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保險(xiǎn)杠安全性能仿真分析與試驗(yàn)研究

文檔作者：徐中明徐小飛張志飛萬(wàn)鑫銘趙清江文檔來(lái)源： 1．重慶大學(xué) 2．重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 3．中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年05月08日
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2014年(第36卷)第3期
汽車工程
Automotive Engineering 2014(Vo1．36)No．3
保險(xiǎn)杠安全性能仿真分析與試驗(yàn)研究木
2014056
徐中明 ，徐小飛 ，張志飛。，萬(wàn)鑫銘 ，趙清江
(1．重慶大學(xué)，機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030； 2．重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶400030；
3．中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶400030)
[摘要】 針對(duì)某乘用車原鋼制保險(xiǎn)杠低速碰撞變形大的問題和汽車輕量化設(shè)計(jì)的需求，新開發(fā)了鋁合金保險(xiǎn)
杠。分別建立了原鋼制保險(xiǎn)杠和新開發(fā)的鋁合金保險(xiǎn)杠的有限元模型，對(duì)其進(jìn)行了三點(diǎn)靜壓仿真，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)
證。結(jié)果表明，鋁合金保險(xiǎn)杠強(qiáng)度性能優(yōu)于原鋼制保險(xiǎn)杠。通過臺(tái)車碰撞仿真和試驗(yàn)，分析了兩款保險(xiǎn)杠的耐撞
性，相同工況下鋁合金保險(xiǎn)杠防撞梁的變形量和臺(tái)車減速度值均小于鋼制保險(xiǎn)杠，其耐撞性優(yōu)于原鋼制保險(xiǎn)杠。
關(guān)鍵詞：輕量化；鋁合金保險(xiǎn)杠；三點(diǎn)靜壓試驗(yàn)；臺(tái)車試驗(yàn)；耐撞性
Simulation and Experimental Study on Bumper Safety Performance
Xu Zhongraing ，Xu Xiaofei ，Zhang Zllifei ，Wan Xinming &amp;amp;Zhao Qingjiang
1．Chongqing University，State Key Lab ofMechanical Transmissions，Chongqing 400030；
2．College ofMechanical Engineenng，Chongqing University，Chongqing 400030；
3．China Automotive Engineenng Research Institute Co．，Ltd．，Chongqing 400030
[Abstract] In view of the large deformation of the original steel bumper under low—speed crash and the need
of vehicle lightweight design，a new aluminum alloy bumper is developed．The finite element models for both the Original
steel bumper and the newly developed aluminum alloy bumper are established，and the three—point static
loading simulation for both bumpers are conducted and verified by test．The results show that the strength perform—
ance of aluminum alloy bumper is higher than that of steel bumper．Th rough the simulation and real sled test，the
crashworthiness of two bumpers are analyzed，the results indicate that under the same condition，both the deform a—
tion of aluminum anti—collision beam and the deceleration of sled are smaller than those of steel bumper，and the
crashworthiness of aluminum alloy bumper is better than that of original steel bumper．
Keywords：lightweighting；aluminum alloy bum per；three-point static loading test；sled test；crashworthiness
日IJ吾
降低油耗、減少排放、提高安全性是當(dāng)今全球汽
車工業(yè)都必須面對(duì)的問題。汽車輕量化是解決上述
問題的有效手段。研究顯示，典型鋁質(zhì)零件一次減
質(zhì)量效果可達(dá)30％ ～40％ ，二次減質(zhì)量則可提高到
50％ ，而汽車每減質(zhì)量10％ 可實(shí)現(xiàn)節(jié)油6％ ～
8％ [1-2]
。
保險(xiǎn)杠系統(tǒng)是汽車低速碰撞時(shí)最主要的承載和
吸能構(gòu)件，對(duì)保護(hù)汽車其它零部件和乘員安全起著
至關(guān)重要的作用。在滿足功能要求的基礎(chǔ)上，開發(fā)
質(zhì)量更輕的鋁合金保險(xiǎn)杠正越來(lái)越受到汽車生產(chǎn)商
和研究人員的關(guān)注 J。文獻(xiàn)[5]中根據(jù)SAE J2319
標(biāo)準(zhǔn)建立了用于研究轎車保險(xiǎn)杠低速碰撞性能的擺
錘碰撞試驗(yàn)裝置和仿真分析模型，通過計(jì)算機(jī)仿真
分析和試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了擺錘低速碰撞試驗(yàn)的有效
性。文獻(xiàn)[6]中將7075鋁合金應(yīng)用于汽車保險(xiǎn)杠，
汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(31015011)資助。
原稿收到日期為2012年4月17日，修改稿收到日期為2012年6月18日。
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徐中明，等：保險(xiǎn)杠安全性能仿真分析與試驗(yàn)研究
模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。運(yùn)用Johnson
Cook材料本構(gòu)模型能較好地表征6061一T6狀態(tài)
鋁合金的力學(xué)性能，有助于提高仿真分析的精度。
對(duì)上述保險(xiǎn)杠模型進(jìn)行連接，鋼制保險(xiǎn)杠實(shí)物
樣件以點(diǎn)焊連接，仿真時(shí)用Beam單元模擬，并以
$CONTACT_ TIED— SHELL— EDGE— TO— SURFACE設(shè)
置焊點(diǎn)和殼單元之間的接觸。鋁合金保險(xiǎn)杠實(shí)物樣
件采用縫焊，仿真時(shí)以節(jié)點(diǎn)耦合方式模擬該處連接。
2 保險(xiǎn)杠強(qiáng)度分析
保險(xiǎn)杠的一個(gè)重要作用在于，無(wú)論在正面碰撞
或偏置碰撞條件下，碰撞力都能盡可能均勻地沿左
右吸能盒向后傳遞。據(jù)此分析，保險(xiǎn)杠防撞梁須滿
足一定的強(qiáng)度指標(biāo) 。本文中通過三點(diǎn)靜壓仿真分
析和試驗(yàn)對(duì)防撞梁強(qiáng)度進(jìn)行了分析，三點(diǎn)靜壓分析
示意圖如圖5所示。
圖5 三點(diǎn)靜壓分析示意圖
仿真分析前須設(shè)定邊界條件，在Hypermesh中
對(duì)保險(xiǎn)杠左右安裝法蘭盤施加全約束，在橫梁正上
方建立直徑152mm的剛性圓柱體作為壓頭，釋放壓
頭 方向(加載方向)移動(dòng)自由度，壓頭以1m／s的
速度加載，即強(qiáng)制使保險(xiǎn)杠支架做向下位移100mm，
以模擬準(zhǔn)靜態(tài)過程。壓頭與防撞橫梁之間采用自動(dòng)
面面接觸，保險(xiǎn)杠自身采用自動(dòng)單面接觸，靜摩擦因
數(shù)為0．15，動(dòng)摩擦因數(shù)為0．1。將上述建好的模型
以key文件格式保存，并提交LS．DYNA計(jì)算。
三點(diǎn)靜壓試驗(yàn)在常溫、常壓下進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備包
括PLS—L50B4電液伺服構(gòu)件試驗(yàn)系統(tǒng)和YE2539高
速靜態(tài)應(yīng)變儀，試驗(yàn)時(shí)壓頭加載速度為0．001m／s，
圖6為鋁合金保險(xiǎn)杠三點(diǎn)靜壓試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片。
以防撞梁靜壓支反力作為評(píng)價(jià)保險(xiǎn)杠強(qiáng)度性能
的指標(biāo)，仿真和試驗(yàn)所得的支反力一位移曲線如圖7
所示。由圖可知：鋼制保險(xiǎn)杠試驗(yàn)靜壓力峰值為
6．1kN，仿真靜壓力峰值為6．4kN，兩者誤差為
4．9％ ；鋁合金保險(xiǎn)杠試驗(yàn)靜壓力峰值為8．6kN，仿
堇
圖6 鋁合金保險(xiǎn)杠三點(diǎn)靜壓試驗(yàn)
圖7 壓頭支反力一位移曲線
真靜壓力峰值為9．4kN，兩者誤差為9．3％。其誤差
均小于10％ ，從而驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。
結(jié)合圖7曲線，對(duì)仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分
析：鋁合金保險(xiǎn)杠靜壓力峰值及其平均值均大于鋼
制保險(xiǎn)杠，可知鋁合金保險(xiǎn)杠前防撞梁在實(shí)際工況
下能承受更大的載荷；在變形量相同的條件下，鋁合
金保險(xiǎn)杠吸能也比鋼制的多?？梢娦麻_發(fā)的鋁合金
保險(xiǎn)杠強(qiáng)度性能優(yōu)于原鋼制保險(xiǎn)杠。
3 保險(xiǎn)杠碰撞性能分析
國(guó)內(nèi)外對(duì)保險(xiǎn)杠低速碰撞都有嚴(yán)格的法規(guī)要
求。本文中參照美國(guó)IIHS-TEST試驗(yàn)規(guī)范，對(duì)兩款
保險(xiǎn)杠分別進(jìn)行了臺(tái)車正面100％重疊碰撞和40％
偏置碰撞仿真分析與試驗(yàn) 。
IIHS．TEST法規(guī)要求被測(cè)車輛以8km／h的速度
撞擊固定安裝的碰撞器。文中只對(duì)單獨(dú)的保險(xiǎn)杠零
件進(jìn)行碰撞分析，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)條件，以臺(tái)車碰撞試
驗(yàn)來(lái)研究?jī)煽畋ｋU(xiǎn)杠的耐撞性能。試驗(yàn)用臺(tái)車質(zhì)量
為lt，考慮到與法規(guī)規(guī)定的試驗(yàn)工況能量等效，試驗(yàn)
時(shí)將臺(tái)車加速到9km／h撞擊固定安裝的保險(xiǎn)杠，通
過高速攝像儀記錄碰撞過程，用加速度傳感器測(cè)取
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徐中明，等：保險(xiǎn)杠安全性能仿真分析與試驗(yàn)研究 ·297·
合金保險(xiǎn)杠具有更好的緩沖性能。
結(jié)合仿真結(jié)果，對(duì)保險(xiǎn)杠耐撞性進(jìn)行定量研究，
表2列出了鋼制和鋁合金保險(xiǎn)杠各部件的吸能情
況：正面碰撞工況下，鋁合金保險(xiǎn)杠總吸能為
2．84kJ，比鋼制保險(xiǎn)杠增加7．2％ ；40％偏置碰撞工
況下，兩款保險(xiǎn)杠吸能總量基本相同，但鋁合金保險(xiǎn)
杠前防撞梁吸收了更多的碰撞能量，充分發(fā)揮了前
防撞梁的吸能潛力，有利于保護(hù)汽車后部結(jié)構(gòu)；從單
位質(zhì)量吸能來(lái)看，鋁合金保險(xiǎn)杠單位質(zhì)量吸能明顯
大于鋼制保險(xiǎn)杠，充分發(fā)揮了鋁合金材料比吸能大
表2 兩種碰撞工況下保險(xiǎn)杠各部件吸能
左吸能盒 右吸能盒 防撞橫梁 總吸 單位質(zhì)量吸
吸能／kJ 吸能百分比／％ 吸能／kJ 吸能百分比／％ 吸能／l(J 吸能百分比／％ 能／kJ 能／(kJ／kg)
鋁合金保險(xiǎn)杠正面100％重疊碰撞 0．136 4．8 0．135 4．8 2．57 90．4 2．84 O．916
鋼制保險(xiǎn)杠正面100％重疊碰撞 0．213 8．0 0．175 6．6 2．26 85．4 2．65 0．589
鋁合金保險(xiǎn)杠正面40％偏置碰撞 0．475 19．2 0．010 O．4 1．99 8O．4 2．48 0．800
鋼制保險(xiǎn)杠正面4J0％偏置碰撞 0．756 30．4 0．O17 0．7 1．72 68．9 2．49 0．553
的特點(diǎn)，達(dá)到了輕量化開發(fā)的目的。
原鋼制保險(xiǎn)杠的質(zhì)量為4．5kg，新的鋁合金保險(xiǎn)
杠質(zhì)量為3．1kg。通過對(duì)新開發(fā)的鋁合金保險(xiǎn)杠和
原鋼制保險(xiǎn)杠的低速碰撞分析，可知鋁合金保險(xiǎn)杠
在減質(zhì)量3l％的同時(shí)，擁有比原鋼制保險(xiǎn)杠更好的
碰撞吸能性。
4 結(jié)論
(1)通過高速拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了Johnson
Cook材料本構(gòu)模型，更好地表征了6061一T6狀
態(tài)鋁合金的力學(xué)性能，提高了仿真精度。
(2)通過三點(diǎn)靜壓仿真與試驗(yàn)，對(duì)比分析了兩
款保險(xiǎn)杠的強(qiáng)度性能。結(jié)果表明，鋁合金保險(xiǎn)杠靜
壓力峰值為9．4kN，大于鋼制保險(xiǎn)杠的6．4kN。可
見新開發(fā)的鋁合金保險(xiǎn)杠前防撞梁能夠承受更大的
靜載荷，強(qiáng)度性能優(yōu)于鋼制保險(xiǎn)杠。
(3)通過臺(tái)車碰撞仿真與試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明，
正面100％重疊碰撞下鋁合金保險(xiǎn)杠總吸能比鋼制
保險(xiǎn)杠增加7．2％ ，鋁合金保險(xiǎn)杠單位質(zhì)量吸能明
顯大于鋼制保險(xiǎn)杠，且前防撞梁變形量和臺(tái)車減速
度值均小于鋼制保險(xiǎn)杠，新開發(fā)的鋁合金保險(xiǎn)杠耐
撞性能優(yōu)于鋼制保險(xiǎn)杠。
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