ABAQUS剛性分析在乘用車保險(xiǎn)杠輕量化上的應(yīng)用

付赫濤

摘要：為降低保險(xiǎn)杠產(chǎn)品重量，基于ABAQUS建立輕量化結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)杠產(chǎn)品的剛性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?yàn)證輕量化乘用車保險(xiǎn)杠產(chǎn)品的剛性實(shí)驗(yàn)性能，從而為進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品重量，改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提供參考指標(biāo)。

Abstract： In order to reduce the weight of bumper products， a rigid experimental model of lightweight structural bumper products was established based on ABAQUS to verify the rigid experimental performance of lightweight passenger car bumper products， so as to provide reference indicators for further optimizing product weight and improving product structure.

關(guān)鍵詞：ABAQUS;剛性分析;保險(xiǎn)杠;輕量化

Key words： ABAQUS;rigidity analysis;bumper;lightweight

中圖分類號：U462? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0039-02

0? 引言

近期，隨著霧霾等空氣環(huán)境污染的加劇，我國汽車工業(yè)的發(fā)展面臨著環(huán)保問題的巨大壓力，而輕量化技術(shù)有助于節(jié)能減排、提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、降低尾氣排放、降低油耗、降低整車成本，是各車企對零部件供應(yīng)商的迫切要求。今天的乘用車保險(xiǎn)杠，是由PP（聚丙烯）材料注射成型，再經(jīng)涂裝、裝配等工序生產(chǎn)完成的塑料蒙皮制品，其壁厚決定了產(chǎn)品的重量。傳統(tǒng)保險(xiǎn)杠蒙皮壁厚一般為3mm左右，總重量在8kg左右。進(jìn)入21世紀(jì)，日本汽車制造商為降低整車重量和成本，率先研究塑料保險(xiǎn)杠薄壁化技術(shù)，經(jīng)過多年努力，平均壁厚降低至2.5mm以下，較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的保險(xiǎn)杠蒙皮減重16%，成果斐然。總體來說，薄壁化保險(xiǎn)杠較傳統(tǒng)保險(xiǎn)杠有以下優(yōu)勢：

①重量輕;

②成型生產(chǎn)節(jié)拍降低，從而降低生產(chǎn)成本;

③壁厚方向收縮率較小。

但到現(xiàn)在為止，國內(nèi)尚未普及這種技術(shù)，這是因?yàn)榇嬖谝韵嘛L(fēng)險(xiǎn)和難度：保險(xiǎn)杠不僅僅起到裝飾作用，它也是吸收和緩和外界沖擊力、保護(hù)車身及行人安全的保護(hù)裝置。國家標(biāo)準(zhǔn)和各主機(jī)廠對保險(xiǎn)杠的剛性、回彈性能、低速碰撞性能、行人保護(hù)、震動(dòng)性能、模態(tài)等指標(biāo)都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。其中，剛性是非常重要的力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。如何在降低壁厚和產(chǎn)品重量的同時(shí)，保證剛性指標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)？本文探討基于ABAQUS軟件，建立輕量化結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)杠產(chǎn)品剛性實(shí)驗(yàn)仿真模型，驗(yàn)證輕量化保險(xiǎn)杠的剛性實(shí)驗(yàn)性能，從而為進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品重量，改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提供參考指標(biāo)。

1? 客戶剛性標(biāo)準(zhǔn)

不同的車企，對保險(xiǎn)杠表面剛性的要求不盡相同。以某車企對保險(xiǎn)杠表面剛性為例，要求如表1所示。

2? ABAQUS靜力接觸分析模型

計(jì)算模型包括后保險(xiǎn)杠面罩本體、兩側(cè)側(cè)翼支架。整個(gè)模型總成包含殼單元網(wǎng)格99726個(gè)，平均網(wǎng)格尺寸4mm。

保險(xiǎn)杠模型的壁厚，可在ABAQUS軟件中，分別設(shè)置不同的集合定義不同區(qū)域的壁厚。以下為本次驗(yàn)證的輕量化壁厚設(shè)置方案，不同的受力位置，設(shè)置為不同的壁厚，以求降低保險(xiǎn)杠的總體重量。

3? 材料參數(shù)

保險(xiǎn)杠面罩采用PP材質(zhì)，密度1.09E-09 t/mm3，泊松比：0.35，彎曲彈性模量1640MPa;左/右側(cè)支架采用POM 材質(zhì)，密度1.40-09t/mm3，泊松比：0.39，彎曲彈性模量2773MPa。材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（圖3）

4? 剛性實(shí)驗(yàn)仿真及其結(jié)果

剛性仿真采用Standard求解器，進(jìn)行模擬接觸分析。要注意的是，實(shí)驗(yàn)位置需要通過三坐標(biāo)測量儀和仿真位置進(jìn)行校準(zhǔn)。（表2）

5? 結(jié)論

根據(jù)剛性實(shí)驗(yàn)和仿真的結(jié)果可以看出，如圖2所示的輕量化壁厚設(shè)置方案，可以滿足剛性實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。但是，保險(xiǎn)杠產(chǎn)品需要滿足的標(biāo)準(zhǔn)不只是剛性實(shí)驗(yàn)，還包括回彈性能、低速碰撞性能、行人保護(hù)、震動(dòng)、模態(tài)等指標(biāo)的要求，因此需要進(jìn)行多個(gè)種類的實(shí)驗(yàn)和仿真。我們可以利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對CAE分析結(jié)果進(jìn)行校核，反過來又不斷提升了CAE分析的準(zhǔn)確性，逐步建立起結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-CAE仿真-實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證-改善的良性循環(huán)，降低驗(yàn)證時(shí)間與成本，提升研發(fā)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝暉，唐澤皓，王杭燕，等.基于耐撞性能的保險(xiǎn)杠輕量化研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2020，27（03）：87-93.

[2]申健，李強(qiáng).基于汽車輕量化技術(shù)的保險(xiǎn)杠低速碰撞分析[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2019（40）：28.

[3]陳光，路深，趙紫劍，等.CFRP十二直角薄壁梁保險(xiǎn)杠的輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車工程，2019，41（2）：232-238.