基于CAE的汽車保險杠研究與改進

丁天旭　張揚　黃鵬　石兵紅　安璞凱　謝祥

摘? 要：相比于傳統吸能盒而言，由于其由單一屬性的材料構成，所以其吸收能量的范圍較小，存在兩個極端，即潰縮，或者不潰縮。當汽車在中低速行駛發生碰撞時，由于碰撞的應力小于材料的屈服極限，所以此時碰撞的屬性為剛性碰撞，以至于不能有效保護駕乘人員的安全。本文基于材料力學及有限元思想，借助計算機進行CAE分析，成功設計出一款符合材料力學的兩個疊加且吸能效果較好、碰撞應力范圍廣的吸能盒。通過對不同材料性能的研究，數據結果表明一個鋁合金材料和一個普通碳素鋼Q235材料的四方形吸能盒通過激光搭接焊[1]的方式疊加的吸能效果最好，并保證汽車在中低速碰撞時，吸能盒能夠有效地發生潰縮以最大程度保護駕乘人員安全。

關鍵詞：吸能盒? 低速碰撞? CAE? 結構性能優化

中圖分類號：TG659;TP391? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）12（b）-0095-05

Abstract： Compared with the traditional energy absorption box， because it is only composed of a single property of materials， its energy absorption range is small， there are two extremes， namely collapse or non-collapse.When a car crashes at medium and low speed， the impact stress is less than the yield limit of the material， so the attribute of the collision is rigid collision， which cannot protect the safety of drivers and passengers to the maximum extent.In this paper， based on the ideas of material mechanics and finite element， CAE analysis was carried out by computer， and an energy absorption box with two superposition in accordance with material mechanics and good energy absorption effect with wide range of collision stress was successfully designed.By studying the properties of different materials， The data results show that the superposition of an aluminum alloy and a square energy absorption box of ordinary carbon steel Q235 by laser lap welding[1] has the best energy absorption effect. And to ensure that the car in the low and medium speed collision， the energy absorption box can effectively collapse to the maximum extent to protect the safety of drivers and passengers.

Key Words： Energy absorption box; Low speed collision; CAE; Structural performance optimization

隨著汽車工業的迅猛發展和汽車的大規模普及，汽車安全已經成為人們日益關心的問題。吸能盒作為汽車保險杠系統的重要組成部分，通過其被動的發生形變，而將碰撞的能量進行吸收，從而達到保護駕乘人員安全和保護車體的目的。顯而易見，吸能盒的吸能效果在一定程度上決定了汽車在發生碰撞時的安全性。本文通過對汽車安全構件中的吸能盒進行研究。通過對已有文獻資料的查閱發現，現有的研究都不能有效解決單一材料的吸能盒吸能范圍小的問題，因此，針對該問題需設計出兩個疊加的吸能盒結構，得到吸能效果最優，吸能范圍相對較廣的吸能盒。從而最大程度上保護駕乘人員的安全。為保險杠的優化改進提供基礎。

本文充分利用Solidworks和Hyperworks等計算機軟件對保險杠吸能盒進行設計及建模并進行碰撞分析。以得到最優的吸能盒設計模型，并為吸能盒的優化設計提供參考。

1? 保險杠吸能盒材料的確定

1.1 吸能材料的現狀分析

在汽車發展過程中，為了滿足汽車被動安全的需求，目前常見的吸能盒材料主要為有低碳鋼和鋁合金兩種。在汽車輕量化的大環境下[2]，由于鋁合金材料在相同力學性能的條件下要比同屬性的金屬材料輕，所以鋁合金材料廣泛的被應用于汽車制造領域。進而有效的提高汽車的燃油經濟性和操控性。同時由于鋁合金材料具有良好的導熱和散熱性能，能夠在車輛發生碰撞后迅速的將碰撞所產生的能量以熱能的形式散發到外界，有效的避免了由于局部過熱而發生爆炸。

更值得一提的是鋁合金材料的吸能盒較碳鋼材料的吸能盒在發生潰縮吸能的時候有著更為顯著的吸能效果。通過對圖1的研究發現鋁合金材料的吸能盒在基本不改變碰撞力峰值的情況下，吸收能和平均壓縮力都有顯著提高 。

但是，無論是鋁合金還是低碳鋼它們都是一種材料，就只有一種屬性，要么潰縮，要么不潰縮，形成了兩個極端如果車輛在一定（中低速）速度下發生碰撞，塑料面罩的作用可以忽略，鋁合金吸能盒又不能發生變形進行有效的吸能，這種情況下車輛發生的碰撞可以近似的看為剛性碰撞，如果在高速行駛時發生碰撞傳統保險杠單一的吸能材料不能有效的吸收能量和保證車體的完整結構至使車體A柱變形，對駕乘人員帶來更大的傷害。

1.2 吸能材料的最優選擇

劉鴻文在材料力學[3]中對鋁合金材料的力學性能進行了闡述，由于鋁合金材質變形時的受力范圍較小，所以在車輛中低速發生碰撞時，鋁合金制作的吸能盒在不發生變形的情況下進行有效的吸能，對于這種情況下車輛發生的碰撞可以近似看為剛性碰撞，會對駕乘人員帶來更大的傷害。為了有效的提高吸能盒的受力范圍，現將原有的一個吸能盒增加到兩個疊加的吸能盒，使兩個吸能盒相互承擔不同的作用效果且有相差較大的屈服極限，在中低速碰撞時吸能盒能夠有效的發生潰退吸能，并且以最大程度的保護駕乘人員的安全。為滿足汽車剛度等要求，現選擇普通碳素鋼Q235（屬低碳鋼）為吸能盒第一級材料，陳宇等學者在基于FEM的鋁制吸能盒結構優化設計[4]中闡述了普通碳素鋼Q235力學性能如表1所示。

普通碳素鋼Q235的屈服強度比鋁合金的低，剛好拉開了受力的范圍，即車輛在中低速情況下發生碰撞，第一級吸能盒也能發生潰縮吸能，進而最大程度上保護駕乘人員的安全。

1.3 載荷的確定

為了驗證吸能盒正面低速碰撞性能，虛擬碰撞試驗中引用了陳宇等學者在基于FEM的鋁制吸能盒結構優化設計[4]中鋁合金與碳鋼壓縮應力比較曲線以及胡麗華學者在基于Q235材料的大變形程度真實應力應變曲線及硬化特性研究[5]中的Q235真實應力應變曲線圖，如圖2-圖3所示，從圖3上可以看出普通碳素鋼Q235的平均屈服強度為235MPa，由于含碳量適中，綜合力學性能相對較好，強度、塑性和焊接等性能可以得到充分的配合。

1.4 設計方案

根據練章華在現代CAE技術與應用教程[6]和尹文龍等人在汽車吸能盒結構優化模擬分析[7]中指出，將試驗流程大致分為如下5個步驟如圖4所示。

1.5 評價標準

由于吸能受到力與位移的影響，忽略細微的橫截面積的不同。將吸能值用應力與位移的乘積來表示，公式為

式中，W是吸能值，σ是應力，L是位移。

魏偉學者在汽車保險杠系統低速碰撞性能分析及試驗研究[8]中闡述，在有限元模型中，每個結點的位置和時間之間的關系表達為

在t0時刻初始位置為

每一個結點和整體滿足動量守恒，能量守恒和質量守恒定律：

其中位移邊界條件如下：

牽引力邊界條件如下：

接觸內邊界條件如下：

通過上述邊界條件代入每個結點，進行運算可以得到每個節點的運動和能量變化規律，進而可以間接分析吸能盒的吸能效果。利用有限元的方法，可以得到相關結構吸能盒在碰撞時的響應情況和吸能情況，為吸能盒的改進和優化提供真實可靠的依據。

1.6 結果分析

試驗結果表明，兩個由不同材料疊加的吸能盒的受力范圍比單一材料廣，即在碰撞應力達到235MPa的時候，吸能盒就開始變形吸能了。因此就可以很大程度上保護駕乘人員的案卻，而且，數據顯示疊加的兩個吸能盒可以最大程度的吸收碰撞所產生的能量。

2? 橫截面，壁厚及長度的確定

2.1 橫截面形狀確定

在進行模擬仿真的同時參考米林等人對鋁合金保險杠吸能盒碰撞吸能特性[9]的研究，如表2所示。

分析研究表面存在較大吸能量的的形狀是正六邊形和正八邊形，但同時還需要考慮存在較小的碰撞力峰值的正方形和圓形，這樣才能得到綜合性能高的吸能形狀結構。除此之外，焊接成型方式在一定程度上限制了吸能盒橫截面形狀的最優選擇。從焊接成型及裝配工藝角度來講，正方形結構會在一定程度上降低裝配難度和制造成本。綜合以上影響及實際生產等因素，將吸能盒橫截面積設計成寬高比接近的四邊形結構會得到吸能效果最優的吸能盒。在吸能盒的橫截面中應盡量減少“T”型或”十”型的角，因為它會使應力集中于邊的交界處。這使得吸能盒在受到沖擊時，瞬間能量過高，發生爆炸，從而引發各種危險。

2.2 壁厚及長度確定

由于吸能盒要通過橫梁傳遞碰撞所產生的能量進行有效的潰縮吸能，所以吸能盒和保險杠的連接還需要保證一定的剛度。吸能盒壁厚越薄，保險杠吸能盒所吸收碰撞的總能量越多，但是汽車的安全距離會相應的縮短。因此在保險杠吸能盒的設計制造中要充分權衡壁厚與安全距離之間的關系。參考萬鑫銘等學者對汽車用鋁合金吸能結構優化設計[10]，如表3所示。

通過對數據的分析，確定壁厚為2mm，控制吸能盒的高度為100mm，橫截面最大長度為80mm，橫截面的寬度為80mm，為了防止應力集中，設計1mm的圓倒角。

2.3 仿真建模

通過運用SolidWorks軟件對設計的保險杠進行建模如圖5所示，確定了一個壁厚為2mm，高度為100mm，橫截面最大長度為80mm，橫截面的寬度為80mm，橫截面形狀為四方形，用鋁合金和普通碳素鋼Q235兩種材料疊加且在表面增加潰縮引導的吸能盒。以上的數據表明，該結構具有較好的吸能效果，可以有效的增加吸能盒的吸能范圍。

3? 結語

通過仿真模擬實驗得到以下結論

（1）兩個通過疊加的吸能盒——鋁合金材料和普通碳素鋼Q235材料通過激光搭接焊[1]連接，可以增加傳統一個吸能盒的受力范圍，有效解決了傳統吸能盒單一材料屬性吸能范圍小的問題，使汽車在中低速發生碰撞時，吸能盒都能夠有效的介入，以最大程度上減小碰撞對駕乘人員帶來的傷害;

（2）綜合考慮各方面因素，四方形橫截面形狀且在表面增加潰縮引導的吸能盒吸能效果最佳。

參考文獻

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[6] 練章華.現代CAE技術與應用教程[M].北京：石油工業出版社，2014.

[7] 尹文龍，楊國平.汽車吸能盒結構優化模擬分析[J].上海工程技術大學學報，2012，26（4）：321-325.

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[9] 米林，魏顯坤，萬鑫銘，等.鋁合金保險杠吸能盒碰撞吸能特性[J].重慶理工大學學報：自然科學，2012（26）：1-7.

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[11] Flórián Garai，Gábor Béres，Zoltán Weltsch. Development of tubes filled with aluminium foams for lightweight vehicle manufacturing.2020，790