汽车前保险杠碰撞过程动力学仿真与分析
涂文兵;何海斌;刘乐平;罗丫
【摘 要】The front bumper is the main energy-absorbing component in the frontal impact, which, to a large ex-tent, determines the crashworthiness and safety of a vehicle. Bad on the large deformation and nonlinear con-tact of front bumper in the process of vehicle collision, the finite element model of front bumper (including bumper, energy-absorbing box and longitudinal beam) colliding with the rigid wall were established. The piece-wi linear plastic material constitutive model and explicit dynamic finite element method were adopted to dy-namically simulate the process of collision and the deformation, energy changes and impact force curve of bumper, energy-absorbing box and longitudinal beam were obtained. The simulation results are in good agree-ment with the experimental results, which verifies the correctness of the finite element model. The rearch re-sults show that the inducing structure of slot type is easier to induce the fold deformation of longitudinal beam than that of the inducing structure of box type, and the impact force curve fluctuates with the fold def
ormation of longitudinal beam.%前保险杠是汽车正碰主要吸能部件,在很大程度上决定了汽车的耐撞性与安全性.针对汽车碰撞过程中前保险杠的大变形和非线性接触问题,建立了某款国产轿车前保险杠(包括:保险杠、吸能盒和纵梁)与刚性墙碰撞有限元模型.采用分段线性塑性材料本构模型和显式动力学有限元法对其碰撞过程进行动态仿真,获得了保险杠、吸能盒和纵梁的变形情况、能量变化情况以及碰撞力曲线.仿真结果与实验结果吻合良好,从而验证了有限元模型正确性.结果表明,槽型诱导结构比盒型诱导结构更容易诱导纵梁产生褶皱变形,且碰撞力曲线随纵梁的褶皱变形产生波动.
【期刊名称】《华东交通大学学报》
【年(卷),期】2018(035)001
【总页数】7页(P75-81)
help的音标【关键词】折纸小鱼前保险杠;有限元模型;耐撞性;显示动力学
【作 者】涂文兵;何海斌;刘乐平;罗丫
【作者单位】华东交通大学机电与车辆工程学院,江西 南昌330013;华东交通大学机电与车辆工程学院,江西 南昌330013;华东交通大学机电与车辆工程学院,江西 南昌330013;华东交通大学机电与车辆工程学院,江西 南昌330013二维码素材
【正文语种】中 文
【中图分类】U463.55
正碰是汽车碰撞的主要形式，所占比例高达66.9%[1]。前保险杠作为正面碰撞的主要吸能部件，其耐撞性决定了汽车的被动安全性，受到学者们的广泛关注。
20世纪30年代，国外开始采用整车碰撞法进行汽车碰撞研究，该方法虽可模拟出实车碰撞的真实状况，但可重复性低、试验时间长和成本高等缺点制约了它的使用范围。20世纪70年代，计算机仿真法凭借试验周期短、成本低、重复性好等优点而作为一种有效的研究方法，开始被运用于汽车碰撞研究。20世纪80年代，Benson和Hallquist[2]初次运用显式有限元方法进行了整车碰撞仿真模拟。高彬[3]对某款轿车某些部件进行简化和离散后，模拟了其与刚性墙的碰撞过程，分析和评价了该车的碰撞性能。金信烜和葛如海[4]利用Hyperme
sh分别建立了重型汽车保险杠系统与刚性低速正碰与摆锤偏碰2种工况，再通过LS-DYNA进行求解，获得了保险杠的变形、加速度等参数，分析了某重型汽车保险杠的低速碰撞性能。杨艳庆和田晋跃[5]基于LS-DYNA分析了前纵梁部分薄壁梁表面开矩形吸能孔的状况，对薄壁梁有限元模型进行优化和分析了优化后保险杠模型碰撞的力学性能。Hosinipour等[6]研究了不同间距诱导槽对薄壁金属管碰撞过程中的载荷-位移曲线、能量吸收及构件变形的影响，并发现理论结果与实验结果吻合良好。Zhang等[7]研究了不同截面加固策略在碰撞中的影响。Pakizehkar等[8]利用ANSYS建立了沟槽管的有限元模型并借助LS-DYNA求解器进行求解，研究和分析了周向槽的间距与数量对载荷-位移曲线和能量吸收-位移曲线以及初始屈曲载荷的影响，并发现有限元结果与实验结果吻合良好。Elmarakbi等[9-10]对钢材和铝材薄壁S形纵梁和薄壁管前端结构的碰撞形式和能量吸收特性进行了有限元仿真模拟，并优化吸能构件的设计。Emami等[11]利用显示有限元软件LS-DYNA模拟了带环形凹槽的圆柱形金属构件碰撞过程中的能量吸收状况及其变形形式，还以比吸能和载荷比的最佳值为目标函数进行优化设计。Zhang等[12]指出在同样的轴向压力下，多元薄壁梁比单元薄壁梁吸收更多的能量。周伶俐等[13]将反转螺旋型薄壁结构引入汽车前纵梁的结构设计，以截面形状参数、旋角和分段数为设计变量，并以吸能最大化为目标函数进行优化
计算。苏建等[14]对前纵梁碰撞过程进行了模拟仿真，通过添加诱导槽及添加加强板的方式对前纵梁结构进行了优化。程海根和邹江娜[15]运用LS-DYNA对车-桥墩碰撞进行仿真模拟，探讨碰撞角度与撞击力的二次函数关系用于车-桥墩碰撞的可行性，研究结果说明碰撞角度与撞击力成三次函数关系，并证实角度与桥梁的位移成一次线性关系。综上，大多数学者对前保险杠的研究主要集中在前纵梁的截面、厚度、材料及其诱导结构等方面，但少有学者对实车前保险杠系统进行分析。
本文基于某国产轿车的实际保险杠结构，利用ANSA建立前保险杠系统与刚性墙碰撞的有限元模型，运用显式有限元软件LS-DYNA进行求解，分析了该实车前保险杠的碰撞性能，为前保险杠的结构优化设计提供了一定的理论依据。
1 显式动力学基本理论
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前保险杠的碰撞过程是非线性动力学接触问题，则选用显式积分算法较为合适。
动力学的基本方程为[16]
1）平衡方程：
2）几何方程：
3）物理方程：
4）初始条件：
5）边界条件：
式中：ρ为质量密度；μ为阻尼系数；ui,tt为i方向的加速度；ui,t为i方向的速度；Dijkl为应力-应变的转化关系；Su为位移边界；S为力边界；fi为体力；Ti为面力。
听事对空间域进行离散，单元内位移u，v，w的插值为
表格竖排变横排式（8）求解化简后，系统的运动方程（求解方程）为
式中：（t）为系统节点加速度向量；˙（t）为系统节点速度向量；M为系统质量矩阵；C为系统阻尼矩阵；K为系统刚度矩阵；Q（t）为系统结点载荷向量，分别由各自的单元矩阵和向量集成。
在ANSYS/LS-DYNA中，采用直接积分法中的中心差分法对运动方程式（9）进行积分。在中间差分法中，加速度和速度用位移表示为
将式（9）和式（10）代入式（8）得：佩服近义词
因为中心差分法是条件稳定算法，所以当使用该方法时，时间步长Δt必须小于该状况所决定的某个临界值Δtcr，否则算法是不稳定的。中心差分法解的稳定性条件为
式中：Tn为有限元系统最小固有周期；lmin为最小单元长度；ρ为密度；γ为泊松比；E为弹性模量。
在显式时间积分算法中，最小时间步长由材料的纵波速和最小单元尺寸决定，而纵波速是材料的密度、弹性模量和泊松比的函数。本文采用质量缩放来调整最小时间步长，在保证计算精度的前提下大大节省CPU时间，并采用增大模型体积粘性和增大全局弹性刚度两种方法将沙漏能控制在5%以内，以确保结果的正确性。
2 有限元模型的建立
以某国产轿车前保险杠系统作为研究对象，在汽车与墙面的撞击模拟中，墙可以作为刚体来处理。采用1 000 kg刚性墙（参照该轿车整备质量约为1 t）以5 m/s初速度撞击前纵梁后端全约束的前保险杠系统来模拟其碰撞过程。
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2.1 网格划分
由于四边形单元比三角形单元精度高，且前保险杠变形大，则分别采用8 mm×8 mm、6 mm×6 mm、4 mm×4 mm四边形单元划分保险杠、吸能盒、纵梁的网格；纵梁内侧采用3条槽型诱导结构，其外侧采用2个盒型和1条槽型诱导结构，所有诱导结构部分均进行网格细化。
本文基于焊点和螺栓连接不失效的状况，采用刚性杆连接法中的“刚杆”对实际模型中的点焊和螺栓连接进行模拟。对于点焊连接模拟，焊点间距取40 mm；对于螺栓连接模拟，将螺栓孔上所有节点定义成节点刚体并耦合6个自由度，前保险杠碰撞有限元模型如图1所示。
图1 前保险杠的有限元模型Fig.1 FEM model of front bumper
2.2 单元类型与材料选择
由于汽车碰撞产生的变形是大位移非线性的，则保险杠、吸能盒和纵梁均采用可捕获塑性变形的三点积分显式薄壳单元SHELL 163中的BT（Belytschko-Tsay）形式，其计算速度远快于HL单元算法。因刚性墙不产生变形，则刚性墙采用单点积分的SHELL 163薄壳单元。
定义刚性墙为刚性材料模型MAT 20，定义保险杠、吸能盒和纵梁为分段线性塑性材料模型MAT 24，分段线性塑性材料模型中应变率、屈服应力满足如下关系：式中：σy是屈服极限，σy=182 MPa；ε′是有效应变率；C，P 是应变率参数，是等效塑性应变；为未考虑应变率时的屈服应力；密度 ρ=7 830 kg/m3；弹性模量 E=210 GPa；泊松比γ=0.3；保险杠、吸能盒厚度均为1.2 mm，纵梁厚度为1.5 mm；钢材的应力-应变曲线如图2所示。
图2 钢材应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curvet for steel
2.3 边界条件的设置
纵梁后端施加固定约束，刚性墙仅保留前纵梁轴向平动。刚性墙的初速度大小为5 m/s，方向为纵梁轴向。刚性墙与保险杠、保险杠与吸能盒、吸能盒与纵梁的接触均选择自动面面
接触ASTS，保险杠、吸能盒和纵梁3个构件自身的接触均选择自动单面接触ASSC，取静摩擦系数为0.15，动摩擦系数为0.15。
