淺析汽車保險碰撞有限元分析

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摘要：以EQ140貨車為例，應用動力有限元軟件ANSYS／LS-DYNA對汽車保險杠的碰撞過程進行數值模擬。得到結構的瞬態動力響應以及變形、速度、碰撞力等參數的時程曲線。清晰地展示了保險杠的變形的全過程，為改進保險杠的設計提供了參考。

關鍵詞：保險杠；碰撞；有限元

在科學技術日益發達的今天。汽車無疑已經成為人們生活中不可缺少的交通工具。如何提高汽車在碰撞過程中的安全性能。最大限度地避免或減輕乘員在汽車碰撞中的傷亡將成為我國汽車被動安全性研究的重要課題。國外對整車碰撞模擬的研究經過二十多年的發展，積累了大量的經驗，也制定了相應的標準和規范。而國內整車的碰撞模擬研究才剛剛起步。相應的標準和規范還沒建立起來。涉及到的一些技術問題還沒解決。同時就目前的硬件條件、技術力量。并不足以完成整車的碰撞模擬。本文對EQI40貨車保險杠碰撞過程中的變形進行了模擬，得到了其碰撞過程中的位移、速度、碰撞力等參數的時程曲線。通過這樣的模擬。也為進行整車的碰撞模擬提供了一定的參考。

1計算模型的建立

分析時。模型所采用的數據是參考EQ140貨車保險杠的原始尺寸。并對某些地方進行結構簡化以便于進行有限元分析。由于主要研究的是保險桿在碰撞過程中的變形。所以考慮建立模型時。保險杠后面的部分都未建立，而是以質量單元代替，這樣既可以極大的減少計算時間，同時又能得到所需的數據。1．1實體模型的建立

模型由兩部分組成，一個是保險杠，一個是剛性墻，考慮到保險杠外形是曲面，在ANSYS中不易建立模型，所以選擇在Pro／E軟件中建立模型，再通過ANSYS軟件的接口導入。

1．2單元和材料

由于保險杠由薄壁板制成，剛性墻也是平板，所以整個模型選用薄殼單元(SHELL163)進行網格劃分，剛性墻也采用該單元。都選擇軟件默認的算法。以便提高分析計算的效率。式中：σo一初始屈服應力；ε-應變率；C，P-Cowpersymonds應變率參數；β-硬化參數；Ep-塑性硬化模量；-有效塑性應變。

網格劃分完成后的模型如圖l所示。單元劃分應盡量避免小單元，因為這將大大減小時間步長，增加求解時間；也應避免夾角單元和翹曲的殼，這將降低結果精度。在需要沙漏控制的地方使用全積分單元，如果考慮塑性效應時。高斯積分點應選擇在3—5個之間。

1．3定義接觸面

本次計算中保險杠與剛性墻的接觸采用LS—DYNA的AutomaticContact。SurfacetoSurface接觸模型[2]。

1．4載荷工況

LS—DYNA程序中所有的載荷必須與時間相關，在對模型進行加載的時候，剛性墻的所有自由度都約束住。保險杠與剛性墻碰撞時刻的時速為14m／s(即為50km／h)。

2計算結果

2．1保險杠的變形與破壞

圖2-5是保險杠在不同時刻的應力云圖，整個過程歷時0．03s，在0．014s的以前，保險杠以14m／s做勻速直線運動；在0．014s的時候，保險杠中心的很小部分最先與剛性墻發生接觸，這個時候碰撞開始。隨后，隨著時間的增加，接觸面逐漸擴大，而應力也變得更加劇烈。由動畫演示觀察可知隨著碰撞的加大，在最先發生碰撞的地方的應力越來越大。最終產生破壞一斷裂。

2．2保險桿中心時程位移、速度、碰撞力曲線

由圖69可見：在碰撞運動開始的時候，速度最大，碰撞力和位移都最小，隨著時間的增加，碰撞過程的發展，碰撞接觸面積的變化，相應的位移值和碰撞力都同步增大，速度減小。當位移值達到最大時，速度值稍后才達到最小，而碰撞力則在此之前就達到最大值。其原因開始保險杠與剛性墻之間有一段間隙，沒接觸前，保險桿的速度是恒定的；接觸后，保險桿發生變形，接觸面積的變化，使得發生碰撞沒多久，碰撞力很快就達到了最大，而此時由于墻壁阻力的作用，其速度在不斷的減小，變形的影響使得位移繼續增大，當保險桿到了最大變形時，位移也同時達到最大值。

根據能量變化曲線(圖9)，可以看出，碰撞結束后，保險桿并沒有吸收完所有的能量，碰撞時候的結構變形能量吸收尚不夠充分，但由于實際碰撞過程中碰撞時結構變形能量并非完全由保險杠吸收，車上的保險杠是通過一定的連接方式與車架相連，車架、車頭也同時參與了吸收變形能量，因此本次計算得到的圖9曲線與保險杠模型的建立方式有關。3分析結論與展望

通過以上的分析計算，可得到如下結論：

1)碰撞仿真是研究汽車碰撞安全問題非常有效的方法。

2)研究中獲得的一些參數的選用經驗，如材料模式、網格尺寸等與整車碰撞建模是一致的，這些經驗和參數可直接用于指導整車碰撞仿真建模工作。

3)對汽車保險杠的碰撞模擬仿真分析，可以得到保險杠在碰撞過程中的動態變形信息，同時可以清晰的再現碰撞的整個過程，其能量的消耗和分布情況及失效過程，這些參數信息對結構設計的優化，減少設計盲目性都是很有益處的?？梢詾榻窈蟊ｋU杠的結構設計提供一定的參考。

本文的分析并沒有考慮網格密度對計算結果的影響，應當是變形越大的部位，網格劃分的越細；變形越小的部位，網格劃分的越粗，這樣不僅可以減少計算時間，同時得到的數據可以滿足要求。

本文研究汽車保險杠的碰撞采用的方法是把保險杠從整車中獨立出來，單獨進行分析，但是這樣的計算結果還不能完全反映實際情況，所以在今后的研究中有必要進行整車的碰撞模擬分析，但是整車的碰撞模擬仿真屬高度非線性課題，難度與復雜性都較大，同時在假人模擬、氣囊模擬、側面碰撞模擬等許多方面還有很多研究工作需要開展，這是我們今后努力研究的方向。

參考文獻：

[1]顧力強，林忠欽．國內外汽車碰撞計算機模擬研究的現狀及趨勢[J]．汽車工程，1999，(1)．

[2]北京理工大學．ANSYS／I．S-DYNA算法基礎和使用方法[M]．北京：北京理工大學出版社，1999．(end)