保险杠低速碰撞性能仿真研究

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1、保险杠低速碰撞性能仿真研究保险杠低速碰撞性能仿真研究newmaker一、別口随着世界汽车保有量的增加及道路交通伤害的不断增长，汽车耐撞性能已经成为汽车设计过程中的重要一环。低速碰撞过程中，减小车辆结构碰撞损伤及改善修复性能的要求，使得车俩前部结构除了必须能满足保护乘员及行人以外，还要尽可能的保护车身的主要框梁结构不受损坏，以降低车辆修复成本。汽车前部保险杠可以吸收低速撞击的能量，缓和外界对车身的冲击，对车体结构起着主要的防护作用。本文按照ECER42法规要求［1］,对某轿车前部保险杠做了结构碰撞模拟，建立了通川碰撞分析有限元模型，并分析得到了此结构碰撞动力响应特性。二、碰撞模型低速碰撞计算

2、方法由于低速碰撞分析属丁非线性动态接触变形问题，在此采用显式冇限元中心差分法來做多步代入求解计算，有限元方程描述如下［2］：这里，在吋间n时刻，从而代入求出各时刻解。三、保险杠有限元模型的建立（一）有限元计算模型为U知量，再将质量矩阵对角化，即可求得（7）式，以某轿车前部保险杠为分析对彖，包括保险杠蒙皮、进气隔栅、泡沫缓冲块，各构件属性见下表1。按照ECER42法规耍求，碰撞形式分为角度碰撞和中心碰撞，碰撞器分别以2.50+0.lkm/h和40+0.25km/h的碰撞速度撞击被测量车体前端，要求车体变形要尽可能的小，保险杠后部结构，包括保险杠横梁以及纵梁前端，要尽可能的不变形。在这里为了简

3、化模型，加快计算速度及模型收敛特性，只抽取前部保险杠结构建模，考察前保各构件变形及吸能效果，以间接考察对车体主要框梁结构的碰撞影响，即前保吸能效果越好，对车体框梁结构损伤越小，当前保吸收能量充分时，可认为对车体其余结构无影响⑶。碰撞器按照法规要求尺寸建模，见图1所示。所建立有限元模型见图2和图3,前保模型采川单点积分BT薄壳单元，单元尺寸为lOXlOnun,单元数为24380,节点数为23842,碰撞器单元尺寸为前保险杠模型的2倍，采用刚性壳单元，以保证碰撞器在撞击过程屮不变形。（二）木构模型的选择为简单起见，碰撞器和前保险杠均采用理想的弹槊•性模型，碰撞器在计算屮使用LS.DYNA中的刚

4、体材料本构模型，保险杠采用“弹塑性+破坏”材料模型，在材料达到失效应变（承受的应力值超过其抗拉强度）后发工破坏，丿出:服模型为mises应力屈服模型，失效模型为最大塑性应变［4］。碰撞器和保险杠Z间采川自适应罚函数接触，并定义碰撞器为主接触面，保险杠为从接触面。保险杠金属横梁的基本材料特性如表1所示。（三）时间步长木文采用显示时间积分冇限元算法，它无需组合刚度矩阵或求解系统方程组，每一个时间步都较快，但稳定时间步长受Courant条件限制，即时间步长受到应力波跨越单元所需的时间，求解问题的整个过程一般从儿微秒到数十秒。如上采用中心差分法进行时间积分，可以推导出方程有稳定解的条件是最大的时间

5、步小于临界时间步,即式中comax固有频率c声波在材质中的传播速度1——单元的特征长度音速c是材料杨氏模量E、泊松比v和质量密度P的函数，不同维数的单元计算是不同的，对于壳单元來说，音速计算方法为为减小模型计算时间及保证计算稳定性，还可设定时间步长缩放因子，此缩放因子只在单元尺寸不满足临界阀值时起作用，通常设定为0.9。（四）沙漏控制由于此处单元场函数采用单点高斯积分形式计算，因此必然会给单元各场函数带來能量损失，发生所谓沙漏现象。但采用单点高斯积分形式，会带來计算时间约8倍的下降，因此对于单元数量巨大的有限元模型來说，这有积极的意义。对于低速碰撞屮，沙漏能量的损失比例往往更高，因此，必须

6、设置沙漏系数，一般为0.1〜0.3。（五）边界条件处理［5］由于整车结构相对于保险杠来说，质量要大的多，低速碰撞过程中，可认为车体基本不发生后移，凶此将保险杠与午体安装及接触部位统一用rigidbody单元连接，并约束此刚性单元主节点八个自由度，考虑模型振荡原因及整车截［tri力传递效果，按照实车碰撞对比经验值，在此rigidbody主节点上配重300kg,所建立的有限元模型见图2和图3。四、碰撞计算结果的分析如上图4、图5所示，碰撞中系统总能量几乎没发半任何变化，系统动能和内能变化趋于平衡，这说明让算模型沙漏控制较好，构件间非线性振荡很小。角度碰撞约在75ms的时刻，内能达到最大，Z后构

7、件发生弹性冋弹，随着碰撞器能量的衰减，保险杠各构件变形逐渐稳定，发生永久鴉性变形。屮心碰撞系统动能逐渐衰减，由图示可见系统动能并未衰减为零，内能仍成增大趋势，说明构件计算时间不够，碰撞过程仍在继续，最终如同和度碰撞一样，系统动能、内能必趋于平衡。两图对比易知，角度碰撞由于发生在前保折弯处，曲率较大，弯曲刚度也大，因此抵抗变形的能力也强，能量可以很快衰减，碰撞过程较短；而中心碰撞由于前保中间无任何构件支撑，刚度较小，因此发