汽車保險杠橫梁的研究與改進

李洋，施偉辰

（上海海事大學，上海 201306）

汽車保險杠橫梁的研究與改進

李洋，施偉辰

（上海海事大學，上海 201306）

碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)是一種新型復(fù)合材料，具有優(yōu)良的性能。由于其具有較輕質(zhì)量和較高的比強度比吸能比剛度等特性很適合用作汽車構(gòu)件。碳纖維增強復(fù)合材料的可設(shè)計性強的優(yōu)勢為其用作汽車保險杠提供了方便。文章針對碳纖維增強復(fù)合材料和橡膠制作成的汽車保險杠橫梁在碰撞時表現(xiàn)出來的優(yōu)勢進行分析探討，并與傳統(tǒng)的鋼制保險杠橫梁和碳纖維復(fù)合材料保險杠橫梁進行對比，通過ANSYS進行仿真，利用LS-DYNA對保險杠模型進行碰撞模擬。結(jié)果顯示有橡膠層保險杠橫梁變形較小，性能優(yōu)異，滿足要求。

復(fù)合材料；橡膠；保險杠；碰撞；仿真

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-164-03

前言

隨著各國對新型材料研發(fā)的力度逐漸增加，碳纖維增強復(fù)合材料的性能也越來越好。由于這種材料具有各向異性的特點，這樣就可以滿足某些結(jié)構(gòu)在一定方向上的力學性能要求而在別的方向上性能過剩的局面。汽車保險杠要求自身具有良好的吸能效果，保護汽車及汽車內(nèi)乘客的安全。碳纖維增強復(fù)合材料和橡膠材料在碰撞時均具有很好的吸能效果，從這些方面考慮，結(jié)合兩者共同的優(yōu)勢開發(fā)新的汽車保險杠橫梁是可行的。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)保險杠質(zhì)量大，增加了汽車的油耗，改用碳纖維復(fù)合材料保險杠極大的降低了這一問題，在碳纖維復(fù)合材料橫梁的基礎(chǔ)上，增加橡膠層，有效的保護了橫梁，改善了碰撞情況。國外很多機構(gòu)已經(jīng)對碳纖維復(fù)合材料用作汽車結(jié)構(gòu)件和覆蓋件做了大量研究，國內(nèi)這一領(lǐng)域由于受到材料研發(fā)的制約，還未大量推廣研究。隨著時代的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料一定會普及，而且的到快速的發(fā)展。提前對其進行研究是很有價值和意義的。

1、碳纖維復(fù)合材料層合板力學基礎(chǔ)

取坐標x,y,z中z=0的xoy面為中面。沿著板厚范圍內(nèi)x,y,z方向的位移是

μ，v，ω，中面上點x,y,z方向的位移為μ0，v0，ω0，如圖1所示。

圖1 層合板坐標圖

假設(shè)層合板中變形前垂直于中面的直線段，變形后仍未直線且垂直中面。該線段的長度不改變。由假設(shè)，板中某一垂直于中面的直線段AB變形后為A′B′。如圖2。

圖2 直線段變形前后關(guān)系

原中面上o點的x方向位移為μ0，直線段AB變形后仍與中面垂直，的切角是，則C點在x方向的位移。

同理可得C點在y方向的位移：

由彈性力學公式位移與應(yīng)變的關(guān)系：

帶入可得，

2、新型汽車保險杠設(shè)計模型

選取某種汽車保險杠模型作為參考，利用UG進行建模設(shè)計出保險杠模型，導(dǎo)入ANSYS進行前處理，處理結(jié)果使用LS-DYNA進行運算。該模型保險杠橫梁采用8毫米厚度橡膠與8毫米厚碳纖維復(fù)合材料粘結(jié)結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料采用+45°和-45°交叉鋪層，每層厚度0.2毫米，鋪設(shè)40層。碰撞速度為4km/h。模型方案如下圖：

圖3

碳纖維復(fù)合材料采用環(huán)氧樹脂基碳纖維增強復(fù)合材料T300/5208，材料屬性如下：

表1-1 T300/5208材料參數(shù)

橡膠的材料參數(shù)為橡膠材料屬性：密度1000 Kg/m^3，彈性模量 6.1*10^6 Pa，泊松比 0.490抗剪模量 2.9*10^6 Pa，屈服強度 9.24*10^6 Pa。

3、結(jié)果分析

新型保險杠在碳纖維橫梁粘有橡膠材料。圖1為三種模型加速度變化對比，即無橡膠層的碳纖維復(fù)合材料保險杠和有橡膠層的碳纖維復(fù)合材料保險杠以及鋼制保險杠對比，從圖中可以看出，從開始接觸計算，0-0.026s無橡膠層的保險杠的車身加速度高于有橡膠層的保險杠的，碰撞在0.026-0.047s時，二者加速度相差不大，0.047s后，有橡膠層的保險杠加速度變化明顯低于無橡膠層的保險杠。說明有橡膠層的保險杠碰撞過程更加平穩(wěn)，性能優(yōu)于無橡膠層的保險杠。而鋼制保險杠的加速度在0.047s前始終高于有橡膠層保險杠。之后二者加速度相差不大。

圖4 三種保險杠加速度變化圖像

圖5為無橡膠保險杠橫梁節(jié)點A68073和有橡膠保險杠橫梁節(jié)點A346406的位移情況及鋼制保險杠橫梁節(jié)點A33629位移情況，從節(jié)點位移可以看出保險杠在受到碰撞時發(fā)生的變形情況，二者正相關(guān)。無橡膠層的保險杠橫梁在較短時間內(nèi)位移較大，最大值達到15.387毫米。有橡膠層保險杠橫梁的位移較小，最大值為13.92毫米，而且達到最大值時所用時間更長。鋼制保險杠橫梁位移最大，最大值是20.26毫米。遠大于其他保險杠橫梁變形。

圖5 節(jié)點位移圖

圖7 有橡膠保險杠Z 方向應(yīng)力云圖

圖6 無橡膠保險杠Z方向應(yīng)力云圖

圖8 無橡膠保險杠Z方向應(yīng)變云圖

圖10 鋼制保險杠Z方向應(yīng)力云圖

圖11 鋼制保險杠Z 方向應(yīng)變云圖

圖9 有橡膠保險杠Z 方向應(yīng)變云圖

如圖所示為碰撞開始保險杠橫梁中心節(jié)點位移峰值時刻的應(yīng)力圖像和應(yīng)變圖像。無橡膠保險杠位移最大值時刻為0.0548s，有橡膠保險杠位移最大值時刻是0.0596s。圖6為無橡膠保險杠位移峰值時刻Z方向應(yīng)力云圖，圖7為有橡膠保險杠位移峰值時刻Z方向應(yīng)力云圖。從圖像可以看出，無橡膠保險杠橫梁應(yīng)變峰值為大于有橡膠保險杠應(yīng)變峰值。圖8為無橡膠保險杠位移峰值時刻Z方向應(yīng)變云圖，圖9為有橡膠保險杠位移峰值時刻Z方向應(yīng)變云圖。由圖8圖9看出，有橡膠保險杠的應(yīng)變低于無橡膠保險杠的應(yīng)變。由于橡膠的作用，延緩了保險杠位移峰值的出現(xiàn)的時間，降低了碰撞時保險杠橫梁的最大應(yīng)力應(yīng)變，增加了系統(tǒng)整體碰撞時間。而鋼制保險杠橫梁最大變形量的最大應(yīng)力是4.71，最大應(yīng)變是12.57%。如圖10和圖11。

4、結(jié)論

1）根據(jù)圖2 可以看出，鋪設(shè)了橡膠層的保險杠橫梁能夠減少保險杠橫梁的變形，提高了保險杠橫梁的抗撞擊性能。

2）本文的研究為改進保險杠橫梁設(shè)計提供參考。

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[2] 董銀飛. 汽車復(fù)合材料碰撞吸能裝置設(shè)計與仿真方法研究[D].山東理工大學,2014.

[3] 張振明. 變厚度復(fù)合材料汽車防撞梁優(yōu)化設(shè)計研究[D].湖南大學,2014.

[4] 吳瓊. 碳纖維轎車保險杠橫梁的設(shè)計[D].武漢理工大學,2014.

[5] 張偉,鄭鵬飛,劉陳,高原. 動態(tài)沖擊荷載作用下橡膠材料吸能率分析[J]. 兵器材料科學與工程,2012,(05):19-21.

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Research and improvement of the bumper beams

Li Yang, Shi Weicheng
( Shanghai maritime university, Shanghai 201306 )

Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) is a new kind of composite material, it has excellent performance.Since it has lower quality and higher stiffness than the intensity of energy absorption characteristics and it is suitable for automobile components.Carbon fiber reinforced composite materials can be the advantage of strong convenience to be provided for its used in automobile bumpers.This article in view of the carbon fiber reinforced composite materials and rubber made in the collision of the car bumper beams shows advantage analysis, And compared with the traditional steel bumper beams and carbon fiber composite bumper beams were compared through the ANSYS simulation, using ls-dyna to simulate the bumper model collision. Results show that the layer has a rubber bumper beam deformation is small, excellent performance, meet the requirements.

composite material; Rubber; Bumper; The collision; The simulation

U463.8

A

1671-7988 (2017)10-164-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.057

李洋，就讀于上海海事大學物流工程學院，碩士研究生，研究方向機械動態(tài)性能分析與研究，施偉辰，教授，就職于上海海事大學物流工程學院。