汽車保險杠橫梁的研究與改進措施

吳忠軍

摘要：新型保險杠使用的材料是碳纖維增強復合材料這種新型的復合材料具有較強的性能，不僅質量輕而且強度比較高，適用于汽車構件。在針對汽車保險杠進行設計的過程當中，選擇碳纖維增強復合材料可以使得保險杠的使用穩定性得到明顯的提升。文章在針對汽車保險杠橫梁進行研究時，重點探討碳纖維增強復合材料以及橡膠制成的橫梁，在碰撞時表現出來的優勢，并且經過大量的實踐研究以及分析之后，對比它與傳統鋼制保險杠和梁之間的差異。通過仿真實驗以及現場實驗，可發現有橡膠層保險杠橫梁變形比較小，在發生碰撞之后可以保證汽車的變形情況，在可控范圍之內，整體性能比較優越，滿足各項要求和指標。

關鍵詞：復合材料;橡膠;保險杠;碰撞;仿真

一、碳纖維復合材料層合板力學基礎

假設碳纖維復合材料層合板中，變形前垂直于直線的直線段，在變形之后。直線仍然垂直中面該線段的長度不變。層合板是由兩層或兩層以上單層疊合在一起的層合形式的結構。各單層可以是纖維方向不同而材質相同，也可以是材質不同，因此層合板沿厚度方向具有彈性性能的非均勻性。

二、新型汽車保險杠設計模型

1.保險杠系統模型

我們在進行課題研究時，有某型號的汽車作為研究樣本，對其汽車保險杠系統進行研究，并且以三維參數化造型作為基礎，建立保險杠系統的實體模型，通過輸入非線性有限元分析軟件的相關數據之后，建立有限元模型。因為在進行實踐操作以及試驗的過程當中，正面低速碰撞的過程，會有車體全部吸收碰撞能量的情況，所以在這個過程當中，我們需要降低求解的時間，從而建立車體半倉的模型，保證在研究期間整個性能和結構以及保險杠橫梁成為考核的重點對象。車體的其他部分需考慮為剛性體，并以此作為基礎進行模擬試驗。該汽車保險杠系統有限元模型由4542個單元組成部件的厚度，使用碰撞前厚度不考慮板厚的變化。保險杠的橫梁，支架均用彈塑性材料。

進行低速碰撞實驗，材料出現明顯的變形情況，碰撞速度快慢會影響到材料的塑性行為。而且應變率過高會使得材料出現動力硬化的情況，所以在進行實驗研究時，低速時可以選擇不計算應變率，影響彈性材料的情況。

2.正面低速碰撞試驗

為了更好的了解保險杠系統的特性，并且準確的分析相關的數據基礎，我們假設保險杠連接部分不出現塑性變形的情況，車體也沒有出現塑性變形的情況，而材料則是選擇剛性材料，車體所有的節點都是通過自由度耦合的方式進行連接。以此作為基礎，建立有限元模型系統，系統的總質量為1.6噸。正面低速碰撞實驗的過程，需要將車體的速度控制在每小時7.2千米。將所有的數據以及信息輸入到有限元模型當中，并且創建邊界條件。為了將計算精度進行整體的提高，減小單元畸變的影響，在進行單元屬性的分析，是通過沙漏控制的方式對其獸性變形的模型進行分析。

三、低速碰撞模擬及改進方案設計

1.低速碰撞分析

以保險杠低速碰撞有限元模型作為基礎使用求解器，對該模型進行計算以及模擬。碰撞的過程，其時間在0.1秒之內。沙漏可以控制在5%以下，從這些數據以及信息當中可證實仿真實驗的結果，具有較高的可信度。而且在這一過程當中，我們也可以看出隨著碰撞的進行系統動能會不斷的減小，系統的內能在不斷的增大，但是總能量保持不變。而這個數據也正說明了保險杠結構會通過變形吸能的方式，保證整個系統的穩定性。所以我們也可以認為，保險杠系統是在低速碰撞工作當中最能吸能的零部件。

從研究期間獲得的各項數據進行綜合性分析，可以發現本次課題研究的型號的保險杠，在進入到低速碰撞的過程當中，其變形的時間是0.1秒，而0.03秒時保險杠的衡量發生了最為明顯的變形情況，在0.0 7秒左右，保險杠的變形達到最大，經過測量保險杠的衡量峰值侵入位移達到130厘米。從這一數據當中，我們可以初步判斷改良之后的保險杠橫梁結構抗彎性能不足，在低速碰撞工作當中，仍然會導致車體出現較為明顯的損害。

2.橫梁結構改進方案

以上文分析的數據作為基礎，對原保險杠橫梁的截面特性進行綜合性分析，可以發現保險杠的橫梁縱向抗彎性能相對降低，因此在這個過程當中，我們需要重點針對截面形狀進行重新設計。這同時還需要將乘客的安全以及車體保護作為考慮的重點內容。針對不同的需求，提出了兩個不同的改進方案。改進方案一：保持原有衡量的形狀，但是在保險杠衡量的內部，通過添加縱向支撐板的方式，將它的抗彎性能進行提升，該方案可以繼續選擇使用外板，沖壓模具可以有效的控制改進的成本。

四、改進方案計算及有效性分析

與原方案相比，改進方案一以及改進方案二的碰撞變形圖。受損的位置并不明顯，橫梁結構只是產生了彎折，對于車體可以產生較好的保護作用，所以方案一和方案二都有較好的抗彎性能，可以有效的減小車體的受損，他們入侵位移的峰值都可以控制在70厘米之內。

五、結果分析

新型保險杠在進行制作的過程當中，選用的材料是碳纖維橫梁粘有橡膠材料。這種材料在實際使用的過程當中，與傳統的鋼制保險杠材料相比具有較高的穩定性，使得他們在碰撞的過程當中更加平穩，而且性能也遠遠優于無橡膠層的保險杠。汽車保險杠系統在進行設計的過程當中，需要與汽車的實際運行情況進行配合，才可以保證汽車設計的完整性以及合理性。上文針對汽車保險杠衡量的研究以及改進進行了深入的探討。從碳纖維復合材料成合板力學基礎新型汽車保險杠設計模型，低速碰撞模擬器，改進方案改進方案，計算機有效性分析等多個角度進行了綜合性探討。并且對不同衡量結構的保險杠系統進行了碰撞性能的研究。經過研究試驗之后，可得出如下結果。①使用有限元法進行實驗操作，可以精確到在線低速碰撞過程當中的實際情況，而保險杠系統的變形以及受益情況可以對整個系統的性能進行綜合性評價。②在針對保險杠系統進行改進設計時，設計人員應該綜合汽車的系統進行改良，并重點針對碰撞特性進行研究，可以通過有線云法證實方案的有效性，從而保證設計方案的理論基礎。

參考文獻

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