汽车保险杠碰撞的有限元仿真与优化

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1、24现代制造技术与装备2008第3期总第184期汽车保险杠碰撞的有限元仿真与优化韦珑珅杨荣松张勇(四川大学制造科学与工程学院,成都610065)摘要:本文以有限元法的系统动力学理论为基础,基于LS-DYNA有限元分析软件,对汽车保险杠与刚性墙的正面碰撞进行了模拟仿真计算,并对计算结果进行分析。以计算结果为依据,对保险杠的结构进行改进,优化其吸能能力。本次研究为保险杠的防撞设计开发提供了理论依据,对深入研究整车正面碰撞的模拟仿真具有重要的参考价值。关键词:保险杠碰撞有限元1前言分别为:随着轿车的大规模生产和使用,也由于车速的不断提τF=BTτσdΩ高,汽车交通事故的发生率已经大大的增加了

2、。在汽车交!(2)τΩ通安全事故中,出现几率最高的是汽车碰撞,其中正面碰撞最普遍。据资料显示,汽车发生正面碰撞的概率在4O%τF=QTτbdΩ+QTτqdS(3)e!!0ΩτΓ左右。因此,研究正面碰撞特性,对降低乘员的伤害非常F重要[1]。而汽车结构中的保险杠是正面碰撞时主要的承τF=QTτqdSc!cc(4)载和吸能构件,提高保险杠的吸能能力,可以降低整车碰τΓc2撞中的加速度,对乘员起保护作用[2]。因此,对保险杠吸能τF=QT0ρτadΩ特性的研究有着重要的意义。a!(5)0Ω有限元仿真分析的显著特点是速度快、效率高,能够其中,B为应变位移矩阵;Q为位移插值矩阵;τσ为节约大量的

3、汽车开发成本。目前,国外采用有限元方法对应力张量;dΩ为微体积单元;τbτ为体积力分量;a为加汽车碰撞安全性进行了大量的研究,并取得了显著的成速度分量;τq0为单位面积上的力;ρ为时刻0时的密度。效[3]。而国内在这方面的研究还不够成熟,因此,我们更在有限元法中,加速度场也可以通过插值方法获得。有必要对保险杠正面碰撞性能的有限元模拟仿真进行研即有究。τa=QτA(6)2碰撞仿真的有限元理论与方法将(6)代入式(5)中,可得碰撞是一个瞬态的复杂物理过程,它包含以大位移、大转动和大应变为特征的几何非线性,这使得汽车碰撞τF="QT0ρτadΩ#τA=MτA(7)a!过程的精确描述和求解十分

4、困难[4]。目前对碰撞过程的仿0Ω真,一般都采用显式仿真算法。采用中心差分法,将质量式中为质量矩阵,并按下式计算:矩阵对角化,从而避免求解联立方程组。采用分步积分M=QT0ρτQdΩ!(8)法,将碰撞过程的时间域[0,T]分成许多子域,[ti-1,ti],i=1,0Ω2,3...,N,其中t0=0,ti>ti-1,tN=T,于是得到子域时刻t0,t1,t2⋯,由于δU代表任意的虚位移场,式(1)的成立条件tN。为求tn+1时刻的解,假设tn时刻的解是已知的,只要在为:τF-τF-τF+τF=0这个假设条件下能够求出tn+1时刻的解,任意时刻的解都eca(9)能求出了,因为t0时刻的解是

5、已知的,可用来求出t1时刻将式(7)代入式(9)并整理得:MτA=τF+τF-τF的解,依此类推,tN时刻的解便可求出。在接触体系中t0,t1,ec(10)t2⋯,tn时刻的状体都是已知的,其中任何一个状态都可以本次碰撞的模拟仿真计算以以上所介绍的显示有限作为参考状态去求下一状态的解。元理论与方法作为指导基础。将tn+1记作t,将tn记作τ,由拉格朗日列式法可得τ3保险杠碰撞仿真的基本过程时刻的虚功原理式:本次模拟仿真的有限元计算软件选用LS-DYNA,它(δU)T(τF-τF-τF+τF)=0(1)是功能齐全的几何非线性求解程序,以显式求解、结构分eca其中:δU为虚位移;τFτ为外

6、力矢析、非线性动力分析为主,但其前处理功能相对较差[5],为内力矢量;Fe量;τF为接触力矢量;τF为惯性力矢量,它们的计算式故本次实验使用了CATIA、Hypermesh和LS-DYNA联合建ca设计与研究25模求解技术(其整个实验的技术流程参见图1)。使用模拟单元。整个保险杠与刚性墙模型采用10×10mm的单CATIA建立保险杠的几何模型,然后将该模型导入元进行划分,共有16538个单元与16742个节点。部件之间的连接主要是通过点焊连接方式,即是在两节点之间加一根刚性杆来模拟。通常在碰撞情况下,焊点不会发生开裂,故本文没有考虑点焊的失效。材料选用弹性材料24#3钢,其物理特性为:

7、密度为7850kg/m,弹性模量为2.07GPa,屈服强度为210MPa,泊松比为0.33。保险杠与刚性墙的有限元模型如图3所示。本文按照乘用车保险杠系统低速碰撞实验规程—SAEJ2319的要求,碰撞仿真计算采用的是碰撞速度为8km/h。接触类型采用的是*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SUFACE类型。有限元模型建立好后,生成key(关键字)文件,然后导入LS-DYNA进行计算。Hypermesh中进行网格划分,建立有限元模