仿真验证汽车保险杠在碰撞中的作用

胡兵

摘要：汽车保险杠在汽车碰撞的过程中是吸收和缓和外界冲击力、防护车身前后部的安全装置。如果没有汽车保险杠，那么在碰撞时，汽车车身的其他部位和乘员会受到更大的冲击力，乘员的损伤也会更大。以往，汽车保险杠的作用验证一般都是采用实体车辆进行碰撞，此方法可重复性差，而且成本极高。本文采用有限元仿真的方法进行车辆正碰模拟，利用solidworks软件建立汽车的几何模型，将其保存为IGES文件格式，然后导入到hypermesh中进行前处理，设置边界条件中的速度为50km/h，将导出的K文件用LS-DYNA求解后，结果文件用hyperview打开，仿真模拟汽车在有无保险杠的情况下的正面碰撞情况。

关键词：有限元;保险杠;正碰;仿真

中图分类号：U463.8 文献标识码：A

近几年，中国汽车的保有量大幅度提高，随之而来的就是交通事故的发生概率上升。因此，增加汽车的安全系数是汽车发展的一个很大的课题。目前减少碰撞时汽车的变形量和对人体的损伤而采用的通用方法是将汽车前端的保险杠进行升级优化。例如采用高强度钢、钛合金、铝合金等一系列吸能性较好的物质材料。保险杠的合格指标一般采用的是对汽车整体变形量指数。同样的速度进行碰撞，观察汽车变形量的变化。汽车前保险杠系统一般由3部分组成：迎撞面保险杠、车架以及吸能盒。其中迎撞面保险杠是与被撞物直接接触的第一道吸能构件，吸能盒是第二道吸能构件，其能够吸收的能量要大于保险杠吸收的能量。当吸能盒发挥作用时，碰撞物体将对车身及乘员产生一定程度的危害[1]。本文利用有限元技术进行汽车正碰的仿真研究。其中，利用catia进行汽车的几何模型建立，后用hypermesh软件进行汽车模型的网格划分与边界条件的设置，得到k文件导入LS-DYNA中进行求解后产生d3plot文件，导入到hyperview里面进行后处理，观察车辆的变形量进行分析。

1 保险杠的有限元模型建立

利用catia进行保险杠以及整车的几何模型建构，因为保险杠是钣金件，所以在hypermesh里面进行中面抽取后进行网格划分，网格的标准如图1，标准网格由汽车的整体大小进行确定，这里取10mm×10mm较为合适，时间步长与最小网格有关，所以最小网格的尺寸不宜过小，否则时间步长会很大，提交求解的時间也会相应延长，雅可比设置为0.6，一般不宜超过1，如果设置过高求解时会造成求解中断。划分网格后，用rigid和spotweld 1D单元模拟焊缝连接和点焊连接，将一部分部件连接，余下的部件采用铰连接，最终形成一个有限元整车模型，有限元整车以及保险杠模型如图2和图3。整车模型一共538422个单元，其中大部分单元为壳单元，发动机等部件采用体单元，因碰撞时汽车发动机的变形量很小，因此材料设置为MATL20即刚性材料。发动机为体单元，周围还有其他一些部件也为体单元，体单元与体单元在碰撞时可能会产生负体积问题，为了解决这个问题，将在体单元的表面设置一层壳单元，材料为MATL9。保险杠由三部分部件组成，分别是横梁、吸能盒、后钢板。下面分别叙述各个主要零件的材料参数。

横梁的材料属性为弹塑性，密度为7850kg/m3，弹性模量为210GPa，屈服极限为1006MPa，泊松比为0.3（无量纲），厚度设置为3.5mm。吸能盒的材料属性为弹塑性，质量密度为7850kg/m3，弹性模量为210GPa，屈服极限为500MPa，泊松比为0.3（无量纲），厚度设置为2.2mm。后钢板的材料属性为刚性，密度为7850kg/m3，弹性模量为210GPa，无屈服极限，泊松比为0.3（无量纲），厚度为1mm。墙壁的材料属性为刚性。

整车及保险杠有限元模型的接触设置一共有2个，分别是整车的自接触和汽车与刚性墙之间的面面接触。在设置接触前，为了方便起见，将汽车有限元模型的所有层设置为一个set（集合），然后进行接触设置。取汽车轮胎上的所有node设置为一个set，然后建立速度的载荷，将速度赋予node set，此时汽车就有向前的速度了。

2 有限元模型的求解和导入

LS-DYNA中的积分算法分为显示算法和隐式算法。显示算法又分为动态显示算法和静态显示算法，动态显示算法采用动力学方程的一些差分格式，不用直接求解切线刚度，不需要进行平衡迭代，计算速度快，而且收敛问题一般不存在。数值计算过程可以很容易地进行并行计算，程序编制也相对简单[2]。显示算法中质量矩阵为对角矩阵，只有在单元级计算尽可能少时才能发挥其速度优势，所以计算精度难以保证。静态显示算法不需要迭代，因为它基于平衡方程组和Eular向前差分法[3]，这种方法在计算时会使所得结果慢慢偏离正确值，可靠性较强。

Hypermesh仅仅是前处理软件，要求解必须设置于求解器相对应的控制卡片。LS-DYNA求解器常用于汽车碰撞，因此本文选择LS-DYNA求解器。需要设置的控制卡片主要包括沙漏控制、时间步长等。如若这些控制卡片的设置出现问题，那么将会出现错误。

边界条件中速度的设置按照国际上碰撞研究的标准进行设置，以50km/h的速度向刚性墙进行碰撞，求解时间设置为0.5s，汽车与刚性墙、地面之间的静摩擦和动摩擦因数均选为0.3，求解完成后把d3plot文件导入到hyperview中进行变形分析。采用对比的方法，分别用有保险杠的和没有保险杠的SUV车辆进行碰撞，取碰撞的0.65s和0.75s两个时间点进行分析，其变形量使用位移云图表示。0.75s时有保险杠的位移云图为图4;0.75s时无保险杠的位移云图为图5;0.65s时有保险杠的位移云图为图6;0.65s时无保险杠的位移云图为图7。

3 有限元模型后处理分析

有限元模型经过前处理，使用LS-DYNA求解器进行求解，得到d3plot文件，然后观察整车的位移云图。以50km/h的速度进行正面碰撞，有保险杠的整车的白车身部分的位移变形为3.015e2mm-4.523e2mm之间;无保险杠的整车的白车身的位移变形在4.523e2mm-6.030e2mm之间，可以看出保险杠使得汽车的变形位移最大减少了3e2mm，保险杠很大程度上减少了汽车正碰时的变形问题。0.75s时的碰撞结果如图4、图5所示，同样也可以分析出保险杠对于汽车碰撞的变形有很大的缓冲作用。从仿真的结果可以看出，保险杠的作用是减少车辆的变形，在同一时间点时，有保险杠作缓冲作用的汽车碰撞，其车盖的变形量较小，没有保险杠作缓冲作用的汽车车盖变形量较大，与实际的情况相符，为实际的研究提供了理论基础和技术支持。

4 结论

利用hypermesh与LS-DYNA进行有限元模型的建立和仿真，得出汽车前部保险杠在汽车碰撞中具有很好的吸能作用，减少汽车车身的变形，有利于乘坐安全性的提高，有限元仿真与实际情况相近，可以采用。本文的研究中需要改进的地方：1.后续研究可以针对吸能盒装置，其能够有效吸收碰撞时的能量;2.保险杠与汽车车身连接方式会影响碰撞时的变形情况，因此后续研究可以改变连接方式或者连接单元的数量。

参考文献

[1] 穆伟. 汽车前保险杠结构设计及优化[J].机械设计与制造工程，2018（9）：43-46.

[2] 刘莉.轿车前部保险杠框架安全设计方法研究[D].长春：吉林大学，2006.

[3] 葛如海，王群山.缓冲吸能式保险杠的低速碰撞试验和仿真[J].农业机械学报，2006（2）：61-63.