ABAQUS刚性分析在乘用车保险杠轻量化上的应用
2021-02-20付赫涛
付赫涛
摘要：为降低保险杠产品重量，基于ABAQUS建立轻量化结构保险杠产品的刚性实验模型，验证轻量化乘用车保险杠产品的刚性实验性能，从而为进一步优化产品重量，改善产品结构提供参考指标。
Abstract： In order to reduce the weight of bumper products， a rigid experimental model of lightweight structural bumper products was established based on ABAQUS to verify the rigid experimental performance of lightweight passenger car bumper products， so as to provide reference indicators for further optimizing product weight and improving product structure.
关键词：ABAQUS;刚性分析;保险杠;轻量化
Key words： ABAQUS;rigidity analysis;bumper;lightweight
中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）02-0039-02
0 引言
近期，随着雾霾等空气环境污染的加剧，我国汽车工业的发展面临着环保问题的巨大压力，而轻量化技术有助于节能减排、提高发动机效率、降低尾气排放、降低油耗、降低整车成本，是各车企对零部件供应商的迫切要求。今天的乘用车保险杠，是由PP（聚丙烯）材料注射成型，再经涂装、装配等工序生产完成的塑料蒙皮制品，其壁厚决定了产品的重量。传统保险杠蒙皮壁厚一般为3mm左右，总重量在8kg左右。进入21世纪，日本汽车制造商为降低整车重量和成本，率先研究塑料保险杠薄壁化技术，经过多年努力，平均壁厚降低至2.5mm以下，较传统设计的保险杠蒙皮减重16%，成果斐然。总体来说，薄壁化保险杠较传统保险杠有以下优势：
①重量轻;
②成型生产节拍降低，从而降低生产成本;
③壁厚方向收缩率较小。
但到現在为止，国内尚未普及这种技术，这是因为存在以下风险和难度：保险杠不仅仅起到装饰作用，它也是吸收和缓和外界冲击力、保护车身及行人安全的保护装置。国家标准和各主机厂对保险杠的刚性、回弹性能、低速碰撞性能、行人保护、震动性能、模态等指标都有严格的标准。其中，刚性是非常重要的力学标准。如何在降低壁厚和产品重量的同时，保证刚性指标在标准允许的范围内？本文探讨基于ABAQUS软件，建立轻量化结构的保险杠产品刚性实验仿真模型，验证轻量化保险杠的刚性实验性能，从而为进一步优化产品重量，改善产品结构提供参考指标。
1 客户刚性标准
不同的车企，对保险杠表面刚性的要求不尽相同。以某车企对保险杠表面刚性为例，要求如表1所示。
2 ABAQUS静力接触分析模型
计算模型包括后保险杠面罩本体、两侧侧翼支架。整个模型总成包含壳单元网格99726个，平均网格尺寸4mm。
保险杠模型的壁厚，可在ABAQUS软件中，分别设置不同的集合定义不同区域的壁厚。以下为本次验证的轻量化壁厚设置方案，不同的受力位置，设置为不同的壁厚，以求降低保险杠的总体重量。
3 材料参数
保险杠面罩采用PP材质，密度1.09E-09 t/mm3，泊松比：0.35，弯曲弹性模量1640MPa;左/右侧支架采用POM 材质，密度1.40-09t/mm3，泊松比：0.39，弯曲弹性模量2773MPa。材料应力-应变曲线采用三点弯曲试验机应力-应变曲线。（图3）
4 刚性实验仿真及其结果
刚性仿真采用Standard求解器，进行模拟接触分析。要注意的是，实验位置需要通过三坐标测量仪和仿真位置进行校准。（表2）
5 结论
根据刚性实验和仿真的结果可以看出，如图2所示的轻量化壁厚设置方案，可以满足刚性实验标准。但是，保险杠产品需要满足的标准不只是刚性实验，还包括回弹性能、低速碰撞性能、行人保护、震动、模态等指标的要求，因此需要进行多个种类的实验和仿真。我们可以利用实验数据对CAE分析结果进行校核，反过来又不断提升了CAE分析的准确性，逐步建立起结构设计-CAE仿真-实验验证-改善的良性循环，降低验证时间与成本，提升研发能力。
参考文献：
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