基于HyperMesh的泡沫铝填充防撞梁仿真研究

薛海涛

【关键词】正面碰撞;防撞梁;泡沫铝填充

【中图分类号】U463.834 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）10-0034-03

汽车的防撞梁需要保护整车的零部件和乘客安全，汽车行业对防撞梁的设计都非常重视，科研人员都在想方设法地提升其碰撞吸能性能[1-3]。当发生真正的碰撞工况时，防撞梁吸收的冲击能量越多，车内的乘客受到的损伤越小，因此汽车的防撞梁的吸能效果直接影响整车的碰撞效果。本文从防撞梁的吸能效果出发，基于HyperMesh软件，对防撞梁进行分析设计，并基于传统防撞梁的结构特点，引入泡沫铝结构对传统防撞梁进行填充，提升防撞梁的碰撞吸能表现。

1 防撞梁介绍

前防撞梁在正面碰撞中，起到吸收能力与保护乘客安全的作用，是保险杠系统的重要组成单元，其结构的吸能效果将直接影响汽车碰撞星级标准与安全性能[4]。图1所示为前防撞梁所在汽车前部的位置，从图1中可知，防撞梁基本在正面碰撞中是第一个与冲击物体进行接触的车体结构，其对汽车内部零部件的保护和车内乘员安全的保护都非常重要。

2 基于HyperMesh的防撞梁的有限元建模

本文通过使用有限元的手段对防撞梁进行分析设计。有限元方法已经被证明是一种非常有效的方法验证冲击载荷下能力吸收能力及结构变形，可以有效减少制造及实验中的测试次数，大幅度提升解决机械工程中的问题的效率。目前对保险杠性能的研究，已经普遍使用有限元手段进行分析。HyperMesh软件是美国Altair公司开发的产品，集成了分析与设计的各种工具，具备良好的性能设计和友好的用户界面的CAE应用软件包。HyperMesh具备强大的有限元网格划分处理功能，在CAE分析中，有限元模型的建立占据整个CAE分析80%的时间。HyperMesh软件支持已有的三维CAD模型的直接导入且导入的效率及数模质量都非常高，可以大大减少工作量，因此本文的分析中，使用HyerMesh軟件进行有限元建模。

图2所示为某车型的防撞梁模型，重量为19.6 kg的落锤通过5 m/s的恒定压溃速度撞击防撞梁中部区域，防撞梁厚度为2 mm，其基体材料为铝合金AA6063-T6，材料的主要参数弹性模量为73 GPa，密度为2 700 kg/m3，泊松比为0.3。在整个防撞梁的有限元模型中，利用壳单元对模型进行网格划分。在整个有限元的分析模型中，防撞梁与落锤采用自动面面接触避免产生穿透现象，前纵梁区域所有后部节点均约束6个自由度，并采用自动的单面接触算法模拟内部所有的接触关系。动摩擦系数与静摩擦系数分别为0.2与0.3。某车型“日”字形防撞梁的有限元模型如图2所示。

3 泡沫铝填充防撞梁结构

泡沫铝是在铝合金通过发泡工艺形成的产品，同时具备金属与气泡特征，具备密度小、高吸能、抗冲击能量强等良好的物理力学性能。泡沫铝优异的性能使得其在材料与工业领域具备良好的应用前景，已经在汽车行业进行一定程度的应用，并取得良好的应用效果[5-7]。本文基于泡沫铝良好的力学性能，提出泡沫铝填充防撞梁，通过将泡沫铝填充至“日”字形防撞梁中形成新的泡沫铝填充防撞梁。对比其与原始防撞梁的吸能表现，并为车型实际开发提供进一步的参考。如图3所示，左边为原始车型设计中的“日”字形防撞梁，右边是根据原始“日”字形防撞梁的尺寸，在原防撞梁中加入泡沫铝填充材料形成的泡沫铝填充防撞梁，两者所受的工况一致。

3.1 防撞梁能量吸收评价指标

对防撞梁的能量吸收能力进行对比是非常有必要的，通过定量指标可以有效进行能量吸收效率的对比。在本研究中，通过使用总能量吸收EA进行防撞梁与能量吸收的对比。防撞梁吸收的总能量是指整个防撞梁在碰撞过程中利用塑性形变吸收的总的能量，F（x）表示碰撞力，其表达式如下：

3.2 不同防撞梁变形模式

图4所示为不同防撞梁在碰撞过程中的变形对比。从图4中可以看出，原始防撞梁与泡沫铝填充防撞梁的变形模式总体上保持一致。两种防撞梁的变形均是从落锤与防撞梁的接触的地方开始产生形变，并随着碰撞的时间增加而使相应的形变增加，并慢慢地产生凹槽。从图4中可看出，冲击能量的耗散正是通过防撞梁结构的塑性变形进行耗散的，并随着塑性变形的幅度变大，其吸收的能量也越多。相比原始防撞梁，泡沫铝填充防撞梁虽然在变形模式上差不多，但是泡沫铝填充防撞梁最后的形变位移相对更小。

3.3 不同防撞梁碰撞表现

图5所示为防撞梁在碰撞过程中的应力云图，从图5中可以看出，原始防撞梁与泡沫铝填充防撞梁的应力集中位置基本一致，应力较大的地方主要分布在落锤与防撞梁接触的位置和前纵梁与防撞梁连接的地方，这两类地方均出现明显的变形内凹。值得一提的是，虽然应力集中的区域原始防撞梁与泡沫铝防撞梁出现的区域一致，但是依然可以从图5中看出，泡沫铝填充防撞梁后面的前纵梁区域所受的应力区域相对较小，意味着这个泡沫铝填充防撞梁可以有效保护后面前纵梁区域，进而增强了对汽车部件的保护。

图6所示为不同防撞梁在碰撞过程中能量吸收随时间变化的对比，从图6中可以看出，泡沫铝填充防撞梁的总的吸能趋势与原始防撞梁的吸能趋势基本保持一致，在碰撞时间为6 ms时，泡沫铝填充防撞梁吸收的能量为501 J，而原始防撞梁吸收的能量为475 J，在碰撞工况一致的情况下，泡沫铝填充防撞梁的能量吸收比原始防撞梁高出5.5%。当碰撞时间为12 ms时，泡沫铝填充防撞梁比原始防撞梁高出54 J。当碰撞时间为18 ms时，泡沫铝填充防撞梁高出73 J。因此，从碰撞分析结果来看，泡沫铝填充防撞梁可以大大提升防撞梁的能量吸收能力和有效保护汽车部件。

通过对原始泡沫铝填充防撞梁与原“日”字形防撞梁进行对比可知，泡沫铝填充防撞梁在碰撞工况一致的情况下，可以有效提升结构的碰撞能力，保护整车的结构，提升车型的碰撞表现。

4 总结

在汽车的碰撞中，保险杠系统中的防撞梁可以通过塑性变形有效地降低碰撞冲击，是汽车安全碰撞结构中非常重要的布局。本文从工程实际出发，着力提升防撞梁的吸能效果，基于HyperMesh软件对防撞梁进行分析设计，并基于传统防撞梁的结构特点，引入泡沫铝结构对传统防撞梁进行填充，提升防撞梁的碰撞吸能表现。通过分析对比发现，泡沫铝填充防撞梁通过变形可以有效地降低后面前纵梁的变形，并在碰撞过程中吸收更多的能量，可以有效地提升汽车的碰撞表现，本文的研究为防撞梁的设计开发提供了新的思路。

参 考 文 献

[1]徐中明，徐小飞，万鑫铭，等.铝合金保险杠防撞梁结构优化设计[J].机械工程学报，2013（8）：140-146.

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[3]张伟，胡平，申国哲.基于简化模型的汽车防撞梁仿真优化研究[J].农业装备与车辆工程，2010（7）：16-20.

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