基于ABAQUS 的汽車吸能盒碰撞研究

孟翔耀, 董萬鵬, 楊冬野

(上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院, 上海201620)

0 引 言

汽車事故基本上都是交通碰撞事故,汽車在高速行駛過程中,由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜所產(chǎn)生的碰撞問題也是十分復(fù)雜的［1］。 汽車撞擊方式主要有：正面撞擊、側(cè)面撞擊及追尾碰撞［2］。 正面撞擊是最多的汽車事故,約有四成的汽車事故為正面撞擊。 當(dāng)兩輛汽車產(chǎn)生正面相向碰撞,由于汽車高速行駛攜帶著大量的動能,在碰撞開始的瞬間會以其他能量的形式迅速散播,對汽車的主要零件、乘員及行人都可能會造成嚴(yán)重的損傷［3］。 所以,以車輛正面碰撞為主的汽車碰撞問題是汽車吸能系統(tǒng)中要著重解決的難題［4］。 本文通過ABAQUS 模擬吸能裝置在碰撞沖擊時的運(yùn)動狀態(tài),對比三種幾何外形的吸能部件的碰撞情況,選出有優(yōu)秀碰撞性能與吸能性的幾何外形,基于此探究添加誘導(dǎo)槽對于吸能效果的影響規(guī)律。

1 碰撞分析有限元

碰撞過程是瞬時的動力學(xué)課題。 使用有限元軟件ABAQUS 對吸能盒撞擊動力顯示數(shù)值模擬,以下為計算吸能盒的吸能效果的參數(shù)以及主要計算方程。

(1)碰撞力峰值Fp。 汽車吸能部件在碰撞過程中所受到的碰撞力峰值為FP,碰撞力峰值Fp對吸能部件的結(jié)構(gòu)失效和壓縮變形有著至關(guān)重要的作用,撞擊力仿真的減小,對于乘客的安全保護(hù)非常重要［5］。 碰撞力峰值主要取決于吸能部件的材料和空間結(jié)構(gòu),通常發(fā)生在碰撞初期吸能部件屈曲變形,將要發(fā)生的臨界狀態(tài)與當(dāng)撞擊產(chǎn)生的壓縮位移到達(dá)最大值時,碰撞力達(dá)到極大值。 降低撞擊力峰值可以降低對吸收能量部件的穩(wěn)定形變損害。

(2) 碰撞吸收總能量Ed。 吸能部件在實際碰撞中所吸收的能量由公式(1)計算：

其中：s 為壓縮位移,F(s) 為撞擊力。

部件在固定潰縮空間內(nèi)所吸收的碰撞能量越大,其耐撞性能越好,對于乘員和車身的保護(hù)效果更強(qiáng)［5］。

(3)平均撞擊力Fm。 平均撞擊力Fm是保護(hù)部件吸收撞擊力的平均能力標(biāo)準(zhǔn)。 在潰縮距離固定時,平均撞擊力Fm越大,其保護(hù)部件所吸收的能量也就越多［5］。 在汽車前防撞梁后部區(qū)間,如果壓縮位移是確定的,前防撞梁緩沖組件所受平均撞擊力就越大,所吸收的碰撞能量增大,汽車其余部件被沖擊的程度降低。 在保證吸能變形相同且穩(wěn)定的條件下,平均碰撞力越大越好。

平均撞擊力由公式(2)計算：

(4)耐撞指數(shù)ηc。 耐撞指數(shù)是指單位重量的吸能部件,發(fā)生撞擊所能吸收的能量,該指數(shù)體現(xiàn)吸能部件在不同構(gòu)造和材質(zhì)下吸能能力的大小［6］：

其中：Ed為碰撞所吸收的能量,M 為吸能部件的質(zhì)量。

(5)能量吸收效率Set。 當(dāng)碰撞吸能過程結(jié)束時,碰撞能量的吸收能力用Set表達(dá)［6］。 行程利用率由公式(4) 推算：

其中：S 表示能量吸收總行程,L 表示吸能部件總長度。

2 三種幾何外形吸能盒的設(shè)計

吸能盒碰撞是短時間大變形的過程,模擬撞擊之類的瞬時大變形模型一般采用顯示動力分析。 本課題采用的ABAQUS 有限元模型在顯示動力分析方面功能強(qiáng)大,有多種接觸條件與分析方式可以選擇。

采用UG 前期建模,使用ABAQUS 進(jìn)行碰撞過程模擬。 對三種不同幾何外形的薄壁模型進(jìn)行碰撞分析,除幾何外形不同外,模型材料與碰撞條件完全相同,如圖1 所示。 模擬采用的3 個模型是高度為100 mm,厚度為3 mm 的薄壁件。 因為吸能盒主要在中低速碰撞時發(fā)揮作用［6］,故本實驗主要模擬速度為5m／s,碰撞時間為50 ms。 碰撞剛性體的質(zhì)量設(shè)置為500 kg。

3 三種幾何形狀不同的吸能部件碰撞仿真及耐撞性分析

3.1 吸能部件碰撞變形云圖分析

通過ABAQUS 動力顯示分析,設(shè)置剛性板與吸能盒發(fā)生碰撞,得到的吸能部件碰撞變形云圖如圖2 所示,三種不同幾何形狀的吸能盒與0.5 t 的剛性板以5 m／s 的速度發(fā)生碰撞,三種不同幾何形狀的吸能部件均產(chǎn)生充分的形變。 通過云圖分析,吸能盒的碰撞過程中,直四棱柱型吸能盒首先從中部進(jìn)入變形,此種變形不利于能量的穩(wěn)定吸收；圓臺型吸能盒與圓柱型吸能盒從變形區(qū)的前端產(chǎn)生疊縮,并慢慢后移,這種變形方式的變形量最小,穩(wěn)定且能量吸收便于控制。

圖1 吸能盒工件仿真示意圖Fig. 1 Simulation diagram of energy absorbing box

圖2 吸能盒碰撞結(jié)果云圖Fig. 2 Cloud chart of collision results of energy absorbing box

3.2 吸能部件撞擊力曲線分析

通過動力顯示分析,設(shè)置剛性板與吸能盒發(fā)生碰撞,得到的吸能部件撞擊變形力曲線圖如圖3 所示。

圖3 吸能盒撞擊力曲線圖Fig. 3 Impact force curve of energy absorbing box

從碰撞力曲線圖能夠得出,剛性板在短暫的運(yùn)動后與吸能盒發(fā)生撞擊,接觸作用碰撞力到達(dá)最初峰值。 直四棱柱吸能盒在初期充分接觸,初始接觸就到達(dá)撞擊力最大值為259 800 N,隨著吸能部件的潰縮碰撞力迅速降低,并在27 ms 左右到達(dá)最低值。直四棱柱吸能盒的碰撞力最大值遠(yuǎn)大于其它兩種,而且在5 ms 后迅速衰減到150 000 N,初期碰撞力變化幅度過大,不利于保護(hù)汽車的重要部位及駕乘人員的安全。 圓柱型吸能盒與圓臺型吸能盒在碰撞發(fā)生后18 ms 后碰撞力到達(dá)最小值,碰撞力過度平穩(wěn),穩(wěn)定時間較短,適合于較大載荷的低速撞擊。 通過對三種吸能部件的碰撞力最大值進(jìn)行比較,可以看出圓柱型吸能盒的最大值較低,即碰撞力方面圓柱型優(yōu)于另外兩種。

3.3 吸能部件碰撞性能分析

因為碰撞產(chǎn)生的能量全部被吸能盒吸收,三種吸能盒的可利用行程可以計算得出。

圓柱型吸能盒：

通過計算結(jié)果可以看出,圓柱型吸能盒的可利用行程率最高。 可利用行程率越高,壓縮行程越小,可以吸收的能量越多。 潰縮長度越短,可吸收的最大能量越少。 所以,當(dāng)吸能部件穩(wěn)定潰縮時,應(yīng)當(dāng)選擇可利用行程長的部件。

三種不同幾何外形的吸能部件耐撞指數(shù)ηc為：圓柱型吸能盒：

圓柱型吸能盒的耐撞指數(shù)最高。 耐撞指數(shù)代表了單位質(zhì)量吸能盒吸收碰撞能量的大小,碰撞指數(shù)越高,吸能效果越好［7］。

模擬了三種吸能盒與以5 m／s 的速度,0.5t 重的剛性板發(fā)生碰撞條件下的力學(xué)狀態(tài),并對三種部件的吸能效率與最終狀態(tài)進(jìn)行比對。 從云圖上可以分析出圓柱型吸能盒與圓臺型吸能盒變形更加均勻,主要形變發(fā)生在頭部,有利于能量的平穩(wěn)傳輸。 在碰撞力方面,圓柱的碰撞力峰值遠(yuǎn)小于另外兩種吸能盒,且吸能曲線平穩(wěn),有利于保護(hù)車體部件與駕乘人員的安全。 在碰撞指數(shù)方面,圓柱形吸能盒的可利用行程最大,相同的吸能盒尺寸可以承受更大的碰撞載荷。 耐撞指數(shù)方面,圓柱型部件的單位重量吸收的能量最高,圓柱形可以得到最好的吸能效果［8］。 綜上所述,圓柱形吸能盒優(yōu)于其它兩種吸能盒。

4 誘導(dǎo)槽的影響

因為設(shè)置誘導(dǎo)槽會對吸能盒耐撞性與吸能性產(chǎn)影響,所以將圓柱模型等間距加入三個誘導(dǎo)槽,導(dǎo)入ABAQUS 內(nèi)進(jìn)行顯示動力學(xué)模擬,探究誘導(dǎo)槽與吸能性能的關(guān)系。

4.1 誘導(dǎo)槽設(shè)置

相同碰撞條件下,利用ABAQUS 顯示動力學(xué)分析得到的工件仿真示意圖,如圖4 所示。 碰撞結(jié)果云圖,如圖5 所示。 碰撞力曲線圖,如圖6 所示。

圖4 圓臺三誘導(dǎo)槽吸能盒工件仿真示意圖Fig. 4 Simulation diagram ofworkpieces of energy absorbing box with three guide grooves of circular table

圖5 圓臺三誘導(dǎo)槽吸能盒碰撞結(jié)果云圖Fig. 5 Cloud chart of collision results of energy absorbing box with three guide grooves on the circular platform

圖6 圓臺三誘導(dǎo)槽吸能盒碰撞力曲線圖Fig. 6 Collision force curve of energy absorbing box with three guide grooves of circular platform

在圓柱型無誘導(dǎo)槽吸能盒的基礎(chǔ)上設(shè)置半圓型槽,對比撞擊力最大值發(fā)現(xiàn),誘導(dǎo)槽在能量吸收的效果較弱,撞擊力最大值與之前相比增大了9.7%,對碰撞力的初段進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)設(shè)置誘導(dǎo)槽可以顯著降低初始的碰撞力。 可利用行程率為0.455,與之前相比降低了0.301。吸能盒的耐撞指數(shù)ηc為12.5 KJ／KG,比之前降低了3.3 KJ／KG 。 由以上數(shù)據(jù)對比可知誘導(dǎo)槽對能量吸收影響較弱,添加誘導(dǎo)槽會極大的增加吸能部件的潰縮量。 添加誘導(dǎo)槽可以顯著降低撞擊力的初始峰值,降低車體初始撞擊產(chǎn)生的破壞。

5 結(jié)束語

三種模型在相同碰撞條件下,通過對碰撞結(jié)果云圖,碰撞力曲線圖,碰撞力峰值,可用行程,耐撞系數(shù)5 個參數(shù)的對比分析可知,圓柱型吸能盒在5 m／s與0.5 t 剛性板碰撞的結(jié)果最好。 在圓柱型吸能盒的基礎(chǔ)上設(shè)置三條半圓形誘導(dǎo)槽,降低了59.8%的初段碰撞力,碰撞力峰值略有上升,吸能部件的潰縮量顯著變大。