汽车缓冲吸能式保险杠碰撞能量衰变特性研究

赵树恩，林繁国，李玉玲

（1.重庆交通大学 机电与汽车工程学院，重庆400074；2.陕西理工学院 机械工程学院，陕西 汉中723000）

汽车缓冲吸能式保险杠碰撞能量衰变特性研究

赵树恩1,2，林繁国1，李玉玲1,2

（1.重庆交通大学 机电与汽车工程学院，重庆400074；2.陕西理工学院 机械工程学院，陕西 汉中723000）

针对汽车缓冲吸能式保险杠在瞬间将汽车撞击产生的动能转化成多向撞击状态，实现多点同步或异步衰减吸收的目的。基于Hypermesh软件建立汽车缓冲吸能式保险杠正面碰撞有限元模型，采用ANSYS/Ls-Dyna求解器对汽车正面撞击速度分别为10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h时保险杠的最大应力及缓冲吸能装置的吸能特性进行数值仿真，得到不同撞击速度下的碰撞能量衰变特性曲线，仿真结果表明：碰撞时吸能盒的凹槽处和横梁所受的应力最大，横梁所受的应力有向中心集中分布的规律，当其应力集中到某一程度时，横梁开始从中心处发生折弯；随着撞击动能的增加，吸能比呈先增大后减小的趋势；碰撞过程中，碰撞能量近似线性衰减，随着撞击速度的增加，碰撞能量衰减曲线的斜率急剧增大。

振动与波；保险杠；碰撞；仿真分析；能量衰变

公路交通的快速发展和汽车保有量的飞速增长，在给人们的出行带来便捷的同时，也造成了严重的交通安全问题。据世界卫生组织统计，全球每年约有127万人死于道路交通事故，在这些各类交通事故中，碰撞事故是导致人员伤亡的主要形式[1,2]。在汽车碰撞安全性研究中，为了保证驾乘人员有足够的生存空间，驾乘舱不应有过大的碰撞变形。目前国内外对汽车缓冲吸能式保险杠的研究，主要集中在吸能装置的结构设计、材料选择及耐碰撞性分析等方面。如Yamazaki等人[3]对薄壁管结构的抗撞性能最大化技术进行了研究，通过试验建立了设计空间，利用响应面法构造近似设计模型，并通过一般的数学规划求解该近似模型；S.M.Sohn[4]根据CMVSS 215法规进行了液压成型保险杠支架碰撞能量吸收评估研究，其结果表明液压成型保险杠支架比传统成型支架展现了更好的耐碰撞性能，但其生产成本较高更适用于高级轿车；哈尔滨工业大学王辉教授等人[5]采用动态显式有限元仿真技术对汽车保险杠系统低速碰撞性能进行了研究，并对主要吸能组件吸能盒进行了一系列改进；重庆理工大学米林教授等人[6]运用LS-DYNA软件对不同截面形状的单腔和多腔铝合金吸能盒的吸能特性进行了研究，得到了吸能盒在碰撞过程中的吸能特性和变形规律。

为了分析汽车缓冲吸能式保险杠如何在瞬间将汽车撞击产生的单波次动能转化成多向撞击状态，并实现多点同步或异步衰减吸收的能量衰变特性，本文基于Hypermesh和ANSYS/Ls-dyna软件对汽车缓冲吸能装置在不同正面撞击速度时的响应特性进行数值仿真，得到汽车吸能装置的最大应力、吸能特性和撞击动能的衰变特性曲线。这对提高汽车被动安全性能和缓冲吸能装置结构设计具有重要的理论意义和工程应用价值。

1 碰撞仿真基本理论

1.1 碰撞动力学理论

本文对汽车缓冲吸能式保险杆的模拟碰撞速度为10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h，碰撞过程是一个动态的大位移和大变形过程，而对于大变形问题，仿真软件LS-DYNA主要采用更新拉格朗日格增量算法[7]。更新拉格朗日增量算法描述如下。

任意质点的运动轨迹方程

式中Xi为质点的初始位置。质点X在任意时刻的空间坐标为

式中NI为节点I的形函数。由此可得单元内任一点X的位移为

式中uiI为节点I的位移。同理，单元内任一点的速度、加速度、变形率和虚速度可表示为

式中Dij为变形率，DI为拉普拉斯变换式，δvi为质点X的虚速度，δviI为节点I的虚速度。t0时刻的初始条件为

能量守恒方程式

p为现时构形中的介质密度，wint为单位质量的内能，σij为Euler应力。

动量守恒方程式

满足以下边界条件。

(1)位移边界条件

(2)应力边界条件

式中bi为作用于物体单位质量上的力。取虚速度为加权系数，利用加权余量法，并利用分步积分，公式(6)还可以写成

式中ti为面力，v为瞬时速度，dA为物质面元，u¨i为单位元的加速度。将公式(4)写成矩阵形式，并代入公式(9)中，可得动力学微分方程

1.2 基于中心差分法的汽车碰撞动力学解析

对于动力学微分方程的求解，仿真软件LS-DYNA主要采用显示有限元中心差分法[8]，其描述如下。

如果0，t1，t2，…，tn时刻的节点位移、速度和加速度均已知，先求解tn+1(t+Δt)时刻的结构响应。中心差分法对加速度的导数采用中心差分替代，即

把上式代入式（10）中，整理得

求解线性方程组(12)，可得t+Δt时刻的节点位移向量Ut+Δt，将Ut+Δt代入几何方程与物理方程中可获得t+Δt时刻的单元应力与单元应变。

几何方程

物理方程

2 缓冲吸能式保险杠有限元模型建立

参考某汽车缓冲吸能式保险杠的实际尺寸，并对其进行简化，只保留对碰撞结果影响较大零部件，如吸能盒和横梁[9]。为了加快模型的仿真收敛速度，碰撞过程中汽车的变形主要在保险杠上，车架基本不变形，因此可以将整车假想成后钢板，只对吸能装置的结构进行数值模拟分析[10]。改进后的碰撞系统主要由四部分组成：弓字形结构的横梁、左右吸能盒和后钢板，如图1所示。

本文所选用的缓冲吸能式保险杠为典型的薄壳结构，碰撞系统采用四节点BT壳单元[11]，横梁的网格单元尺寸为10 mm，吸能盒的网格单元尺寸为8 mm，后钢板和刚性墙壁的网格单元尺寸为20 mm，总单元数为10 583，碰撞系统的有限元模型如图2所示。

图1 保险杠结构图

图2 碰撞系统的有限元模型

由于碰撞模型中采用的都是四节点的BT壳单元，为提高计算效率，在Hypermsh中可选用有限元单点积分计算方法，因此必然会给单元各场函数带来能量损失，发生所谓沙漏现象，将使得计算结果不可信，所以必须对沙漏进行有效的控制。为保证计算结果的精度，可将沙漏系数设为0.1[12]。

3 缓冲吸能式保险杠碰撞性能分析

碰撞过程中，刚性墙壁和后钢板基本不变形，主要变形发生在横梁和吸能盒上，刚性墙和后钢板选用MAT 20号刚性体材料模型，吸能盒和横梁选用MAT 24号材料模型，保险杠各材料参数如表1。

吸能盒与横梁和吸能盒与后钢板之间采用焊点连接，保险杆与墙壁间的接触定义为Automatic Surface To Surface接触[13]，保险杠为主接触，墙壁为从接触。根据《GB 11551-2003乘用车正面碰撞的乘员保护》的技术要求[14]，本文所模拟的正面撞击速度为10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h，对汽车缓冲吸能式保险杠配重800 kg。

表1 保险杠各材料参数

图3—图7分别为正面撞击速度为10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h和50 km/h时汽车缓冲吸能装置的最大应力云图。由图3可以看出，当正面撞击速度为10 km/h时，吸能装置的最大应力主要集中在横梁与墙壁的碰撞接触区域和吸能盒的凹槽处，最大应力值虽超过了材料的屈服极限，但吸能盒和横梁都没有发生明显的弹塑性变形；在图4和图5中，随着撞击速度的增加，吸能装置所受的应力也随之增加，并且横梁所受的最大应力集中向中心处分布，但没有发生明显的变形而吸能盒开始被压溃；由图6和图7可知，当撞击速度大于40 km/h时，吸能盒基本被完全压溃，横梁中心处出现集中力，并且超过了材料的屈服极限，横梁开始从中心处发生折弯，撞击速度越大，折弯越严重。

图3 车速10 km/h时的最大应力云图

图4 车速20 km/h时的最大应力云图

图5 车速30 km/h时的最大应力云图

图6 车速40 km/h时的最大应力云图

图7 车速50 km/h时的最大应力云图

表2为汽车缓冲吸能式保险杠在各撞击速度下的吸能比，表中的总能量为车辆的初始碰撞能量，碰撞过程中遵循能量守恒方程式6。从此表可以看出，随着撞击速度的增加，吸能装置的吸能量一直在增加，但是撞击速度越大吸能量的增加越缓慢，而吸能比先增大后减小；当撞击速度为40 km/h时，吸能比最大，达到93.08%。结合图3—图7，可以得到随着撞击速度增加，吸能盒和横梁的弹塑性变形也越大，吸能装置的吸能量也越大，但是当撞击速度达到50 km/h时，吸能盒基本被完全压溃，吸能装置的吸能量也越接近吸能极限值，这也解释了吸能比下降的原因。

表2 保险杠的吸能比

图8、图9分别为碰撞过程中，各撞击速度条件下汽车缓冲吸能装置的动能和内能随时间的变化曲线，反映了汽车缓冲吸能装置正面撞击刚性墙时的吸能特性和能量衰变特性。

由图8和图9可以看出，保险杠的内能和动能变化趋于平衡，说明沙漏能量损失小，实验结果准确。图8表明这五种撞击速度条件下吸能装置的内能在20 ms左右达到最大，之后随着碰撞系能量的衰减，横梁和吸能盒部分形变发生弹性回弹，最终吸能盒和横梁的形变稳定，即发生塑性形变。在图9中，尽管随着撞击速度的增加，但是吸能装置的碰撞时间基本没变化，其动能在20 ms左右就衰减至零，其中碰撞能量的衰减近似于线性衰减，碰撞能量的衰减曲线斜率随着撞击速度的增加而增加，即保险杠的初始碰撞能量越大，其衰减的速度也越快；之后保险杠的动能又慢慢增加，最后动能在极小值趋于稳定，这是由于横梁和吸能盒部分弹性恢复。

图8 保险杠内能的变化曲线

图9 保险杠动能的变化曲线

4 结语

对于横梁采用弓字形结构的吸能式保险杠，碰撞时，横梁和吸能盒的凹槽部分承受的应力最大，并且随着碰撞能量增大，吸能盒首先发生明显的弹塑性变形，横梁所受的最大应力有向中心分布的规律，最终在横梁中心处出现集中力，当其超过材料的屈服极限时，横梁开始发生折弯，此时吸能盒几乎已经被完全压溃。

随着撞击速度的增加，吸能装置的吸能量也随之增加，而吸能比先增大后减小，当撞击速度为40 km/h时，吸能比最大，为93.08%；碰撞能量的衰减近似于线性衰减，并且衰减曲线的斜率随着撞击速度的增加而增加，即保险杠的初始碰撞能量越大，其衰减的速度也越快。

[1]袁伟，付锐，郭应时，等.道路交通事故死亡人数预测模型[J].交通运输工程学报，2007，7(4)：112-116.

[2]Masao Nagai.Perspectives of research for enhancing active safety based on advanced control technology[J].JournalAutomotive Safety and Energy,2010,1(1)∶14-22.

[3]Yamazaki K,Han J.Maximization of the advances in engineering software.crushing absorption of cylindrical shells [J].2000,31(6)∶425-432.

[4]S M Sohn,B J Kim.Evaluation of the crash energy absorption of hydro formed bumper stars[J].Journal of Materials Processing Technology,2006∶187-188.

[5]杨永生，王辉.汽车保险杠系统低速碰撞性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[6]米林，魏显坤.铝合金保险杠吸能盒碰撞吸能特性[J].重庆理工大学学报，2012，2(6)：1-7.

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

[8]王俊峰，张志谊.基于LS-DYNA的冲击试验机碰撞分析[J].噪声与振动控制，2007(6)：10-12.

[9]韦珑珅，杨荣松，张勇.汽车保险杠碰撞的有限元仿真与优化[J].现代制造技术与装备，2008(3)：24-26.

[10]章正伟.保险杆低速碰撞性能仿真研究[J].噪声与振动控制，2007(4)：78-81.

[11]孟志强，何涛，尹望吾，等.六角弹簧管汽车碰撞吸能装置的效能研究[J].湖南大学学报(自然科学版)，2011，38 (11)：43-46.

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

[13]Benson D J.A single surface contact algorithm for the post-buc-king analsys of shell at structures[J].Computer Methods in Applied Meehanies and Engineering,1990, 7-8;141-163.

[14]张金换，杜汇良，马春生，等.汽车碰撞安全性设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

Study on Collision Energy Decay Characteristic of Energy-absorbing Bumper for Car Crash

ZHAO Shu-en1.2,LIN Fan-guo1,LI Yuling1,2

(1.School of Mechatronics andAutomobile Engineering,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China; 2.School of Mechanical Engineering,Shanxi University of Technology, Hanzhong 723000,Shanxi China)

∶For energy-absorbing bumpers of automotive turning impact kinetic energy into multiple impact condition in an instant and realizing the purpose of multiple point synchronous or asynchronous absorption,the Hypermesh software was used to establish a finite element model for the energy absorbing bumper,and the ANSYS/Ls-Dyna solver was simulated for the crash analysis of maximum stress of the bumper and energy absorption characteristics of energy absorbing cushion device and the characteristics of collision energy decay curves at different velocity as 10 km/h,20 km/h,30 km/h,40 km/h and 50 km/h.The simulation results show that the energy-absorbing box of grooves and beams was suffered the greatest stress, and the beam stress was concentrated to the center distribution rule when the bumper was crashing,and when the stress concentration increased a certain extent,the beam started bent in the center.With the increase of the impact energy,the energy absorption ratio of the energy absorbing device increased at first and then decreased.In the process of collision,the way of collision energy decay was the linear attenuation,along with the increase of the impact velocity,the slope of the collision energy decay curve increased sharply.

∶vibration and wave;bumper;collision;simulation analysis;energy decay

U463< class="emphasis_bold">文献标识码：ADOI编码：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.023

1006-1355(2014)06-0102-05

2014-10-01

重庆市科委自然科学基金重点项目(cstc2013jj B60001)；陕西省科技厅科研项目(2014JM7291)

赵树恩，男，陕西洋县人，博士，副教授，主要从事汽车系统动力学及综合控制、新能源汽车设计理论与方法等方面的研究工作。

E-mail∶zse0916@163.com。