某商用車后下防護裝置有限元強度分析

鄭龍月，王吉忠，呂林

(青島理工大學機械與汽車工程學院，山東青島 266520)

0 引言

隨著時代的進步和科技的發展，汽車已經步入人們的日常生活中[1]。隨著汽車保有量的增多，交通事故也逐年增加。據調查，追尾事故在交通事故中發生的比例最高，其中在追尾事故中傷害程度最大、數量最多的為小轎車與商用車之間的碰撞。因此，本文作者對某商用車后下防護裝置在碰撞過程中的強度進行研究，對現有的后下防護裝置結構作進一步改進[2]，以提高汽車的被動安全性和乘員的乘車安全性。

1 法規要求與邊界條件

文中所研究的后下防護裝置以車輛縱向中心平面為軸對稱。根據法規中的有關規定，若汽車的后下防護裝置滿足上述要求，在兩點和三點靜態加載試驗中可以只研究后防護裝置中同一側的三個點。

1.1 加載點位置的確定

靜態加載試驗分為兩點加載和三點加載。分別設加載點位置為P1、P2、P3，加載點位置如圖1所示。兩點加載時，兩作用點P2之間的距離應為700～1 000 mm，且兩作用點相對于后下部防護裝置縱向中心線對稱。三點加載時，點P1距離車輛后軸車輪最外端(300±25) mm；點P3位于P2兩點連線之間，并且處于車輛中心垂直平面上[3]。

圖1 加載點位置示意

1.2 試驗載荷的確定

兩點加載時，每點加載力為100 kN或者相當于車輛最大設計總重力50%的水平載荷，試驗時取兩者的較小值。三點加載時，每點加載力為50 kN或相當于車輛最大設計總重力25%的水平載荷，試驗時取兩者的較小值。

該模型中車輛的總重力為4 500×9.8 N，兩點加載時，車輛總重力的50%為2 250×9.8 N，約為22.5 kN，小于100 kN，取靜態加載載荷為22.5 kN；三點加載時，車輛總重力的25%為1 125×9.8 N，約為11.25 kN，小于50 kN，取靜態加載載荷為11.25 kN。

2 仿真模型的建立

2.1 幾何模型

根據車輛的結構和法規中對于加載裝置的規定，應用CATIA軟件建立了后下防護裝置和加載裝置的幾何模型，如圖2所示。

圖2 后下防護裝置幾何模型

該模型由支架、縱梁、尾梁、橫梁和加載裝置五部分組成。其中支架與縱梁、縱梁與尾梁之間用螺栓連接，支架與橫梁之間采用焊接連接。

2.2 有限元模型

對后下防護裝置建立有限元仿真模型，如圖3所示，該模型共有69 998個單元，實體單元69 484個，殼單元514個，單元尺寸選擇5 mm。

圖3 后下防護裝置有限元模型

2.3 模型材料的選擇

模型材料的選擇決定了仿真效果的真實性，為該模型在LS-DYNA中選擇的材料卡片為MATL1、MATL20、MATL24。支架和橫梁之間的焊接選用的材料卡片為MATL1。支架和橫梁應具有阻擋、吸能和緩沖的作用，應為線性彈塑性材料，即材料達到屈服極限后，應力應變曲線由多線段組成，故支架和橫梁的材料卡片為MATL24，設選用的材料為A。縱梁和尾梁選用的材料卡片也為MATL24，但由于部件的功能不同，材料的參數也各有差別，設選用的材料為B。由于材料的應力應變曲線等參數屬于商業機密，給出部分A與B材料參數，如表1所示。

表1 A與B材料參數

3 后下防護裝置優化設計與強度分析

3.1 優化后的后下防護裝置介紹

在后下防護裝置的靜態加載試驗過程中，發生變形的主要部件為支架與橫梁，因而對支架和橫梁的結構加以改進，可以使后下防護裝置在碰撞過程中更好地起到防護的作用。

考慮經濟原因，在基本不改變原方案的基礎上對橫梁進行優化設計[4]。在橫梁橫截面尺寸100 mm×50 mm不變的基礎上，橫梁厚度由原來的2 mm增加至3 mm。改進后的橫梁截面如圖4所示。

圖4 優化后的橫梁

3.2 強度仿真分析

將HyperMesh中處理好的有限元文件導入LS-DYNA中求解計算。

圖5、圖6、圖7分別為原方案兩點加載P2和三點加載P1、P3的后下防護裝置的橫梁與支架的受力云圖。可知：在兩點加載和三點加載的方式下，后下防護裝置所承受的最大應力值分別為523、457、339 MPa。由制造商提供的后下防護裝置的材料參數(表1)可知：加載點為P1、P2時的后下防護裝置的最大受力均超過了屈服極限。若隨著靜態加載試驗的繼續進行，此裝置可能會出現斷裂或者永久變形，在發生小轎車追尾商用車的事故時，小轎車很容易發生鉆撞現象，不利于汽車的行駛安全性與乘員的乘車安全性，所以需要對后下防護裝置進行優化設計。

圖8、圖9、圖10分別為優化方案兩點加載P2和三點加載P1、P3的后下防護裝置的受力云圖[5]。可知，在兩點加載和三點加載的方式下，后下防護裝置所達到的最大應力值分別為352、330、287 MPa，兩點加載和三點加載下后下防護裝置的最大應力值均相應減少，且均沒有超過后下防護裝置的屈服極限。表明優化后的后下防護裝置滿足了法規要求，在發生追尾碰撞時能夠在一定程度上阻止鉆撞事故的發生，提高了汽車的被動安全性。

優化前后的后下防護裝置最大應力改善幅度如表2所示。

表2 最大應力改善幅度

4 結論

根據法規中的要求，利用CATIA和HyperMesh建立后下防護裝置的幾何模型與有限元模型，進行了靜態加載試驗。在原方案的基礎上，對后下防護裝置的橫梁進行了厚度改進，并將優化前后的后下防護裝置的最大應力值進行對比分析[6]。根據靜態加載的仿真結果，利用計算機仿真技術進行汽車的強度分析可以完善汽車的結構設計，從而提高汽車的被動安全性能。