某車保險杠吸能裝置的碰撞仿真研究

鄧曉龍，馮國勝，李鵬飛，馬俊長

(1.石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043;2.河北御捷車業有限公司，河北 邢臺 054800)

隨著人們生活水平的提高，汽車已經成為出行的代步工具。隨著其數量的增加，交通事故也隨之急劇增長，直接威脅到人們的財產和生命安全［1］。車輛的碰撞安全性越來越引起人們的重視，碰撞安全性分析也已成為車輛研發必不可少的步驟之一。本文對某車保險杠的兩種吸能裝置進行100%正面碰撞仿真分析，綜合評價出吸能效果較好的結構。為廠家提出建議，避免大量的碰撞試驗，降低設計成本。

1 三維模型簡化

本文應用Catia 的曲面造型功能對汽車的前車廂支架進行簡化，而汽車的前圍板為鈑金件，用曲面造型比較困難，采用Catia 的鈑金設計功能，然后提取鈑金件表面的方法完成前圍板的簡化，再將二者進行裝配，該車車頭部位的三維模型如圖1 所示，簡化后的三維模型如圖2 所示。

在前車廂支架前有保險杠，二者之間通常會有吸能裝置。有兩種備選的吸能裝置保險杠:一種吸能裝置保險杠為屈服強度較低的金屬材料做成的吸能盒，三維模型如圖3 所示;另一種吸能裝置保險杠為可壓泡沫，三維模型如圖4 所示。

2 前置處理生成K 文件

利用Altair 公司Hyperworks 中的HyperMesh 模塊，對模型進行前置處理并生成所需的K 文件。

2.1 材料和屬性

在碰撞過程中應考慮整車質量慣性的作用，將車身簡化成剛性墻，并將其質量約700 kg 平均分配到該簡化車身的節點上［2］，模型中結構件的材料參數如表1 所示。

表1 結構件的材料參數表

2.2 網格劃分

HyperMesh 模塊擁有強大的前處理功能，將Catia 中的三維模型導入到HyperMesh 中，進行網格劃分。

2.3 部件間連接設置

簡化車身為剛性體，而前圍板為柔性體，二者的材料屬性不同，通過工具欄中的organize 菜單將靠近簡體車身的前圍板最外面一圈的網格都移動到車身上，則實現了二者的連接;前圍板和前車廂支架是通過螺栓連接的，在HyperMesh 中通過1D 頁面的rigids 菜單連接螺栓孔的節點生成Rgdbody 實現螺栓連接［3］;吸能盒與保險杠、前車廂支架間是通過1D 頁面的spotweld 菜單形成焊接連接;而可壓泡沫實體是通過Tool 頁面下的faces 菜單提取實體表面，再通過Analysis 頁面的interfaces 菜單形成surface to surface 的automatic 自動接觸，實現連接。

2.4 傳感器設置

簡化車身為剛性體，在碰撞過程中不發生變形，則可以在車身上找一點來測量整個碰撞過程中速度、加速度的變化。選擇車身中部從前圍板移動到車身上的一節點向Z 方向復制平移一定距離，在將此點分別向車運動方向X 的負方向，和Y 方向復制平移一定的距離形成一個直角三角形，X、Y 方向確定傳感器測量的速度、加速度的方向。三個節點則需要通過創建Xtranode 接觸與車身產生連接，然后創建傳感器單元，將傳感器單元的直角頂點設置成傳感器數據的輸出點。

2.5 邊界條件設置

該車以40 km/h(111 11 mm/s)的初速度，正面100%的撞向剛性墻。通過Analysis 頁面的rigid wall菜單可以創建一面固定不動的剛性墻;將整車所有的節點創建成一個entity set，建立Load Collector 的載荷類型為Initialvel，并關聯該節點集，定義初速度;還應將整車所有的部件間創建自動接觸，使各部件在車輛發生碰撞時，各部件間不發生穿透［4］。

2.6 計算控制參數設置

計算控制參數的設置是碰撞仿真的最后一步，保證計算的正常進行。通過Analysis 頁面的control card 菜單可以對碰撞仿真計算時間、能量、接觸、沙漏、有限元積分的時間步長和碰撞動畫的時間步長等進行設置［5］。前置處理完成后，吸能盒車頭有限元模型如圖5 所示，可壓泡沫車頭有限元模型如圖6所示。

3 求解及后處理

完成前置處理后，即可導出生成LS－DYNA 求解器識別的K 文件，導入到ANSYS LS－DYNA 求解器中進行求解計算［6］。在HyperView 和HyperGraph 中讀取計算產生的結果文件，d3plot 文件中可觀察整個碰撞過程動畫，吸能盒碰撞結果如圖7 所示，可壓泡沫碰撞結果如圖8 所示。binout 文件中包含了很多信息:glstat 文件可以讀取碰撞過程中能量的變化，如圖9 吸能盒碰撞能量曲線圖、圖10 可壓泡沫碰撞能量曲線圖所示;nodout 文件中可輸出測量點速度變化曲線，如圖11 兩吸能裝置碰撞速度曲線圖所示;matsum 文件中可讀取各個部件的能量變化，如圖12 兩吸能裝置的吸能曲線圖所示。

由圖9 和圖10 可知，吸能盒車頭的碰撞仿真和可壓泡沫車頭的碰撞仿真整個碰撞過程中總能量基本保持不變，整車的動能逐漸減少，內能逐漸增加，沙漏能基本為零，滑動截面能相對較少。則說明兩個碰撞仿真過程是正確的。

由圖11 可知，兩個仿真的車速都是在逐漸減小，并且初始速度為設定的11 111 mm/s。吸能盒車頭的速度要比可壓泡沫車頭的速度下降得快，并且速度提前降為0，之后又反向運動。則說明吸能盒的碰撞效果在降低車速方面優于可壓泡沫。

由圖12 可知，吸能盒車頭在碰撞過程中，左吸能盒和右吸能盒吸收的能量幾乎相同。二者能量相加，則為吸能盒在碰撞過程中吸收的總能量，在碰撞剛開始時吸能盒吸收的能量稍低于可壓泡沫吸收的能量，但約6 ms 之后，吸能盒吸收的能量開始高于可壓泡沫吸收的能量，二者在15 ms 吸收的能量不再增加，但吸能盒吸收的能量要高于可壓泡沫吸收的能量，則說明吸能盒的碰撞效果在吸能方面優于可壓泡沫。

4 結論

本文只改變車頭的吸能裝置，模擬兩結構的碰撞仿真過程。兩碰撞仿真過程滿足能量守恒定律，過程正確有效;吸能盒車頭的速度比可壓泡沫車頭的速度下降得快，且吸能盒吸收的能量最終高于可壓泡沫吸收的能量，則說明吸能盒的碰撞效果在吸能方面優于可壓泡沫，廠家可優先選擇吸能盒來做為本車的吸能裝置。

［1］ 曹雁超.汽車碰撞有限元數值建模及仿真［D］.濟南:山東大學，2014.

［2］ 胡志遠，曾必強.基于LS－DYNA 和Hyper Works 的汽車安全仿真與分析［M］.北京:清華大學出版社，2011.

［3］ 王鈺棟，金磊，洪清泉.Hyper Mesh＆Hyper View 應用技巧與高級實例［M］.北京:機械工業出版社，2012.

［4］ 王猛.基于前縱梁結構分析的微型車耐撞性研究［D］.上海:上海交通大學，2012.

［5］ 白金澤.LS－DYNA3D 理論基礎與實例分析［M］.北京:科學出版社，2005.

［6］ 郝亮，劉永強，廖英英等.基于LS－DYNA 的移動式壓力容器側翻碰撞分析［J］.石家莊鐵道大學學報(自然科學版)，2014，27(3):50－54.