汽車后防護裝置有限元強度分析研究

劉勺華，房 亞,路紀雷，陳 龍

(1.常州機電職業技術學院 車輛工程系，江蘇 常州 213164；2.南京徐工汽車技術中心，江蘇 南京 210012； 3.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

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汽車后防護裝置有限元強度分析研究

劉勺華1，房 亞1,路紀雷2，陳 龍3

(1.常州機電職業技術學院 車輛工程系，江蘇 常州 213164；2.南京徐工汽車技術中心，江蘇 南京 210012； 3.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

根據國家法規GB11567.2—2001，針對國內重型車輛常用后防護裝置的強度設計靜態加載試驗，利用CATIA軟件建立其后防護裝置三維模型，通過專業有限元軟件HyperMesh及ANSYS對該裝置進行強度計算，采用不同加載方式對后防護裝置的靜強度對比分析,提出了新的后防護裝置改進設計方案,對結構設計改進和提高被動碰撞時乘員安全保護作用具有實際工程指導意義。

車輛工程；后防護裝置；有限元；強度分析

隨著我國汽車工業的高速發展，汽車保有量呈現指數形式的增長。汽車走進千家萬戶，成為居民出行的首選。但在汽車數量急劇增長的同時，人們也逐漸認識到汽車所帶來的負面影響，我國每年因交通事故死亡的人數逐年上升，汽車安全問題成為無法規避的現實。汽車的后下部防護是汽車被動安全的一個重要指標，它是指專門的后下部防護裝置或者依靠自身的外形與特性能夠具有后下部防護裝置功能的車輛的車體、車架部件或其他部件。通常是有橫梁組成的安裝或連接在車架邊梁或車輛其他結構上。GB11567.2—2001《汽車和掛車后下部防護要求》(以下簡稱《要求》)對汽車的后防護距離地面的高度及強度做了強制性要求[1-2]。

筆者以國內重型車輛常用的后防護裝置為研究對象，借助CAE分析手段對該裝置進行分析、改進，使其強度達到法規要求。通過多種結構方案的對比分析，提出了能夠滿足國家法規要求的較佳設計方案，為設計改進提供了重要參考依據。強度分析結果表明，利用CAE軟件進行汽車碰撞研究可以改善結構設計，提高汽車的被動安全性能，從而縮短開發周期，降低開發費用，提高市場競爭力。

1 靜態加載試驗

《要求》針對后防護裝置的強度設計了一個靜態加載試驗。

1.1 車輛試驗條件

1)車輛應處于空載狀態，固定在水平、平坦、剛性、平滑的平面上。

2)前輪處于直線行駛位置。

3)輪胎應充氣到車輛制造商所推薦的壓力。

4)為了達到加載方式(兩點加載100 kN，三點加載25 kN)所規定的試驗力，應按照車輛制造商指定的方法制動車輛。

5)裝備有液壓氣動、液壓或氣壓懸架或根據負載自動平衡的裝置的車輛應處于車輛制造商規定的正常運行狀態下。

1.2 試驗程序

1.2.1 加載點的位置

在后下部防護裝置橫梁結構的中心平面上截取5個載荷作用點，編號從1～5，如圖1。5個載荷作用點位于同一水平面上，并且其離地面的高度為：對于后下部防護裝置的狀態可以調節的車輛，加載點的中心距離地面的高度不能超過500 mm；對于后下部防護裝置的狀態不能調節的車輛，加載點的中心距離地面的高度不能超過600 mm。

圖1 加載點位置示意Fig.1 Load point location

1.2.2 加載方式

加載試驗有兩點加載和三點加載之分，兩點加載時在橫梁中間點往外各350～500 mm之間的兩點(即點2和點4)加載荷大小為100 kN靜態力；三點加載時以載荷大小為25 kN的靜態力持續作用于圖1中左側作用點(點1)或右側作用點(點5)上，然后持續作用在車輛縱向中心平面上的加載點(點3)。

2 后防護裝置有限元模型的建立

筆者所討論的后防護裝置分析流程為：在CATIA中建立后防護裝置的3D模型，將其導入到專業前處理軟件HyperMesh中進行幾何清理、網格劃分、部件連接等工作，最后將有限元模型導入到ANSYS中進行計算[3-4]。

2.1 3D裝配模型的建立

如圖2為常用后防護裝置CATIA裝配模型。它由左右支撐總成、左右加強板、槽型橫梁組成。左右支撐總成通過鉚釘鉚接在車架縱梁上、左右加強板與槽型橫梁以及加強板與左右支撐總成均通過螺栓連接。

圖2 后防護裝置裝配模型Fig.2 Rear defend device assembly model

2.2 網格的劃分

將三維實體模型導入有限元前處理軟件HyperMesh中。由于該結構厚度遠小于其他方向的尺寸，為縮小計算規模，決定采用殼單元進行分析。對各個部件抽取中面后劃分2D網格。

2.3 有限元模型的連接方法

在對每個零件劃分網格之后，按照實際裝配情況對有限元模型進行連接。軟件HyperMesh提供了多種連接方式，如螺栓連接、焊接等。螺栓連接是通過剛性單元與彈性梁單元的組合完成的，連接示意如圖3。值得注意的是，采用這種方法后，孔邊緣的節點自由度完全被限制，與實際變形情況不符，因此計算后此處應力不予評價。根據圣維南原理，去除孔周邊單元后其他單元的應力值是可信的。經過網格剖分，連接處理后可以得到完整的后防護裝置有限元模型，如圖4。

圖3 螺栓連接示意Fig.3 Bolt connection diagram

圖4 后防護裝置有限元模型Fig.4 Rear defend device finite element model figure

此總成共有9個零部件，模型全部采用殼單元，單元數135 954。前處理完后，要按法規要求施加約束及載荷，對于兩點加載方式，有限元模擬的處理方式是：左右支架與車輛螺栓連接孔固定，限制全部6個自由度，在點2和點4加載板上各施加100 kN的靜態力；對于三點加載方式，先后將25kN的靜態載荷加載到點1、點5、點3加載板上。因點1與點5對稱，因此對于三點加載方式，筆者只討論加載點1和點3時的受力情況。加載板是一塊長130 mm、高140 mm、厚度為10 mm的厚平板。

3 強度分析及改進

將前處理好的有限元模型導入ANSYS中進行求解計算。得到圖5的兩點加載方式及三點加載方式中加載點1、點3加載板下的后防護裝置應力云圖[5-7]。

圖5 加載時原結構應力云圖Fig.5 Original structure of loading stress

由圖5可以看出，在三種加載方式下，該后防護裝置的最大應力值分別達到647，550，238 MPa。而此結構的材料屈服強度為355 MPa，前兩種加載方式下已超過最大屈服強度，此結構會發生永久變形，不利于行車安全。因此，采取一定措施加強此結構變得非常迫切。

根據材料力學原理，要改善應力較大區域的應力值有兩個基本方法：①在不能改變外部受力的情況下增大應力值較大區域的截面尺寸；②通過添加支撐或連接等方式減小傳遞到材料薄弱區的外力；③減少結構中出現材料不連續的概率，過渡區要光滑平順，避免出現應力集中甚至是奇異現象。

考慮成本問題，對該裝置進行改進的條件是不重新開模，即維持原結構部件的外形，只是通過增加截面尺寸，在變形較大區域添加肋板的方法進行改進。根據原結構三種加載方式下應力云圖，經過多次計算，決定采用如下措施以減小該結構的應力值[8-9]：

1)在離地高度允許的前提下將槽型橫梁上移25 mm。

2)槽型橫梁加厚1 mm，并且在彎角處焊接幾個厚度為3 mm的加強筋(圖6)。

圖6 加強筋位置示意Fig.6 Stiffener location

修改模型后新裝置三種加載方式下應力云圖見圖7。從圖7可以看到，改進后整個裝置的最大應力值均有不同幅度的降低，具體改進幅度見表1。

圖7 加載時改進結構應力云圖Fig.7 Improvement of loading structural stress

加載方式改進前/MPa改進后/MPa改善程度/%兩點加載64734047.41號板加載55028049.13號板加載23820016.0

5 結 論

筆者利用CATIA建立起重型車輛后防護裝置的三維模型，并利用HyperMesh建立了該裝置的有限元模型，按照相關法規要求進行了三種加載方式下后防護裝置的靜強度計算。由于此后防護裝置達不到法規所規定的強度要求，因此針對應力較大區域提出了改進措施，并對改進后的裝置進行了計算。對比改進前該裝置的最大應力，改進后的裝置應力大大降低，滿足了法規的要求。

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Finite Element Strength Analysis of Automotive Rear Defend Device

Liu Shaohua1, Fang Ya1, Lu Jilei2, Chen Long3

(1. School of Automobile Engineering, Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, Jiangsu, China; 2. Nanjing Automobile Manufacturing Co. Ltd. Xugong, Nanjing 210012, Jiangsu, China; 3. School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

Based on the national statute GB11567.2—2001, the static loading test was designed based on the strength of a prevalent rear defend device. CATIA software was used to create a 3D model of the automotive rear defend device. Through the HyperMesh and ANSYS software the strength of this device was calculated. The comparative analysis of static strength was done with different loading methods. Thus a new improved design of defend device was proposed, which has practical engineering significance for enhancing the structural design and of the protective effect of passive collision occupant safety.

vehicle engineering;rear defend device; finite element; strength analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.29

2013-03-26；

2013-04-26

國家自然科學基金項目(50905078)

劉勺華(1982—)，男，山東臨沂人，講師，碩士，主要從事車輛動態性能模擬與控制方面的研究。E-mail：yantailiushaohua@163.com 。

TP391.9

A

1674-0696(2015)02-137-04