基于LS-DYNA汽車前防撞梁仿真分析及其結構優化

李家順

（200082 上海市 上海理工大學 機械工程學院）

0 引言

碳纖維復合材料密度小、質量輕，具有較高的比強度、比剛度、比模量及可設計性，又因其具有耐腐蝕、抗疲勞、耐磨損、使用壽命長等力學性能，已經在航空航天領域取得非常廣泛的應用。但其成本高，原材料供應受限，制備工藝復雜。隨著近些年復材相關制備工藝的改進，復合材料成本有所下降，復合材料得以應用到各行各業[1]，汽車零部件的碳釬維保險杠就是其中之一，它對實現汽車輕量化有著非常顯著的效果。

針對低速碰撞下提高汽車前碳纖維保險杠的碰撞性能方面的研究主要分為2 部分：一是通過研究復合材料的機理，開發新型復合材料以獲取到更好的力學性能材料，以此來提高其碰撞性能。例如，何健[2]等通過研究 GMT 復合材料作為新型保險杠材料，不僅減重效果較好，而且碰撞性能優越。Bambach[3]通過對碳纖維復合材料在保險杠方面的應用做了研究，認為在汽車輕量化方面復合材料有很高的研究價值；二是基于材料模型對防撞梁進行優化。由于碳纖維特殊的力學特性，它既是材料又是結構，其鋪層方式和截面厚度得到國內外學者的廣泛研究。如文獻[4]、文獻[5]、文獻[6]等采取了鋪層優化和截面厚度優化使得保險杠的防撞性能有所提高。仲偉東[7]等通過采用多目標優化來獲取最優的防撞梁碰撞性能。

根據以往研究情況發現，通過結構優化對于防撞性能的提升相較于鋪層優化和厚度優化來說更為明顯，如Davoodi M M[8]等研究一種新型防撞梁結構，以此來提高其碰撞性能。所以，本文主要通過優化結構來提高其防撞性能。為了保證其仿真結果的正確性，通過前期材料本構模型的構建，再到通過復合材料基本力學性能實驗與仿真對標。本文考慮到制備工藝，主要選取3 種結構方案，構建低速碰撞有限元模型，進行仿真分析并對結果進行對比，在輕量化效果差別不大的情況下，考慮到耐撞性能以及材料損傷情況，得出最優的防撞梁結構方案。

1 低速碰撞有限元模型

1.1 碳纖維復合材料防撞梁參數設計

為了保證原有安裝定位的準確性，整體尺寸采取原金屬防撞梁的尺寸參數，考慮到非均厚度截面會導致在碳纖維復合材料鋪層時出現斷層等現象，將會降低碳纖維夫復合材料的力學性能，同時也加大制備工藝難度，增加制備成本，本文中都采用均厚度截面。

汽車車身部件主要為鈑金件，由于汽車前保險杠防撞梁所受的力主要為拉伸以及彎曲載荷，尤其汽車正面低速碰撞試驗中，彎曲載荷是防撞梁主要的受力形式，因此，本文中采用碳纖維復合材料是通過使用等剛度（等彎曲剛度）原則設計來初步確定截面厚度[9]。

原防撞梁的截面形狀為“口”字形，所以其慣性矩為

式中：b——防撞梁的高度；h——防撞梁的厚度。

由式（1）可知，在載荷、原有長度、高度尺寸不變的情況下，影響撓度的主要因素是剛度EI 。當碳纖維選取同一截面“口”字形時，其慣性矩I 公式相同，已知原鋼制防撞梁的彈性模量E1=210 GPa，截面厚度h2=2 mm，所選用的T300 A12-U 性能參數如表1 所示。

表1 T300 A12-U 單向帶性能參數Tab.1 Performance parameters of T300 A12-U unidirectional tape

在等剛度原則下，碳纖維復合材料防撞梁的截面厚度h2為

根據近似等剛度計算得到所選用的碳纖維增強基復合材料T300 A12-U 的截面厚度，通過圓整，初步確定碳纖維復合材料防撞梁的截面厚度為2.4 mm。

1.2 低速碰撞有限元模型建立

1.2.1 網格劃分

對于本文中的碳纖維復合材料防撞梁的均壁厚為2.4 m，可以視為薄壁結構。目前，對于薄壁結構的通用做法是對薄壁構件抽取中面進行二維網格劃分，此做法可以大大提高計算效率，且與三維網格結果對比誤差不大。此次網格劃分的尺寸為5 mm，單元類型主要為四邊形殼單元（shell）和少量的三角形殼單元，單元個數為25 627 個，節點數量為26 943 個。

1.2.2 復合材料建模方法

LS-DYNA 中有關各向異性復合材料與一般的各向同性在材料卡片選擇以及建模方式上有所不同。而本文的各向異性材料，選擇LS-DYNA材料卡片模型庫中的mat55_54 材料作為本次碳纖維復合材料的本構模型，并通過力學性能實驗驗證其本構模型的正確性，通過輸入單層板的性能參數和鋪層角度，依據經典層合板理論，最終對碳纖維復合材料進行建模。

為確保鋪層角度的正確性，需要檢查單元坐標系保持一致，還要確保材料坐標系保持一致，即確定0°鋪層方向。依據笛卡爾坐標對不同鋪設角度進行鋪設。

1.2.3 其他設置

根據GB 17354-1998《汽車前、后端保護裝置》有關汽車前保險杠系統低速碰撞的規定以及相關要求，對于本次的低速碰撞只考慮正面碰撞工況。碰撞器為擺錘，擺錘以4 km/h 的速度碰撞，而擺錘的撞擊頭為高硬度鋼，在低速碰撞下位移很小，因此，對于本次低速正面碰撞假設其不會發生變形。在LS-DYNA 中用rigid 處理，材料卡片選用mat20 剛體材料。約束條件：將保險杠吸能盒尾部兩端約束13 456 方向的自由度。接觸設置：除了防撞梁前接觸面與擺錘之間設置為surface to surface，其他接觸設置為automatic single surface。

圖1 為建立的低速正面碰撞的有限元模型。

圖1 低速碰撞有限元模型Fig.1 Finite element model of low velocity impact

1.3 結構優化方案

考慮到前防撞梁復合材料加工工藝，以及鋪層工藝等影響因素，初步選定3 個結構方案，綜合考慮碰撞性能指標和減重情況，選取最優的防撞梁截面形狀。

方案1：完全仿制前鋼制防撞梁的截面形狀，即“口”字型截面來作為碳纖維復合材料防撞梁的結構，其優點是結構簡單，能夠很好地發揮復合材料優異的力學性能特性，制造工藝也相對簡單。

方案2：考慮到碳纖維復合材料承受橫向受載的能力不如其纖維方向的受載能力，而在汽車前保險杠正面低速碰撞時，主要受到橫向載荷的彎應力，為了增強其橫向載荷的負載能力，在“口”字型截面上加肋板以增加其抗彎強度。同時，考慮到肋板部分與防撞梁前斷面的接觸方式、鋪設工藝的可行性以及肋板形狀對防撞梁前端面的影響，采用“幾”字形狀的肋板截面形狀。

方案3：考慮到碳纖維復合材料防撞梁在碰撞時其中間部位易發生失效，為避免碰撞器與防撞梁中間部位的直接接觸碰撞，將碰撞力轉移至兩邊，減少集中應力導致的局部破壞，將前端面設計為凹型，后端面為凸形，還可以提高其抗彎強度。

通過CATIA 三維繪圖軟件，對3 種方案建立三維數模，如圖2 所示。

2 低速正面碰撞仿真分析結果對比

對汽車的碰撞性能評價指標主要有防撞梁吸能量、截面碰撞力峰值、最大侵入量等。對于本次采用的3 種方案，采用的評價指標主要有3 個，分別為吸能量、吸能盒的截面碰撞力峰值、擺錘的最大侵入量。

2.1 碰撞有限元位移云圖

從防撞梁的結果云圖（圖3—圖5）可以發現，方案1 的防撞梁中間部分已經發生斷裂情況，方案3 的小部分也有裂紋產生，方案2 無明顯損傷。本次碰撞仿真的方案主要為了提高其耐撞性能，對漸進損傷對碳纖維復合材料的多次碰撞的耐撞性能沒有考慮。

2.2 吸能量對比

圖2 結構三維數模圖Fig.2 3D digital model of structure

圖3 方案1 的位移云圖Fig.3 Displacement nephogram of Scheme 1

圖4 方案2 的位移云圖Fig.4 Displacement nephogram of Scheme 2

圖5 方案3 的位移云圖Fig.5 Displacement nephogram of Scheme 3

在LS-DYNA 低速碰撞仿真中，由于只考慮到用部件級碰撞代替整車碰撞，網格數量少，計算時間也相對較少，為保證仿真結果的準確性，在LSDYNA 的材料屬性中，采用16 號全積分類型，因此不會產生沙漏能。如圖6—圖8 所示，方案1中由于發生失效斷裂，導致產生了一部分接觸能，從而使總能量增加，在43 ms 時，發生了斷裂，其能量曲線出現突變情況。方案1 的最大吸能量為373.247 J，方案2 的最大吸能量為356.24 J，方案3 的最大吸能量為318.71 J，且由于方案3發生了漸進失效，導致能量曲線出現小幅波動情況。

圖6 方案1 的能量曲線圖Fig.6 Energy curve of Scheme 1

圖7 方案2 的能量曲線圖Fig.7 Energy curve of Scheme 2

圖8 方案3 的能量曲線圖Fig.8 Energy curve of Scheme 3

2.3 各方案的截面碰撞力值

圖9 中，碰撞力峰值最小的代表方案1，最大的代表方案2，中間的代表方案3。其中，方案1 的截面碰撞力峰值為7.87 N，方案2 的截面碰撞力峰值為14.09 N，方案3 的截面碰撞力峰值為11.41 N。從碰撞力曲線的走勢來看，方案1與方案3 都出現了比較大的震蕩現象，這是由于方案1 和方案3 不僅有碳纖維復合材料防撞梁的前期的彈性階段吸能，還包括其漸進損傷階段的吸能，由于漸進損傷對碳纖維復合材料防撞梁的性能產生影響，導致吸能盒碰撞力值不穩定。從圖中趨勢來看，方案3 在碰撞發生28 ms 左右已經發生漸進失效，方案1 則出現的時間略晚，在45 ms 時出現。方案2 整體上處在彈性吸能階段，因此吸能量比方案1、方案3 少。

2.4 擺錘侵入量

按照標準GB 17354-1998，擺錘最大侵入量不超過45 mm，否則會對汽車前車體造成損傷。方案1 中，擺錘在碰撞時間為83 ms 時，侵入量達到最大值45.159 mm；方案2 中，擺錘在40 ms 時達到最大值28.203 mm；方案3 中，擺錘在43 ms 時達到最大值30.737 mm。由擺錘的侵入量曲線趨勢可以看出，方案1 的擺錘在碰撞過程中一直侵入，在83 ms 時達到最大，而后緩慢減少；方案3 的擺錘在43 ms 時侵入量達到最大，這是由于在碰撞過程中一開始由于彈性吸能和漸進損傷吸能使得擺錘的侵入量達到最大，而后由于彈性形變吸能部分恢復形變將一部分能量還給擺錘，使得其侵入量減少。參見圖10。

圖10 擺錘侵入量對比圖Fig.10 Comparison of pendulum penetration

綜合考慮吸能量、截面碰撞力峰值以及擺錘的最大侵入量等碰撞參考指標如表2 所示。

表2 各方案碰撞參考指標Tab.2 Collision reference indexes of each scheme

方案1 雖然質量最輕為1.3 kg，但是在碰撞過程中已發生明顯的斷裂破環，且擺錘的最大侵入量也不滿足要求；方案2 和方案3 質量一樣，均為1.6 kg，最大擺錘侵入量相差不大，且都滿足要求。在吸能量方面，雖然方案2 的吸能效果比方案3 略差，其截面碰撞力峰值也略大，但是從能量曲線以及截面碰撞力曲線可以發現，方案3 已經發生了漸進失效，所以方案2 的碰撞性能則更好。因此，方案2 為最優結構方案。

3 總結

本文以某款鋼制前保險杠為研究對象，為實現其輕量化，使用新型碳纖維復合材料前汽車防撞梁方案來代替原鋼型防撞梁，在滿足低速安全碰撞性能并保證其原有尺寸和安裝方式的基礎上，提出了3 種結構方案，并在LS-DYNA 軟件中進行低速碰撞仿真，得到方案2 最優碰撞性能的前防撞梁結構。質量1.6 kg，最大吸能量356.24 J，截面碰撞力峰值14.09 kN，最大侵入量28.203 mm，且與原鋼制防撞梁相比，減重達到56.99%。減重效果顯著，且各碰撞性能滿足我國低速正面碰撞規定要求。在輕量化效果差別不大的情況下，該方法相對于鋪層優化、變截面厚度優化等常規優化方案來說，對于碰撞性能的提升尤為突出，且研發周期短。本文對碳纖維復合材料在保險杠方面的研發具有一定的指導意義。