基于汽車低速碰撞的前保險杠系統安全性能研究

李　巖，石柏軍，張兆元，鐘佳彬

(華南理工大學機械與汽車工程學院,廣東 廣州　510640)

由于城市道路工況的復雜性，汽車經常低速行駛，汽車低速碰撞時前保險杠系統最先受到損壞，為保護發動機、散熱器等部件，前保險杠應具有良好的耐撞性[1]。本文以某乘用車為例，利用Hypermesh建立了前保險杠系統低速碰撞有限元模型，然后將該模型導入Ls-dyna求解器進行計算，針對正面碰撞和角度碰撞兩種工況對保險杠的安全性能進行分析，并根據分析結果對保險杠橫梁的材料和厚度提出改進措施。本文對保險杠系統安全性能的研究可為后續保險杠的設計提供參考依據。

1　前保險杠低速碰撞有限元模型

為更好地考察保險杠的低速碰撞性能，本文選取比中國GB 17354—1998更為嚴格的標準——加拿大CFVSS215，其規定擺錘正面撞擊保險杠的速度為8.0km/h，以及對車輛縱向對稱面呈60°角的撞擊速度為4.8km/h，碰撞器的有效質量與試驗車輛的“整車整備質量”相等，中心與撞擊中心高度一致[2]。

該前保險杠主要由蒙皮、吸能泡沫、保險杠橫梁組成，該款汽車的前保險杠系統主要結構如圖1所示。

1.1　模型網格劃分

將蒙皮按照5mm的特征尺寸劃分，橫梁按照8mm的網格尺寸劃分，泡沫和碰撞器也按照8mm尺寸劃分。最終主要部件的網格數目統計見表1。

圖1　前保險杠系統主要結構圖

表1　主要部件網格統計

1.2　材料模型的選擇

在模擬車輛碰撞時常用到以下幾種材料模型：MATL24、MATL20、MATL57、MATL9等[3]，本文用MATL24材料模型來模擬蒙皮和橫梁的材料性能，并考慮應變率的影響；用MATL20材料模型來模擬擺錘碰撞器；用MATL57高度可壓縮低密度發泡材料來模擬吸能泡沫的材料模型。另外，為防止泡沫產生負體積，保證計算的收斂，將空材料模型MATL9應用于吸能泡沫外表面。主要部件的材料參數見表2。

表2　主要部件材料參數

1.3　連接設置

現代轎車車身結構通常通過焊接、螺栓連接、鉚接和卡扣連接等方式連接組成，不同部件連接建模通常分為以下3種：可變形體(柔性體)之間的連接、可變形體與剛形體之間的連接、剛形體之間的連接[4-5]。本文通過rigidbody模擬可變形鎖扣之間的連接和螺栓連接。

1.4　配重和接觸設置

為了減少計算量，只對保險杠系統進行分析，為了更符合實際結果，還要設置質心坐標，并賦予集中質量以達到“整車整備質量”1 595kg。另外碰撞器也要賦予相同的質量。

在整車碰撞中使用最多的是單面接觸和面面接觸。通常先設置一個總體的單面接觸，用于防止部件自身或與其他部件的穿透。但是總體接觸在一些關鍵部件可能失效，因此還需要局部定義接觸[6]。本文除定義了總體接觸外，還在泡沫與橫梁、橫梁與蒙皮、碰撞器與蒙皮之間單獨設置了局部接觸。

1.5　約束設置

根據低速碰撞法規，在整車碰撞試驗中，擺錘碰撞器在水平方向上做自由運動，車輛需要放開剎車，整車在碰撞方向上不受約束，因此擺錘碰撞器需要控制垂直方向自由度，整車正面碰撞時x方向自由度不受限制，角度碰撞時x方向和y方向自由度不受限制。最后建立的保險杠低速碰撞有限元模型如圖2所示。

圖2　低速碰撞有限元模型

2　碰撞仿真結果分析

正面碰撞和角度碰撞的仿真時間均設為120ms，各個時刻碰撞模型的位移云圖如圖3和圖4所示。正面碰撞時蒙皮中部是主要的變形區域，角度碰撞時蒙皮的角度位置是主要的變形區域，當t=120ms時，在正面碰撞工況下整個保險杠系統的最大位移為186.0mm，在角度碰撞工況下整個保險杠系統的最大位移為122.6mm，因為碰撞過程中保險杠系統在碰撞方向上不受約束，所以得到的位移是保險杠的變形與保險杠在碰撞方向上的位移之和。

圖3　不同時刻保險杠系統的位移云圖(正面碰撞)

圖4　不同時刻保險杠系統的位移云圖(角度碰撞)

2.1　碰撞能量分析

擺錘碰撞器的質量是1 595kg，當擺錘碰撞器以8.0km/h和4.8km/h的速度撞擊前保險杠系統時，整體碰撞能量曲線如圖5所示。

圖5　整體碰撞能量曲線

由圖可知，總能量曲線幾乎水平，說明碰撞前后能量基本守恒。正面碰撞時初始總能量為3 938.34J，內能最大為1 945.22J，占總能量的49.39%；角度碰撞時初始總能量為1 417.04J，內能最大為643.75J，占總能量的45.43%；兩種工況下保險杠均吸收了將近一半的能量，因此可知此保險杠系統整體吸能特性較好。

另外兩種工況下沙漏能和滑移界面能均小于總能量的5%，而且曲線平滑性較好，無突變現象，因此可說明本模型的計算結果較為精確，可信度較高。

2.2　碰撞器加速度

正面碰撞和角度碰撞時碰撞器加速度和碰撞力曲線如圖6和圖7所示，很明顯，兩種工況下加速度曲線和碰撞力曲線走勢幾乎完全一致。根據力的計算公式F=ma，其中F為碰撞器碰撞力,m為碰撞器質量,a為碰撞器加速度，碰撞器質量與“整車整備質量”一致，即為1 595kg，計算得正面碰撞時Fmax1=68.31kN,角度碰撞時Fmax2=88.00kN，理論計算與仿真計算所得結果相對誤差分別為0.10%和0.40%，由此可說明仿真結果是可信的。

2.3　碰撞器侵入量

本模型正面碰撞時碰撞器的許用侵入量L1=215mm，角度碰撞時碰撞器的許用侵入量L2=170mm。因汽車在碰撞方向上不受約束，所以為得到碰撞器的實際侵入量，要減去碰撞器隨汽車的位移，最后得到的實際侵入量曲線如圖8所示。正面碰撞時最大侵入量為λmax1=133.76mm，角度碰撞時最大侵入量為λmax2=94.34mm，均小于許用侵入量，因此保險杠起到了較好的保護作用。

圖7　碰撞器碰撞力

2.4　保險杠橫梁的變形量

正面碰撞時，為了保證散熱器、發動機等結構的完整性，一般要求橫梁的最大變形量Dmax不能超過其與這些重要結構的最小距離L3=50mm。角度碰撞時，因橫梁繞一端轉動，對橫梁的最大變形沒有要求。

最后得到的保險杠橫梁的實際變形量如圖9所示，正面碰撞時，隨著碰撞的進行，蒙皮與泡沫先產生壓縮變形，到50ms之后，橫梁受到泡沫的擠壓作用開始產生明顯的變形，在80ms左右橫梁的變形量達到最大，其最大值為10.98mm，隨后碰撞器與保險杠開始分離，橫梁的變形開始回彈，到115ms左右時，變形量維持在5.09mm左右，不再有顯著變化，說明橫梁產生了部分塑性變形，且占了總變形量的46.36%，這不利于碰撞后的維修，所以需要進一步改善。

圖9　保險杠橫梁變形量(正面碰撞)

2.5　碰撞器和車體速度

隨著碰撞的進行，碰撞器的速度將減小，汽車的速度將增大，擺錘的一部分動能將轉化為汽車的動能，碰撞器和汽車的速度變化反映了保險杠系統的碰撞性能，可以用恢復系數e表示[7]：

(1)

式中：U1，U2分別為碰撞器和車體碰撞后的速度；V1，V2分別為它們碰撞前的速度。e越接近于1，說明保險杠系統的彈性變形越大，碰撞后恢復能力越好。

碰撞器與車體速度變化曲線如圖10所示。由圖可知，正面碰撞時碰撞器的初始速度為2.22m/s，車體初始靜止，隨著碰撞的進行，碰撞器的速度逐漸降低，車體的速度逐漸增加，在80ms左右時，碰撞器的速度與車體的速度一致，碰撞器侵入量最大，直到115ms左右時，碰撞器與車體速度趨于穩定，此時的碰撞器速度為0.65m/s，車體速度為1.56m/s，根據式(1)計算可得恢復系數e1=0.41；同理可求得角度碰撞時的恢復系數e2=0.32。由此可知，保險杠塑性變形較大，碰撞后恢復能力一般，不利于碰撞后汽車的維護，后續需要進行改進。

圖10　碰撞器與車體速度

3　前保險杠安全性能改進

由以上分析可知，雖然此保險杠系統低速碰撞時耐撞性較好，但是碰撞后恢復能力較差，塑性變形較大，不利于汽車的維護，另外還要考慮汽車的輕量化，所以綜合考慮后對保險杠橫梁的材料和厚度提出兩種方案進行改進：第一種方案選取某超高強度鋼，其屈服強度為1 000MPa，橫梁厚度由原來的2.5mm減為1.5mm；第二種方案選取某鋁合金，其屈服強度為480MPa[8]，橫梁厚度為2.5mm。

將改進后的模型進行仿真計算，最后得出改進前后的主要指標值見表3和表4。可以看出，改進后兩個方案碰撞器侵入量和橫梁最大變形量雖略有增加，但仍然在許用范圍內，滿足要求；總吸能變化很小，但是方案一質量下降了21.00%，方案二質量下降了34.35%，因此在正面碰撞和角度碰撞兩種工況下方案一比吸能分別增加了26.35%和31.47%，方案二比吸能分別增加了52.55%和60.07%，達到了汽車輕量化的目標；兩種工況下方案一恢復系數分別增加了21.95%和96.88%，而方案二的恢復系數分別增加了14.63%和0%，即方案二在角度碰撞時恢復系數并沒有改變，但綜合來說兩種方案都提高了保險杠碰撞后的恢復能力。

表3　改進前后主要指標值(正面碰撞)

表4　改進前后主要指標值(角度碰撞)

綜合考慮保險杠的恢復能力和汽車的輕量化，方案一相比另外兩個方案來說更好，因此選用方案一，此時保險杠質量降低了21.00%，兩種工況下的恢復系數分別增加了21.95%和96.88%，既滿足法規要求，又極大地提高了保險杠碰后恢復能力，而且還考慮了輕量化。

4　結束語

本文基于比中國GB 17354—1998更為嚴格的法規——加拿大CFVSS215對某乘用車保險杠系統進行低速碰撞仿真分析，從吸能情況、對后部車體的保護和碰撞后恢復能力3方面進行評價，結果發現雖然低速耐撞性較好，能很好地保護后部重要部件，但是碰撞后恢復能力一般。因此對原保險杠橫梁材料和厚度提出了兩種改進方案，分析發現，方案一各方面性能更好，不但極大地提高了碰撞后恢復能力，而且實現了輕量化。但是還有一些不足，沒有進行實車驗證，后續需要根據實驗數據作出調整。

參考文獻：

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[4]鐘志華, 張維剛,曹立波.汽車碰撞安全技術[M].北京: 機械工業出版社, 2003.

[5]胡遠志, 曾必強,謝書港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽車安全仿真與分析[M].北京: 清華大學出版社, 2011.

[6]張振明.變厚度復合材料汽車防撞梁優化設計研究[D].長沙:湖南大學,2014.

[7]許瑩瑩. 基于低速碰撞和行人腿部保護的前保險杠系統研究[D].長沙:湖南大學, 2011.

[8]HOSSEINZADEH R, SHOKRIEH M M, LESSARD L B. Parametric study of automotive composite bumper beams subjected to low-velocity impacts[J]. Composite Structures, 2005, 68: 419-427.