我國汽車保險杠研究現狀和有限元分析方法在汽車產品中的應用

賴嘯，劉勇

(宜賓職業技術學院，四川 宜賓 644003)

汽車這項交通工具發展迅速，在日常生活中使用廣泛。隨著汽車的大量普及，隨之產生的交通事故也日益增加，汽車的安全性能顯得十分重要。在歷年來大量的交通事故統計中，有很大比例是與汽車保險杠的設計有關，保險杠承擔著很大的安全保護責任。

1 汽車保險桿的發展

1896年卡爾本茨發明了第一輛汽車(三輪汽車)，當時的汽車沒有保險杠，只有一個安裝喇叭和車燈用的金屬橫梁，后來為了達到美觀的效果，增加了裝飾用的前蓋板，這就是最初的保險桿原型。隨著交通事故的頻繁發生，人們逐漸意識到保險杠對車輛及行人的保護作用，有人考慮在前蓋板上增加保護功能，具體采用與前橫梁留有一定間隙的保險杠蓋板，后來進一步發展成在保險杠蓋板與橫梁之間增加能吸能緩沖的橡膠構件，這樣做能夠很大程度降低汽車對行人的沖擊，這種結構最終演變成后來的金屬保險杠總成。隨后汽車保險杠又出現了由外板、緩沖材料和橫梁三部分組成的保險杠結構。近些年隨著各行各業技術的大力發展，新型的保險杠結構也不斷涌現，如液壓吸能式、帶氣腔式等。另外，出于保護行人的要求，現在國外也在研究安全氣囊式保險杠。

2 我國汽車保險桿的研究現狀

在我國的汽車行業中，保險杠作為一種重要的安全裝置正處于高速發展的階段。目前，我國轎車的保險杠擁有保護汽車部件、保護行人安全、滿足車身空氣動力性要求等作用以外，還具有裝飾和美化車身的作用，追求車型的美觀與和諧。因此，我國目前的汽車保險桿都采用塑料保險桿，主要有聚丙烯(PP)和由抗沖PP共聚物、苯乙烯類彈性體和聚烯烴類橡膠3種組成共混改性材料，注射成型。比如上海大眾桑塔納、斯柯達轎車的保險杠，采用了聚酯系材料，并用反應注射模成型法做成；一汽大眾的速騰、邁騰和新高爾夫轎車采用了聚丙烯系材料注射成型做成。塑料保險杠具有強度好、剛性好，有一定裝飾性等特點，并且當汽車發生碰撞事故時能起到緩沖作用而保護了車體，安全性能好。

3 有限元分析方法在汽車產品中的應用

有限元分析法(Finite Element Analysis)是根據變分原理求解數理方程的一種數值計算方法，是一種解決工程實際問題的近似數值計算工具，利用簡單而又相互作用的元素，就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。因為有限元方法多用于求解一些復雜形狀或者多維應力場的場合，所以通過人工計算，大部分的求解過程都很難得到理論解。隨著計算機軟件技術的高速發展，計算機輔助工程技術(CAE)的形成，開始實現借助計算機技術來求解汽車產品中的大變形非線性的方程組。CAE技術一經應用就表現出獨特的優越性，它不僅使計算時間大大縮短，同時也獲得了良好的精確度。

把CAE技術結合有限元分析方法運用在汽車保險桿上，目前流行的是，建立符合保險杠開發精度要求的有限元模型，然后獲得較好的保險杠結構及模擬參數，并為相關的結構系統分析提供理論及方法上的參考。在原理樣車的制造之前，先進行保險杠機械結構基本力學性能的模擬仿真，預測所設計的保險杠結構是否達到應有的剛度、強度和動態特性等基本力學性能要求，分析結構不能滿足這些基本力學性能要求的原因，并根據分析結果提出結構設計方案。用有限元分析方法結合仿真技術對保險杠結構基本力學性能進行分析也是取得質量輕、剛性高的保險杠結構的有效手段。保險杠結構基本力學性能仿真技術以線彈性有限元法為基礎，在國外先進的汽車制造公司己得到普遍應用。基于線彈性有限元法的保險杠結構基本力學性能仿真技術，其仿真過程包括建立力學仿真模型、定義邊界條件、分析結構的各種力學特性、根據結果對所設保險杠結構基本力學性能進行評價、指出性能缺陷和提出結構改進措施等多方面。

目前能應用到汽車產品領域的常見的有限元分析方法軟件總結如下：

(1)MSC.PATRAN和NASTRAN。MSC.PATRAN和NASTRAN的主要功能模塊有：基本分析模塊，包括靜力、模態、屈曲、熱應力、流固耦合及數據庫管理等；動力學分析模塊；熱傳導模塊；非線性分析模塊；設計靈敏度分析及優化模塊等常見模塊。除模塊化外，本軟件還具備可以按照解題規模分成10000節點到無限節點，用戶引進時可根據自身的經費狀況和功能需求靈活地選擇不同的模塊和不同的解題規模，以最小的經濟成本獲取最大效益。

(2)HYPERWORKS。HYPERWORKS是由法國ALTAIR公司開發的系列產品，它的開放式平臺可以直接運用先進的CAD、CAE求解技術，并內嵌與產品數據管理以及客戶端軟件包交互的界面。它有強大的幾何輸入、輸出功能，支持多種格式的復雜裝配幾何模型讀入，如TIA、UG、Pro/E、STEP、IGES、PDGS、DXF、STL、VDAFS等格式的輸入。支持UG動態裝配，并可設定幾何容差，修復兒何模型，并支持IGES、STEP等CAD格式輸出。另外它還與主流求解器實現無縫集成。HYPERWORKS具有強大的網格功能，并且還提供了多種焊接單元生成方法，支持焊接單元的自動創建還可進行等值線圖等多種類型的后處理瀏覽與應力應變位移速度的云圖。

(3)LS.DYNA。LS.DYNA是美國LSTC公司創建的全球知名通用顯式動力分析程序，是被公認為是顯式有限元程序的鼻祖和理論先導，是目前所有顯式求解程序的基礎代碼。在工程界得到廣泛應用并被認為是最佳的顯式分析軟件包。它以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法；以顯式求解為主，兼有隱式求解功能；以結構分析為主，兼有熱分析、流體.結構耦合功能；以非線性動力分析為主，兼有靜力分析功能。

參考文獻：

[1] 林瑋靜，齊學先.汽車前軸設計中有限元方法的應用[J].山東交通科技，2012(3).

[2] 孫泉.中國汽車市場現狀及發展趨勢[J].新財經，2013(7).