汽车保险杠吸能盒分析

郑竹安，郑精干，汪伟文，吕红明，戴广金

（224051 江苏省 盐城市 盐城工学院）

0 引言

根据中国汽车工业协会数据，2020 年我国汽车产销量分别达2 522.5 万辆和2 531.1 万辆[1]，汽车数量快速增加的同时，也伴随着交通事故的增加，交通安全成为了公共安全的重要部分。

交通事故中多数为撞车这一情况。据统计，汽车事故67%为正面碰撞，28%为侧面碰撞，追尾和翻滚的比率较低[2]。所以，防撞性能是汽车安全性的重要指标。交通事故碰撞概率如图1 所示。

图1 交通事故碰撞概率图Fig.1 Collision accident probability distribution

车辆发生严重碰撞时，保险杠可以保护车内外人员的安全，还能减少车辆和其他部件的损坏[3]。汽车通常用吸能盒连接保险杠和车身纵梁，吸能盒能够在碰撞时吸收大量能量，更换方便，价格便宜，所以吸能盒性能决定了汽车的安全性，对吸能盒的深入研究具有重要现实意义[4]。

1 弹性力学基本方程及其有限元解法

汽车行驶过程中，可能会因为突发状况或驾驶员反应不及时等原因发生碰撞，该过程可解释为两车接触面发生挤压变形。整个过程中压力从小变大，将两车不断压缩，直到两车速度保持一致，压缩变形达到最大值；之后，因为压缩面之间存在弹性形变的不断恢复，接触面直接的压缩程度逐渐放松，两车逐渐分离。可将碰撞分为两个过程，一是两车刚开始接触到压缩力达到最大，再到两车速度一致时的变形过程；二是以第一过程结束为起始点到两车刚开始分离时为恢复过程[5]。式（1）—式（4）为碰撞过程物理公式。

（1）弹性动力学基本方程

运动方程：

式中：ρ——质量密度；fi˙——单位质量受到的体积；u——质点位移。

几何方程：

式中：εij——应变张量。

物理方程：

式中：σij——应力张量；λ，μ——lame 系数；K——物体的动能。

边界条件：

（2）弹性动力学基本方程的有限元解法

首先通过Hamilton 变分原理建立弹性动力学数值计算微分方程组，有多种求解算法。

假定0，t1，t2，…，tn时刻的节点位移、速度、加速度均为已知，求解tn+1时刻结构的响应。中心差分法对加速度、速度的导数采用中心差分代替[6]：

将运动方程（1）代入系统的运动方程可得：

得

板壳单元的极限时间步长Δte的计算方法如下：

式中：Ls——单元特征长度。

材料声速c：

式中：v——泊松比；ρ——材料密度；E——弹性模量。

2 仿真平台的搭建

汽车吸能盒的碰撞仿真实验分为2 部分：（1）建立模型、简化模型、抽中面、画网格；（2）装配焊接零件，定义模型材料，接触关系定义，进行分析计算，文件处理，记录数据和截取图像。其仿真实验的4 个过程：前处理（用ANSA 画网格、抽中面、画网格、模型装配焊接、定义材料属性、接触关系、边界条件）；求解（用DYNA 进行分析计算）；后处理（用meta 进行数据采集）；优化（用VCS 改变截面和形状，进行计算分析）。

2.1 模型简化

将零件中一些不重要的细节删除，保留主要部分。利用软件ANSA 抽取中面和划分网格，最后输出仿真图像，受力情况会随着时间的变化而变化。受力情况与截面、内能和时间等有关[7]。此时需要赋予模型材料密度和属性，增加材料各点处的约束。

2.2 抽取中面和网格质量的控制

试验中，有限元分析和计算是最重要的，利用ANSA 抽中面、划分网格时，尽可能保证最后的网格与原模型结构一致，不能有遗漏。同时对于需要细化的结构厚度需要逐次增加1 mm。模型简化过程中，首先考虑几何形状，其次考虑分析目的，最后是设定厚度和计算效率。

2.3 连接接触关系的处理

汽车简化模型由很多零件组成，各个零件都不相连，所以要把所有的零件连接起来，其中要用到焊接。连接可以分为焊点、焊缝、粘胶[8]。吸能盒与保险杠、梁采用焊点方式，吸能盒与法兰采用焊缝方式。

2.4 固定壁的设置

试验中的固定壁设置为刚性墙壁,理想情况下无限硬，为20 号材料，材料参数：密度R=7.85×10-6kg/mm3，弹性模量E=210 GPa，泊松比PR=0.3，如图2 所示。

图2 固定臂Fig.2 Fixed arm

3 仿真结果数据的采集

3.1 吸能盒碰撞变形过程中图象的采集

吸能盒的碰撞实验肉眼几乎无法看清楚，所以需要借助图像视觉技术记录下来。实车碰撞实验要用到多台高速摄像机，摄像机凭借1 000 张/s 的拍摄速度才能拍到运动的车身[9]。汽车仿真实验采用计算机图形技术，可以更加方便地实现全方位的视角图像采集。然后用meta 将DYNA 求解计算后的二进制输出文件D3PLOT 读入就可以得到指定输出间隔的仿真图像，这样可以调到任意时间查看部位的变形过程。汽车吸能盒变形过程如图3 所示。

图3 汽车吸能盒变形过程Fig.3 Deformation process of automobile energy-absorbing box

3.2 能量-时间曲线的收集

吸能盒受力有所改变从而导致所吸收能量的不同，在吸能盒的固定壁上选择一个点分析计算。吸能盒在碰撞过程中，截取内能随时间变化的曲线。内能是检测吸能盒吸能效果最重要的指标[10]。截面四边形吸能盒能量-时间曲线如图4 所示。

图4 四边形截面吸能盒能量-时间曲线Fig.4 Energy-time curve

3.3 截面力-时间曲线

把吸能盒截面作为固定面，在此方向施加一个作用力。吸能盒作为一个理想刚体是不会受力变形的，在软件DYNA 里吸能盒受力会产生变形，截面所得力会根据时间的变化而改变。固定截面设置如图5 所示，截面力-时间曲线如图6 所示。

图5 固定截面设置Fig.5 Fixed section setting

图6 四边形截面吸能盒截面力-时间曲线Fig.6 Section force-time curve

4 吸能盒结构形状的优化研究

4.1 截面形状对吸能特性的影响

4.1.1 截面六边形吸能特性的结果分析

保持截面周长不变，将横截面改为六边形，其能量-时间和截面力-时间曲线如图7 所示。

图7 六边形截面分析结果Fig.7 Analysis results of hexagon section

4.1.2 截面圆形吸能特性的结果分析

保持吸能盒周长不变，将截面改为圆形，能量-时间和截面力-时间曲线如图8 所示。

图8 圆形截面分析结果Fig.8 Analysis results of circular section

4.1.3 不同截面形状对吸能结果的对比分析

将3 种截面得出的能量和截面力曲线放进同一坐标系中查看，结果如图9 所示。

图9 不同截面分析结果Fig.9 Analysis results of different sections

由于10 ms 前和80 ms 之后结果对分析结果无明显意义，所以只观察10～80 ms 的结果，对比曲线可知：四边形内能变化最大，从能量曲线得出四边形吸能效果最好；碰撞力对比结果可知四边形峰值力最小，故安全性较高。综上，截面形状为四边形的吸能盒吸能效果最佳。

4.2 吸能盒结构对吸能特性的影响

4.2.1 开凹槽的吸能特性的结果分析

为了让吸能盒在碰撞过程中更好地吸收能量，一般选择在吸能盒的截面开孔，使得吸能盒更加高效。开槽处理后模型如图10 所示。meta 显示结果如图11 所示。

图10 开槽后吸能盒Fig.10 Energy absorbing box after slotting

从图11 可以看出，吸能盒的截面开槽前后受影响不大[11]，开槽前截面应力时间曲线大于开槽后，开槽后的内能变化大于开槽前，所以汽车吸能盒的截面开槽后的吸能效果更好。

图11 开槽前后吸能盒分析结果Fig.11 Analysis results of energy absorbing box before and after slotting

4.2.2 侧面开孔的吸能特性的结果分析

吸能盒在碰撞过程中要尽可能多地吸收能量，阻止能量传入汽车内部对人员和物体造成破坏[12]。对边界加载等条件进行仿真分析，与开槽处理进行对比，结果如图12 所示。

由图12 可以看出，吸能盒截面开槽后吸收能量效果更好，碰撞应力变化不明显[13]。因此，在低速碰撞中，开槽后吸收能量效果更好。

图12 开孔前后分析结果Fig.12 Analysis results before and after opening

4.3 VCS 与DYNA 分析结果对比

VCS 是一款小众有限元分析软件，分析速度较快，成本较低。因为VCS 将分析模型分块划分，所以VCS 对截面形状的优化尤为方便。受条件限制，优化分析采用了DYNA。对比了VCS 和DYNA对四边形截面吸能盒的分析结果，VCS 前处理截面如图13 所示，DYNA 在ANSA 内前处理界面如图14 所示；吸能盒内能-时间曲线在VCS 和DYNA的结果如图15 所示。

图13 VCS 前处理界面Fig.13 VCS pretreatment interface

图14 DYNA 在ANSA 内前处理界面Fig.14 Pretreatment interface of DYNA in ANSA

图15 吸能盒内能时间曲线在VCS 和DYNA 结果曲线Fig.15 Results curves of VCS and DYNA consistent with the energy absorption time curve

由结果对比可知，内能时间曲线差异较大，故VCS 的实用性还需要更多的结果对比和考察。

5 结论

本文在实验中结合分析软件Pro/E、有限元软件ANSA，对2 种碰撞软件DYNA 和VCS 进行关于吸能盒形状和截面的对比，进一步分析吸能盒的吸能效果。主要的研究结论如下：不同于常用的HyperMesh，ANSA 作为前处理软件，其网格处理更为方便；在不同截面对吸能盒的影响中，最好的是四边形截面；进行了VCS 和DYNA 的结果对比，得出不同有限元分析软件的优劣势。