RCAR試驗(yàn)用可變形壁障的有限元數(shù)值模擬

王立振，陳昆山，洪 亮

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

RCAR試驗(yàn)用可變形壁障的有限元數(shù)值模擬

王立振，陳昆山，洪 亮

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

以RCAR保險(xiǎn)杠試驗(yàn)最新法規(guī)要求為依據(jù)，構(gòu)建了試驗(yàn)裝置的可變形吸能壁障三維幾何模型，經(jīng)HYPERMESH劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入ANSYS環(huán)境中，對(duì)可變形吸能壁障進(jìn)行了垂直和偏心加載兩種狀態(tài)的準(zhǔn)靜態(tài)性能數(shù)值模擬。分析結(jié)果表明:兩種加載方式下，吸能塊的變形合理，其載荷位移曲線均位于法規(guī)要求的區(qū)間，表明所建有限元模型符合該法規(guī)試驗(yàn)要求，可用于后續(xù)開展RCAR保險(xiǎn)杠虛擬試驗(yàn)平臺(tái)研究。

RCAR;可變形壁障;有限元模型;仿真

隨著汽車保有量的增加，交通事故相應(yīng)增多，行人安全越來越成為各種社會(huì)問題的焦點(diǎn)。汽車保險(xiǎn)杠是交通事故發(fā)生時(shí)汽車保護(hù)乘員安全的第一道屏障，也是發(fā)生碰撞時(shí)降低行人生理損傷的重要緩沖裝置。發(fā)生非致命的低速碰撞時(shí)，設(shè)計(jì)性能良好的保險(xiǎn)杠不僅要最大程度保護(hù)車內(nèi)乘員以及被撞行人的安全，而且應(yīng)將車輛前后端易損部件的損壞降至最低。

汽車維修研究協(xié)會(huì)RCAR是一個(gè)通過減少汽車損傷性，改進(jìn)汽車維修性，提高汽車安全性，增加汽車可靠性，致力于降低保險(xiǎn)費(fèi)率的國際組織［1］。所制定的低速碰撞規(guī)程是對(duì)汽車進(jìn)行損害及可維修性評(píng)估的重要評(píng)價(jià)方法，已為歐盟國家普遍接受，也被許多汽車制造企業(yè)采用進(jìn)行指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

2010年9月RCAR發(fā)布了最新版保險(xiǎn)杠試驗(yàn)規(guī)程［2］，該試驗(yàn)方法考慮了碰撞時(shí)的鉆撞和騎撞情況。碰撞裝置如圖1，可變形碰撞壁障由一個(gè)鋼質(zhì)壁障體，一個(gè)可變形吸能塊，一個(gè)塑料罩板和一個(gè)擋板裝置組成，可以更加真實(shí)的模擬實(shí)際的車輛保險(xiǎn)杠。

圖1 碰撞試驗(yàn)Fig.1 Collision test

實(shí)際進(jìn)行保險(xiǎn)杠低速碰撞時(shí)，采用可變形吸能壁障模擬受撞汽車的保險(xiǎn)杠總成。筆者通過計(jì)算機(jī)仿真的有限元方法進(jìn)行虛擬試驗(yàn)研究，以節(jié)省大量的人力、物力和財(cái)力，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。開發(fā)出符合法規(guī)要求的可變形壁障仿真模型，對(duì)于開展汽車低速碰撞的計(jì)算機(jī)仿真研究具有重要意義。

1 可變形壁障的結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)要求

圖2為新型壁障實(shí)物圖，其主體是一個(gè)碳鋼材料的剛性結(jié)構(gòu)，全寬為(1 500±25)mm。前部是一個(gè)半徑為(3 400±25)mm的弧狀結(jié)構(gòu)，高度為(100±2)mm。壁障體中心的深度需大于230 mm，安裝在一個(gè)高度可調(diào)不可變形的固定撞擊墻上。壁障體的兩端需分別設(shè)一半徑為25.4 mm的倒角。為防止車輛碰撞時(shí)發(fā)生騎撞和鉆撞現(xiàn)象，該壁障上部還設(shè)有一個(gè)擋板，由不低于8 mm厚度的鋼板做成，半徑和寬度與壁障體尺寸相同，安置在壁障體豎直表面的后方(25±1)mm處。擋板下表面與壁障體上表面之間需預(yù)留一個(gè)不大于10 mm的間隙，以保證吸能塊罩板滑動(dòng)時(shí)不受損壞。擋板兩端也相應(yīng)分別設(shè)有半徑為25.4 mm的倒角。

圖2 可變形吸能壁障Fig.2 Deformable energy absorber

可變形吸能塊所用材料沒有特別指定，可以使用鋁蜂窩、鋁蛋箱或者熱塑料。法規(guī)規(guī)定，緩沖吸能塊沒有必要必須是一整體，只要其尺寸、吸能曲線、表面硬度以及摩擦系數(shù)在指定的范圍即可。當(dāng)前的主流設(shè)計(jì)緩沖吸能塊前部還裝有一個(gè)單獨(dú)的罩板。吸能塊長(zhǎng)度需和壁障的長(zhǎng)度一致，寬3 400 mm，深50 mm，橫截面的上下表面成一半徑為(150±2)mm的弧度。

1.2 性能要求

緩沖吸能塊變形特性由撞擊過程中載荷-變形曲線來描述，它反映了吸能塊的變形剛度。驗(yàn)證方法分為兩部分，垂直加載和偏心加載。載荷-變形曲線應(yīng)滿足一定的條件，法規(guī)要求吸能塊的載荷-變形曲線應(yīng)分別介于由圖3相應(yīng)上下限組成的帶狀范圍內(nèi)。

圖3 吸能塊載荷變形區(qū)間Fig.3 Energy absorber force deflection corridors

垂直加載試驗(yàn)裝置為一個(gè)長(zhǎng)度160 mm，寬度足以覆蓋整個(gè)吸能塊高度的碳鋼材料矩形塊。偏心加載試驗(yàn)裝置則要求加載方塊長(zhǎng)度為160 mm，寬度可覆蓋吸能塊高度的1/2，而且需能在加載時(shí)繞接觸面旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)如圖4。

2 可變形壁障的有限元模型

2.1 三維模型的構(gòu)建

在有限元分析過程中，模型的準(zhǔn)確性和合理簡(jiǎn)化具有極其重要的意義。模型的準(zhǔn)確性直接決定分析的有效性，而模型的合理簡(jiǎn)化則能降低模型的復(fù)雜程度，節(jié)省建模和運(yùn)算的時(shí)間［3］。合理的模型簡(jiǎn)化對(duì)仿真結(jié)果影響甚微。

為保證有限元分析時(shí)具有適當(dāng)?shù)挠?jì)算精度和較高的計(jì)算效率，在建模前要對(duì)模型的組成部件進(jìn)行分析、篩選和簡(jiǎn)化。對(duì)于那些基本不影響分析結(jié)果和影響不大的部件，可以進(jìn)行簡(jiǎn)化。如某些構(gòu)件的小孔、倒角、退刀槽等，往往會(huì)增加三維模型的復(fù)雜度，也會(huì)給后面的有限元建模帶來麻煩，在劃分有限元網(wǎng)格時(shí)，一些小的線倒角和面倒角往往會(huì)導(dǎo)致單元質(zhì)量不合格。而且這些細(xì)節(jié)有時(shí)可以加強(qiáng)或者減弱結(jié)構(gòu)的局部剛度，尤其是在碰撞區(qū)和塑性變形區(qū)。這種剛度變化會(huì)干擾載荷以及變形的傳遞路徑，進(jìn)而影響整體結(jié)構(gòu)的變形［4］。在建模前應(yīng)認(rèn)真分析這些細(xì)節(jié)，將不必要的細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化掉。

文中壁障體采用實(shí)體結(jié)構(gòu)，將吸能塊表面的溝槽等簡(jiǎn)化為平滑圓弧面，從而將有限元分析類型定義為材料非線性問題。在CATIA軟件中建立三維模型如圖 5［5-6］。

圖5 新型壁障三維模型Fig.5 Three-dimensional model of the new barrier

2.2 有限元模型的構(gòu)建

將建立的三維實(shí)體模型導(dǎo)入HYPERMESH軟件中進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分。其中吸能塊，壁障體和擋板采用solid實(shí)體單元，抽取中面后的吸能塊罩板采用殼單元。各部分共4 443個(gè)單元，6 238個(gè)節(jié)點(diǎn)。所建網(wǎng)格模型及各部分劃分單元及節(jié)點(diǎn)情況見表1及圖6。

表1 壁障各部分單元及節(jié)點(diǎn)數(shù)目Table 1 Elements and nodes numbers of the barrier parts

圖6HYPERMESH環(huán)境下的網(wǎng)格模型Fig.6 Meshed model in HYPERMESH

鑒于碰撞時(shí)的能量主要由緩沖吸能塊吸收，同時(shí)為簡(jiǎn)化仿真過程，減少仿真計(jì)算時(shí)間，壁障上部的擋板以及緩沖吸能塊前部罩板未予導(dǎo)進(jìn)ANSYS。根據(jù)法規(guī)中對(duì)緩沖吸能塊的試驗(yàn)要求(圖3)，在ANSYS中，完成建立加載方塊的有限元模型。文中緩沖吸能塊采用蜂窩鋁材料，密度為400 kg/m3，楊氏模量為 100 MPa，泊松比為 0.3［7-8］;加載小塊與壁障體采用碳鋼材料，其密度為7 850 kg/m3，楊氏模量 210 GPa，泊松比為 0.3。

約束壁障體部分的6個(gè)自由度，對(duì)矩形加載塊施加7.5 mm/s的恒定速度，建立垂直加載有限元模型(圖7)。圖中，加載方塊共劃分為27個(gè)網(wǎng)格，形成64個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖7 ANSYS環(huán)境下的有限元模型Fig.7 Finite element model in ANSYS

3 可變性壁障模型的驗(yàn)證

為檢驗(yàn)所建模型的正確性，下面對(duì)兩種工況進(jìn)行驗(yàn)證。法規(guī)要求在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行剛性方塊壓向吸能塊的準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)加載速度為450 mm/min。

3.1 垂直加載

根據(jù)試驗(yàn)要求，約束壁障體的所有自由度，定義吸能塊和加載方塊之間采用面-面接觸，生成Contact 174接觸對(duì)，在吸能塊上施加7.5 mm/s的載荷，定義求解的加載形式為靜態(tài)，載荷子步300，定義輸出控制，設(shè)定求解時(shí)間為6 s，在solution求解器中進(jìn)行計(jì)算。

求解完畢，進(jìn)入通用后處理器查看求解結(jié)果，分別取t=0，3，6 s的模型結(jié)構(gòu)變形圖與位移等值線圖進(jìn)行分析。3個(gè)子步的仿真結(jié)果見圖8和圖9。

圖8 模型結(jié)構(gòu)變形Fig.8 Deformed shape of the model

圖9 模型的位移等值線Fig.9 Displacement contour of the model

取節(jié)點(diǎn)3 368的載荷位移曲線進(jìn)行分析并與法規(guī)要求圖3(a)進(jìn)行對(duì)比，如圖10。可見，所得結(jié)果可較好地處于上下限之間的帶狀區(qū)域。

圖10 模型的垂直載荷-位移曲線Fig.10 Load-displacement of the model-perpendicular loading

3.2 偏心加載

根據(jù)試驗(yàn)要求，通過對(duì)160 mm×50 mm×60 mm的方塊施加7.5 mm/s的載荷，定義求解的加載形式為靜態(tài)，載荷子步300，定義輸出控制，設(shè)定求解時(shí)間為6 s，在solution求解器中進(jìn)行計(jì)算，得到該工況t=0，3，6 s時(shí)模型結(jié)構(gòu)變形圖與位移等值線圖，見圖11和圖12。

圖11 模型結(jié)構(gòu)變形Fig.11 Deformed shape of the model

圖12 模型的位移等值線Fig.12 Displacement contour of the model

取節(jié)點(diǎn)3 362的載荷位移曲線進(jìn)行分析并與法規(guī)要求圖3(b)進(jìn)行對(duì)比，如圖13。可見，所得曲線位于上下限組成的帶狀區(qū)域內(nèi)，趨勢(shì)良好，符合規(guī)程試驗(yàn)要求。

圖13 模型的偏心載荷-位移曲線Fig.13 Load-displacement of the model-eccentric loading

4 結(jié)論

可變形吸能壁障是RCAR低速碰撞試驗(yàn)的重要裝置，其三維模型及有限元模型的合理構(gòu)建是開展有限元仿真的必要前提。通過仿真得到了可變形緩沖吸能塊的載荷-變形曲線，經(jīng)對(duì)比都位于RCAR法規(guī)要求的約束范圍內(nèi)，證明建立的可變形壁障模型是正確的，可用于汽車保險(xiǎn)杠低速碰撞過程的計(jì)算機(jī)模擬仿真，同時(shí)，可為RCAR低速碰撞的虛擬試驗(yàn)提供參考。

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Finite Element Numerical Simulation of Deformable Barrier in RCAR Test

Wang Lizhen，Chen Kunshan，Hong Liang
(College of Automotive＆ Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu，China)

According to the latest RCAR Bumper Test，a three-dimensional geometric model of the barrier was built.The 3-D model was meshed in HYPERMESH and then imported to ANSYS.The performance quasi-static test of the model under perpendicular loading and eccentric loading was simulated in ANSYS.The results show that the model deforms reasonablely under both loading conditions，and the forces and deflections fall within the corridors required in the regulation.The built finite element model can meet the requirements in the test，and can be used in the following research of bumper virtual experimental platform.

research council for automobile repairs(RCAR);deformable barrier;finite element model;simulation

U467.1

A

1674-0696(2012)04-0857-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.29

2011-09-30;

2012-04-07

王立振(1984—)，男，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事汽車碰撞有限元分析方面的研究。E-mail:lizhen20052005@126.com。