汽车铝制防撞梁碰撞性能优化分析

毛岑

汽车铝制防撞梁碰撞性能优化分析

毛岑

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

深入开展车辆与护栏碰撞的安全研究，对提高我国交通安全具有重要现实意义。文章阐述了国内外学者对车辆与护栏碰撞的研究，利用ANSYS以及LS-DYNA软件建立车辆和护栏模型，通过碰撞模拟和计算，研究车辆防撞梁单元车速因素对防撞梁碰撞性能的影响，对防撞梁碰撞性能进行优化分析。

有限元建模；碰撞；性能优化

前言

20世纪90年代，美国已研制出一套颇为系统的高速公路安全设施评价标准。1965年，日本对护栏的结构功能，施工要求等诸多方面做出了硬性规定。

我国早期对护栏的研究几乎完全采纳美、日两国的模式，随着学者的努力和国家政策的扶持，我国也逐渐跟上了世界的水平，但在某些科研方面仍有缺陷。

本文使用Ansys建立护栏和车辆的简易模型，利用LS-DYNA进行求解分析，研究车速对防撞梁碰撞过程的影响，提出优化思想。

1 防撞梁和护栏模型的建立

本文主要考量车辆的铝制防撞梁碰撞性能的优化，对车辆模型的建立进行了简化。对于护栏模型，本文以刚性护栏为主。在ANSYS建立车辆防撞梁与护栏的简易模型，然后使用LS-DYNA对碰撞过程中的应力应变等参数进行研究。

为了使建立的车身两边的柱子与车辆防撞梁两边垂直且相互平行，须将防撞梁两端切割一小部分。

图1 车辆和护栏模型

车辆和护栏模型建立完成如图1所示。

2 模型的碰撞过程

第二部分的模型经LS-PREPOST后可得出以下结果：

当t=0.123s时，防撞梁与护栏开始碰撞；在t=0.126s时，防撞梁受力云图如图2，暖色代表作用力大，冷色代表作用力小。

图2 防撞梁受力云图

随着碰撞过程的推移，当t=0.135s时，碰撞已发生一段时间，防撞梁受力云图如图3，且从防撞梁侧面图4可明显观察出，此时防撞梁侧面已经发生较为明显的变形。碰撞仍在发生，但使用受力云图不能方便的对各个位置受力的大小进行对比，为了更好的研究防撞梁与护栏在碰撞过程中的应力应变等参数的变化，故之后的数据分析中均使用曲线图进行描述。

图3 防撞梁受力云图

图4 防撞梁侧面图

3 车速对铝制防撞梁与护栏碰撞的影响及优化分析

在车辆质量m=1.4t，选择的单元均一样，速度在36km/h，72km/h，108km/h时的应变和应力进行比较分析。

从图5可得出，v=36km/h时车辆防撞梁中间的点从t=0.123s时开始发生应变，随着时间逐渐增加，到t=0.129s时达到其应变的第一个极大点，应变为0.00167，接着又随时间逐渐减小，到t=0.134s时达到其应变的一个极小点，应变为0.000157，随后随着时间的增加应变又开始增加，到t=0.138s时，应变达到最大为0.00329，接下来随时间的推移，应变整体出现减小的趋势，直到t=0.1345时，应变为0，随后应力开始随时间发生波动。

图5 防撞梁应变图

从图6可得出，v=72km/h时车辆防撞梁中间的点从t=0.0615s时开始发生应变，随着时间逐渐增加，到t=0.0623s时达到其应变的第一个极大点，应变为0.00218，随后从t=0.0615s到t=0.075s应变曲线发生不规则的波动，在t=0.0727s时，其应变达到最大点，应变0.0109。

图6 防撞梁应变图

图7和图8可得出，只看图7，可能会以为防撞梁中间点的应变数值从开始碰撞开始是下降的，但和图8联合起来，便能够得出：在v=108km/h时车辆防撞梁中间的点从t=0.04055s时开始发生应变，刚开始应变的数值是逐渐增大的，到t=0.0409s时应变达到其第一个极大点，数值为0.000002，随后应变数值随时间开始减小，到t=0.0415s时达到应变最小点，数值为-0.00087，之后从t=0.0415s到t=0.0467s应变曲线都在来回波动，但整体几乎都在x轴上方，在t=0.0455s时，应变曲线数值达到最大，数值为0.00831。

图7 防撞梁应变图

图8 防撞梁应变图

图9 防撞梁应变图

观察图9，先比较车速为36km/h和车速为72km/h的曲线，发现车速为72km/h的曲线明显总体应变要大于车速为36km/h的应变，但当比较车速为72km/h和车速为108km/h的曲线时，会发现车速为108km/h的去向的总体应变小于了车速为72km/h的应变，出现这种反常现象的原因可能是：在求解车速v=108km/h的碰撞时，求解过程后期出现莫名错误导致之后的结果未计算在内，此曲线并没有显示完全，后面应还有并且要大于车速为72km/h。由于车速108km/h的车辆碰撞过程出现问题，下面应力变不再讨论这种情况。

图10 防撞梁应力图

从图10可得出，车速为36km/h时车辆防撞梁中间的点从t=0.123s时候开始有应力的作用，随时间的增加应力在数值上逐渐减小，到t=0.128s时应力在数值上达到其一个极小点应力数值为-390MPa，随后，在t=0.128s到t=0.134之间，应力进行上下波动，在t=0.134s时达到应力数值的极小点数值为425MPa，接着应力数值又随时间增加而增大，到t=0.135s时，应力在数值上达到另一个极大点，数值为-300MPa，随后应力数值又开始减小，到t=0.137s时又达到其数值上另一个极小点，数值为-344MPa，接着，应力数值随时间先增加后减小，在t=0.141s时，应力数值达到最小为-420MPa，接下来，应力数值随时间尽心不规则的波动，在t=0.149s时，数值达到最大为199MPa。

图11 防撞梁应力图

从图11可得出，车速为72km/h时车辆防撞梁从t=0.0615s时开始出现应力，应力数值先逐渐减小，在t=0.0637时应力数值达到其第一个极小点，应力为-465MPa，随后应力便开始不规则波动，在t=0.069s时，达到应力数值的最大值186MPa，在t=0.072s时，达到应力数值的最小值-1370MPa。

从图12可看出，车速72km/h的车辆在碰撞过程中所受到的应力明显总体大于车速36km/h的车辆所受的应力。

图12 防撞梁应力图

我们可得出，车辆在不同的速度下与护栏碰撞的过程中，速度越大的车辆的防撞梁通常所受的应力和应变会大于速度小的车辆的防撞梁所受的应力和应变；综上所述，为了提高我们的行车安全，在时间许可的情况下，车速应略微降低一点。

4 结语

本文研究了车辆与匝道口护栏撞击过程中铝制防撞梁碰撞性能的优化，运用ANSYS和LS-DYNA进行建模和求解，探索车速对车辆防撞梁与护栏碰撞过程中的影响，得出速度越大的车辆的防撞梁通常所受的应力和应变会大于速度小的车辆的防撞梁所受的应力和应变。随着计算机技术的不断发展，许多研究仍需要更专业的研究人员继续开展，许多问题也需要进一步改正和解决。

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Collision Performance Optimization of Aluminum Anti-collision Beam of Automobile

Mao Cen

( Chang'an University, School of Automobile, Shaanxi Xi'an 710064 )

In-depth vehicle and fence collision safety research important practical significance improve our traffic safety. In this paper, the research of vehicle and guardrail collision at home and aboard are described. The model of vehicle and guardrail is established by ANSYS and LS-DYNA software. According to the collision simulation and calculation, the influence of vehicle speed on the collision performance of the collision beam is studied, and the collision performance of the collision beam is optimized.

Finite element modeling; Collision; Performance optimization

U462.3+6

A

1671-7988(2019)18-148-03

U462.3+6

A

1671-7988(2019)18-148-03

毛岑（1995-），女，长安大学汽车学院硕士研究生，车辆工程专业

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.049