基于HyperMesh的泡沫鋁填充防撞梁仿真研究

薛海濤

【關(guān)鍵詞】正面碰撞;防撞梁;泡沫鋁填充

【中圖分類(lèi)號(hào)】U463.834 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）10-0034-03

汽車(chē)的防撞梁需要保護(hù)整車(chē)的零部件和乘客安全，汽車(chē)行業(yè)對(duì)防撞梁的設(shè)計(jì)都非常重視，科研人員都在想方設(shè)法地提升其碰撞吸能性能[1-3]。當(dāng)發(fā)生真正的碰撞工況時(shí)，防撞梁吸收的沖擊能量越多，車(chē)內(nèi)的乘客受到的損傷越小，因此汽車(chē)的防撞梁的吸能效果直接影響整車(chē)的碰撞效果。本文從防撞梁的吸能效果出發(fā)，基于HyperMesh軟件，對(duì)防撞梁進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并基于傳統(tǒng)防撞梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，引入泡沫鋁結(jié)構(gòu)對(duì)傳統(tǒng)防撞梁進(jìn)行填充，提升防撞梁的碰撞吸能表現(xiàn)。

1 防撞梁介紹

前防撞梁在正面碰撞中，起到吸收能力與保護(hù)乘客安全的作用，是保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的重要組成單元，其結(jié)構(gòu)的吸能效果將直接影響汽車(chē)碰撞星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與安全性能[4]。圖1所示為前防撞梁所在汽車(chē)前部的位置，從圖1中可知，防撞梁基本在正面碰撞中是第一個(gè)與沖擊物體進(jìn)行接觸的車(chē)體結(jié)構(gòu)，其對(duì)汽車(chē)內(nèi)部零部件的保護(hù)和車(chē)內(nèi)乘員安全的保護(hù)都非常重要。

2 基于HyperMesh的防撞梁的有限元建模

本文通過(guò)使用有限元的手段對(duì)防撞梁進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。有限元方法已經(jīng)被證明是一種非常有效的方法驗(yàn)證沖擊載荷下能力吸收能力及結(jié)構(gòu)變形，可以有效減少制造及實(shí)驗(yàn)中的測(cè)試次數(shù)，大幅度提升解決機(jī)械工程中的問(wèn)題的效率。目前對(duì)保險(xiǎn)杠性能的研究，已經(jīng)普遍使用有限元手段進(jìn)行分析。HyperMesh軟件是美國(guó)Altair公司開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，集成了分析與設(shè)計(jì)的各種工具，具備良好的性能設(shè)計(jì)和友好的用戶(hù)界面的CAE應(yīng)用軟件包。HyperMesh具備強(qiáng)大的有限元網(wǎng)格劃分處理功能，在CAE分析中，有限元模型的建立占據(jù)整個(gè)CAE分析80%的時(shí)間。HyperMesh軟件支持已有的三維CAD模型的直接導(dǎo)入且導(dǎo)入的效率及數(shù)模質(zhì)量都非常高，可以大大減少工作量，因此本文的分析中，使用HyerMesh軟件進(jìn)行有限元建模。

圖2所示為某車(chē)型的防撞梁模型，重量為19.6 kg的落錘通過(guò)5 m/s的恒定壓潰速度撞擊防撞梁中部區(qū)域，防撞梁厚度為2 mm，其基體材料為鋁合金AA6063-T6，材料的主要參數(shù)彈性模量為73 GPa，密度為2 700 kg/m3，泊松比為0.3。在整個(gè)防撞梁的有限元模型中，利用殼單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在整個(gè)有限元的分析模型中，防撞梁與落錘采用自動(dòng)面面接觸避免產(chǎn)生穿透現(xiàn)象，前縱梁區(qū)域所有后部節(jié)點(diǎn)均約束6個(gè)自由度，并采用自動(dòng)的單面接觸算法模擬內(nèi)部所有的接觸關(guān)系。動(dòng)摩擦系數(shù)與靜摩擦系數(shù)分別為0.2與0.3。某車(chē)型“日”字形防撞梁的有限元模型如圖2所示。

3 泡沫鋁填充防撞梁結(jié)構(gòu)

泡沫鋁是在鋁合金通過(guò)發(fā)泡工藝形成的產(chǎn)品，同時(shí)具備金屬與氣泡特征，具備密度小、高吸能、抗沖擊能量強(qiáng)等良好的物理力學(xué)性能。泡沫鋁優(yōu)異的性能使得其在材料與工業(yè)領(lǐng)域具備良好的應(yīng)用前景，已經(jīng)在汽車(chē)行業(yè)進(jìn)行一定程度的應(yīng)用，并取得良好的應(yīng)用效果[5-7]。本文基于泡沫鋁良好的力學(xué)性能，提出泡沫鋁填充防撞梁，通過(guò)將泡沫鋁填充至“日”字形防撞梁中形成新的泡沫鋁填充防撞梁。對(duì)比其與原始防撞梁的吸能表現(xiàn)，并為車(chē)型實(shí)際開(kāi)發(fā)提供進(jìn)一步的參考。如圖3所示，左邊為原始車(chē)型設(shè)計(jì)中的“日”字形防撞梁，右邊是根據(jù)原始“日”字形防撞梁的尺寸，在原防撞梁中加入泡沫鋁填充材料形成的泡沫鋁填充防撞梁，兩者所受的工況一致。

3.1 防撞梁能量吸收評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)防撞梁的能量吸收能力進(jìn)行對(duì)比是非常有必要的，通過(guò)定量指標(biāo)可以有效進(jìn)行能量吸收效率的對(duì)比。在本研究中，通過(guò)使用總能量吸收EA進(jìn)行防撞梁與能量吸收的對(duì)比。防撞梁吸收的總能量是指整個(gè)防撞梁在碰撞過(guò)程中利用塑性形變吸收的總的能量，F(xiàn)（x）表示碰撞力，其表達(dá)式如下：

3.2 不同防撞梁變形模式

圖4所示為不同防撞梁在碰撞過(guò)程中的變形對(duì)比。從圖4中可以看出，原始防撞梁與泡沫鋁填充防撞梁的變形模式總體上保持一致。兩種防撞梁的變形均是從落錘與防撞梁的接觸的地方開(kāi)始產(chǎn)生形變，并隨著碰撞的時(shí)間增加而使相應(yīng)的形變?cè)黾樱⒙禺a(chǎn)生凹槽。從圖4中可看出，沖擊能量的耗散正是通過(guò)防撞梁結(jié)構(gòu)的塑性變形進(jìn)行耗散的，并隨著塑性變形的幅度變大，其吸收的能量也越多。相比原始防撞梁，泡沫鋁填充防撞梁雖然在變形模式上差不多，但是泡沫鋁填充防撞梁最后的形變位移相對(duì)更小。

3.3 不同防撞梁碰撞表現(xiàn)

圖5所示為防撞梁在碰撞過(guò)程中的應(yīng)力云圖，從圖5中可以看出，原始防撞梁與泡沫鋁填充防撞梁的應(yīng)力集中位置基本一致，應(yīng)力較大的地方主要分布在落錘與防撞梁接觸的位置和前縱梁與防撞梁連接的地方，這兩類(lèi)地方均出現(xiàn)明顯的變形內(nèi)凹。值得一提的是，雖然應(yīng)力集中的區(qū)域原始防撞梁與泡沫鋁防撞梁出現(xiàn)的區(qū)域一致，但是依然可以從圖5中看出，泡沫鋁填充防撞梁后面的前縱梁區(qū)域所受的應(yīng)力區(qū)域相對(duì)較小，意味著這個(gè)泡沫鋁填充防撞梁可以有效保護(hù)后面前縱梁區(qū)域，進(jìn)而增強(qiáng)了對(duì)汽車(chē)部件的保護(hù)。

圖6所示為不同防撞梁在碰撞過(guò)程中能量吸收隨時(shí)間變化的對(duì)比，從圖6中可以看出，泡沫鋁填充防撞梁的總的吸能趨勢(shì)與原始防撞梁的吸能趨勢(shì)基本保持一致，在碰撞時(shí)間為6 ms時(shí)，泡沫鋁填充防撞梁吸收的能量為501 J，而原始防撞梁吸收的能量為475 J，在碰撞工況一致的情況下，泡沫鋁填充防撞梁的能量吸收比原始防撞梁高出5.5%。當(dāng)碰撞時(shí)間為12 ms時(shí)，泡沫鋁填充防撞梁比原始防撞梁高出54 J。當(dāng)碰撞時(shí)間為18 ms時(shí)，泡沫鋁填充防撞梁高出73 J。因此，從碰撞分析結(jié)果來(lái)看，泡沫鋁填充防撞梁可以大大提升防撞梁的能量吸收能力和有效保護(hù)汽車(chē)部件。

通過(guò)對(duì)原始泡沫鋁填充防撞梁與原“日”字形防撞梁進(jìn)行對(duì)比可知，泡沫鋁填充防撞梁在碰撞工況一致的情況下，可以有效提升結(jié)構(gòu)的碰撞能力，保護(hù)整車(chē)的結(jié)構(gòu)，提升車(chē)型的碰撞表現(xiàn)。

4 總結(jié)

在汽車(chē)的碰撞中，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)中的防撞梁可以通過(guò)塑性變形有效地降低碰撞沖擊，是汽車(chē)安全碰撞結(jié)構(gòu)中非常重要的布局。本文從工程實(shí)際出發(fā)，著力提升防撞梁的吸能效果，基于HyperMesh軟件對(duì)防撞梁進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并基于傳統(tǒng)防撞梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，引入泡沫鋁結(jié)構(gòu)對(duì)傳統(tǒng)防撞梁進(jìn)行填充，提升防撞梁的碰撞吸能表現(xiàn)。通過(guò)分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，泡沫鋁填充防撞梁通過(guò)變形可以有效地降低后面前縱梁的變形，并在碰撞過(guò)程中吸收更多的能量，可以有效地提升汽車(chē)的碰撞表現(xiàn)，本文的研究為防撞梁的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了新的思路。

參 考 文 獻(xiàn)

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