基于Hyperviews在汽车前保险杠中的有限元分析及优化

张文韬

摘要：根据汽车的正面碰撞特性，应用有限元模拟技术，通过利用ANSA软件建立某汽车前保险杠与正面刚性墙的碰撞模型，并用显式动力学分析软件LS-dyna求解器求解该模型，最后基于Hyperviews软件进行保险杠强度的动态分析，得到相应部件应变力的应变云图，对薄弱部分提出更改建议并验证其可行性，为整车碰撞分析提供参考。

关键词：前保险杠;碰撞;有限元分析

中图分类号：U463.326                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）21-0055-02

0  引言

汽车是伴随着工业文明而出现的，是工业文明的标志之一，继蒸汽汽车之后，燃油汽车和电动汽车先后诞生，汽车保有量日益增加，交通事故也不断出现。由此可见，关于汽车的行驶安全正在被大家广泛关注，因此对于如何将被动安全性能提高，在标准法规内，最大程度的减少驾驶人员和行人的伤害成为汽车有限元分析中的重要课题。

据调查数据显示正面碰撞发生的几率是所有交通事故中最高的，并且前保险作为在碰过程中承担吸能和承载的主要部件，对于提高整车碰撞性能有非常重要的意义。

由于碰撞过程非常短，而表现的结构非线性和材料非线性又非常复杂且始终伴随动态接触[1]，因此本文采用有限元分析理论和显式算法相结合来研究汽车前保险杠的碰撞性能，在满足法规的前提下对前保险杠进行优化改进，为以后的整车碰撞分析提供参考。

1  接触碰撞分析的基本过程

当发生碰撞时，垂直于接触界面的速度是瞬时不连续的，沿界面的切向速度也是不连续的[2]，这些特点会给基于离散方程进行的时间积分带来问题。针对这一问题，本文采用LS-dyna显式动力学分析软件对保险杠和刚性墙进行受力状况的求解。为降低计算机求解时间，导入的CATIA整车模型只保留由横梁，吸能盒支架组成的保险杠系统，然后将三维模型导入ANSA软件中进行离散化网格划分，并对网格赋予材料、厚度、重量等属性，不同部件之间采用焊点链接，建立刚性墙，生成K文件，递交LS-dyna求解器进行求解计算，最后将计算结果导入Hyperviews中进行计算结果的后处理。

1.1 搭建保险杠和刚性墙的有限元模型

将保险杠系统相关部件的CATIA模型导入ANSA软件中进行网格划分，网格尺寸选用10mm，由于保险杠属于钣金件，所以使用BT壳单元划分网格;材料为低碳钢板，对应材料编号为MAT24，该材料的本构关系如式（1）所示为：

（1）

式中：为屈服应力;为有效塑性应变;C、p为材料常数，通过设置C值和p值可以求取其动态应力应变关系，针对本文的低碳钢，可取C=40、p=5。

刚性墙由于定义为不可压缩，不可变形，该结构部件的相对位置保持不变。因此，使用MAT20材料模型。

1.2 沙漏控制

考虑到计算时间，为了提升计算的效率，绝大部分积分计算一般采用部分积分类型来进行计算。因此，在采用部分积分过程中有可能出现沙漏，当出现的沙漏问题较严重时则会导致模型的能量不守恒，影响了模型的计算精度甚至导致其计算结果的可信度降低，所以必须对计算沙漏进行相关控制。其中，沙漏控制分为两种一个是对单个件的局部沙漏控制，另外一个是对整体的总体沙漏控制两种[3]。

1.3 时间步长控制

时间步长为每一步有限元积分的时间长度[4]。显式中心差分法的稳定性决定于时间长度，如果积分步长大于则会发生计算不稳定，导致计算精度迅速下降。其中为系统阻尼比，为系统最大固有频率。

其中板殼单元的最大稳定时间步长为：

（2）

Ls为单元的特征长度，ρ为质量密度，E为弹性模量。

1.4 接触定义

通过罚函数因子来计算得到接触反力的大小，实现阻止相关节点对面的穿透。但存在着罚刚度过大可导致迭代次数增加，甚至引起刚度矩阵病态的问题，所以在选择罚刚度時不能过大，应该是逐渐增长的，取结果稳定后的最小值[5]。

由于保险杠各部件之间的链接均为点焊连接，在ANSA软件中通过关键字SPOTWELD模拟点焊连接;在此碰撞过程中，不考虑车身位移，因而为了节省计算时间，将车身简化为一个刚性面，对车身刚性面和保险杠支架支撑处的六个自由度进行约束，以模拟保险杠和车体的链接。将保险杠横梁和吸能盒厚度均设置为1.8mm，行驶初速度设置为4m/s，碰撞时长设置为100ms，完成模型搭建工作，提交LS-dyna进行求解计算。最终搭建的保险杠与刚性墙模型如图1所示。

2  保险杠撞击刚性墙的分析结果

汽车在猛烈的撞击中，冲击力非常大，响应时间也非常短，保险杠各个部件的位移量、速度、加速度都发生了较大的变化。本次分析计算最终求解时间为2.5h，碰撞时长为100ms，利用Hyperviews后处理软件得到图2在不同时间段内，保险杠横梁和吸能盒的变形状况。

由应力应变云图可知，在发生碰撞的瞬间，保险杠横梁产生了较大的塑性形变，同时，该材料的屈服应力极限不足以支撑吸能盒变形的局部应力，也消耗了碰撞所产生的巨大能量，降低了整车动能。这种情况下，对汽车翼子板、车灯、前机罩、白车身以及乘员安全都有较大的影响。所以，为了充分发挥保险杠系统的吸能效果，有必要对其部件的相关参数进行调整，提高保险杠系统的吸能效果和碰撞特性。

3  优化及验证

本文针对汽车前保险杠的优化分析，目的在于保护其后面的汽车零部件如发动机、翼子板、机罩等不受损害，保护驾驶人员和乘员不受伤害。因此，在碰撞发生的过程中，应使吸能盒的压溃吸能尽可能多的吸收碰撞时所产生的能量，提高被动安全性能。

此次优化以保险杠横梁和吸能盒的壁厚作为优化参数，取横梁中下端第4154个节点相对于吸能盒末端即车体刚性面的相对位移为参考指标，分析在三种不同壁厚的情况下，保险杠的吸能状况，三种方案，：case01横梁壁厚1.5mm，吸能盒壁厚1.5mm，相对位移最大值171.329mm;case02：1.5mm，2.5mm，105.115mm;case03：2.5mm，2.5mm，102.945mm。

仿真结果在HyperGraph2D中可以得到相应节点位移、时间和吸能、时间的历程曲线，如图3、图4所示。

由三种方案可知，case01中的最大相对位移为171mm，case02和case03中的相对最大位移相差不多，远小于case01;從图4可以看出case02和case03的吸能效果相差不大，而case03中的横梁壁厚要比case02厚1mm，从车体轻量化和吸能效果的综合考虑来看，选用case02中的壁厚参数最为合理。

4  结语

①本文利用前处理软件ANSA和显式动力学分析软件LS-DYNA联合建模，通过Hyperviews后处理软件进行优化分析，得出最优化保险杠壁厚参数，既提高了吸能盒的吸能效果，又保证了整车体的轻量化，缩短了设计周期，减小了实验次数，为以后整车碰撞分析提供了重要的参考价值;②首次采用ANSA前处理软件进行建模工作，在网格划分，建立接触等方面的优越性要强于传统建模软件，但在分析后的结果处理方面有明显不足;③在本次论文中提到的保险杠系统的改进中，只做了对原本数模参数的更改，并没有对数模本身进行修改，在实际的企业级项目中，需要与相关设计人员进行协调，达到更理想的效果。

参考文献：

[1]李瑞强.某乘用车后保险杠有限元仿真与实验研究[D].吉林大学，2017.

[2]白金泽.LS-DYNA3D理论基础与实例分析[M].北京：科学出版社，2005：50-51.

[3]胡远志.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，2011：15-16.

[4]田雨蒙.全铝车身电动汽车正面碰撞耐撞性分析及结构优化[D].东北林业大学，2017.

[5]樊建平，吴孟畅.基于界面接触算法的车桥耦合动力学分析[J].中国公路学报，2017，4：54-55.

[6]吕峰，陈方根.汽车前舱结构耐撞性关键技术研究[J].交通信息与安全，2015，5：112-114.

[7]李兆凯.汽车前部结构低速碰撞耐撞性与轻量化优化[J].中国公路学报，2016，10：149-157.

[8]姚宙，郝玉敏，李红建.基于能量管理与仿真的汽车前端结构优化设计[J].汽车安全与节能学报，2016，07：395-402.