鋁合金車身關(guān)鍵零部件耐撞性能研究

張軍　武玉慧

摘 要：安全、節(jié)能、環(huán)保是未來汽車發(fā)展的主題，為了既能更好的保護(hù)車內(nèi)乘客的安全，又可以提高能源利用率。本文使用三維建模軟件CATIA進(jìn)行前縱梁建模，然后通過Hyper Mesh 軟件對(duì)前縱梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后通過LS_DYNA軟件對(duì)汽車正面碰撞安全性能進(jìn)行求解，分析了不同結(jié)構(gòu)的前縱梁的耐撞性能，為前縱梁優(yōu)化改進(jìn)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：前縱梁；碰撞；仿真；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.044

0 引言

據(jù)研究表明，正面碰撞發(fā)生的概率是所有碰撞類型中最高的，對(duì)乘客造成的傷害也是最大的[1]。前縱梁既是吸收汽車前部縱向碰撞能量的主要結(jié)構(gòu)，又是控制碰撞能量在汽車中的分布情況的主要裝置。據(jù)研究，設(shè)計(jì)良好的汽車前縱梁在正碰時(shí)吸收的能量能達(dá)到總吸收能量的50%以上，是最重要的吸能元件[2]。因此前縱梁的變形及吸能狀況很大程度上決定了整車的耐撞性能好壞[3]。

本文通過對(duì)前縱梁進(jìn)行仿真分析，從而對(duì)前縱梁的結(jié)構(gòu)及材料進(jìn)行優(yōu)化，使汽車在發(fā)生正面碰撞時(shí)更好的保護(hù)車內(nèi)乘員的安全，并且提高能源利用率。

1 仿真分析路線圖

1.1 HyperMesh前處理

前縱梁材料按照鋁真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變材料特性設(shè)置為24號(hào)線性材料MATAL24 并考慮材料應(yīng)變率效應(yīng)，選用Krupkswsky模型和Cowper—symonds應(yīng)變率模型，選擇經(jīng)驗(yàn)值C為40，p為5[4]。密度為2.7X10-9t/mm3，彈性模量E=79000Mpa，泊松比NU=0.33，屈服應(yīng)力SIGY=130Mpa。對(duì)于有限元仿真分析，網(wǎng)格大小的選取是非常重要的，網(wǎng)格大小的不同可能導(dǎo)致塌陷形式的不同。網(wǎng)格劃分越小，計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)，變形描述越詳細(xì)。然而較大的網(wǎng)格劃分可能會(huì)引起較大的沙漏能，導(dǎo)致仿真變形失真。薄壁梁最佳單元尺寸為L(zhǎng)=0.5πr，r=0.72C1/3t2/3，C為截面寬度，t為板厚度，r為折疊半徑[5]。綜合考慮前縱梁特性和仿真計(jì)算時(shí)間后，選取網(wǎng)格尺寸為6mm[6]。如圖2所示。

前縱梁后端施加0.5t的質(zhì)量（考慮到整車質(zhì)量1.2t），以時(shí)速50km/h的速度撞向剛性墻。

1.2 LS_DYNA仿真求解

使用LS_DYNA軟件，將劃分好網(wǎng)格并賦予材料，施加約束和邊界條件的模型進(jìn)行求解。

結(jié)果如圖3所示。

2 優(yōu)化前后鋁合金前縱梁能量對(duì)比分析如圖4所示

3 結(jié)論

通過聯(lián)合使用CATIA三維建模軟件、HyperMesh和LS_DYNA兩款CAE軟件對(duì)兩種不同截面形狀的前縱梁正面碰撞進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果顯示沙漏能均未超過總能量的3%，因此仿真結(jié)果較為理想。結(jié)果表明優(yōu)化后的前縱梁的吸能過程更加平緩，在吸收相同能量的情況下，壓潰距離明顯縮短。所以鋁合金材質(zhì)的正六面體截面前縱梁更有利于保護(hù)車內(nèi)乘客的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳吉清，周鑫美，饒建強(qiáng)，區(qū)權(quán)湛.汽車前縱梁結(jié)構(gòu)碰撞吸能特性及其優(yōu)化的研宄[J].汽車工程，2010，32（06）：486-492.

[2]McNay Gene H. Numerical Moleling of Tube Crash with Experiment Comparision[J].SAE Paper：880898.

[3]蘇建.汽車前縱梁結(jié)構(gòu)的碰撞仿真及其優(yōu)化[D].浙江工業(yè)大學(xué)碩士論文，2014（04）

[4]N.Jones，T.Wierzbicki.Structure aspects of ship collisions[M]. Structural Crashworthiness，1983：308-337.

[5]高偉，黎權(quán)波，基于LS—DYNA的汽車前縱梁碰撞性能仿真研究[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院院報(bào)：2010.6 第24卷第2期.

[6]胡遠(yuǎn)志，曹必強(qiáng)，謝書港.基于LS—DYNA和HyperWorks的汽車安全仿真與分析[M]：清華大學(xué)出版社.

基金項(xiàng)目：煙臺(tái)大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金一般項(xiàng)目（YDYB1720）

作者簡(jiǎn)介：張軍，男，研究生，研究方向：機(jī)械工程。endprint