汽車保險杠碰撞的有限元分析

摘要：文章應用ANSYS有限元軟件進行了汽車保險杠的碰撞模擬仿真；得到了汽車在受到碰撞之后，結構所發生的改變；根據算出的汽車保險杠的變形數據，為改進保險杠提供了參考依據。

關鍵詞：保險杠；碰撞；有限元

中圖分類號：F407 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）18-0061-02

1 概述

在科學技術日益發達的今天，人們的代步工具已發生了巨大的改變。在我國，現如今汽車已經走進了千家萬戶。汽車的安全性能就成為了大家非常關注的話題。所以如何提高汽車在碰撞過程中的耐撞性和盡可能地減少乘客的傷亡將成為我國汽車安全性研究的重要話題。國外對整車碰撞模擬的研究經過二十多年的發展，積累了大量的經驗，也制定了相應的標準和規范。而我國在整車的碰撞模擬研究才剛剛起步，相應的標準和規范也還沒有建立起來，涉及到的一些技術問題也還沒解決。本文就是對簡易保險杠進行碰撞模擬分析，從而來探討了從結構設計方面提高汽車保險杠的耐撞性的有效途徑。

2 用ANSYS軟件畫出保險杠的簡易模型

模型由兩部分組成：一個是保險杠，一個是支架。這兩部分是通過焊接而相連的。考慮到保險杠外形是曲面，在ANSYS中不易建立模型，所以簡易成平面的，便于計算。

3 建立汽車保險杠的有限元模型

由于保險杠是由薄壁板制成，所以整個模型選用薄殼單元（Shell63）進行網格劃分。網格劃分后的模型如圖2所示。單元劃分應盡量避免小單元，因為這樣會大大減小時間步長，增加求解時間。也應避免夾角單元和翹曲的殼，這將降低結果精度。

本保險杠材料采用了40Cr，彈性模量E=210GPa，泊松比為0.3。

4 進行模擬碰撞，施加載荷

5 進行計算，并求出結果

最大應力SEQV=0.14E+10Pa

最小應力SEQV=0Pa

最大位移USUM=0.002548m

最小位移USUM=0m

6 分析結論與設想

6.1 通過以上的分析計算，可得如下結論

（1）保險杠的尺寸越大，保險杠的變形就越大。（2）保險杠的重量越輕，則保險杠的變形就越大。（3）保險杠的支架強度必須要與保險杠匹配，有限元分析表明保險杠體產生一定的塑性變形的同時，保險杠支架也開始形成塑性區，合理地加強支架的強度有利于提高保險杠系統對碰撞能量的吸收。大家都知道保險杠之所以能保護乘客的安全，就在于保險杠不僅耐撞，還在于在汽車發生撞擊時，保險杠發生了變形，保險杠吸收了撞擊時的大部分能量。所以，我們要保證保險杠既耐撞還要變形大。

由以上結論（1）可知，保險杠尺寸越大，變形越大，可是，汽車的寬度是有限的，不能無限制地增大尺寸。并且，保險杠與車體之間的間隙距離也是有限的，不能容下太大的變形。由結論（2）可知，保險杠的重量越輕，則保險杠的變形越大。可保險杠的材料也不能過分消減，否則，會使保險杠的剛度和強度減弱，反而使汽車乘客更加危險。故只能在材料上下功夫了，我們可以選用緩沖材料、合理的設計緩沖結構來有效地提高保險杠系統的耐撞性。

本文的分析并沒有考慮網格密度對計算結果的影響，應當是變形越大的部位，網格劃分得越細；變形越小的部位，網格劃分得越粗，這樣不僅可以減少計算時間，同時得到的數據可以滿足要求。本文就是先對簡易保險杠進行簡單的有限元分析，然后通過計算結果來總結出結論，最后根據這些結論來重新設計保險杠的結構。

6.2 設想

由于保險杠與汽車車體之間的間隙距離是有限的，不能容下太大的變形，從而限制了有些緩沖材料的使用。為了使保險杠得到更大的變形，從而吸收更大的能量，可以從改進保險杠與汽車車體之間的間隙距離來著手。

具體措施就是設計一款能隨時改變保險杠與汽車車體之間間隙距離的新型保險杠。其工作原理就是：當汽車遇到險情時，啟動裝置，保險杠瞬間向前彈出一定長度，并卡在裝有壓縮彈簧的裝置上，使伸出的保險杠先接觸撞擊物。撞擊時產生的巨大沖擊力在壓縮彈簧的作用下，得到有效吸收和緩解，同時保險杠還能獲得更大的變形空間。這種裝置的最大優點就在于，汽車在發生碰撞時，保險杠具有彈性緩沖作用，使得碰撞的沖擊力大大減弱后再傳給汽車底梁，防撞效果好，結構簡單，不僅能吸收更多的能量，更大在于能有效地減少汽車撞擊時的振動，從而保障人及車體安全。

在啟動這一裝置的方法上，目前設想為手動和自動兩種。手動是指在方向盤上的某個部位設計一個按鈕，當駕駛者意識到險情時，先啟動裝置，伸出保險杠。此種方法比較適用特殊環境和特種車型上。特殊環境是指：大霧天氣、冰雪路面、黑夜等。自動啟動是指：在剎車系統上安裝保險絲，當遇到險情時，駕駛者常常踏死剎車踏板，當持續踏死一定秒數時（秒數可自定），連接保險絲后，啟動該裝置。

參考文獻

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[4] 李裕春，時黨勇，趙遠.LS-DYNA基礎理論與工程實踐[M] .北京：中國水利水電出版社，2005.

作者簡介：李志強（1982-），男，甘肅民勤人，供職于東風新疆汽車有限公司沙漠車研究所，研究方向：沙漠越野車設計。