基于Ls-Dyna的鋁合金保險(xiǎn)杠碰撞仿真分析*

魏顯坤，鄧長(zhǎng)勇，曹建國(guó)，邢 峰，夏 銘

(1.重慶工商職業(yè)學(xué)院，重慶 401520;2.重慶廣播電視大學(xué)，重慶 401520;3.重慶安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，重慶 400050)

1 引言

汽車前保險(xiǎn)杠位于汽車最前部，是前部或追尾碰撞事故中首先接觸的部件，在減小碰撞事故中對(duì)行人的傷害，降低低速碰撞事故對(duì)車輛的損壞方面起著重要作用［1］。保險(xiǎn)杠橫梁的主要作用是將碰撞中產(chǎn)生的能量均勻地傳遞給吸能盒，同時(shí)防止內(nèi)侵量過(guò)大造成發(fā)動(dòng)機(jī)前部件的損壞;吸能盒的作用是通過(guò)吸能盒的壓潰變形將碰撞中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，吸收能量，并將由前橫梁傳遞來(lái)的碰撞力均勻地傳遞到車身兩前縱梁骨架上。對(duì)保險(xiǎn)杠吸能盒在碰撞過(guò)程中的吸能特性和變形規(guī)律進(jìn)行分析，提高吸能盒的吸能性能，對(duì)于提高車輛的被動(dòng)安全性、實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)杠的輕量化設(shè)計(jì)具有重要意義。基于有限元分析軟件Hypermesh和LS-DYNA，對(duì)汽車保險(xiǎn)杠的碰撞過(guò)程吸能特性進(jìn)行了仿真分析。

2 建立鋁合金保險(xiǎn)杠有限元模型

碰撞仿真模擬分析過(guò)程分三步:前處理、提交求解、后處理。第一步:前處理，用CATIA建模，以IGES格式導(dǎo)入Hypermesh進(jìn)行幾何清理、網(wǎng)格劃分、單元檢查、賦材料參數(shù)、定義屬性、施加載荷及約束等邊界條件，設(shè)置關(guān)鍵字時(shí)間步長(zhǎng)、輸出等控制卡片，以后綴*K文件格式保存。第二步將K文件提交求解器DYNA運(yùn)算求解。第三步，用后處理模塊Hyperview查看計(jì)算結(jié)果能量、速度、加速度、位移、應(yīng)力應(yīng)變等。

建立鋁合金保險(xiǎn)杠幾何模型，在Hypermesh中以單元目標(biāo)尺寸為4 mm劃分網(wǎng)格，模型共有27 820個(gè)單元，28 032個(gè)節(jié)點(diǎn)，三角形單元占0.2%，網(wǎng)格質(zhì)量很好［2］。橫梁和吸能盒、吸能盒與連接板之間用RIGID連接。鋁合金保險(xiǎn)杠有限元模型及應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1、2所示。

圖1 鋁合金保險(xiǎn)杠有限元模型

圖2 6101鋁合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 材料參數(shù)和屬性設(shè)置

3 鋁合金保險(xiǎn)杠碰撞仿真模擬分析

將吸能盒與縱梁的連接的螺栓孔周圍的nodes放在一個(gè)SET里，用ANSYS里的interface講這些點(diǎn)約束到剛性壁障上，剛性壁障上的單元用MAT20號(hào)剛性單元，并約束全部自由度。將臺(tái)車所有節(jié)點(diǎn)放在1個(gè)SET里，對(duì)這個(gè)SET賦予1個(gè)速度值，表示臺(tái)車的速度，也可以把臺(tái)車放在1個(gè)BOX中，對(duì)BOX定義1個(gè)速度［3-5］。設(shè)置臺(tái)車質(zhì)量為1 400 kg，臺(tái)車速度設(shè)置為32 km/h，即8.889 m/s，100%正碰，保險(xiǎn)杠可以完全壓潰。設(shè)置總的時(shí)間為40 ms。鋁制保險(xiǎn)杠100%正碰仿真有限元模型如圖3所示。

圖3 鋁制保險(xiǎn)杠100%正碰仿真有限元模型

碰撞過(guò)程能量變化如圖4所示，總能量守恒，動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，動(dòng)能逐漸減小，內(nèi)能逐漸增加，沙漏能和滑移截面能很小，均小于5%，碰撞仿真結(jié)果可靠。

圖4 碰撞過(guò)程能量變化曲線

保險(xiǎn)杠碰撞變形過(guò)程如圖5所示，從圖中可以看出10 ms以前，主要是保險(xiǎn)杠橫梁變形，吸能盒基本沒(méi)變形。10 ms以后，吸能盒逐漸壓潰。

圖5 鋁合金保險(xiǎn)杠碰撞過(guò)程的變形

碰撞過(guò)程接觸力曲線如圖6所示，從圖中可以看出碰撞過(guò)程作用力與反作用力大小相等，方向相反，兩曲線以x軸對(duì)稱。

圖6 碰撞過(guò)程接觸力曲線

保險(xiǎn)杠各個(gè)部分的吸能量如圖7所示，從圖中可以看出，前11 ms吸能盒吸能量很小，保險(xiǎn)杠總吸能量曲線和橫梁內(nèi)能變化曲線重合，表示前11 ms保險(xiǎn)杠吸能主要是橫梁吸能。11 ms之后接觸力也顯著增大，從保險(xiǎn)杠壓潰變形圖也可以看出，吸能盒逐漸開(kāi)始潰縮，吸能盒內(nèi)能和橫梁的內(nèi)能均逐漸增大。

圖7 碰撞過(guò)程保險(xiǎn)杠各部分吸能量曲線

從接觸力曲線可以看到20 ms以后，接觸力徒增，表示保險(xiǎn)杠基本完全壓潰，計(jì)算能量時(shí)，取20 ms時(shí)的內(nèi)能為結(jié)構(gòu)的吸能量。

從表2中可以看出，吸能盒的質(zhì)量占保險(xiǎn)杠總質(zhì)量的13.8%，吸能量占保險(xiǎn)杠總吸能的45.2%。橫梁的質(zhì)量占保險(xiǎn)杠總質(zhì)量的78.3%，吸能量占保險(xiǎn)杠總吸能的54.1%。吸能盒的比吸能最高，增大吸能盒的吸能量可顯著提高保險(xiǎn)杠的比吸能。

表2 6101鋁合金保險(xiǎn)杠各部分吸能特性表

4 結(jié)語(yǔ)

用有限元仿真分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞模擬分析，可以大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低試驗(yàn)成本。本文在前處理軟件HYPERMESH中建立保險(xiǎn)杠有限元模型，然后用顯示有限元軟件LS-DYNA進(jìn)行碰撞仿真分析，結(jié)果表明:保險(xiǎn)杠吸能特性較好;吸能盒的比吸能最高，增大吸能盒的吸能量可顯著提高保險(xiǎn)杠的比吸能。

［1］ 米 林，魏顯坤.鋁合金保險(xiǎn)杠吸能盒碰撞吸能特性［J］.西華大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(6):1-7.

［2］ 張勝蘭，鄭冬黎，郝 琪，等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］ 胡遠(yuǎn)志，曾必強(qiáng).基于LS-DYNA和HyperWorks的汽車安全仿真與分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2012.

［4］ 趙海鷗.LS-DYNA動(dòng)力分析指南［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，2003.

［5］ 白金澤.LS-DYNA3D理論基礎(chǔ)與實(shí)例分析［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.