貨車后下部防護裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析

田慶敏

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 鎮(zhèn)江212134）

0 引言

隨著現(xiàn)代人們經(jīng)濟生活水平的提高，家庭小汽車的持有量越來越多，但是每年發(fā)生的交通事故中，民用微型載客汽車每年發(fā)生的交通事故也日益增多，造成大量的人員傷亡。其中小型汽車追尾貨車是其中常見的方式，而這種事故的死亡率也高于一般的車輛追尾事故[1-2]。通常貨車后下部裝有防護裝置，該裝置具有阻擋小型車輛鉆入貨車底部和吸收撞擊能量的作用，可以提高車輛之間的碰撞性。目前常見的阻擋梁截面形狀為槽鋼，本論文提出另外一種截面形狀，并通過強度分析計算，對比兩種截面的防撞梁的結(jié)構(gòu)強度，提出了新的后下部防護結(jié)構(gòu)，新的后防護結(jié)構(gòu)的強度有了一定程度的提高和改善，可以更加有效地阻止惡性交通事故，減輕對追尾車輛內(nèi)人員的傷害。

1 國標對后防護的加載要求

1.1 加載點的位置

GB11567.2-2001中對后防護裝置的試驗加載點具體要求如下：后防護裝置的防撞梁同一平面上設(shè)置5個加載點。這5個加載點位于同一水平面，且位于后下部防護裝置防撞梁的中心平面。加載點具體距離要求如圖1所示。

1.2 加載方式

GB11567.2-2001對于后防護裝置的加載有兩種方式可以選用，分別是兩點加載方式和三點加載方式。圖1為加載點位置示意圖，采用兩點加載方式時，加載點沿車輛軸向中心平面對稱分布（見圖點2和點4），以100 kN靜態(tài)力持續(xù)加載，點2和點4之間的距離在700～1000之間；采用三點加載方式時，加載載荷以靜態(tài)力方式持續(xù)作用在圖1中的點1，加載載荷大小為25 kN（點1）或右側(cè)作用點（點5）上，然后持續(xù)作用在車輛縱向中心平面上的加載點[3]（點3）。

圖1 加載點的位置示意圖

2 建立后防護裝置有限元模型

本論文所研究的后防護裝置的有限元分析的方法和流程是：首先在SolidWorks三維軟件中分別將兩種防護裝置的結(jié)構(gòu)模型建立出來，然后通過模型轉(zhuǎn)換將其導(dǎo)入前處理軟件HyperMesh中進行網(wǎng)格的劃分、載荷和約束的設(shè)置，最后將處理好的有限元模型導(dǎo)入到Ansys中進行強度計算[4-5]，通過計算結(jié)果進行分析對比，從而提出并改進后防護裝置的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

2.1 幾何模型

2.1.1 槽鋼阻擋梁后防護結(jié)構(gòu)的幾何模型

如圖2為槽鋼阻擋梁的后防護裝置的裝配模型，它是由左右固定方鋼、左右豎方鋼、左右支撐方鋼和槽型防撞梁幾部分焊接而成。方鋼尺寸為80 mm×80 mm×4 mm，槽型防撞梁尺寸為120 mm×80 mm×4 mm，橫截面面積為1 088 mm2，材料為Q235.

圖2 后防護裝置模型（槽鋼阻擋梁）

2.1.2 圓管阻擋梁后防護結(jié)構(gòu)幾何模型

如圖3為圓管截面阻擋梁的后防護裝置的裝配模型，它是由左右固定方鋼、左右豎方鋼、左右支撐方鋼和圓管防撞梁幾部分焊接而成。方鋼尺寸為80 mm×80 mm×4 mm，圓管截面尺寸為Φ80 mm×4 mm，截面積為955 mm2，材料為Q235.

圖3 后防護裝置模型（圓管阻擋梁）

2.2 模型網(wǎng)格劃分

通過格式轉(zhuǎn)換將防護裝置的三維實體模型導(dǎo)入到前處理軟件中，因為后防護裝置采用薄壁型材，厚度尺寸相比較其它方向的尺寸小很多，因此決定采用殼單元進行分析，從而能夠減少計算量。對模型的每個部分進行抽取中心面，然后在中心面上進行2D網(wǎng)格的劃分。

2.2.1 槽鋼阻擋梁的后防護有限元模型

如圖4，模型全部采用殼單元，形成有限元模型的單元數(shù)為11 740，節(jié)點數(shù)為11 592.

圖4 槽鋼阻擋梁的后防護有限元模型

2.2.2 圓管截面阻擋梁的后防護有限元模型

如5，模型全部采用殼單元，形成有限元模型的單元數(shù)為11 229，節(jié)點數(shù)為10 872.

圖5 圓管截面阻擋梁的后防護有限元模型

將上述兩種模型按要求施加約束及載荷，對于兩點加載方式，在阻擋梁上的P2和P4兩點分別施加大小為100 kN的靜態(tài)作用力；對于三點加載方式，在阻擋梁上的P1、P5、P3三點先后施加大小為25 kN的靜態(tài)作用力。從圖1加載點的位置示意圖可以看出，點1和點5相對于點3是對稱的，所以我們采用三點加載方式進行計算時，只針對點1和點3加載時的受力情況進行分析計算。

3 強度分析及對比

本文使用ANSYS軟件進行求解計算。將HyperMesh中完成網(wǎng)格的劃分、載荷和約束的設(shè)置后的有限元模型導(dǎo)入到求解器中進行求解計算，得到了圖6、7、8中的兩點加載方式及三點加載方式中的應(yīng)力云圖對比。

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖6100 kN作用力下兩種結(jié)構(gòu)P2點應(yīng)力云圖對比

圖725 kN作用力下兩種結(jié)構(gòu)P1點應(yīng)力云圖對比

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖825 kN作用力下兩種結(jié)構(gòu)P3點應(yīng)力云圖對比

將兩種結(jié)構(gòu)的不同加載方式下得到的應(yīng)力云圖進行比較，可以看出，圓管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值相比較U型槽鋼有一定幅度的降低。因此圓管防撞梁的后防護裝置緩沖能力較強。見表1.

表1 不同加載方式下兩種后防護裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比

4 結(jié)束語

本文通過國家標準規(guī)定的三種加載方式對設(shè)計的后防護裝置進行了強度計算。通過分析軟件得出的結(jié)果來看，本文設(shè)計的圓管截面的防護梁的后防護裝置的防撞性能更高，提高了汽車的安全性能，對開展后下部防護裝置的設(shè)計工作具有積極推動意義。