基于ANASYS Workbench的保险杠低速碰撞仿真

第３４卷第２期　２０１３年４月　大　连　交　通　大　学　学　报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＤＡＵＡＮ　ＪＩＡＯＴＯＮＧ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．２　Ａｐｒ．２０１３　文章编号：１６７３—９５９０（２０１３）０２・００５４—０３　基于ＡＮＡＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的　保险杠低速碰撞仿真　王娜，李宏刚　（东北林业大学交通学院，黑龙江哈尔滨１５００４０）米　摘　要：建立并验证了某轿车保险杠碰撞模型的有效性，按照ＥＣＥ　Ｒ４２法规和ＰＲＯ／Ｅ软件建立该保险杠　系统的有限元模型，利用ＡＮＡＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ对其进行低速碰撞吸能性仿真分析，结果发现该保险杠结构　可以吸收低速碰撞过程中所产生的大部分动能，使轿车其他部分的结构变形达到最小．在此基础上，针对　碰撞仿真计算结果及薄壁构件吸能特性，提出了具体的改进措施．　关键词：保险杠；低速碰撞；ＡＮＡＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ仿真　文献标识码：Ａ　０　引言　随着轿车的大规模生产和车速的不断提高，　汽车交通事故发生率急剧增加，其中发生最多的　是汽车前部的碰撞，占到汽车交通安全事故的　４０％左右．因此，研究汽车正面碰撞对降低乘员的　伤害起着至关重要的作用…．而汽车结构中的保　险杠是正面碰撞时主要的承载和吸能构件，提高　保险杠的吸能效果，可以降低整车碰撞中的加速　度，对乘员起保护作用　Ｊ．因此，对保险杠吸能特　性的研究有着重要的意义．本文的研究对象采用　质量守恒方程：　Ｐ＝Ｊｖ。　（２）　能量守恒方程：　●　‘　Ｅ＝　ｓ　一（Ｐ＋ｇ）　（３）　式中，ｏｒ　为柯西应力张量；　为单位质量体积力；　为加速度；ｐ为当前质量密度；Ｊ９。为初始质量密　度；Ｊ＝『堕ｌ为变形梯度行列式；　为现时构形的　ａ　ｌ　体积；言　为应变率张量；ｇ为体积黏性阻力．　某新型汽车保险杠，利用ＰＲＯ／Ｅ和ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋ　ｂｅｎｃｈ软件对该保险杠进行三维建模和对其进行　低速碰撞过程模拟，并对模拟结果进行分析．　２保险杠有限元模型的建立　本文是以某小轿车保险杠为基础，利用Ｐｒｏ／　Ｅ和ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ软件进行参数化建模和　１　汽车碰撞性能分析的理论方程　碰撞过程属于非线性动态接触和冲击载荷变　形的过程．碰撞分析通过动态接触问题来求解，即　一仿真分析．由于保险杠的结构比较复杂，对保险杠　进行适当的简化，以提高效率和改善模型的单元　质量．有限元模型如图１所示．模型参数见附表．　保险杠横梁及支架采用的是２４＃钢，需手动　将其添加到Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄａｔａ中，保险杠横梁及支　架的基本材料特性如下：密度为７　８５０　ｋｇ／ｍ。，弹　个含未知边界条件的偏微分方程．根据连续介　质力学的质量、动量和能量守恒方程，碰撞性能分　析的理论方程可以分别写成　Ｊ：　性模量为２１０　ＧＰａ，屈服强度２ｌ０　ＭＰａ，泊松比　为０．３．选择Ｄｅｎｓｉｔｙ／Ｉｎｃｌｕｄｅ　Ｐｒｏｐｅ￣ｙ和Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　（１）　动量方程：　ｐｘ　＝ｏｒ　＋　Ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ／Ｉｎｃｌｕｄｅ　Ｐｒｏｐｅｒｔｙ将密度和各项同性弹性　米收稿日期：２０１２—０６—２６　基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（ＤＬＯ９ＢＢ２４）　作者简介：王娜（１９８０一），女，讲师，硕士，主要从事载运工具装备创新技术方面的研究　Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｍｉｎｓｍａｒｔ２０１０＠１２６．ｃｏｒｎ．　第２期　王娜，等：基于ＡＮＡＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的保险杠低速碰撞仿真　５５　材料属性添加到选定材料性能表中．根据上面输　入的弹性模量Ｙｏｕｎｇ’Ｓ　Ｍｏｄｕｌｕｓ和泊松比Ｐｏｉｓ－　ｓｏｎ’Ｓ　Ｒａｔｉｏ的值，ＡＮＳＹＳ自动计算体积模量Ｂｕｌｋ　ｍｏｄｕｌｅｓ和切变模量Ｓｈｅａｒ　ｍｏｄｕｌｅｓ的值，完成对　３结果分析和结构改进　利用ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ软件，为保险杠模型　在碰撞速度为８　ｋｍ／ｈ时建立的碰撞仿真模拟过　２４＃钢材料的添加．　图１保险杠的有限元模型　附表模型对应参数　选择Ｉｍｐｏｒｔ　Ｇｅｏｍｅｔｒｙ将保险杠系统的实体　模型导人．并将材料性能赋予几何模型，指定为　２４＃钢．再对几何模型进行网格划分，系统默认选　择Ｓｏｌｉｄ１８７单元，Ｓｏｌｉｄ１８７单元是一个高阶三维　１０节点固体结构单元，具有二次位移模式，可以　更好的模拟不规则的模型，在Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｓｉｚｅ（单元　大小）文本框中输入２　ｍｍ，选择Ｐｒｅｖｉｅｗ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｍｅｓｈ命令，可知保险杠系统共有３　１１６个节点，　１　８５７个单元．　对碰撞系统进行接触处理和定义约束条件．　选择Ｓｕｐｐｏｒｔｓ／Ｆｉｘｅｄ　Ｓｕｐｐｏｒｔ命令，在模型中选择　保险杠两端端面施加固定约束，完成对碰撞系统　的约束．并设置最大模态阶数，在Ｍａｘ　ｍｏｄｅｓ　ｔｏ　Ｆｉｎｄ　中设置为１０．最后施加速度，速度定为８　ｋｍ／ｈ，即约　为２．２ｍ／ｓ．据统计保险杠碰撞的经验值为０．２　Ｓ，所　以Ｅｎｄ　Ｔｉｍｅ设置为０．２　ｓ．单击Ｓｏｌｖｅ即可求解．　程如图２所示，这里碰撞时间取０．２　Ｓ．根据仿真　结果发现保险杠的吸能过程主要分成两个阶段．　分别是保险杠弹性变形吸收碰撞动能阶段和保险　杠屈曲变形吸能阶段．将Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的Ｋ文件导　到ＬＳ　ＤＹＮＡ　ＳＯＬＶＥ里转换成ｐｌｏｔ文件，通过后处　理器ＬＳＰＲＥＰＯＳＴ来查看保险杠的低速碰撞吸能　变化曲线和加速度曲线图３可知，开始发生碰撞　时能量吸收不断增加，直至０．１　Ｓ左右吸能曲线　趋于平稳，保险杠系统不再吸收能量，吸收的内能　总量达２　ｋＪ．在加速度方面，车体加速度峰值出现　在０．０３　Ｓ左右，然后发生加速度回弹现象，能够　有效逐步地减少碰撞加速度．通过以上两个方面　说明该结构的吸能效果和乘员保护效果较好．　图２保险杠碰撞变形情况　２．５　２．Ｏ　１．５　１．Ｏ　０．５　Ｏ　０　邑一５　．１０　型．１５　．２０　时Ｉ司／ｓ　（ｂ）加速度曲线　图３以８　ｋｍ／ｈ碰撞保险杠的吸能曲线及加速度曲线　通过有限元仿真发现，由于该保险杠的薄壁　梁部分发生的不是有序的对称叠缩变形．因此，可　以在其屈曲变形的位置设置诱导槽．　４　结论　（１）成功地建立了某车型前部保险杠的模型　并进行了仿真分析，其建模方法也适用于其他零　５６　大　连　交　通　大　学　学　报　第３４卷　部件仿真分析；　（２）本文按照欧洲法规进行了模拟分析，得到　了能量、加速度等随时间的变化规律，在一定程度上　反映了保险杠的结构特ｌ生，具有较强的指导意义；　（３）通过有限元模拟软件可以对保险杠结构　进行多次循环分析，大大减少了汽车碰撞方面的　研究经费；　与优化［Ｊ］．现代制造技术与装备，２００８，１８４（３）：２４—２６．　［２］许亮，胡宁，杨辉．基于ＬＳ－ＤＹＮＡ的汽车保险杠仿真　优化［Ｊ］．机械与电子，２００７（５）：１７—２Ｏ．　［３］龚艳霞，沈晓红，聂学俊．基于ＡＢＡＱＵＳ的保险杠低速　碰撞的仿真研究［Ｊ］．北京工商大学学报（自然科学　版），２００９，２７（３）：３２—３６．　［４］于多年，刘莉，李红建，等．ＦＦＳ法应用于汽车保险杠　碰撞仿真分析研究［Ｊ］．汽车技术，２００８（３）：２７—２９．　［５］ＷＥＩＺＢＩＣＫＩ　Ｔ，ＡＢＲＡＭＯＷＩＣＺ　Ｗ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｉｍ—　ｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　Ｃｒａｓｈ　Ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｃ］．　ＳＡＥ　Ｐａｐｅｒ，８８０８９５．　（４）碰撞仿真结果表明保险杠系统在低速碰　撞时发生了较大的塑性变形，但仍具有较好的完　整性和耐撞性．　［６］葛如海，王群山．汽车保险杠碰撞的数值模拟［Ｊ］．江　参考文献：　［１］韦珑坤，杨荣松，张勇．汽车保险杠碰撞的有限元仿真　苏大学学报（自然科学版），２００５，２６（４）：３０８—３１１．　Ｂｕｍｐｅｒ　Ｃｒａｓｈ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｔｕｄｙ　ａｔ　Ｌｏｗ－Ｓｐｅｅｄ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＮＡＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ　ＷＡＮＧ　Ｎａ，ＬＩ　Ｈｏｎｇ—ｇａｎｇ　（Ｔｒａｆｉｆｃ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｅｒｂｉｎ　１５００４０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｒｉｎｇ　ｔｏ　ＥＣＥ　Ｒ４２　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｕｓｉｎｇ　ＰＲＯ／Ｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａ　ｆｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　ｂｕｍｐｅｒ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖａｌｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｖｅｒｉｉｆｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＡＮＡＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ　ｉｆ—　ｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ—ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｕｍｐｅｒ　ｌｏｗ－ｓｐｅｅｄ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．　Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｋｉｎｅｔｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｂｓｏｒｂｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　ｂｕｍｐｅｒ　ｄｅｖｉｃｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｒ　ｋｅｐｔ　ｔｏ　ａ　ｍｉｎｉｍｕｍ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｂｓｏｒｂｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄ　ｍｅｍｂｅｒ，ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｉｍｐｒｏｖｅ—　ｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｕｍｐｅｒ；ｌｏｗ－ｓｐｅｅｄ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ；ＡＮＡＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ