基于Hyperviews在汽車前保險杠中的有限元分析及優化

張文韜

摘要：根據汽車的正面碰撞特性，應用有限元模擬技術，通過利用ANSA軟件建立某汽車前保險杠與正面剛性墻的碰撞模型，并用顯式動力學分析軟件LS-dyna求解器求解該模型，最后基于Hyperviews軟件進行保險杠強度的動態分析，得到相應部件應變力的應變云圖，對薄弱部分提出更改建議并驗證其可行性，為整車碰撞分析提供參考。

關鍵詞：前保險杠;碰撞;有限元分析

中圖分類號：U463.326? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0055-02

0? 引言

汽車是伴隨著工業文明而出現的，是工業文明的標志之一，繼蒸汽汽車之后，燃油汽車和電動汽車先后誕生，汽車保有量日益增加，交通事故也不斷出現。由此可見，關于汽車的行駛安全正在被大家廣泛關注，因此對于如何將被動安全性能提高，在標準法規內，最大程度的減少駕駛人員和行人的傷害成為汽車有限元分析中的重要課題。

據調查數據顯示正面碰撞發生的幾率是所有交通事故中最高的，并且前保險作為在碰過程中承擔吸能和承載的主要部件，對于提高整車碰撞性能有非常重要的意義。

由于碰撞過程非常短，而表現的結構非線性和材料非線性又非常復雜且始終伴隨動態接觸[1]，因此本文采用有限元分析理論和顯式算法相結合來研究汽車前保險杠的碰撞性能，在滿足法規的前提下對前保險杠進行優化改進，為以后的整車碰撞分析提供參考。

1? 接觸碰撞分析的基本過程

當發生碰撞時，垂直于接觸界面的速度是瞬時不連續的，沿界面的切向速度也是不連續的[2]，這些特點會給基于離散方程進行的時間積分帶來問題。針對這一問題，本文采用LS-dyna顯式動力學分析軟件對保險杠和剛性墻進行受力狀況的求解。為降低計算機求解時間，導入的CATIA整車模型只保留由橫梁，吸能盒支架組成的保險杠系統，然后將三維模型導入ANSA軟件中進行離散化網格劃分，并對網格賦予材料、厚度、重量等屬性，不同部件之間采用焊點鏈接，建立剛性墻，生成K文件，遞交LS-dyna求解器進行求解計算，最后將計算結果導入Hyperviews中進行計算結果的后處理。

1.1 搭建保險杠和剛性墻的有限元模型

將保險杠系統相關部件的CATIA模型導入ANSA軟件中進行網格劃分，網格尺寸選用10mm，由于保險杠屬于鈑金件，所以使用BT殼單元劃分網格;材料為低碳鋼板，對應材料編號為MAT24，該材料的本構關系如式（1）所示為：

（1）

式中：為屈服應力;為有效塑性應變;C、p為材料常數，通過設置C值和p值可以求取其動態應力應變關系，針對本文的低碳鋼，可取C=40、p=5。

剛性墻由于定義為不可壓縮，不可變形，該結構部件的相對位置保持不變。因此，使用MAT20材料模型。

1.2 沙漏控制

考慮到計算時間，為了提升計算的效率，絕大部分積分計算一般采用部分積分類型來進行計算。因此，在采用部分積分過程中有可能出現沙漏，當出現的沙漏問題較嚴重時則會導致模型的能量不守恒，影響了模型的計算精度甚至導致其計算結果的可信度降低，所以必須對計算沙漏進行相關控制。其中，沙漏控制分為兩種一個是對單個件的局部沙漏控制，另外一個是對整體的總體沙漏控制兩種[3]。

1.3 時間步長控制

時間步長為每一步有限元積分的時間長度[4]。顯式中心差分法的穩定性決定于時間長度，如果積分步長大于則會發生計算不穩定，導致計算精度迅速下降。其中為系統阻尼比，為系統最大固有頻率。

其中板殼單元的最大穩定時間步長為：

（2）

Ls為單元的特征長度，ρ為質量密度，E為彈性模量。

1.4 接觸定義

通過罰函數因子來計算得到接觸反力的大小，實現阻止相關節點對面的穿透。但存在著罰剛度過大可導致迭代次數增加，甚至引起剛度矩陣病態的問題，所以在選擇罰剛度時不能過大，應該是逐漸增長的，取結果穩定后的最小值[5]。

由于保險杠各部件之間的鏈接均為點焊連接，在ANSA軟件中通過關鍵字SPOTWELD模擬點焊連接;在此碰撞過程中，不考慮車身位移，因而為了節省計算時間，將車身簡化為一個剛性面，對車身剛性面和保險杠支架支撐處的六個自由度進行約束，以模擬保險杠和車體的鏈接。將保險杠橫梁和吸能盒厚度均設置為1.8mm，行駛初速度設置為4m/s，碰撞時長設置為100ms，完成模型搭建工作，提交LS-dyna進行求解計算。最終搭建的保險杠與剛性墻模型如圖1所示。

2? 保險杠撞擊剛性墻的分析結果

汽車在猛烈的撞擊中，沖擊力非常大，響應時間也非常短，保險杠各個部件的位移量、速度、加速度都發生了較大的變化。本次分析計算最終求解時間為2.5h，碰撞時長為100ms，利用Hyperviews后處理軟件得到圖2在不同時間段內，保險杠橫梁和吸能盒的變形狀況。

由應力應變云圖可知，在發生碰撞的瞬間，保險杠橫梁產生了較大的塑性形變，同時，該材料的屈服應力極限不足以支撐吸能盒變形的局部應力，也消耗了碰撞所產生的巨大能量，降低了整車動能。這種情況下，對汽車翼子板、車燈、前機罩、白車身以及乘員安全都有較大的影響。所以，為了充分發揮保險杠系統的吸能效果，有必要對其部件的相關參數進行調整，提高保險杠系統的吸能效果和碰撞特性。

3? 優化及驗證

本文針對汽車前保險杠的優化分析，目的在于保護其后面的汽車零部件如發動機、翼子板、機罩等不受損害，保護駕駛人員和乘員不受傷害。因此，在碰撞發生的過程中，應使吸能盒的壓潰吸能盡可能多的吸收碰撞時所產生的能量，提高被動安全性能。

此次優化以保險杠橫梁和吸能盒的壁厚作為優化參數，取橫梁中下端第4154個節點相對于吸能盒末端即車體剛性面的相對位移為參考指標，分析在三種不同壁厚的情況下，保險杠的吸能狀況，三種方案，：case01橫梁壁厚1.5mm，吸能盒壁厚1.5mm，相對位移最大值171.329mm;case02：1.5mm，2.5mm，105.115mm;case03：2.5mm，2.5mm，102.945mm。

仿真結果在HyperGraph2D中可以得到相應節點位移、時間和吸能、時間的歷程曲線，如圖3、圖4所示。

由三種方案可知，case01中的最大相對位移為171mm，case02和case03中的相對最大位移相差不多，遠小于case01;從圖4可以看出case02和case03的吸能效果相差不大，而case03中的橫梁壁厚要比case02厚1mm，從車體輕量化和吸能效果的綜合考慮來看，選用case02中的壁厚參數最為合理。

4? 結語

①本文利用前處理軟件ANSA和顯式動力學分析軟件LS-DYNA聯合建模，通過Hyperviews后處理軟件進行優化分析，得出最優化保險杠壁厚參數，既提高了吸能盒的吸能效果，又保證了整車體的輕量化，縮短了設計周期，減小了實驗次數，為以后整車碰撞分析提供了重要的參考價值;②首次采用ANSA前處理軟件進行建模工作，在網格劃分，建立接觸等方面的優越性要強于傳統建模軟件，但在分析后的結果處理方面有明顯不足;③在本次論文中提到的保險杠系統的改進中，只做了對原本數模參數的更改，并沒有對數模本身進行修改，在實際的企業級項目中，需要與相關設計人員進行協調，達到更理想的效果。

參考文獻：

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