汽車鋁制防撞梁碰撞性能優(yōu)化分析

毛岑

汽車鋁制防撞梁碰撞性能優(yōu)化分析

毛岑

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

深入開展車輛與護(hù)欄碰撞的安全研究，對(duì)提高我國交通安全具有重要現(xiàn)實(shí)意義。文章闡述了國內(nèi)外學(xué)者對(duì)車輛與護(hù)欄碰撞的研究，利用ANSYS以及LS-DYNA軟件建立車輛和護(hù)欄模型，通過碰撞模擬和計(jì)算，研究車輛防撞梁單元車速因素對(duì)防撞梁碰撞性能的影響，對(duì)防撞梁碰撞性能進(jìn)行優(yōu)化分析。

有限元建模；碰撞；性能優(yōu)化

前言

20世紀(jì)90年代，美國已研制出一套頗為系統(tǒng)的高速公路安全設(shè)施評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。1965年，日本對(duì)護(hù)欄的結(jié)構(gòu)功能，施工要求等諸多方面做出了硬性規(guī)定。

我國早期對(duì)護(hù)欄的研究幾乎完全采納美、日兩國的模式，隨著學(xué)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(hù)欄和車輛的簡易模型，利用LS-DYNA進(jìn)行求解分析，研究車速對(duì)防撞梁碰撞過程的影響，提出優(yōu)化思想。

1 防撞梁和護(hù)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(yōu)化，對(duì)車輛模型的建立進(jìn)行了簡化。對(duì)于護(hù)欄模型，本文以剛性護(hù)欄為主。在ANSYS建立車輛防撞梁與護(hù)欄的簡易模型，然后使用LS-DYNA對(duì)碰撞過程中的應(yīng)力應(yīng)變等參數(shù)進(jìn)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(hù)欄模型

車輛和護(hù)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(jīng)LS-PREPOST后可得出以下結(jié)果：

當(dāng)t=0.123s時(shí)，防撞梁與護(hù)欄開始碰撞；在t=0.126s時(shí)，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(dāng)t=0.135s時(shí)，碰撞已發(fā)生一段時(shí)間，防撞梁受力云圖如圖3，且從防撞梁側(cè)面圖4可明顯觀察出，此時(shí)防撞梁側(cè)面已經(jīng)發(fā)生較為明顯的變形。碰撞仍在發(fā)生，但使用受力云圖不能方便的對(duì)各個(gè)位置受力的大小進(jìn)行對(duì)比，為了更好的研究防撞梁與護(hù)欄在碰撞過程中的應(yīng)力應(yīng)變等參數(shù)的變化，故之后的數(shù)據(jù)分析中均使用曲線圖進(jìn)行描述。

圖3 防撞梁受力云圖

圖4 防撞梁側(cè)面圖

3 車速對(duì)鋁制防撞梁與護(hù)欄碰撞的影響及優(yōu)化分析

在車輛質(zhì)量m=1.4t，選擇的單元均一樣，速度在36km/h，72km/h，108km/h時(shí)的應(yīng)變和應(yīng)力進(jìn)行比較分析。

從圖5可得出，v=36km/h時(shí)車輛防撞梁中間的點(diǎn)從t=0.123s時(shí)開始發(fā)生應(yīng)變，隨著時(shí)間逐漸增加，到t=0.129s時(shí)達(dá)到其應(yīng)變的第一個(gè)極大點(diǎn)，應(yīng)變?yōu)?.00167，接著又隨時(shí)間逐漸減小，到t=0.134s時(shí)達(dá)到其應(yīng)變的一個(gè)極小點(diǎn)，應(yīng)變?yōu)?.000157，隨后隨著時(shí)間的增加應(yīng)變又開始增加，到t=0.138s時(shí)，應(yīng)變達(dá)到最大為0.00329，接下來隨時(shí)間的推移，應(yīng)變整體出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，直到t=0.1345時(shí)，應(yīng)變?yōu)?，隨后應(yīng)力開始隨時(shí)間發(fā)生波動(dòng)。

圖5 防撞梁應(yīng)變圖

從圖6可得出，v=72km/h時(shí)車輛防撞梁中間的點(diǎn)從t=0.0615s時(shí)開始發(fā)生應(yīng)變，隨著時(shí)間逐漸增加，到t=0.0623s時(shí)達(dá)到其應(yīng)變的第一個(gè)極大點(diǎn)，應(yīng)變?yōu)?.00218，隨后從t=0.0615s到t=0.075s應(yīng)變曲線發(fā)生不規(guī)則的波動(dòng)，在t=0.0727s時(shí)，其應(yīng)變達(dá)到最大點(diǎn)，應(yīng)變0.0109。

圖6 防撞梁應(yīng)變圖

圖7和圖8可得出，只看圖7，可能會(huì)以為防撞梁中間點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)值從開始碰撞開始是下降的，但和圖8聯(lián)合起來，便能夠得出：在v=108km/h時(shí)車輛防撞梁中間的點(diǎn)從t=0.04055s時(shí)開始發(fā)生應(yīng)變，剛開始應(yīng)變的數(shù)值是逐漸增大的，到t=0.0409s時(shí)應(yīng)變達(dá)到其第一個(gè)極大點(diǎn)，數(shù)值為0.000002，隨后應(yīng)變數(shù)值隨時(shí)間開始減小，到t=0.0415s時(shí)達(dá)到應(yīng)變最小點(diǎn)，數(shù)值為-0.00087，之后從t=0.0415s到t=0.0467s應(yīng)變曲線都在來回波動(dòng)，但整體幾乎都在x軸上方，在t=0.0455s時(shí)，應(yīng)變曲線數(shù)值達(dá)到最大，數(shù)值為0.00831。

圖7 防撞梁應(yīng)變圖

圖8 防撞梁應(yīng)變圖

圖9 防撞梁應(yīng)變圖

觀察圖9，先比較車速為36km/h和車速為72km/h的曲線，發(fā)現(xiàn)車速為72km/h的曲線明顯總體應(yīng)變要大于車速為36km/h的應(yīng)變，但當(dāng)比較車速為72km/h和車速為108km/h的曲線時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)車速為108km/h的去向的總體應(yīng)變小于了車速為72km/h的應(yīng)變，出現(xiàn)這種反常現(xiàn)象的原因可能是：在求解車速v=108km/h的碰撞時(shí)，求解過程后期出現(xiàn)莫名錯(cuò)誤導(dǎo)致之后的結(jié)果未計(jì)算在內(nèi)，此曲線并沒有顯示完全，后面應(yīng)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(xiàn)問題，下面應(yīng)力變不再討論這種情況。

圖10 防撞梁應(yīng)力圖

從圖10可得出，車速為36km/h時(shí)車輛防撞梁中間的點(diǎn)從t=0.123s時(shí)候開始有應(yīng)力的作用，隨時(shí)間的增加應(yīng)力在數(shù)值上逐漸減小，到t=0.128s時(shí)應(yīng)力在數(shù)值上達(dá)到其一個(gè)極小點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值為-390MPa，隨后，在t=0.128s到t=0.134之間，應(yīng)力進(jìn)行上下波動(dòng)，在t=0.134s時(shí)達(dá)到應(yīng)力數(shù)值的極小點(diǎn)數(shù)值為425MPa，接著應(yīng)力數(shù)值又隨時(shí)間增加而增大，到t=0.135s時(shí)，應(yīng)力在數(shù)值上達(dá)到另一個(gè)極大點(diǎn)，數(shù)值為-300MPa，隨后應(yīng)力數(shù)值又開始減小，到t=0.137s時(shí)又達(dá)到其數(shù)值上另一個(gè)極小點(diǎn)，數(shù)值為-344MPa，接著，應(yīng)力數(shù)值隨時(shí)間先增加后減小，在t=0.141s時(shí)，應(yīng)力數(shù)值達(dá)到最小為-420MPa，接下來，應(yīng)力數(shù)值隨時(shí)間盡心不規(guī)則的波動(dòng)，在t=0.149s時(shí)，數(shù)值達(dá)到最大為199MPa。

圖11 防撞梁應(yīng)力圖

從圖11可得出，車速為72km/h時(shí)車輛防撞梁從t=0.0615s時(shí)開始出現(xiàn)應(yīng)力，應(yīng)力數(shù)值先逐漸減小，在t=0.0637時(shí)應(yīng)力數(shù)值達(dá)到其第一個(gè)極小點(diǎn)，應(yīng)力為-465MPa，隨后應(yīng)力便開始不規(guī)則波動(dòng)，在t=0.069s時(shí)，達(dá)到應(yīng)力數(shù)值的最大值186MPa，在t=0.072s時(shí)，達(dá)到應(yīng)力數(shù)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(yīng)力明顯總體大于車速36km/h的車輛所受的應(yīng)力。

圖12 防撞梁應(yīng)力圖

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

4 結(jié)語

本文研究了車輛與匝道口護(hù)欄撞擊過程中鋁制防撞梁碰撞性能的優(yōu)化，運(yùn)用ANSYS和LS-DYNA進(jìn)行建模和求解，探索車速對(duì)車輛防撞梁與護(hù)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(yīng)力和應(yīng)變會(huì)大于速度小的車輛的防撞梁所受的應(yīng)力和應(yīng)變。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多研究仍需要更專業(yè)的研究人員繼續(xù)開展，許多問題也需要進(jìn)一步改正和解決。

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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(xué)汽車學(xué)院碩士研究生，車輛工程專業(yè)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.049