基于瞬态响应的某轻型卡车保险杠设计

李浩然 赵坤

摘 要：保险杠是一种具有吸收、缓和外界冲击力，保护轻型卡车前部重要的安全装置。同时保险杠有很强的造型美观功能，是轻型卡车重要的外饰件之一。文章利用有限元计算和分析的方法对某轻型卡车保险杠内板进行瞬态响应分析，并进行结构优化。经过试验台架和道路试验满足设计要求，该方法对今后轻型卡车的保险杠设计有一定的指导作用。

关键词：前保险杠;有限元计算和分析;瞬态响应

中图分类号：U463  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）06-62-03

Abstract： The bumper is an important safety device that absorbs and mitigates external impact and protects the front of the light truck. At the same time， the bumper has a strong styling function and is one of the important exterior parts of the light truck. In this paper， the finite element calculation and analysis method is used to analyze the transient response of heavy truck bumper inner panel and optimize the structure. After the test bench and road test meet the design requirements， this method has a certain guiding role for the design of the bumper of heavy trucks in the future.

Keywords： Front bumper; Finite element calculation and analysis; Transient response

CLC NO.： U463  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）06-62-03

前言

隨着汽车工业的不断发展，安全和环保成为人们日益关注的焦点，汽车轻量化就是实现节能的有效途径之一[1-2]。从全球铝业协会的报告得知，汽车重量降低10%，油耗可降低6%～8%，排放出的尾气可降低5%～6%。由此可知，汽车每节省1L燃油，即可向大气中减少2.45kg的CO2排放[3-4]。降低整车重量，同时满足运输法规和环保要求，因此汽车的各个部件都要求进行轻量化设计。

在保险杠设计的过程中，选用塑料材质能最大限度地降低保险杠的质量，满足车辆使用工况。在轻量化设计的同时，保险杠整体的强度，刚度，耐冲击性等多种性能仍要满足指标要求。但是如果其强度如果不满足要求，结构就会造成破坏，瞬态响应分析就是根据车辆的振动，分析并优化保险杠的结构。对于车辆来说，引起车辆振动的激励源主要有两个方面：路面对轮胎的激励和发动机振动激励。汽车在行驶过程中，路面激励为振动的主要来源。因此，本文着重从鱼鳞坑路谱作为激励进行瞬态响应分析。

1 保险杠有限元模型建立

轻型卡车保险杠分为保险杠外板、保险杠内板和连接支架，保险杠内板作为保险杠骨架，用来加强保险杠系统强度和刚度，连接保险杠外板及支架。保险杠内板直接与支架连接，安装点受到外部力影响大。在车辆实际道路运行中，保险杠内板损坏的几率更大，所以在设计过程中，将保险杠内板作为研发的重点。保险杠内板有限元模型如图1所示。

2 瞬态分析理论

瞬态动力学分析是动响应分析方法的一种，主要通过仿真计算得到结构随时间变化不同激励载荷时的动力响应。通过瞬态分析不同载荷工况叠加得到合成载荷作用下，系统结构随时间变化的力、力矩、位移、加速度等数据。[5]任何系统在随时间相符合变化的激励振动作用下都会产生与时间相一致的振动频率，整个系统也会产生随时间变化的受力、变形。由达朗贝尔原理可知，对于任意系统，作用于系统上所有的作用力以及惯性力之和必为零。由此，在研究系统动响应问题时，我们引入相应的惯性作用，通过把复杂问题转化为简单的相应的静力平衡问题来解决。[6]

分析研究动力学问题的一般方法如果采用静力平衡问题解决过程如下：首先将结构离散化—单元方程分析—单元体动力学分析—整体的结构动力学分析。

在瞬态响应分析的求解方法中，目前主要采用直接法和模态法两种。直接法原理是采用求解结构耦合方程。模态法是在直接法的基础上缩减求解空间大小，瞬态分析是模态分析的扩展。

3 保险杠瞬态响应分析

3.1 仿真六自由度台架

在六自由度台架仿真台架模型中计算保险杠内板瞬态响应，将保险杠内板安装在保险杠托架上，托架与试验车架连接。驾驶室安装在驾驶室悬置上，驾驶室进行配重。约束位置在试验车架前后端及尾梁处，激励施加位置如图所示。

3.2 载荷及边界条件

在路面不平度激励的作用下，轻型卡车以一定速度行驶得到保险杠时间载荷激励曲线，路面激励是保险杠结构瞬态响应的主要影响因素。本文瞬态响应所对应的路面为鱼鳞坑路。

瞬态响应分析所需要的随时间变化的载荷是通过道路试验采集的数据，通过软件进行迭代，作用于仿真悬架与试验车架的连接处，在有限元分析软件中进行计算。

悬架与车架连接处节点加载时域位移谱，分别是四个Z向时域位移谱，两个Y向时域位移谱，一个X向时域位移谱。其中一个Z向时域位移谱如图所示。

4 保险杠结构优化及结果

为了提高保险杠内板的结构强度，对保险杠内板的结构进行优化。对比原方案中应力集中区域，通过调整加强筋布置方式，统一加强筋走向，将原有方向无规律的加强筋均匀排布，使应力集中区域沿同向筋释放，优化加强筋数量，同时满足轻量化设计要求。在安装点方面，对保险杠内板周边安装点进行优化，底部增加安装固定点，减小局部刚度不足，导致的应力集中。图4为原结构方案，图5为优化后方案。

结构优化后与原方案相比，在鱼鳞坑路况下，保险杠所受应力峰值由610.31Mpa降低至229.88Mpa，应力峰值大幅下降，新旧方案应力峰值结果如图6和图8所示，新旧方案应力动态结果如图7和图9所示。经过试验台架12000km和道路可靠性试验4021km验证，保险杠内板未出现断裂现象，满足设计要求。

5 结论

本文利用瞬态响应的方法在鱼鳞坑路面激励下，对保险杠内板的动态特性进行分析和计算，得到保险杠内板应力时间分布云图及时间应力曲线，并根据瞬态响应的结果对其结构进行改进和优化。通过六自由度台架试验及道路测试，保险杠内板满足设计要求，到达预期目标。

参考文献

[1] 唐杰，杨沿平，周文杰.中国汽车产业自主创新战略[M].北京：科学出版社，2009.

[2] 路洪洲，王智文，陈一龙，等.汽车轻量化评价[J].汽车工程学报， 2015（1）：1-8.

[3] 王智文.汽车轻量化技术发展现状初探[J].汽车工艺与材料， 2009（2）：1-5.

[4] 李飞龙，郭孔辉，杨沿平，等.基于 GREET 模型的汽车材料轻量化能耗评价研究[J].中国机械工程，2013（5）：681-685.

[5] 卢正红.基于动力学模型的轻型客车车身瞬态响应分析[J].荆门职业技术学院学报.2007.9.20第22卷第12期.

[6] 王金砖.某型车身动态特性分析[D].河北：燕山大学，2009.4.