材料特性對轉向柱碰撞性能影響的仿真研究

宋曉華，李 偉

(重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶400074)

在汽車正面碰撞事故中，轉向盤和轉向柱是導致駕駛員受傷的主要部件之一［1］。當發生正面碰撞事故時，具有良好碰撞特性的汽車轉向柱可以很好地減輕或防止駕駛員的傷害。因此作為影響汽車安全性能的重要因素，汽車轉向柱受到了越來越廣泛的重視。研究改善結構和材料性能來提高轉向柱的安全性能，具有極大的實用價值［2］。許多學者對汽車轉向柱的碰撞特性進行了大量的研究［1-6］，但是大多數研究都僅僅針對轉向柱的結構改進設計，而對轉向柱材料性能的研究較少。因此，很有必要對轉向柱的材料性能對其碰撞特性的影響進行研究。

筆者以微型轎車的轉向柱為研究對象，建立了轉向柱碰撞有限元模型。采用顯示動力學有限元方法，應用有限元分析軟件LS-DYNA對不同材料特性的轉向柱的碰撞性能進行了研究，并對轉向柱的變形形態、運動位移、速度、吸能量等方面進行了對比，研究結果可為汽車轉向柱的設計和碰撞性能的提高提供依據。

1 汽車轉向柱的有限元模型

首先利用UG軟件建立轉向盤和轉向柱的幾何模型，然后通過IGS圖像數據交換格式將CAD模型轉入前處理有限元軟件ANSAS中進行網格劃分。為了保證有限元分析結果的精度，在有限元模型的建立過程中，有限元網格以四邊形殼單元為主，三角形殼單元占單元總數的2.1%(滿足通用的有限元網格劃分要求)，并且嚴格保證所有單元的質量要求，包括長寬比、單元內角、雅可比、翹曲度、錐度、傾斜度。為了提高計算效率，轉向盤和剛性墻采用10 mm的網格，由于轉向柱為分析的主要部件，轉向柱采用2 mm的網格。轉向柱碰撞有限元模型如圖1，共16 588個單元，16 520個節點。

圖1 轉向柱碰撞有限元模型Fig.1 Finite element model of steering mast

2 材料的選擇

目前轎車車身最常采用的是低碳鋼、鋁合金和高強度鋼［7］。經過多種材料的對比分析，選用低碳鋼、2017-T 4鋁合金和BH 260/370高強度鋼3種材料進行研究。選用材料的性能參數如表1［7］。

表1 選用材料的性能參數Table 1 The material properties

3 邊界條件的確定

根據方向盤的碰撞性能要求，定義模擬沖擊塊的剛性墻的質量為 36 kg，初始速度為 25 km/h［4］。約束轉向柱底部端面節點的所有自由度(即x、y、z方向的所有平動和轉動自由度)，另外，約束剛性墻y和z兩個方向的所有自由度。

4 數值仿真及分析

低碳鋼、高強度鋼和合金鋼的轉向柱在碰撞過程中變形形態分別如圖2～圖4。從圖中可以看出，低碳鋼轉向柱的屈曲形態較高強度鋼和合金鋼的好，高強度鋼的屈曲形態次之，合金鋼最差。在碰撞初始階段(10 ms之前)低碳鋼和高強度鋼的屈曲性能好于合金鋼。

圖2 低碳鋼轉向柱碰撞過程的變形Fig.2 The collision deformation of steering mast with mild steel

圖3 合金鋼轉向柱碰撞過程的變形Fig.3 The collision deformation of steering mast with alloy steel

圖4 高強度鋼轉向柱碰撞過程的變形Fig.4 The collision deformation of steering mast with high strength steel

剛性墻的位移時間歷程曲線如圖5。從圖5可以看出，在轉向柱碰撞完成之后，位移量值是低碳鋼的最大，合金鋼的其次，高強度鋼的最小。在碰撞過程中，低碳鋼的變化速度更快，而合金鋼和高強度鋼的變化速度很接近。

圖5 剛性墻的位移-時間歷程曲線Fig.5 The displacement curve vary with time of rigid wall

圖6顯示了剛性墻的速度時間歷程曲線。從圖6可以看出，低碳鋼的碰撞時間最長，合金鋼次之，高強度鋼的碰撞時間最短。

圖6 剛性墻的速度-時間歷程曲線Fig.6 The velocity curve vary with time of rigid wall

轉向柱的吸能量的時間歷程曲線如圖7，低碳鋼的總吸能量最大，合金鋼稍大于高強度鋼。在碰撞過程中，合金鋼和高強度鋼的吸能更快，而低碳鋼的吸能時間較長。因此，合金鋼與高強度鋼在碰撞過程中很更好的減輕轉向系統對駕駛員的傷害。另外，對于轉向柱的重量，低碳鋼與高強度鋼都為0.404 kg，而合金鋼只有0.144 kg，質量只有前兩者的35.6%。綜合起來考慮，轉向柱采用合金鋼材料時的碰撞最好，同時能達到輕量化的效果。

圖7 轉向柱的吸能量-時間歷程曲線Fig.7 The energy absorption curve vary with time of vehicle steering mast

5 結語

通過建立轉向柱碰撞有限元模型，運用顯示動力學有限元方法，研究了低碳鋼、2017-T4合金鋼和BH260/370高強度鋼轉向柱的碰撞性能進行，得到以下結論:

1)不同材料性能的轉向柱將對其碰撞性能產生不同程度的影響，選擇合適材料的轉向柱將會有助于其碰撞性能的提高。

2)采用合金鋼的轉向柱與采用低碳鋼和高強度鋼的轉向柱的碰撞性能不僅得到了提高，而且質量更小，有助于汽車輕量化。

3)采用有限元方法對轉向柱進行結構和碰撞性能進行優化是可行的。

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