碳纖維材料保險杠耐撞性分析及輕量化

蘇尚彬， 焦學健， 薛遠水， 劉金釗

( 山東理工大學 交通與車輛工程學院, 山東 淄博 255049 )

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碳纖維材料保險杠耐撞性分析及輕量化

蘇尚彬， 焦學健， 薛遠水， 劉金釗

( 山東理工大學 交通與車輛工程學院, 山東 淄博 255049 )

摘要：以一款轎車前保險杠為研究對象，以LS-DYNA軟件為仿真平臺，通過低速碰撞仿真分析找出其耐撞性能的不足，結合碳纖維材料及鋁合金材料的使用，設計了一款新式前保險杠，并對新保險杠的吸能盒吸能水平及防撞梁的鋪層形式進行了研究.經過碰撞仿真分析，新保險杠的吸能水平、加速度值及碰撞時間均得到了明顯優化，并且重量下降了38.8%.

關鍵詞：保險杠；碳纖維材料；耐撞性；輕量化；碰撞仿真

隨著我國汽車保有量的逐年增長，由汽車碰撞導致的交通事故日益成為了人們面對的嚴峻問題.在發生交通事故時，汽車的被動安全性尤其是正面碰撞的安全性起到了至關重要的作用，對這一領域的研究一直是汽車行業關注的重點[1].

汽車前保險杠在各類正面碰撞中能夠起到抵抗沖擊、吸收和傳遞撞擊力的作用，將加速度控制在合理范圍內。車輛使用中低速碰撞現象發生較多，對保險扛低速碰撞下耐撞性能的研究是提高汽車被動安全性的重要內容[2-3].隨著現代汽車“安全、節能、環?！币蟮陌l展，許多新材料和新結構不斷地應用到汽車部件的制造中，不但使得各部件的性能得到了大幅提升，還進一步提高了汽車的輕量化水平.因此，將一款汽車前保險杠作為研究對象，使用輕質材料針對性地開展耐撞性優化和輕量化工作是非常有必要的[4].

1 原保險杠碰撞仿真分析

原保險杠是一款一體式鋼制保險杠.它的有限元模型是通過將其CAD模型導入VPG軟件中進行網格劃分得到的.與模型的整體尺寸相比，保險杠厚度尺寸較小(1.6mm)，故采用SHELL單元進行網格劃分，并盡量使用四邊形單元.作為碰撞過程中的研究對象，保險杠的變形形式以及速度、加速度大小等動力響應特性均與網格有著密切聯系，因此網格尺寸應適當細化，控制在8～10mm.

原保險杠的材料為Q345，彈性模量2.0×105 MPa，泊松比0.3，密度7.85×10-9mm3，抗拉強度510～610MPa，屈服強度：355MPa.其應力-應變曲線如圖1所示.

圖1　Q345材料應力-應變曲線

擺錘模型依照FMVSS581標準建立，錘體正中對準保險杠中心，材料類型定義為20號剛體材料，網格尺寸控制在20mm左右.在保險杠和擺錘兩個PART之間定義為AutomaticSurfacetoSurface接觸[5].初始時刻賦予了擺錘4km/h的速度.建立完成的原保險杠碰撞有限元模型如圖2所示.

圖2 原保險杠碰撞有限元模型

在VPG當中生成模型的K文件，將K文件提交LS-DYNA計算后，得到原保險杠碰撞的計算結果見表1.

表1 原保險杠碰撞仿真結果

在碰撞過程中，保險杠前部凸出部分首先與擺錘刃口相接觸，并開始變形.隨著擺錘的前進，受撞擊力的作用，保險杠的中部逐漸向后彎折，發生塑性變形；同時，整個保險杠前凸部分也產生了向內側的變形，如圖3所示.在整個碰撞過程中，最大等效應力為591MPa，出現在保險杠變形最大的時刻(第34.5ms)，位置集中在保險杠中部區域以及前凸部分的兩側區域，這兩個區域受拉應力作用，變形非常明顯，如圖4所示.

圖3 原保險杠在碰撞過程中產生的塑性變形

圖4 原保險杠變形最大時刻的等效應力分布

通過分析碰撞過程可以發現，原保險杠的前凸部分及上下兩側的肋板結構通過塑性變形抵御了擺錘的撞擊，并吸收了撞擊能量，但這種結構的缺點在于抵抗撞擊的程度十分有限.由于前凸部分的長度過短，僅為570mm，一旦撞擊力過大或者施加方向與保險杠正中存在一定角度，就很難繼續提供有效的抵擋作用，必將使很大一部分撞擊力未經消減，直接傳遞到縱梁和座艙。另一方面，由于缺少吸能裝置，保險杠在碰撞過程中產生的加速度值過大、碰撞時間較短，極易造成乘員和汽車的損傷；此外，在碰撞發生后，保險杠也會由于塑性變形過大甚至失效而難以修復.因此，原保險杠的耐撞性能存在許多不足，需要進行改進.

2新式保險杠模型的建立

針對原保險杠的不足，設計了一款新式保險杠結構，并通過碳纖維材料和鋁合金的使用，使得部件質量顯著下降.

考慮到保險杠低抗沖擊和吸收能量的兩個基本作用，新式保險杠由防撞梁和吸能盒兩部分組成.為了方便安裝，新式保險杠的長度、前后寬度、杠體高度以及縱梁連接處的平面尺寸均與原部件一致.防撞梁采用雙層前凸板式結構，兩板之間由四組肋板相連接；后端的平面使用粘接方式與吸能盒相連.吸能盒采用折紋薄壁方形管結構，總長60mm，截面為邊長80mm的正方形，折紋長度為10mm.新保險杠的幾何模型如圖5所示.

圖5 新保險杠的幾何模型

材料定義方面，防撞梁由碳纖維增強樹脂基類層合材料構成，碳纖維的鋪層形式為 (±45°/90°/0°)ns，總厚度為2mm；吸能盒由6063 T7鋁合金構成.兩種材料的參數見表2.

表2　碳纖維及鋁合金的材料參數

表中Ea為纖維方向彈性模量，Eb為垂直纖維方向彈性模量， υba為泊松比極小方向數值，Xt為纖維方向拉伸極限應力，Xc為纖維方向壓縮極限應力，Yt為垂直纖維方向拉伸極限應力，Yc為垂直纖維方向壓縮極限應力，Sc為平面剪切極限應力。

3 吸能盒吸能水平研究

為了研究外形固定情形下，吸能盒吸能效果與其壁厚的關系，分別建立了吸能盒壁厚為0.9mm、0.8mm、0.7mm、0.6mm、0.5mm的保險杠模型，在VPG當中進行網格劃分和初始條件設置，提交LS-DYNA進行計算，得到了仿真結果，見表3。五種方案碰撞仿真的吸能曲線和加速度曲線如圖6、圖7所示.

由表3及圖4可以看出，通過輕量化材料的使用，五種方案的構件質量均比原方案低，平均降幅達到了38.0%；而碳纖維的使用也使得碰撞過程中彈性變形成為防撞梁的主要變形形式，同時也使得加速度值比原方案低，平均降幅為25.5%.碰撞時間隨著吸能盒壁厚的減小而增加，這是由于壁厚的減小使得吸能盒的壓潰過程更充分，因而增加了碰撞過程的時間.吸能值方面，0.9mm～0.6mm的四組方案滿足隨壁厚減小而增加的趨勢，而0.5mm方案的吸能值由于吸能盒壁厚過薄導致了吸能水平的不足，因而有所下降.

表3 采用不同厚度吸能盒的新保險杠碰撞仿真結果

圖6 五種方案的吸能曲線對比

圖7 五種方案的加速度曲線對比

結合碰撞過程，分析加速度曲線可以發現，各曲線峰值是在擺錘撞擊防撞梁后、吸能盒即將壓潰時達到的；曲線B、C、D、E在各自波峰后的顯著下降過程是伴隨著吸能盒的壓潰產生的.0.9mm厚的吸能盒剛度較大，僅產生一定的塑性變形，未發生明顯的壓潰(如圖8所示)，因此曲線A在波峰后沒有該顯著下降的過程；曲線E在76ms時刻出現了第二個波峰，這是由于吸能盒過薄，吸能不足，至其壓潰結束仍未能完全抵御擺錘的沖擊，導致剛度較大的防撞梁發生變形抵御了沖擊.

圖8 0.9mm方案的吸能盒最大變形情況

通過上述分析，可以發現與原方案相比，0.6mm方案的仿真結果不但使得碰撞時間和最大加速度值有了顯著改善，而且吸能盒壓潰充分(如圖9所示)，最大限度地發揮了吸能盒的吸能作用，提高了保險杠的吸能值，因此選擇此方案為優化方案，并進一步對其鋪層形式進行研究.

圖9 0.6mm方案的吸能盒最大變形情況

需要指出的是，考慮到中高速碰撞情形下，保險杠將受到更大的撞擊力作用，除吸能盒的吸能作用以外，還將需要通過防撞梁的纖維破壞和結構失效來實現進一步吸能.因此希望防撞梁在低速碰撞時不發生破壞和失效，通過彈性變形進行吸能.在上述五個方案的仿真結果中，防撞梁的最大等效應力均小于1 000MPa，均未發生纖維破壞，在發生變形后均能恢復原有形狀，不需要進行維修及更換.

4 防撞梁鋪層形式研究

碳纖維作為一種各向異性的層合材料，鋪層的形式多種多樣，其纖維的鋪層角度變化會對其力學性能產生顯著影響[6]，因此對碳纖維材料的鋪層設計是非常必要和有價值的.防撞梁作為碰撞時首先接觸擺錘的保險杠部件，在鋪層設計中應充分考慮到對縱向壓縮力作用及水平剪切力作用的抵御能力，同時還需具備較好的緩沖能力，不能使加速度過大.

在復合材料構成的承壓件中，比較常見的鋪層形式有P1： (±45°/90°/0°)ns，P2：(0°±45°/90°)ns，P3：(0°/90°/±45°)ns等[7]，它們的區別在于最外層和次外層纖維的鋪層角度不同.已知防撞梁中使用的碳纖維材料每層的厚度為0.125mm，總厚度為2mm，因此纖維層數n=16.

除了仿真這些經典鋪層形式以外，還應當考慮不同角度鋪層所占比例對防撞梁性能造成的影響.以±45°鋪層所占比例i為例，上述三種方案中i值相等，均為50%.為了對比研究，設計了i值為62.5%和37.5%的鋪層形式P4：[(±45°/90°)T/45°/0°]s和P5：[(±45°/90°/0°)T/45°/0°]s用于分析.五種方案的碰撞仿真結果見表4.

表4 采用不同鋪層形式防撞梁的新保險杠碰撞仿真結果

結合各組具體的鋪層形式，分析上述結果可以發現， ±45°鋪層在最外層的P1組的防撞梁吸能值和最大加速度值均比0°/90°鋪層在最外層的P2、P3組低，而總吸能值比P2、P3組高.這是由于±45°鋪層的分散、傳遞沖擊能力比0°/90°鋪層強，將其設置在最外層能夠有效地將擺錘的沖擊傳遞給后側的吸能盒，避免了防撞梁自身受到沖擊后，

彈性變形過大而產生的能量吸收.P4組的i值較高，使得防撞梁整體剛度降低，進而降低了最大加速度值、延長了碰撞時間，但是0°/90°鋪層比例的降低也使得吸能盒得到的撞擊力不足，未能充分吸能(僅為177J)，導致P4組的總吸能值過低；P5組降低了i值，使得吸能盒受壓合理，壓潰充分，吸能值達到了186J，總吸能值與P1組相當，但過高的剛度導致了加速度值較大，碰撞時間下降.

綜上所述，i值為50%且±45°鋪層在最外層的P1組兼顧了吸能與控制加速度，是比較理想的防撞梁鋪層形式.以該鋪層形式設計的防撞梁與0.6mm吸能盒相組合成的新式保險杠結構，吸能值比原保險杠提高了6.0%，最大加速度降低了38.4%，碰撞時間延長了93.5%，重量下降了38.8%.

5 結束語

通過LS-DYNA軟件對一款轎車的前保險杠進行低速碰撞仿真，結合碳纖維復合材料和鋁合金材料，設計的款新式的保險杠結構與傳統的一體式鋼制保險杠相比，大幅提升了保險杠的低速碰撞特性，使得汽車的被動安全性能得到了提高并且重量顯著下降.由此可見，將碳纖維材料和輕質金屬等新材料應用于汽車的輕量化及被動安全性的研究有一定意義.

參考文獻:

[1] 肖麗芳.車身保險杠碰撞仿真分析及輕量化研究[D].上海:同濟大學,2009.

[2] 喬維高,張金虎.吸能式保險杠的研究現狀及發展趨勢[J].汽車科技,2008(1):9-11.

[3] 徐中明,徐小飛,張志飛,等.保險杠安全性能仿真分析與試驗研究[J].汽車工程,2014(3):293-297.

[4] 朱其文,張子鵬,魏曉辰.汽車前部部件的碰撞吸能能力分析[J].汽車工程師,2014(5):53-55.

[5] 劉海江,劉娜,肖麗芳.面向輕量化的高強度SMC保險杠碰撞性能研究[J].機械科學與技術,2011(5):813-817.

[6] 王耀先.復合材料力學與結構設計[M].上海:華東理工大學出版社,2012.

[7] 修英姝,催德剛.復合材料層合板穩定性的鋪層優化設計[J].工程力學,2005(6):212-216.

(編輯：劉寶江)

Researchonthecashworthinessanalysisandlightweight

ofacarbonfibermaterialbumper

SUShang-bin,JIAOXue-jian,XUEYuan-shui,LIUJin-zhao

(SchoolofTransportationandVehicleEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)

Abstract:AnautomobilefrontbumperisstudiedbasedontheLS-DYNAsimulationplatform.Thelackofcrashworthinessisobtainedbythelowspeedcollisionsimulationanalysis.Combinedwiththeuseofcarbonfibermaterialandaluminumalloymaterial,anewfrontbumperisdesignedanditsenergyabsorptionleveloftheenergyabsorbingboxandlayerformoftheanti-collisionbeamarestudiedaswell.Theenergyabsorptionlevel,theaccelerationvalueandthetimeofcollisionofthenewbumperreachedanobviousoptimizationafterthecollisionsimulationanalysis,withthequalitywasreducedby38.8%.

Keywords:bumper;carbonfibermaterial;crashworthiness;lightweight;crashsimulation

中圖分類號：U467.14

文獻標志碼：A

文章編號：1672-6197(2015)03-0049-04

作者簡介：蘇尚彬，男，sdutcar@163.com; 通信作者： 焦學健，男，jeosword@126.com.

收稿日期：2014-09-25