我國(guó)汽車保險(xiǎn)杠研究現(xiàn)狀和有限元分析方法在汽車產(chǎn)品中的應(yīng)用

賴嘯，劉勇

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644003)

汽車這項(xiàng)交通工具發(fā)展迅速，在日常生活中使用廣泛。隨著汽車的大量普及，隨之產(chǎn)生的交通事故也日益增加，汽車的安全性能顯得十分重要。在歷年來(lái)大量的交通事故統(tǒng)計(jì)中，有很大比例是與汽車保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)有關(guān)，保險(xiǎn)杠承擔(dān)著很大的安全保護(hù)責(zé)任。

1 汽車保險(xiǎn)桿的發(fā)展

1896年卡爾本茨發(fā)明了第一輛汽車(三輪汽車)，當(dāng)時(shí)的汽車沒(méi)有保險(xiǎn)杠，只有一個(gè)安裝喇叭和車燈用的金屬橫梁，后來(lái)為了達(dá)到美觀的效果，增加了裝飾用的前蓋板，這就是最初的保險(xiǎn)桿原型。隨著交通事故的頻繁發(fā)生，人們逐漸意識(shí)到保險(xiǎn)杠對(duì)車輛及行人的保護(hù)作用，有人考慮在前蓋板上增加保護(hù)功能，具體采用與前橫梁留有一定間隙的保險(xiǎn)杠蓋板，后來(lái)進(jìn)一步發(fā)展成在保險(xiǎn)杠蓋板與橫梁之間增加能吸能緩沖的橡膠構(gòu)件，這樣做能夠很大程度降低汽車對(duì)行人的沖擊，這種結(jié)構(gòu)最終演變成后來(lái)的金屬保險(xiǎn)杠總成。隨后汽車保險(xiǎn)杠又出現(xiàn)了由外板、緩沖材料和橫梁三部分組成的保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)。近些年隨著各行各業(yè)技術(shù)的大力發(fā)展，新型的保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)也不斷涌現(xiàn)，如液壓吸能式、帶氣腔式等。另外，出于保護(hù)行人的要求，現(xiàn)在國(guó)外也在研究安全氣囊式保險(xiǎn)杠。

2 我國(guó)汽車保險(xiǎn)桿的研究現(xiàn)狀

在我國(guó)的汽車行業(yè)中，保險(xiǎn)杠作為一種重要的安全裝置正處于高速發(fā)展的階段。目前，我國(guó)轎車的保險(xiǎn)杠擁有保護(hù)汽車部件、保護(hù)行人安全、滿足車身空氣動(dòng)力性要求等作用以外，還具有裝飾和美化車身的作用，追求車型的美觀與和諧。因此，我國(guó)目前的汽車保險(xiǎn)桿都采用塑料保險(xiǎn)桿，主要有聚丙烯(PP)和由抗沖PP共聚物、苯乙烯類彈性體和聚烯烴類橡膠3種組成共混改性材料，注射成型。比如上海大眾桑塔納、斯柯達(dá)轎車的保險(xiǎn)杠，采用了聚酯系材料，并用反應(yīng)注射模成型法做成；一汽大眾的速騰、邁騰和新高爾夫轎車采用了聚丙烯系材料注射成型做成。塑料保險(xiǎn)杠具有強(qiáng)度好、剛性好，有一定裝飾性等特點(diǎn)，并且當(dāng)汽車發(fā)生碰撞事故時(shí)能起到緩沖作用而保護(hù)了車體，安全性能好。

3 有限元分析方法在汽車產(chǎn)品中的應(yīng)用

有限元分析法(Finite Element Analysis)是根據(jù)變分原理求解數(shù)理方程的一種數(shù)值計(jì)算方法，是一種解決工程實(shí)際問(wèn)題的近似數(shù)值計(jì)算工具，利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。因?yàn)橛邢拊椒ǘ嘤糜谇蠼庖恍?fù)雜形狀或者多維應(yīng)力場(chǎng)的場(chǎng)合，所以通過(guò)人工計(jì)算，大部分的求解過(guò)程都很難得到理論解。隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)(CAE)的形成，開(kāi)始實(shí)現(xiàn)借助計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)求解汽車產(chǎn)品中的大變形非線性的方程組。CAE技術(shù)一經(jīng)應(yīng)用就表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)越性，它不僅使計(jì)算時(shí)間大大縮短，同時(shí)也獲得了良好的精確度。

把CAE技術(shù)結(jié)合有限元分析方法運(yùn)用在汽車保險(xiǎn)桿上，目前流行的是，建立符合保險(xiǎn)杠開(kāi)發(fā)精度要求的有限元模型，然后獲得較好的保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)及模擬參數(shù)，并為相關(guān)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分析提供理論及方法上的參考。在原理樣車的制造之前，先進(jìn)行保險(xiǎn)杠機(jī)械結(jié)構(gòu)基本力學(xué)性能的模擬仿真，預(yù)測(cè)所設(shè)計(jì)的保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)是否達(dá)到應(yīng)有的剛度、強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)特性等基本力學(xué)性能要求，分析結(jié)構(gòu)不能滿足這些基本力學(xué)性能要求的原因，并根據(jù)分析結(jié)果提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。用有限元分析方法結(jié)合仿真技術(shù)對(duì)保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)基本力學(xué)性能進(jìn)行分析也是取得質(zhì)量輕、剛性高的保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)的有效手段。保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)基本力學(xué)性能仿真技術(shù)以線彈性有限元法為基礎(chǔ)，在國(guó)外先進(jìn)的汽車制造公司己得到普遍應(yīng)用。基于線彈性有限元法的保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)基本力學(xué)性能仿真技術(shù)，其仿真過(guò)程包括建立力學(xué)仿真模型、定義邊界條件、分析結(jié)構(gòu)的各種力學(xué)特性、根據(jù)結(jié)果對(duì)所設(shè)保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)基本力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)、指出性能缺陷和提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施等多方面。

目前能應(yīng)用到汽車產(chǎn)品領(lǐng)域的常見(jiàn)的有限元分析方法軟件總結(jié)如下：

(1)MSC.PATRAN和NASTRAN。MSC.PATRAN和NASTRAN的主要功能模塊有：基本分析模塊，包括靜力、模態(tài)、屈曲、熱應(yīng)力、流固耦合及數(shù)據(jù)庫(kù)管理等；動(dòng)力學(xué)分析模塊；熱傳導(dǎo)模塊；非線性分析模塊；設(shè)計(jì)靈敏度分析及優(yōu)化模塊等常見(jiàn)模塊。除模塊化外，本軟件還具備可以按照解題規(guī)模分成10000節(jié)點(diǎn)到無(wú)限節(jié)點(diǎn)，用戶引進(jìn)時(shí)可根據(jù)自身的經(jīng)費(fèi)狀況和功能需求靈活地選擇不同的模塊和不同的解題規(guī)模，以最小的經(jīng)濟(jì)成本獲取最大效益。

(2)HYPERWORKS。HYPERWORKS是由法國(guó)ALTAIR公司開(kāi)發(fā)的系列產(chǎn)品，它的開(kāi)放式平臺(tái)可以直接運(yùn)用先進(jìn)的CAD、CAE求解技術(shù)，并內(nèi)嵌與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理以及客戶端軟件包交互的界面。它有強(qiáng)大的幾何輸入、輸出功能，支持多種格式的復(fù)雜裝配幾何模型讀入，如TIA、UG、Pro/E、STEP、IGES、PDGS、DXF、STL、VDAFS等格式的輸入。支持UG動(dòng)態(tài)裝配，并可設(shè)定幾何容差，修復(fù)兒何模型，并支持IGES、STEP等CAD格式輸出。另外它還與主流求解器實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成。HYPERWORKS具有強(qiáng)大的網(wǎng)格功能，并且還提供了多種焊接單元生成方法，支持焊接單元的自動(dòng)創(chuàng)建還可進(jìn)行等值線圖等多種類型的后處理瀏覽與應(yīng)力應(yīng)變位移速度的云圖。

(3)LS.DYNA。LS.DYNA是美國(guó)LSTC公司創(chuàng)建的全球知名通用顯式動(dòng)力分析程序，是被公認(rèn)為是顯式有限元程序的鼻祖和理論先導(dǎo)，是目前所有顯式求解程序的基礎(chǔ)代碼。在工程界得到廣泛應(yīng)用并被認(rèn)為是最佳的顯式分析軟件包。它以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法；以顯式求解為主，兼有隱式求解功能；以結(jié)構(gòu)分析為主，兼有熱分析、流體.結(jié)構(gòu)耦合功能；以非線性動(dòng)力分析為主，兼有靜力分析功能。

參考文獻(xiàn)：

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