汽車鋁制防撞梁碰撞性能優化分析

毛岑

汽車鋁制防撞梁碰撞性能優化分析

毛岑

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

深入開展車輛與護欄碰撞的安全研究，對提高我國交通安全具有重要現實意義。文章闡述了國內外學者對車輛與護欄碰撞的研究，利用ANSYS以及LS-DYNA軟件建立車輛和護欄模型，通過碰撞模擬和計算，研究車輛防撞梁單元車速因素對防撞梁碰撞性能的影響，對防撞梁碰撞性能進行優化分析。

有限元建模；碰撞；性能優化

前言

20世紀90年代，美國已研制出一套頗為系統的高速公路安全設施評價標準。1965年，日本對護欄的結構功能，施工要求等諸多方面做出了硬性規定。

我國早期對護欄的研究幾乎完全采納美、日兩國的模式，隨著學者的努力和國家政策的扶持，我國也逐漸跟上了世界的水平，但在某些科研方面仍有缺陷。

本文使用Ansys建立護欄和車輛的簡易模型，利用LS-DYNA進行求解分析，研究車速對防撞梁碰撞過程的影響，提出優化思想。

1 防撞梁和護欄模型的建立

本文主要考量車輛的鋁制防撞梁碰撞性能的優化，對車輛模型的建立進行了簡化。對于護欄模型，本文以剛性護欄為主。在ANSYS建立車輛防撞梁與護欄的簡易模型，然后使用LS-DYNA對碰撞過程中的應力應變等參數進行研究。

為了使建立的車身兩邊的柱子與車輛防撞梁兩邊垂直且相互平行，須將防撞梁兩端切割一小部分。

圖1 車輛和護欄模型

車輛和護欄模型建立完成如圖1所示。

2 模型的碰撞過程

第二部分的模型經LS-PREPOST后可得出以下結果：

當t=0.123s時，防撞梁與護欄開始碰撞；在t=0.126s時，防撞梁受力云圖如圖2，暖色代表作用力大，冷色代表作用力小。

圖2 防撞梁受力云圖

隨著碰撞過程的推移，當t=0.135s時，碰撞已發生一段時間，防撞梁受力云圖如圖3，且從防撞梁側面圖4可明顯觀察出，此時防撞梁側面已經發生較為明顯的變形。碰撞仍在發生，但使用受力云圖不能方便的對各個位置受力的大小進行對比，為了更好的研究防撞梁與護欄在碰撞過程中的應力應變等參數的變化，故之后的數據分析中均使用曲線圖進行描述。

圖3 防撞梁受力云圖

圖4 防撞梁側面圖

3 車速對鋁制防撞梁與護欄碰撞的影響及優化分析

在車輛質量m=1.4t，選擇的單元均一樣，速度在36km/h，72km/h，108km/h時的應變和應力進行比較分析。

從圖5可得出，v=36km/h時車輛防撞梁中間的點從t=0.123s時開始發生應變，隨著時間逐漸增加，到t=0.129s時達到其應變的第一個極大點，應變為0.00167，接著又隨時間逐漸減小，到t=0.134s時達到其應變的一個極小點，應變為0.000157，隨后隨著時間的增加應變又開始增加，到t=0.138s時，應變達到最大為0.00329，接下來隨時間的推移，應變整體出現減小的趨勢，直到t=0.1345時，應變為0，隨后應力開始隨時間發生波動。

圖5 防撞梁應變圖

從圖6可得出，v=72km/h時車輛防撞梁中間的點從t=0.0615s時開始發生應變，隨著時間逐漸增加，到t=0.0623s時達到其應變的第一個極大點，應變為0.00218，隨后從t=0.0615s到t=0.075s應變曲線發生不規則的波動，在t=0.0727s時，其應變達到最大點，應變0.0109。

圖6 防撞梁應變圖

圖7和圖8可得出，只看圖7，可能會以為防撞梁中間點的應變數值從開始碰撞開始是下降的，但和圖8聯合起來，便能夠得出：在v=108km/h時車輛防撞梁中間的點從t=0.04055s時開始發生應變，剛開始應變的數值是逐漸增大的，到t=0.0409s時應變達到其第一個極大點，數值為0.000002，隨后應變數值隨時間開始減小，到t=0.0415s時達到應變最小點，數值為-0.00087，之后從t=0.0415s到t=0.0467s應變曲線都在來回波動，但整體幾乎都在x軸上方，在t=0.0455s時，應變曲線數值達到最大，數值為0.00831。

圖7 防撞梁應變圖

圖8 防撞梁應變圖

圖9 防撞梁應變圖

觀察圖9，先比較車速為36km/h和車速為72km/h的曲線，發現車速為72km/h的曲線明顯總體應變要大于車速為36km/h的應變，但當比較車速為72km/h和車速為108km/h的曲線時，會發現車速為108km/h的去向的總體應變小于了車速為72km/h的應變，出現這種反?，F象的原因可能是：在求解車速v=108km/h的碰撞時，求解過程后期出現莫名錯誤導致之后的結果未計算在內，此曲線并沒有顯示完全，后面應還有并且要大于車速為72km/h。由于車速108km/h的車輛碰撞過程出現問題，下面應力變不再討論這種情況。

圖10 防撞梁應力圖

從圖10可得出，車速為36km/h時車輛防撞梁中間的點從t=0.123s時候開始有應力的作用，隨時間的增加應力在數值上逐漸減小，到t=0.128s時應力在數值上達到其一個極小點應力數值為-390MPa，隨后，在t=0.128s到t=0.134之間，應力進行上下波動，在t=0.134s時達到應力數值的極小點數值為425MPa，接著應力數值又隨時間增加而增大，到t=0.135s時，應力在數值上達到另一個極大點，數值為-300MPa，隨后應力數值又開始減小，到t=0.137s時又達到其數值上另一個極小點，數值為-344MPa，接著，應力數值隨時間先增加后減小，在t=0.141s時，應力數值達到最小為-420MPa，接下來，應力數值隨時間盡心不規則的波動，在t=0.149s時，數值達到最大為199MPa。

圖11 防撞梁應力圖

從圖11可得出，車速為72km/h時車輛防撞梁從t=0.0615s時開始出現應力，應力數值先逐漸減小，在t=0.0637時應力數值達到其第一個極小點，應力為-465MPa，隨后應力便開始不規則波動，在t=0.069s時，達到應力數值的最大值186MPa，在t=0.072s時，達到應力數值的最小值-1370MPa。

從圖12可看出，車速72km/h的車輛在碰撞過程中所受到的應力明顯總體大于車速36km/h的車輛所受的應力。

圖12 防撞梁應力圖

我們可得出，車輛在不同的速度下與護欄碰撞的過程中，速度越大的車輛的防撞梁通常所受的應力和應變會大于速度小的車輛的防撞梁所受的應力和應變；綜上所述，為了提高我們的行車安全，在時間許可的情況下，車速應略微降低一點。

4 結語

本文研究了車輛與匝道口護欄撞擊過程中鋁制防撞梁碰撞性能的優化，運用ANSYS和LS-DYNA進行建模和求解，探索車速對車輛防撞梁與護欄碰撞過程中的影響，得出速度越大的車輛的防撞梁通常所受的應力和應變會大于速度小的車輛的防撞梁所受的應力和應變。隨著計算機技術的不斷發展，許多研究仍需要更專業的研究人員繼續開展，許多問題也需要進一步改正和解決。

[1] 范欽珊.理論力學[M].北京.高等教育社,2000.214-223.

[2] 李宏光,趙航.現代汽車安全[M].北京:人民交通出版社,1998.1-10.

[3] 孟凡忠.彈塑性有限元變形理論和有限元方法[M].北京:清華大學出版社,1985.1-10.

[4] 張學榮,蘇清祖.側面碰撞成員損傷影響因素分析[J].汽車工程, 2008,30（2）:146-150.

[5] 陸勇,曹立波.轎車側面碰撞安全結構改進方法研究[J].中國機械工程,2008,19（24）:3006-3011.

[6] 張立新,高學仕.基于響應面方法的結構碰撞優化[J].力學與實踐, 2005,27（5）:35-39.

Collision Performance Optimization of Aluminum Anti-collision Beam of Automobile

Mao Cen

( Chang'an University, School of Automobile, Shaanxi Xi'an 710064 )

In-depth vehicle and fence collision safety research important practical significance improve our traffic safety. In this paper, the research of vehicle and guardrail collision at home and aboard are described. The model of vehicle and guardrail is established by ANSYS and LS-DYNA software. According to the collision simulation and calculation, the influence of vehicle speed on the collision performance of the collision beam is studied, and the collision performance of the collision beam is optimized.

Finite element modeling; Collision; Performance optimization

U462.3+6

A

1671-7988(2019)18-148-03

U462.3+6

A

1671-7988(2019)18-148-03

毛岑（1995-），女，長安大學汽車學院碩士研究生，車輛工程專業

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.049