沖擊載荷作用下某型越野車保險杠的試驗和數值模擬

王曉君, 趙玉婷, 程賽偉, 楊明發

(1. 太原理工大學 力學學院, 山西 晉中 030600；2. 山西華納機械加工有限公司, 山西 晉中 030600)

沖擊載荷作用下某型越野車保險杠的試驗和數值模擬

王曉君1, 趙玉婷1, 程賽偉1, 楊明發2

(1. 太原理工大學 力學學院, 山西 晉中 030600；2. 山西華納機械加工有限公司, 山西 晉中 030600)

采用落錘沖擊試驗機對某型越野車保險杠進行抗沖擊動態力學實驗,測得了保險杠的沖擊力時程曲線和保險杠的跨中最終位移,并采用有限元軟件ABAQUS對保險杠進行數值模擬。落錘沖擊實驗與數值模擬結果表明:保險杠的沖擊力初始峰值、沖擊力的持續時間和殘余的塑性變形與沖擊速度呈正相關;在沖擊載荷作用下,保險杠發生了不同程度的塑性變形,展現出了良好的抗沖擊性能和吸能特性。

保險杠； 沖擊； ABAQUS仿真； 數值模擬

汽車數量的激增使得由汽車引發的交通事故已成為危害我國公共安全的一大難題,全國每年有數十萬計的人因交通事故受傷、致殘甚而喪失生命。要解決這一問題,提高汽車的碰撞安全性能是其中一項重要的有效手段。

早期的汽車被動安全研究中,汽車結構系統的耐撞性和各種安全約束保護系統的研究和檢驗幾乎都是依靠試驗來完成的[1-4]。隨著有限元方法的普及,其在汽車碰撞方面也得到了大規模的應用[5-7]。Szabo T J等[2]對制作保險杠的材料和結構進行改進,結果發現選擇合適的緩沖吸能材料和結構能夠增強保險杠的耐撞性。Sohn S M等[3]基于CMVSS 215法規的要求,對液壓成型保險杠支架進行碰撞試驗,并采用不同應變率下靜態壓縮試驗來評估其變形行為和吸能特性,結果表明,與傳統成型保險杠支架相比,液壓成型保險杠支架具有良好的抗沖擊特性。Hosseinzadeh R等[4]對汽車保險杠的橫梁進行低速碰撞研究,比較了GMT材料制成的保險杠橫梁與傳統材料成型的保險杠橫梁的碰撞性能,結果發現前者具有更好的碰撞特性。葛如海等[5-6]基于有限元軟件LS-DYNA對汽車保險杠的碰撞進行了數值模擬,并與試驗進行對比分析,結果表明具備緩沖吸能特性的保險杠的碰撞性能和吸能特性表現較好。徐中明等[8]和王智文等[9]分別對不同截面形式的保險杠橫梁進行了研究,結果表明鋁合金材料制成的保險杠橫梁比鋼制的保險杠橫梁質量更輕,且前者擁有更高的比吸能,碰撞性能也更加優異。龔劍等[10]基于非線性有限元軟件PAM-CRASH對某車車架前部碰撞過程進行模擬計算,分析了有限元模型的網格尺寸、沿單元厚度的積分點個數、單元類型和沙漏控制對計算結果和效率的影響。以上研究表明,保險杠在汽車被動安全方面起著至關重要的作用,一旦汽車發生低速碰撞事故,保險杠能很好地起到保護車身安全的作用。

基于此,本文對現有的某型越野車保險杠進行落錘沖擊試驗和數值模擬,得到了其在不同沖擊強度下的動態抗沖擊力學性能、變形和能量吸收情況,為以后此類保險杠的設計和優化提供參考依據。

1 試驗研究

1.1 試驗設備

試驗裝置如圖1所示,它由DHR-9401型落錘式沖擊試驗機和數據采集系統構成,加載采用落錘沖擊,該試驗機總高度13.47 m,有效落距12.6 m,最大沖擊速度可達54 km/h,落錘質量可在1.9～240 kg范圍內調整,經標定沖擊速度誤差小于0.2%,沖擊試驗中能量耗散極小,錘體下落平穩,實驗結果重復性好。數據采集系統由Tektronix TDS 420A數字存儲示波器和力傳感器構成,實驗過程中用示波器記錄測得的沖擊力時程曲線。

圖1 試驗裝置圖

試驗保險杠由山西華納機械加工有限公司提供,保險杠試件如圖2所示。其中主管壁厚2.5 mm,其余部分厚4.5 mm,材料采用Q235級低碳鋼。按照GB/T228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》[11]對保險杠材料進行拉伸力學性能試驗,結果見表1。鋼材屬于應變率敏感材料[12],早在20世紀初 Hopkinson B[13]對鋼材進行了一系列的動態試驗,發現鋼材的動態強度至少是其低應變率下的兩倍,當應變率增加時鋼材會由韌性逐步轉變為脆性。也就是說,在沖擊過程中,應變率的大小會顯著影響鋼材的強度和塑性行為,高應變率會使鋼材產生動力硬化,對速度大于20 km/h的沖擊碰撞仿真應當考慮材料應變率的影響,但在低速碰撞時可以不考慮材料應變率的影響。

本試驗所用落錘質量為230 kg,錘頭與試件的接觸面尺寸為200 mm×80 mm。落錘的提升由小型卷揚機來完成,試驗過程中,將落錘提升到指定高度,松開落錘夾具,落錘以自由落體的方式下落對保險杠施加沖擊載荷,本試驗采用的落錘的高度分別為500、1 000、1 500 mm,對應的沖擊能量為1 127、2 254、3 381 J,對應的沖擊速度分別為11.27、15.94、19.52 km/h,文中分別用bumper-500、bumper-1000和bumper-1500來代表不同的落錘高度。

圖2 保險杠試件

密度/(kg·m-3)質量/kg彈性模量/GPa泊松比屈服強度/MPa785021.302000.28200.2

1.2 試驗結果

圖3和圖4給出了沖擊試驗結束后保險杠的整體變形和跨中的局部變形。由圖可見,在落錘沖擊作用下,保險杠整體發生了不同程度的向下彎曲變形,且沖擊能量越大,整體的向下彎曲變形越明顯；在局部變形圖中,保險杠的絞盤孔外邊緣產生了明顯的向上彎曲變形,且沖擊能量越大,殘留的塑性變形越明顯。

圖3 保險杠試件的整體變形

圖4 保險杠試件的局部變形

2 數值模擬與試驗結果的比較

2.1 有限元模型的建立

采用大型有限元軟件ABAQUS對3種不同高度的落錘沖擊保險杠的過程進行數值模擬,模型的幾何尺寸和試驗保持相同,對計算影響較小的過渡臺階和倒角等結構特征進行簡化和刪除,以改善模型的單元質量,部件之間采用共節點連接代替焊點。圖5為保險杠試件和落錘的有限元模型。在數值模擬時,保險杠結構采用各向同性的彈塑性體,并用ABAQUS的Mesh模塊對保險杠進行網格劃分,單元類型采用以四邊形為主的殼單元,共劃分殼單元214 911個,其中四邊形殼單元209 326個,約占97.4%,三角形殼單元5585個,約占2.6%；落錘采用高強度鋼,在整個沖擊過程中變形相對較小,故定義為剛體以簡化計算,計算中采用四邊形的離散剛體單元,共劃分單元1594個。

圖5 有限元模型

2.2 沖擊力時程曲線比較

圖6為不同落錘高度下試驗與計算機模擬的沖擊力時程曲線。在整個沖擊過程中,沖擊力時程曲線分為振蕩加載(AB段)、短暫的穩定發展(BC段)和卸載(CD段)3個階段,即保險杠的沖擊力經過前期的振蕩波動階段,隨后進入短暫的平穩發展階段,最后沖擊力開始卸載直到沖擊過程結束。

落錘高度為500 mm時(圖6(a)),試驗的最大峰值沖擊力出現在0.15 ms,最大峰值沖擊力121 kN,穩定階段的平均沖擊力為128 kN,沖擊持續時間為9.7 ms。計算機模擬的峰值沖擊力出現在0.25 ms,最大峰值沖擊力145 kN,穩定階段的平均沖擊力為129 kN,沖擊持續時間為8.7 ms。兩條曲線的趨勢大致相當。

落錘高度為1 000 mm時見(圖6(b)),試驗的最大峰值沖擊力出現在0.15 ms,最大峰值沖擊力230 kN,穩定階段的平均沖擊力為158 kN,沖擊持續時間10.7 ms。計算機模擬的峰值沖擊力出現在0.15 ms,最大峰值沖擊力253 kN,穩定階段的平均沖擊力為140 kN,沖擊持續時間10.2 ms。兩條曲線的趨勢大致相當。

落錘高度為1 500 mm時(見圖6(c)),試驗的最大峰值沖擊力出現在0.14 ms,最大峰值沖擊力253 kN,穩定階段的平均沖擊力154 kN,沖擊持續時間12.2 ms。計算機模擬的峰值沖擊力出現在0.14 ms,最大峰值沖擊力290 kN,穩定階段的平均沖擊力138 kN,沖擊持續時間12.3 ms。兩條曲線的趨勢大致相當。

比較可知，當沖擊速度較低時,初始的峰值沖擊力也較低,當沖擊速度提高時,初始峰值沖擊力也隨之提高。沖擊能量的提高對穩定發展階段的沖擊力并沒有太大的影響,即保險杠的材料和結構形式確定后,保險杠抵抗沖擊載荷的能力不會因沖擊能量的改變而改變。沖擊速度的提高延長了沖擊過程的持續時間。試驗的沖擊力時程曲線和計算機模擬的沖擊力時程曲線趨勢相當的一致,說明本文采用的保險杠模型是合理的,可用此模型對保險杠進行參數化研究與分析。

圖6 不同落錘高度下試驗與計算機模擬的沖擊力時程曲線

2.3 保險杠變形的比較

計算機模擬不同沖擊速度下保險杠試件的跨中位移時程曲線,計算其跨中最終位移,并與檢測結果比較見表2,可見實驗測得的跨中位移與計算機模擬的數據基本吻合,誤差在5%以內。當落錘高度為1 500 mm時,保險杠試件的跨中最終位移為23.13 mm。某型越野車的保險杠與車身之間的距離大概為100 mm,在低速碰撞沖擊下,本文所采用的保險杠試件的跨中最終變形量遠小于100 mm,能夠很好地起到保護車身的作用。

表2 保險杠檢測和計算機模擬的跨中最終位移

2.4 保險杠的吸能特性

模擬計算了沖擊過程中不同沖擊速度下保險杠的內能和落錘的動能隨時間的變化曲線。由圖7中可以看出,沖擊的速度越大,保險杠達到內能最大所需的時間越長,在內能達到最大后,隨著碰撞系能量的衰減,保險杠的部分變形發生彈性回彈,最終達到穩定,即保險杠產生了塑性變形。在圖8中,動能的衰減曲線斜率隨著沖擊速度的增加而增加,即落錘的高度越高,其動能的衰減速度也就越快,最后落錘的動能又有小幅的回升,在一個極小值處趨于穩定,這是由于保險杠的彈性恢復。

圖7 保險杠內能的變化曲線

圖8 落錘動能的變化曲線

采用比吸能較高的結構和材料作為汽車碰撞的能量耗散裝置能夠顯著地提高汽車的耐撞性[14],也就是說對保險杠這類結構可以采用比吸能來評價其吸能特性。表3給出了在不同沖擊速度下保險杠的比吸能。比吸能(SEA)是指單位質量所吸收的能量,由下式給出:

式中E表示總吸能,m表示保險杠的質量，m=21.30 kg。

表3 保險杠的比吸能

在碰撞過程中,保險杠利用自身的變形將落錘的動能轉變成不可逆的變形能進行吸收。由表3可以看出,隨著沖擊速度的提高,保險杠的比吸能也隨之提高,即隨著沖擊能量的增加,保險杠的塑性變形也隨之增大,這說明此款保險杠具有較好的吸能特性。

3 結論

本文通過對保險杠的實驗研究和計算機模擬得到了如下結論:

(1) 通過對保險杠在落錘沖擊作用下的沖擊力時程曲線進行分析發現,保險杠的沖擊力在整個沖擊過程中經歷了振蕩加載、短暫的穩定發展和卸載3個階段。

(2) 試驗測得的保險杠跨中位移與計算機模擬的跨中位移基本一致,模擬的結果比較可靠。

(3) 在不同沖擊速度下,保險杠除了產生整體變形外還產生了一定量的殘余局部變形,沖擊的能量越大,保險杠的整體變形和局部變形越明顯,說明塑性變形對保險杠的吸能有很大影響。在低速碰撞過程中,本文所用的保險杠的整體變形和局部變形都較小,展現出了良好的延性和抗撞性。

References)

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Test and numerical simulation of SUV bumper under action of impact load

Wang Xiaojun1, Zhao Yuting1, Cheng Saiwei1, Yang Mingfa2

(1. Collage of Mechanics, Taiyuan University of Technology, Jinzhong 030600, China；2. Shanxi Huana Machinery Processing Co., Ltd., Jinzhong 030600, China)

The dynamic mechanical test of impact resistance for an SUV (sports utility vehicle) bumper is carried out by using a drop hammer impact testing machine. The time history curve of the bumper by the impact force and the mid-span final displacement of the bumper are measured by the experiment, and the finite element software ABAQUS is used to simulate the bumper. The results of the drop hammer impact test and the numerical simulation show that the impact force, the initial peak value, the duration of impact force and the residual plastic deformation of the bumper are positively related to the impact velocity. Under the action of the impact load, the bumper has different plastic deformation, showing good impact resistance and energy absorption properties.

bumper; impact; ABAQUS simulation; numerical simulation

O347.3

: A

: 1002-4956(2017)09-0037-05

2017-03-23

山西省高等學校教學改革重點資助項目“依托國家級實驗教學示范中心,構建創新性力學實踐教學體系”(J2012014)

王曉君(1974—),女,山西太谷,博士,副教授,主要從事一般力學及生物力學的研究.

E-mail:wangxiaojun@tyut.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.011