基于ANSYS/LS-DYNA的輕型貨車車身緩沖區有限元分析

馬建偉

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基于ANSYS/LS-DYNA的輕型貨車車身緩沖區有限元分析

馬建偉

（邢臺職業技術學院，河北 邢臺 054035）

分析了輕型貨車安全性，介紹了碰撞有限元法的基本原理和有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA，對原車進行耐撞性改進設計，增加了緩沖區，根據車身緩沖區的三維結構，用UG軟件建立了車身緩沖區的力學模型，并利用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對車身緩沖區進行了模擬碰撞分析，將輸出結果與原車身前部的碰撞結果相對比，證明對車身的改進設計是合理的，簡化了設計流程，對輕型貨車的耐撞性設計有很好的指導意義。

輕型貨車；車身；碰撞；有限元

交通事故日益增加，汽車的安全性設計在現代汽車設計中占有越來越重要的地位，但不同類型的車輛，安全性設計的側重點不盡相同。針對輕型貨車價格低廉、廣泛應用于城鄉結合部、事故率高、事故傷害大的特點，在主要考慮安全性的同時，還要兼顧成本和適用性。

一、碰撞有限元法的基本原理

有限元法是將彈性體劃分為有限單元，彼此只在有限點連接的，把有限的單元組合起來進行研究，用一個離散結構代替原結構，作為真實結構的近似力學模型，后續的數值計算在這一離散結構上進行，即有限單元離散化[1]。

圖1 碰撞有限元用于工程實際分析的一般過程

汽車耐撞性分析的有限元法是在20世紀80年代以后逐步發展和完善起來的先進技術，現在在汽車車身設計領域應用很廣，并為汽車車身設計提供很大方便[2]。碰撞有限元用于工程實際分析的一般過程如圖1所示。

和碰撞試驗法相比，有限元法是數值分析方法，在電腦上完成分析與運算，這種方法非常方便、快捷，減少了實驗的費用，因此在汽車碰撞安全性研究方面占有特殊重要的地位[3][4]。

二、貨車緩沖區的結構建模與改進

為提高輕型貨車的安全性，加大對駕駛員的保護，減少碰撞時對駕駛員的傷害，對平頭式貨車進行改進，在保證貨車內部空間的前提下，在貨車前部增加耐撞吸能區，在汽車的前縱梁和保險杠中間增加汽車碰撞安全保護結構[5]，以保證在汽車發生碰撞時，汽車絕大部分的能量由前縱梁通過潰縮變形來吸收能量，使得車身覆蓋件向車內的侵入位移不致過大，并且前縱梁結構不應先于保險杠總成產生碰撞壓潰失效[6]。在進行有限元分析之前，本設計采用UG軟件建立三維力學模型，并為了在ANSYS中順利地劃分網格，增加了緩沖區模型做了如下修改：對不平滑、質量不好的的曲面截取邊界，重新作曲面；對曲面之間由于接觸不好產生的縫隙，在修改后將兩曲面在默認的公差下縫合。對于一些不影響分析結果的細微結構，在簡化模型的時候將其忽略，如倒圓角、工藝結構等。在修改了各個部件后，將其裝配成一個整體，修改后模型如圖2所示。

圖2 改進后緩沖區的三維圖模型圖

圖3 墻和緩沖區部件的網格劃分

三、對緩沖區進行碰撞有限元分析

1.前處理

以GUI方式啟動ANSYS/LS-DYNA，將壓潰桿的模型導入。將緩沖區和撞擊墻單元類型都定義成殼單元，將墻的實常數厚度定義為0.001m；再將前頂件、壓潰桿、前圍板的厚度分別定義為0.0025m、0.0008m、0.003m。將墻材料定義為密度為7830kg/，彈性模量為207GPa，泊松比為0.28。由于緩沖區是彈塑性材料，在ANSYS中定義該材料模型，首先需要定義兩個數組來輸入應變和相應的應力，然后生成一條應力應變曲線，最后該材料模型調用該應力應變曲線。對墻和緩沖區部件進行網格劃分，如圖4所示。將接觸定義成單面接觸，分別將靜摩擦和動摩擦定義成0.2、0.18，將緩沖區的初速度設置為20m/s。

2.求解

完成上述操作后可以直接遞交求解，也可以輸出關鍵字文件，然后遞交給LS-DYNA進行計算。本文先直接遞交求解并輸出關鍵字文件，算出結果后觀察結果，修改關鍵字文件，再遞交給LS-DYNA（Ls970.exe）進行計算。

3.后處理

上述求解后輸出D3PLOT文件，用Isprepost進行后處理。得到整個緩沖區不同時刻的變形情況如圖6所示。

圖4 緩沖區的變形過程

四、對前圍板的分析

前圍板的分析過程同上述的分析過程大致一樣，而且為了對比結果，兩次分析的一些初始參數如初速度等被設置為相同。修改后的前圍板模型如圖5所示。

圖5 原前圍板修改后的模型

對前圍板的變形在ANSYS/LS-DYNA進行碰撞分析，碰撞過程中的變形情況如圖6所示。

圖6 前圍板碰撞變形過程

1.結果分析

根據分析結構獲得碰撞中前圍板的動能變化曲線如圖，碰撞中X方向上加速度變化曲線如圖7所示，動能變化曲線如圖8所示。

圖7 加速度變化曲線

加速度曲線表明，加緩沖區后的前圍板在碰撞過程中的加速度最大值為2.1左右，而原前圍板在碰撞過程中的加速度峰值卻達到了5.5左右，原前圍板的性能明顯不如加緩沖區后的前圍板。另外，從上述加緩沖區后的加速度變化曲線還可以看出，在0.004S左右，加速度出現最大值時，這個加速值還持續了一小段時間，這正滿足了“碰撞過程中要加速度盡量小，在加速度峰值時持續的時間最長”的理想特征。

圖8 動能變化曲線

動能變化曲線表明，加緩沖區前圍板的動能在0.005秒內減少接近至0，而加緩沖區后的動能在0.02秒時才減少趨近于0，可見，在碰撞中，緩沖區能使動能在一段比較長的時間內衰減，而不會出現急劇降低的情況，性能要明顯優于原前圍板。

五、結論

通過對結果分析，可知所加的緩沖區起到了緩沖效果，碰撞中表現出能量的衰減、加速度的變化都較契合理想特性，加緩沖區的前圍板的性能明顯好于原前圍板，因此，對原車的改進設計對于提高原車的耐撞特性是有效的。

在碰撞分析過程中，參數的設定是在反復的幾次碰撞模擬計算、根據觀察變形情況并修改后計算得到的。這些參數將對緩沖區結構設計起到參考作用。

利用有限元法碰撞分析法，簡化了緩沖區設計的過程，提高了設計精度，對設計出具有良好的耐撞性的貨車有很好的指導意義。

[1]趙桂范，柳東威，孟媛媛.轎車正面碰撞有限元仿真研究[J].機械設計與制造，2010（1）：18-20.

[2]龔潔.汽車前保險杠碰撞的有限元仿真分析研究[D].沈陽：東北大學：2010.

[3]張積洪，李德根.基于ANSYS/LS-DYNA的進近燈光桿塔撞擊應力數值仿真[J].制造業自動化，2011，32（3）：131-133.

[4]時黨勇，李裕春，張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進行顯式動力分析[M].北京：清華大學出版社，2005.

[5]趙海鷗.LS-DYNA動力分析指南[M].北京：兵器工業出版社，2003.

[6]黃金陵.汽車車身設計[M].北京：機械工業出版社，2007.

Finite Element Analysis on Buffer of Light-duty Truck Body Based on ANSYS/LS-DYNA

MA Jian-wei

（Xingtai Polytechnic College, Xingtai, Hebei 054035, China）

The safety of light-duty truck is analyzed，basic principle of the collision finite element method and collision finite element analysis software ANSYS/LS-DYNA are introduced. Improved design of the original car is conducted, the buffer is added. According to three-dimensional structure of body buffer, the mechanics model of the buffer is built using UG software, and simulated collision analysis of buffer is conducted using the finite element analysis software ANSYS/LS-DYNA. With the original in the front of the car body collision, the output result is contrasted with original body collision results. It proved that improvement design to body is reasonable, design process is simplified, and it has a good guidance to crashworthiness design of light-duty truck.

light-duty truck; body; collision; finite element

（責任編輯 王傲冰）

U463

A

1008—6129（2016）05—0083—05

2016—08—11

馬建偉（1981—），河北唐山人，邢臺職業技術學院汽車工程系，講師。