基于瞬態響應的某輕型卡車保險杠設計

李浩然 趙坤

摘 要：保險杠是一種具有吸收、緩和外界沖擊力，保護輕型卡車前部重要的安全裝置。同時保險杠有很強的造型美觀功能，是輕型卡車重要的外飾件之一。文章利用有限元計算和分析的方法對某輕型卡車保險杠內板進行瞬態響應分析，并進行結構優化。經過試驗臺架和道路試驗滿足設計要求，該方法對今后輕型卡車的保險杠設計有一定的指導作用。

關鍵詞：前保險杠;有限元計算和分析;瞬態響應

中圖分類號：U463 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）06-62-03

Abstract： The bumper is an important safety device that absorbs and mitigates external impact and protects the front of the light truck. At the same time， the bumper has a strong styling function and is one of the important exterior parts of the light truck. In this paper， the finite element calculation and analysis method is used to analyze the transient response of heavy truck bumper inner panel and optimize the structure. After the test bench and road test meet the design requirements， this method has a certain guiding role for the design of the bumper of heavy trucks in the future.

Keywords： Front bumper; Finite element calculation and analysis; Transient response

CLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）06-62-03

前言

隨著汽車工業的不斷發展，安全和環保成為人們日益關注的焦點，汽車輕量化就是實現節能的有效途徑之一[1-2]。從全球鋁業協會的報告得知，汽車重量降低10%，油耗可降低6%～8%，排放出的尾氣可降低5%～6%。由此可知，汽車每節省1L燃油，即可向大氣中減少2.45kg的CO2排放[3-4]。降低整車重量，同時滿足運輸法規和環保要求，因此汽車的各個部件都要求進行輕量化設計。

在保險杠設計的過程中，選用塑料材質能最大限度地降低保險杠的質量，滿足車輛使用工況。在輕量化設計的同時，保險杠整體的強度，剛度，耐沖擊性等多種性能仍要滿足指標要求。但是如果其強度如果不滿足要求，結構就會造成破壞，瞬態響應分析就是根據車輛的振動，分析并優化保險杠的結構。對于車輛來說，引起車輛振動的激勵源主要有兩個方面：路面對輪胎的激勵和發動機振動激勵。汽車在行駛過程中，路面激勵為振動的主要來源。因此，本文著重從魚鱗坑路譜作為激勵進行瞬態響應分析。

1 保險杠有限元模型建立

輕型卡車保險杠分為保險杠外板、保險杠內板和連接支架，保險杠內板作為保險杠骨架，用來加強保險杠系統強度和剛度，連接保險杠外板及支架。保險杠內板直接與支架連接，安裝點受到外部力影響大。在車輛實際道路運行中，保險杠內板損壞的幾率更大，所以在設計過程中，將保險杠內板作為研發的重點。保險杠內板有限元模型如圖1所示。

2 瞬態分析理論

瞬態動力學分析是動響應分析方法的一種，主要通過仿真計算得到結構隨時間變化不同激勵載荷時的動力響應。通過瞬態分析不同載荷工況疊加得到合成載荷作用下，系統結構隨時間變化的力、力矩、位移、加速度等數據。[5]任何系統在隨時間相符合變化的激勵振動作用下都會產生與時間相一致的振動頻率，整個系統也會產生隨時間變化的受力、變形。由達朗貝爾原理可知，對于任意系統，作用于系統上所有的作用力以及慣性力之和必為零。由此，在研究系統動響應問題時，我們引入相應的慣性作用，通過把復雜問題轉化為簡單的相應的靜力平衡問題來解決。[6]

分析研究動力學問題的一般方法如果采用靜力平衡問題解決過程如下：首先將結構離散化—單元方程分析—單元體動力學分析—整體的結構動力學分析。

在瞬態響應分析的求解方法中，目前主要采用直接法和模態法兩種。直接法原理是采用求解結構耦合方程。模態法是在直接法的基礎上縮減求解空間大小，瞬態分析是模態分析的擴展。

3 保險杠瞬態響應分析

3.1 仿真六自由度臺架

在六自由度臺架仿真臺架模型中計算保險杠內板瞬態響應，將保險杠內板安裝在保險杠托架上，托架與試驗車架連接。駕駛室安裝在駕駛室懸置上，駕駛室進行配重。約束位置在試驗車架前后端及尾梁處，激勵施加位置如圖所示。

3.2 載荷及邊界條件

在路面不平度激勵的作用下，輕型卡車以一定速度行駛得到保險杠時間載荷激勵曲線，路面激勵是保險杠結構瞬態響應的主要影響因素。本文瞬態響應所對應的路面為魚鱗坑路。

瞬態響應分析所需要的隨時間變化的載荷是通過道路試驗采集的數據，通過軟件進行迭代，作用于仿真懸架與試驗車架的連接處，在有限元分析軟件中進行計算。

懸架與車架連接處節點加載時域位移譜，分別是四個Z向時域位移譜，兩個Y向時域位移譜，一個X向時域位移譜。其中一個Z向時域位移譜如圖所示。

4 保險杠結構優化及結果

為了提高保險杠內板的結構強度，對保險杠內板的結構進行優化。對比原方案中應力集中區域，通過調整加強筋布置方式，統一加強筋走向，將原有方向無規律的加強筋均勻排布，使應力集中區域沿同向筋釋放，優化加強筋數量，同時滿足輕量化設計要求。在安裝點方面，對保險杠內板周邊安裝點進行優化，底部增加安裝固定點，減小局部剛度不足，導致的應力集中。圖4為原結構方案，圖5為優化后方案。

結構優化后與原方案相比，在魚鱗坑路況下，保險杠所受應力峰值由610.31Mpa降低至229.88Mpa，應力峰值大幅下降，新舊方案應力峰值結果如圖6和圖8所示，新舊方案應力動態結果如圖7和圖9所示。經過試驗臺架12000km和道路可靠性試驗4021km驗證，保險杠內板未出現斷裂現象，滿足設計要求。

5 結論

本文利用瞬態響應的方法在魚鱗坑路面激勵下，對保險杠內板的動態特性進行分析和計算，得到保險杠內板應力時間分布云圖及時間應力曲線，并根據瞬態響應的結果對其結構進行改進和優化。通過六自由度臺架試驗及道路測試，保險杠內板滿足設計要求，到達預期目標。

參考文獻

[1] 唐杰，楊沿平，周文杰.中國汽車產業自主創新戰略[M].北京：科學出版社，2009.

[2] 路洪洲，王智文，陳一龍，等.汽車輕量化評價[J].汽車工程學報， 2015（1）：1-8.

[3] 王智文.汽車輕量化技術發展現狀初探[J].汽車工藝與材料， 2009（2）：1-5.

[4] 李飛龍，郭孔輝，楊沿平，等.基于 GREET 模型的汽車材料輕量化能耗評價研究[J].中國機械工程，2013（5）：681-685.

[5] 盧正紅.基于動力學模型的輕型客車車身瞬態響應分析[J].荊門職業技術學院學報.2007.9.20第22卷第12期.

[6] 王金磚.某型車身動態特性分析[D].河北：燕山大學，2009.4.