基于LS-DYNA的汽車保險杠低速碰撞仿真研究

胡韶文，宋年秀，許津，孫根柱，劉鵬

（1.青島理工大學汽車與交通學院，山東青島 266520；2.無錫同捷汽車設計有限公司，江蘇無錫 214000）

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基于LS-DYNA的汽車保險杠低速碰撞仿真研究

胡韶文1，宋年秀1，許津1，孫根柱2，劉鵬1

（1.青島理工大學汽車與交通學院，山東青島 266520；2.無錫同捷汽車設計有限公司，江蘇無錫 214000）

摘要：基于LS-DYNA軟件，利用有限元方法分析汽車保險杠低速碰撞中的動力學響應特性及碰撞過程中的能量變化，評價保險杠的碰撞性能，研究保險杠吸能盒厚度對保險杠碰撞性能的影響，并提出了保險杠優化建議。

關鍵詞：汽車；保險杠；低速碰撞；CAE模型

保險杠在汽車碰撞事故中發揮著不可替代的作用。汽車碰撞有高速和低速之分，高速碰撞的危害一般較嚴重，成為人們研究的重點，而低速碰撞沒有引起人們的足夠重視。因此，該文對保險杠的低速碰撞過程進行分析，了解保險杠低速碰撞的動力學特性，為其優化設計提供依據，以提高保險杠的碰撞安全性能，減少交通事故中的損失。

1　汽車碰撞仿真基本理論

1.1沙漏控制

在有限元分析中，如果不對沙漏模式進行控制，則可能出現數值振蕩現象，導致計算結果不準確，分析結論也就無效。沙漏控制的主要方法有剛度控制法和粘性阻尼法。一般通過將沙漏能與總能量進行比較來評價沙漏控制是否符合要求，如果所占比例不超過10%，則認為沙漏控制效果好，有限元分析結果可信。

1.2碰撞接觸的定義

汽車實際碰撞時會產生復雜多樣的接觸，利用計算機模擬汽車碰撞時需提前對這些接觸進行設置。汽車碰撞時的主要接觸形式有變形體與變形體之間的接觸、變形體與剛體之間的接觸和變形體內部之間的接觸。對于這些接觸，在碰撞仿真中分別采用節點對面的接觸、面對面的接觸和單面自動接觸來定義。如果接觸定義不合理，將導致計算時間冗長，甚至出現負體積或某節點速度過高等錯誤。正確定義碰撞接觸是準確進行碰撞仿真的必要條件。

1.3時間步長控制

時間步長為每一步有限元積分的時間長度。時間步長過大，會使計算不穩定，導致模擬計算結果出現大的偏差，計算精度下降。因此，必須對時間步長進行控制。最小時間步長的計算公式為：

式中：Δtmin為最小時間步長；lmin為單元最小特征長度；c為聲速；E為彈性模量；θ為泊松比；ρ為密度。

由式（1）可以看出：最小時間步長的大小與模型材料的彈性模量、泊松比、密度及單元的最小特征長度有關。

2　保險杠有限元模型的建立

在三維制圖軟件Solid Works中建立保險杠CAD模型，在前處理軟件Hyper Mesh中對保險杠部件賦予材料與屬性，進行網格劃分，得到由節點和單元構成的CAE模型（如圖1所示），并對模型的連接、接觸、約束和計算參數等進行設置，生成K文件，導入求解器LS-DYNA中進行碰撞仿真計算。

圖1　保險杠CAE模型

3　保險杠低速碰撞動力響應特性

3.1模型變形分析

低速碰撞過程中，保險杠系統變形過程如圖2 ～7所示。

圖2　t=0 ms時保險杠變形圖

圖3　t=12 ms時保險杠變形圖

圖4　t=25 ms時保險杠變形圖

圖5　t=37 ms時保險杠變形圖

觀察保險杠系統低速碰撞變形過程可知：在30 ms以后，保險杠結構變形較快；碰撞進行到55 ms以后，結構的變形量幾乎不隨時間變化。因此，將該保險杠低速碰撞仿真的時間設置為60 ms。

圖6　t=50 ms時保險杠變形圖

圖7　t=60 ms時保險杠變形圖

根據圖2～7，在碰撞過程中，保險杠橫梁發生了較大變形，而吸能盒變形很小。出現這種情況的原因是：發生碰撞時保險杠橫梁中間的弧形突出部分首先與剛性墻接觸，剛性墻阻礙其運動，而橫梁其余部分繼續運動，中間弧形部分受到擠壓而變形，系統中的動能轉化為內能；隨著碰撞的進行，速度逐漸下降，橫梁的變形增大，吸收大部分能量，系統的動能減小，并且由于碰撞速度不是很高，吸能盒還未發生大變形碰撞過程就已經結束。

在低速碰撞過程中，保險杠橫梁發生明顯變形，吸能盒也發生變形，但變形量很小，保險杠系統的碰撞安全性能較好。

3.2位移變化分析

設保險杠系統的運動速度為8 km/h（2 222.22 mm/s），方向為沿x方向，可認為在碰撞過程中只有x方向上的位移發生變化。y和z方向上的速度都為零，在碰撞過程中雖然會在這兩個方向發生振動，但位移量非常小，可忽略不計。圖8～13為保險杠系統的碰撞位移云圖。

從圖8～13可以看出：在低速碰撞過程中，保險杠橫梁弧形部分的位移先增加，再減少，碰撞快結束時又呈上升趨勢，這種情況與碰撞過程相一致。在未發生碰撞時，弧形部分一直沿x方向運動，與剛性墻剛發生接觸時，這部分運動受到阻礙，位移不再增加；隨著碰撞的進行，當橫梁兩端的弧形部分與剛性墻接觸時，橫梁中間部分由于受到壓力的作用將沿反方向運動，所以位移減少；碰撞快結束時，橫梁由于彈性作用慢慢恢復原狀，位移又會增加。保險杠系統上位移變化量最大的節點（節點2 856）位于代表車體的鋼板上，最大位移為88.69 mm。

選取保險杠橫梁中部弧形部分某節點（節點4 279）作為分析對象，通過分析該節點的位移-時間和速度-時間關系進一步了解保險杠系統的碰撞過程。圖14為該節點在x方向上的位移-時間響應曲線，圖15為速度-時間響應曲線。

圖8　t=0 ms時保險杠位移云圖（單位：mm）

圖9　t=12 ms時保險杠位移云圖（單位：mm）

圖10　t=25 ms時保險杠位移云圖（單位：mm）

圖11　t=37 ms時保險杠位移云圖（單位：mm）

圖12　t=50 ms時保險杠位移云圖（單位：mm）

圖13　t=60 ms時保險杠位移云圖（單位：mm）

圖14　節點4 279在x方向的位移-時間響應曲線

由圖14可知：在前7 ms內，節點的位移與時間呈正線性關系；7 ms時，保險杠和剛性墻接觸，開始碰撞過程，但節點所在面還未與剛性墻接觸，所以位移繼續增加，大約在12 ms時節點位移達到最大，為19 mm。之后一直減少，直到碰撞快結束時，最小位移為3 mm。保險杠橫梁發生的彈性變形開始恢復時，節點的位移又呈現增長趨勢，與保險杠系統的位移云圖顯示結果幾乎一致。該節點最大變形量為16 mm。曲線變化較平穩，說明保險杠碰撞過程較穩定。

該保險杠采用低碳鋼，在軟件Hyper Mesh中的編號為MATL24，屬于彈塑性材料，保險杠的變形應包括彈性變形和塑性變形。其彈性變形部分應隨著碰撞沖擊載荷的減弱逐漸消失，此時，保險杠的彈性勢能使保險杠慢慢恢復原來的形狀，即保險杠有一個回彈過程，其速度應減小到一個負值后再增加。由圖15可知：在30～57 ms時速度-時間曲線呈明顯上升趨勢，該保險杠的碰撞性能較好。

圖15　節點4 279在x方向的速度-時間響應曲線

4　吸能盒厚度對碰撞性能的影響

在保持橫梁厚度1.3 mm不變的前提下，改變吸能盒的厚度，探討吸能盒厚度對保險杠的影響。前文分析中吸能盒的厚度為2 mm，取吸能盒厚度為1.5和2.5 mm進行碰撞仿真，并將仿真結果與吸能盒厚度為2 mm時的結果進行對比。圖16為吸能盒取不同厚度時保險杠的吸能特性曲線。

圖16　不同吸能盒厚度時保險杠的吸能特性曲線

由圖16可知：吸能盒厚度為2和2.5 mm時保險杠吸收的能量比厚度為1.5 mm時的多，即吸能盒厚度增加時，保險杠吸收的能量也增加，但保險杠的碰撞安全性能并不一定提高。厚度為1.5 mm時吸能曲線在54 ms左右達到最高點，之后持平，幾乎保持不變，說明吸能盒還在吸收能量，吸能盒還在變形，吸能盒過大的變形可能導致車架發生碰撞，可認為此時保險杠的碰撞安全性能不好。吸能盒厚度為2.5 mm時，吸收的能量并不比厚度為2 mm保險杠大很多，但會在一定程度上增加保險杠的重量。綜上所述，吸能盒厚度為2 mm時，保險杠的總體性能最好。可認為當保險杠橫梁厚度為1.3 mm、吸能盒厚度為2 mm時，兩者的強度匹配合理，能最大限度地吸收碰撞過程中的能量。

5　結語

該文在Hyper Mesh中建立保險杠低速碰撞有限元模型，并通過LS-DYNA進行有限元仿真計算，利用有限元后處理軟件Hyper View和Hyper Graph對碰撞模擬計算結果進行分析，觀看碰撞過程的動畫，得到低速碰撞過程中保險杠的結構變形圖和位移云圖，分析保險杠低速碰撞過程，對保險杠的碰撞安全性能作出了評價，并提出了優化建議，為設計合適的保險杠提供參考。

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中圖分類號：U463.32

文獻標志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0014-04

收稿日期：2016-01-11