不同板厚后防撞梁低速碰撞仿真分析

張 靜，張三川，毛 杰

（鄭州大學 機械工程學院，鄭州450001）

不同板厚后防撞梁低速碰撞仿真分析

張 靜，張三川，毛 杰

（鄭州大學 機械工程學院，鄭州450001）

選用ANSYS／LS－DYNA軟件對某款轎車后防撞梁進行擺錘低速碰撞仿真試驗，以分析其低速碰撞動態響應性能．對1．2 mm、1．5 mm和2 mm 3種板厚的防撞梁的模擬結果表明：碰撞結束時，3種厚度防撞梁的最大位移分別為108．5 mm、90 mm和74．5 mm．綜合考慮汽車安全性和輕量化設計要求，此款轎車的后防撞梁鋼板厚度推薦為1．5 mm以上．

后防撞梁；碰撞仿真分析；板厚；LS－DYNA

追尾碰撞已成為交通事故的主要形態之一．近年的交通事故統計表明：該類碰撞占交通事故的30%～40%，其致傷人數占總致傷人數的60%［1］．因此，研究車尾防撞結構的追尾碰撞特性具有重要的意義．

目前，汽車碰撞安全性研究主要采用實車碰撞試驗和碰撞模擬仿真．前者成本高且重復性差，而后者成本低且具多參數分析，故后者已成為汽車碰撞安全性研究的重要手段．汽車碰撞計算機模擬方面的研究，國外已進行了很長時間，具有扎實的基礎，而我國在該領域的研究仍處于起步階段，主要研究了后碰撞的力學特性［2］和后碰撞的變形、應力以及速度和加速度響應規律［3－5］．本文依據GB17354—1998標準規定的試驗條件，應用Solidworks軟件建立了某轎車的后防撞系統的三維模型，利用LS－DYNA3D軟件對保險杠進行了計算機碰撞仿真研究，評價了保險杠的耐撞性能，并對仿真建模的主要影響因素進行了分析．

1 碰撞模型的建立與分析

參考某車型轎車后防撞結構的原始尺寸建立分析模型，同時，為便于有限元分析，對一些部位進行了結構簡化，防撞板后面部分以質量單元代替［5］．

1．1 力學模型

圖1 初始力學模型

圖1所示為所建立的防撞梁模型．橫梁采用3種不同厚度的2根長為1 400 mm、寬為50 mm的A3槽型鋼并排焊接而成；支架也選用相同厚度的鋼材．力學模型首先在Solidworks軟件中建立完成，然后通過ANSYS與Solidworks的數據接口將模型數據導入．在模型處理中，忽略了橫梁、支架自身及它們之間的連接關系，而處理成共節點連接；參照汽車前后端保護裝置低速碰撞試驗中擺錘試驗對碰撞體的要求，模擬沖擊擺錘為實心結構，直接在ANSYS中完成建模．

1．2 單元與網格劃分

模擬中，防撞梁采用SHELL163薄殼單元，其算法選用Belytschko－Tsay．材料特性選用C－S（Cowper－Symonds）隨動塑性 Plastic－Kinematic模型［6］，屈服應力與應變率關系可表達為：

式中：σ0為初始屈服應力；ε為應變率；C、p為Cowper－Symonds應變率參數，在此次模擬中取C＝40，p＝5；β為硬化參數；E p為塑性硬化模量；εp為有效塑性應變．

橫梁及支架基本材料的特性如表1所示［7］．

表1 橫梁及支架材料的特性

1．3 定義接觸面

防撞梁和擺錘碰撞時的接觸采用自動單面接觸方式，動靜摩擦因數取0．1．

1．4 約束條件

碰撞設定為碰撞速度為4 km／h的低速碰撞（一般是指在小于15 km／h的車速下發生的車輛碰撞），車體基本不發生后移，故防撞梁支架支撐處的6個自由度都等同進行了約束［8］．

按GB17354—1998要求，擺錘的質量為1 300 kg，在碰撞方向的初始撞擊速度為1 100 mm／s，其余方向的初始撞擊速度為0［8］．

數值模型采用mm－kg－ms單位制，然后將由ANSYS生成的K文件交由LS－NYNA求解器ls970進行求解，最后通過ANSYS的后處理，輸出仿真結果．

2 模擬結果與分析

2．1 防撞梁厚度為2 mm時的模擬結果

圖2所示為防撞梁與擺錘體在100 ms時相互作用的變形過程狀態圖．由圖2可見：橫梁發生了較大的塑性變形，但支架變形量相對較小．碰撞開始時，橫梁受到擺錘的猛烈撞擊，擺撞沖擊能量很大，瞬時形成很高的沖擊力，因此，橫梁在很高的沖擊力的作用下，應力將大大超過材料的屈服極限而發生塑性變形，以吸收掉部分沖擊能量．

圖2 模擬變形狀態

圖3所示為防撞梁在100 ms的模擬計算結束時的位移圖．從圖3可以看出，防撞梁中間位置的變形量最大，且與擺錘撞擊方向（x方向）一致．在ANSYS后處理結果列表中查找出防撞梁上位移量變化最大的點為節點427，其x方向上的位移隨時間的變化曲線如圖4所示．在碰撞初期，節點427的位移量與時間呈線性關系，變形速度很快，接近于彈性變形；在碰撞發生大約40 ms后，變形速度減慢．該節點在x方向上最大的位移量約為74．5 mm，低于普遍認為的保險杠與車體間的安全距離100 mm，因此不會對車體結構造成損傷，該保險杠的耐撞性能較好．

2．2 板厚為1．2 mm和1．5 mm時的模擬結果

圖5所示為防撞梁中間節點（427）的位移與時間關系曲線圖，圖6所示為不同壁厚保險杠鋼板結構時

從圖5－圖7可以看出：鋼板厚度為1．2 mm時，保險杠的變形最劇烈，位移最大，在碰撞結束時（150 ms）達到108．5 mm（遠遠大于防撞梁與車體安全間距100 mm）．顯然，選擇1．2 mm厚度鋼板時，其耐撞性較差，滿足不了法規要求，會對車身結構造成損傷；選擇2 mm厚度鋼板時，防撞梁的最大位移遠低于安全間距，可以滿足保險杠低速碰撞法規要求；選擇1．5 mm厚度鋼板時，防撞梁碰撞結束時（116 ms）的最大位移為90 mm，滿足法規要求，不會對車體結構及乘員造成傷害．

3 結 語

不同板厚防撞梁的模擬碰撞結束時間和最大位移均隨板厚的增加而減少，板厚為1．2 mm、1．5 mm和2 mm時，碰撞位移分別為108．5 mm、90 mm 和74．5 mm；除1．2 mm板厚外的其他2種板厚均滿足碰撞安全性要求，而且1．5 mm板厚的防撞梁設計最接近安全設計容限．因此，對此款轎車的后防撞梁最小板厚推薦為1．5 mm．擺錘體的速度與時間關系曲線圖，圖7所示為擺錘體的加速度與時間關系曲線圖．

［1］周煒，張天俠，崔海濤．汽車追尾碰撞有限元仿真的研究［D］／／．第三屆中國CAE工程分析技術年會論文集．大連：中國力學學會，2007：472－479．

［2］楊艷慶，田晉躍．汽車追尾碰撞保險杠結構的力學特性［J］．現代交通技術，2009，6（5）：74－76．

［3］于英華，郎國軍．基于LS－DYNA的汽車保險杠碰撞仿真研究［J］．計算機仿真，2007，24（12）：235－238．

［4］張金虎．汽車保險杠碰撞仿真研究［D］．武漢：武漢理工大學，2009：8－11．

［5］吳勝軍．基于 ANSYS的汽車保險杠碰撞的數值模擬［J］．拖拉機與農用運輸車，2008，35（4）：18－20．

［6］楊永生．汽車保險杠系統低速碰撞性能研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009：37－38．

［7］栗蔭帥．車輛薄壁結構碰撞吸能特性分析與改進［D］．大連：大連理工大學，2007：11－12．

［8］劉少華．基于LS－DYNA的轎車保險杠耐撞性研究［D］．吉林：吉林大學，2008：40－42．

Crashworthiness Simulation Analysis of the Rear－end Rubbing Beam with Different Thickness in Low Velocities

ZHANG Jing，ZHANG San－chuan，MAO Jie
（Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

The ANSYS／LS－DYNA software was used to simulate crashworthiness test of the rear－end rubbing beam （with three kinds of thickness of 1．2 mm，1．5 mm and 2 mm）of certain car in low velocities，in order to analyse its dynamic response properties．The results show that when the crashworthiness is finished，their maximum displacement respectively come up to 108．5 mm，90 mm and 74．5 mm．Under the safety and lightweight design requirements are synthetically considered，1．5 mm thickness is recommended．minimum thickness of the rear－end rubbing beam of this car．

rear－end rubbing beam；crashworthiness simulation analysis；thickness；LS－DYNA

TG386．3

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2011．02．013

1671－6906（2011）01－0047－04

2011－01－07

張 靜（1986－），女，河南濟源人，碩士生．