基于Ls-Dyna的铝合金保险杠碰撞仿真分析*

魏显坤，邓长勇，曹建国，邢 峰，夏 铭

(1.重庆工商职业学院，重庆 401520;2.重庆广播电视大学，重庆 401520;3.重庆安全技术职业学院，重庆 400050)

1 引言

汽车前保险杠位于汽车最前部，是前部或追尾碰撞事故中首先接触的部件，在减小碰撞事故中对行人的伤害，降低低速碰撞事故对车辆的损坏方面起着重要作用［1］。保险杠横梁的主要作用是将碰撞中产生的能量均匀地传递给吸能盒，同时防止内侵量过大造成发动机前部件的损坏;吸能盒的作用是通过吸能盒的压溃变形将碰撞中产生的能量转化为内能，吸收能量，并将由前横梁传递来的碰撞力均匀地传递到车身两前纵梁骨架上。对保险杠吸能盒在碰撞过程中的吸能特性和变形规律进行分析，提高吸能盒的吸能性能，对于提高车辆的被动安全性、实现保险杠的轻量化设计具有重要意义。基于有限元分析软件Hypermesh和LS-DYNA，对汽车保险杠的碰撞过程吸能特性进行了仿真分析。

2 建立铝合金保险杠有限元模型

碰撞仿真模拟分析过程分三步:前处理、提交求解、后处理。第一步:前处理，用CATIA建模，以IGES格式导入Hypermesh进行几何清理、网格划分、单元检查、赋材料参数、定义属性、施加载荷及约束等边界条件，设置关键字时间步长、输出等控制卡片，以后缀*K文件格式保存。第二步将K文件提交求解器DYNA运算求解。第三步，用后处理模块Hyperview查看计算结果能量、速度、加速度、位移、应力应变等。

建立铝合金保险杠几何模型，在Hypermesh中以单元目标尺寸为4 mm划分网格，模型共有27 820个单元，28 032个节点，三角形单元占0.2%，网格质量很好［2］。横梁和吸能盒、吸能盒与连接板之间用RIGID连接。铝合金保险杠有限元模型及应力-应变曲线如图1、2所示。

图1 铝合金保险杠有限元模型

图2 6101铝合金应力-应变曲线

表1 材料参数和属性设置

3 铝合金保险杠碰撞仿真模拟分析

将吸能盒与纵梁的连接的螺栓孔周围的nodes放在一个SET里，用ANSYS里的interface讲这些点约束到刚性壁障上，刚性壁障上的单元用MAT20号刚性单元，并约束全部自由度。将台车所有节点放在1个SET里，对这个SET赋予1个速度值，表示台车的速度，也可以把台车放在1个BOX中，对BOX定义1个速度［3-5］。设置台车质量为1 400 kg，台车速度设置为32 km/h，即8.889 m/s，100%正碰，保险杠可以完全压溃。设置总的时间为40 ms。铝制保险杠100%正碰仿真有限元模型如图3所示。

图3 铝制保险杠100%正碰仿真有限元模型

碰撞过程能量变化如图4所示，总能量守恒，动能逐渐转化为内能，动能逐渐减小，内能逐渐增加，沙漏能和滑移截面能很小，均小于5%，碰撞仿真结果可靠。

图4 碰撞过程能量变化曲线

保险杠碰撞变形过程如图5所示，从图中可以看出10 ms以前，主要是保险杠横梁变形，吸能盒基本没变形。10 ms以后，吸能盒逐渐压溃。

图5 铝合金保险杠碰撞过程的变形

碰撞过程接触力曲线如图6所示，从图中可以看出碰撞过程作用力与反作用力大小相等，方向相反，两曲线以x轴对称。

图6 碰撞过程接触力曲线

保险杠各个部分的吸能量如图7所示，从图中可以看出，前11 ms吸能盒吸能量很小，保险杠总吸能量曲线和横梁内能变化曲线重合，表示前11 ms保险杠吸能主要是横梁吸能。11 ms之后接触力也显著增大，从保险杠压溃变形图也可以看出，吸能盒逐渐开始溃缩，吸能盒内能和横梁的内能均逐渐增大。

图7 碰撞过程保险杠各部分吸能量曲线

从接触力曲线可以看到20 ms以后，接触力徒增，表示保险杠基本完全压溃，计算能量时，取20 ms时的内能为结构的吸能量。

从表2中可以看出，吸能盒的质量占保险杠总质量的13.8%，吸能量占保险杠总吸能的45.2%。横梁的质量占保险杠总质量的78.3%，吸能量占保险杠总吸能的54.1%。吸能盒的比吸能最高，增大吸能盒的吸能量可显著提高保险杠的比吸能。

表2 6101铝合金保险杠各部分吸能特性表

4 结语

用有限元仿真分析软件对结构进行碰撞模拟分析，可以大大缩短产品开发周期，降低试验成本。本文在前处理软件HYPERMESH中建立保险杠有限元模型，然后用显示有限元软件LS-DYNA进行碰撞仿真分析，结果表明:保险杠吸能特性较好;吸能盒的比吸能最高，增大吸能盒的吸能量可显著提高保险杠的比吸能。

［1］ 米 林，魏显坤.铝合金保险杠吸能盒碰撞吸能特性［J］.西华大学学报，2012(6):1-7.

［2］ 张胜兰，郑冬黎，郝 琪，等.基于HyperWorks的结构优化设计技术［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［3］ 胡远志，曾必强.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽车安全仿真与分析［M］.北京:清华大学出版社，2012.

［4］ 赵海鸥.LS-DYNA动力分析指南［M］.北京:兵器工业出版社，2003.

［5］ 白金泽.LS-DYNA3D理论基础与实例分析［M］.北京:科学出版社，2005.