基于HyperMesh的泡沫鋁填充防撞梁仿真研究

薛海濤

【關鍵詞】正面碰撞;防撞梁;泡沫鋁填充

【中圖分類號】U463.834 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）10-0034-03

汽車的防撞梁需要保護整車的零部件和乘客安全，汽車行業對防撞梁的設計都非常重視，科研人員都在想方設法地提升其碰撞吸能性能[1-3]。當發生真正的碰撞工況時，防撞梁吸收的沖擊能量越多，車內的乘客受到的損傷越小，因此汽車的防撞梁的吸能效果直接影響整車的碰撞效果。本文從防撞梁的吸能效果出發，基于HyperMesh軟件，對防撞梁進行分析設計，并基于傳統防撞梁的結構特點，引入泡沫鋁結構對傳統防撞梁進行填充，提升防撞梁的碰撞吸能表現。

1 防撞梁介紹

前防撞梁在正面碰撞中，起到吸收能力與保護乘客安全的作用，是保險杠系統的重要組成單元，其結構的吸能效果將直接影響汽車碰撞星級標準與安全性能[4]。圖1所示為前防撞梁所在汽車前部的位置，從圖1中可知，防撞梁基本在正面碰撞中是第一個與沖擊物體進行接觸的車體結構，其對汽車內部零部件的保護和車內乘員安全的保護都非常重要。

2 基于HyperMesh的防撞梁的有限元建模

本文通過使用有限元的手段對防撞梁進行分析設計。有限元方法已經被證明是一種非常有效的方法驗證沖擊載荷下能力吸收能力及結構變形，可以有效減少制造及實驗中的測試次數，大幅度提升解決機械工程中的問題的效率。目前對保險杠性能的研究，已經普遍使用有限元手段進行分析。HyperMesh軟件是美國Altair公司開發的產品，集成了分析與設計的各種工具，具備良好的性能設計和友好的用戶界面的CAE應用軟件包。HyperMesh具備強大的有限元網格劃分處理功能，在CAE分析中，有限元模型的建立占據整個CAE分析80%的時間。HyperMesh軟件支持已有的三維CAD模型的直接導入且導入的效率及數模質量都非常高，可以大大減少工作量，因此本文的分析中，使用HyerMesh軟件進行有限元建模。

圖2所示為某車型的防撞梁模型，重量為19.6 kg的落錘通過5 m/s的恒定壓潰速度撞擊防撞梁中部區域，防撞梁厚度為2 mm，其基體材料為鋁合金AA6063-T6，材料的主要參數彈性模量為73 GPa，密度為2 700 kg/m3，泊松比為0.3。在整個防撞梁的有限元模型中，利用殼單元對模型進行網格劃分。在整個有限元的分析模型中，防撞梁與落錘采用自動面面接觸避免產生穿透現象，前縱梁區域所有后部節點均約束6個自由度，并采用自動的單面接觸算法模擬內部所有的接觸關系。動摩擦系數與靜摩擦系數分別為0.2與0.3。某車型“日”字形防撞梁的有限元模型如圖2所示。

3 泡沫鋁填充防撞梁結構

泡沫鋁是在鋁合金通過發泡工藝形成的產品，同時具備金屬與氣泡特征，具備密度小、高吸能、抗沖擊能量強等良好的物理力學性能。泡沫鋁優異的性能使得其在材料與工業領域具備良好的應用前景，已經在汽車行業進行一定程度的應用，并取得良好的應用效果[5-7]。本文基于泡沫鋁良好的力學性能，提出泡沫鋁填充防撞梁，通過將泡沫鋁填充至“日”字形防撞梁中形成新的泡沫鋁填充防撞梁。對比其與原始防撞梁的吸能表現，并為車型實際開發提供進一步的參考。如圖3所示，左邊為原始車型設計中的“日”字形防撞梁，右邊是根據原始“日”字形防撞梁的尺寸，在原防撞梁中加入泡沫鋁填充材料形成的泡沫鋁填充防撞梁，兩者所受的工況一致。

3.1 防撞梁能量吸收評價指標

對防撞梁的能量吸收能力進行對比是非常有必要的，通過定量指標可以有效進行能量吸收效率的對比。在本研究中，通過使用總能量吸收EA進行防撞梁與能量吸收的對比。防撞梁吸收的總能量是指整個防撞梁在碰撞過程中利用塑性形變吸收的總的能量，F（x）表示碰撞力，其表達式如下：

3.2 不同防撞梁變形模式

圖4所示為不同防撞梁在碰撞過程中的變形對比。從圖4中可以看出，原始防撞梁與泡沫鋁填充防撞梁的變形模式總體上保持一致。兩種防撞梁的變形均是從落錘與防撞梁的接觸的地方開始產生形變，并隨著碰撞的時間增加而使相應的形變增加，并慢慢地產生凹槽。從圖4中可看出，沖擊能量的耗散正是通過防撞梁結構的塑性變形進行耗散的，并隨著塑性變形的幅度變大，其吸收的能量也越多。相比原始防撞梁，泡沫鋁填充防撞梁雖然在變形模式上差不多，但是泡沫鋁填充防撞梁最后的形變位移相對更小。

3.3 不同防撞梁碰撞表現

圖5所示為防撞梁在碰撞過程中的應力云圖，從圖5中可以看出，原始防撞梁與泡沫鋁填充防撞梁的應力集中位置基本一致，應力較大的地方主要分布在落錘與防撞梁接觸的位置和前縱梁與防撞梁連接的地方，這兩類地方均出現明顯的變形內凹。值得一提的是，雖然應力集中的區域原始防撞梁與泡沫鋁防撞梁出現的區域一致，但是依然可以從圖5中看出，泡沫鋁填充防撞梁后面的前縱梁區域所受的應力區域相對較小，意味著這個泡沫鋁填充防撞梁可以有效保護后面前縱梁區域，進而增強了對汽車部件的保護。

圖6所示為不同防撞梁在碰撞過程中能量吸收隨時間變化的對比，從圖6中可以看出，泡沫鋁填充防撞梁的總的吸能趨勢與原始防撞梁的吸能趨勢基本保持一致，在碰撞時間為6 ms時，泡沫鋁填充防撞梁吸收的能量為501 J，而原始防撞梁吸收的能量為475 J，在碰撞工況一致的情況下，泡沫鋁填充防撞梁的能量吸收比原始防撞梁高出5.5%。當碰撞時間為12 ms時，泡沫鋁填充防撞梁比原始防撞梁高出54 J。當碰撞時間為18 ms時，泡沫鋁填充防撞梁高出73 J。因此，從碰撞分析結果來看，泡沫鋁填充防撞梁可以大大提升防撞梁的能量吸收能力和有效保護汽車部件。

通過對原始泡沫鋁填充防撞梁與原“日”字形防撞梁進行對比可知，泡沫鋁填充防撞梁在碰撞工況一致的情況下，可以有效提升結構的碰撞能力，保護整車的結構，提升車型的碰撞表現。

4 總結

在汽車的碰撞中，保險杠系統中的防撞梁可以通過塑性變形有效地降低碰撞沖擊，是汽車安全碰撞結構中非常重要的布局。本文從工程實際出發，著力提升防撞梁的吸能效果，基于HyperMesh軟件對防撞梁進行分析設計，并基于傳統防撞梁的結構特點，引入泡沫鋁結構對傳統防撞梁進行填充，提升防撞梁的碰撞吸能表現。通過分析對比發現，泡沫鋁填充防撞梁通過變形可以有效地降低后面前縱梁的變形，并在碰撞過程中吸收更多的能量，可以有效地提升汽車的碰撞表現，本文的研究為防撞梁的設計開發提供了新的思路。

參 考 文 獻

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