强度较大的材料；第二，调整零部件的几何位置和尺寸大小，增加加强筋，调整封闭结构，使原先不封闭的结构改成封闭结构；第三，调整保险杠材料的厚度，调整安装孔位，提高弹性模量等力学性能；第四，保险杠后部尽量与汽车构件不发生接触，在低速碰撞时可保护散热器、翼子板及发动机罩等重要部件。

图1 一阶扭转

图2 一阶弯曲