某商用車后下防護裝置有限元強度分析

鄭龍月，王吉忠，呂林

(青島理工大學機械與汽車工程學院，山東青島 266520)

0 引言

隨著時代的進步和科技的發(fā)展，汽車已經(jīng)步入人們的日常生活中[1]。隨著汽車保有量的增多，交通事故也逐年增加。據(jù)調查，追尾事故在交通事故中發(fā)生的比例最高，其中在追尾事故中傷害程度最大、數(shù)量最多的為小轎車與商用車之間的碰撞。因此，本文作者對某商用車后下防護裝置在碰撞過程中的強度進行研究，對現(xiàn)有的后下防護裝置結構作進一步改進[2]，以提高汽車的被動安全性和乘員的乘車安全性。

1 法規(guī)要求與邊界條件

文中所研究的后下防護裝置以車輛縱向中心平面為軸對稱。根據(jù)法規(guī)中的有關規(guī)定，若汽車的后下防護裝置滿足上述要求，在兩點和三點靜態(tài)加載試驗中可以只研究后防護裝置中同一側的三個點。

1.1 加載點位置的確定

靜態(tài)加載試驗分為兩點加載和三點加載。分別設加載點位置為P1、P2、P3，加載點位置如圖1所示。兩點加載時，兩作用點P2之間的距離應為700～1 000 mm，且兩作用點相對于后下部防護裝置縱向中心線對稱。三點加載時，點P1距離車輛后軸車輪最外端(300±25) mm；點P3位于P2兩點連線之間，并且處于車輛中心垂直平面上[3]。

圖1 加載點位置示意

1.2 試驗載荷的確定

兩點加載時，每點加載力為100 kN或者相當于車輛最大設計總重力50%的水平載荷，試驗時取兩者的較小值。三點加載時，每點加載力為50 kN或相當于車輛最大設計總重力25%的水平載荷，試驗時取兩者的較小值。

該模型中車輛的總重力為4 500×9.8 N，兩點加載時，車輛總重力的50%為2 250×9.8 N，約為22.5 kN，小于100 kN，取靜態(tài)加載載荷為22.5 kN；三點加載時，車輛總重力的25%為1 125×9.8 N，約為11.25 kN，小于50 kN，取靜態(tài)加載載荷為11.25 kN。

2 仿真模型的建立

2.1 幾何模型

根據(jù)車輛的結構和法規(guī)中對于加載裝置的規(guī)定，應用CATIA軟件建立了后下防護裝置和加載裝置的幾何模型，如圖2所示。

圖2 后下防護裝置幾何模型

該模型由支架、縱梁、尾梁、橫梁和加載裝置五部分組成。其中支架與縱梁、縱梁與尾梁之間用螺栓連接，支架與橫梁之間采用焊接連接。

2.2 有限元模型

對后下防護裝置建立有限元仿真模型，如圖3所示，該模型共有69 998個單元，實體單元69 484個，殼單元514個，單元尺寸選擇5 mm。

圖3 后下防護裝置有限元模型

2.3 模型材料的選擇

模型材料的選擇決定了仿真效果的真實性，為該模型在LS-DYNA中選擇的材料卡片為MATL1、MATL20、MATL24。支架和橫梁之間的焊接選用的材料卡片為MATL1。支架和橫梁應具有阻擋、吸能和緩沖的作用，應為線性彈塑性材料，即材料達到屈服極限后，應力應變曲線由多線段組成，故支架和橫梁的材料卡片為MATL24，設選用的材料為A。縱梁和尾梁選用的材料卡片也為MATL24，但由于部件的功能不同，材料的參數(shù)也各有差別，設選用的材料為B。由于材料的應力應變曲線等參數(shù)屬于商業(yè)機密，給出部分A與B材料參數(shù)，如表1所示。

表1 A與B材料參數(shù)

3 后下防護裝置優(yōu)化設計與強度分析

3.1 優(yōu)化后的后下防護裝置介紹

在后下防護裝置的靜態(tài)加載試驗過程中，發(fā)生變形的主要部件為支架與橫梁，因而對支架和橫梁的結構加以改進，可以使后下防護裝置在碰撞過程中更好地起到防護的作用。

考慮經(jīng)濟原因，在基本不改變原方案的基礎上對橫梁進行優(yōu)化設計[4]。在橫梁橫截面尺寸100 mm×50 mm不變的基礎上，橫梁厚度由原來的2 mm增加至3 mm。改進后的橫梁截面如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的橫梁

3.2 強度仿真分析

將HyperMesh中處理好的有限元文件導入LS-DYNA中求解計算。

圖5、圖6、圖7分別為原方案兩點加載P2和三點加載P1、P3的后下防護裝置的橫梁與支架的受力云圖。可知：在兩點加載和三點加載的方式下，后下防護裝置所承受的最大應力值分別為523、457、339 MPa。由制造商提供的后下防護裝置的材料參數(shù)(表1)可知：加載點為P1、P2時的后下防護裝置的最大受力均超過了屈服極限。若隨著靜態(tài)加載試驗的繼續(xù)進行，此裝置可能會出現(xiàn)斷裂或者永久變形，在發(fā)生小轎車追尾商用車的事故時，小轎車很容易發(fā)生鉆撞現(xiàn)象，不利于汽車的行駛安全性與乘員的乘車安全性，所以需要對后下防護裝置進行優(yōu)化設計。

圖8、圖9、圖10分別為優(yōu)化方案兩點加載P2和三點加載P1、P3的后下防護裝置的受力云圖[5]。可知，在兩點加載和三點加載的方式下，后下防護裝置所達到的最大應力值分別為352、330、287 MPa，兩點加載和三點加載下后下防護裝置的最大應力值均相應減少，且均沒有超過后下防護裝置的屈服極限。表明優(yōu)化后的后下防護裝置滿足了法規(guī)要求，在發(fā)生追尾碰撞時能夠在一定程度上阻止鉆撞事故的發(fā)生，提高了汽車的被動安全性。

優(yōu)化前后的后下防護裝置最大應力改善幅度如表2所示。

表2 最大應力改善幅度

4 結論

根據(jù)法規(guī)中的要求，利用CATIA和HyperMesh建立后下防護裝置的幾何模型與有限元模型，進行了靜態(tài)加載試驗。在原方案的基礎上，對后下防護裝置的橫梁進行了厚度改進，并將優(yōu)化前后的后下防護裝置的最大應力值進行對比分析[6]。根據(jù)靜態(tài)加載的仿真結果，利用計算機仿真技術進行汽車的強度分析可以完善汽車的結構設計，從而提高汽車的被動安全性能。