商用車前下部防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)模擬碰撞分析與優(yōu)化

 1、概述

 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車普及率的大幅提高，交通事故也隨之增多。交通事故給人們的生活帶來了巨大災(zāi)難，已成為世界性的社會(huì)問題。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，自汽車問世以來，全世界死于交通事故的人數(shù)已達(dá)數(shù)千萬，并且還在以每年百萬人的速度增加，此外加上幾倍于死者的受傷者和家屬以及各種物質(zhì)損失，這種損害顯然是十分巨大的。以2006年世界主要國家地區(qū)道路交通事故發(fā)生統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)1為例，在美國大約有43300人死于道路交通事故，在歐盟大約有38500人死于道路交通事故。雖然這些年來，如美國等發(fā)達(dá)國家由于汽車造成的人員死亡率有了一定程度的下降趨勢，但是多數(shù)發(fā)展中國家，例如中國，雖然只占世界汽車保有量的2％，但交通事故卻占了15％，已數(shù)年是交通事故數(shù)量和死亡人數(shù)最高的國家之一。我國每年發(fā)生道路交通事故大于30萬起，而且連續(xù)幾年死亡人數(shù)均超過10萬人，相當(dāng)于平均每5分鐘就有1人死于車禍，汽車交通事故已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，成為了人類生存面臨的一個(gè)不容忽視的安全問題。因此，提高汽車的碰撞性能已經(jīng)越來越重要。

 為提高汽車的安全性，歐美發(fā)達(dá)國冢先后制定和實(shí)施了相應(yīng)的法律和技術(shù)法規(guī)。目前，我國已開始實(shí)施部分強(qiáng)制性碰撞安全法則，使得大部分乘用車汽車必須通過相關(guān)的碰撞法規(guī)檢驗(yàn)才能上市銷售。對于商用車領(lǐng)域，國家發(fā)展與改革委員會(huì)也發(fā)布了GB26511標(biāo)準(zhǔn)，其中強(qiáng)制規(guī)定了商用車前下部防護(hù)裝置的碰撞性能要求。為了滿足GB26511標(biāo)準(zhǔn)的要求，本文對新開發(fā)車型的前下部防護(hù)裝置，借助CAE的仿真手段進(jìn)行虛擬碰撞驗(yàn)證分析。通過HyperMesh前處理軟件，建立碰撞有限元模型，并采用RADIOSS求解器計(jì)算，通過分析碰撞模擬結(jié)果及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，盡可能避免通過實(shí)物樣件碰撞不合格后再進(jìn)行改進(jìn)的弊端，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。

 2、前下部防護(hù)裝置介紹及有限元模型建立

 （1）商用車前下部防護(hù)裝置介紹

 前下部防護(hù)裝置是汽車上較大的覆蓋件之一，作為一個(gè)獨(dú)立的總成安裝在汽車上，它對車輛的安全防護(hù)、造型效果、空氣動(dòng)力學(xué)特性等有著較大的影響。汽車前下防護(hù)裝置安裝在汽車的最前端，在整車造型風(fēng)格中起到至關(guān)重要的作用，它能夠詮釋出整車外裝飾的藝術(shù)風(fēng)格，好的保險(xiǎn)杠能夠使用戶感到賞心悅目，得到美的享受。無論汽車的大、小改型設(shè)計(jì)，保險(xiǎn)杠總是成為造型師手中重點(diǎn)塑造的對象，造型美觀是整車的亮點(diǎn)及賣點(diǎn)。另外，發(fā)生碰撞時(shí)，大多數(shù)情況下都有前下部防護(hù)裝置的參與，前下部防護(hù)裝置作為汽車安全防護(hù)裝置是現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)的重要組成部分。前下部防護(hù)裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1前下部防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

 （2）GB26511法規(guī)要求

 GB26511法規(guī)適用于安裝在N2和N3類車輛上的下部防護(hù)裝置，本法規(guī)的目的是對M1或N1類車輛提供在發(fā)生前部碰撞時(shí)的車輛前下部的有效保護(hù)。GB26511法規(guī)規(guī)定了商用車前下防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)要求和碰撞試驗(yàn)方法，主要對于卡車前下防護(hù)裝置進(jìn)行以下三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行碰撞測試。具體碰撞試驗(yàn)要求如下：

 第一、各P1點(diǎn)與切向前軸上的輪胎的最外側(cè)點(diǎn)的縱向平面的距離最大為200mm，但不包括靠近地面的輪胎的膨脹；各P2點(diǎn)與相互距離為700-1200mm（包括）的車輛的中間縱向平面相對稱。P3點(diǎn)位于車輛的垂直縱向中間平面上。如果與前下部防護(hù)相關(guān)的車輛的結(jié)構(gòu)和部件位于完全與其縱向中間平面對稱的位置，則在各P1和P2點(diǎn)上的試驗(yàn)應(yīng)在一邊上進(jìn)行。

 第二、與車輛或要安裝的車型的最大重量的50%相等但不超過80×103N的水平力應(yīng)連續(xù)地施加在兩個(gè)P1點(diǎn)上；與車輛或要安裝的車型的最大重量的100%相等但不超過160×103N的水平力應(yīng)連續(xù)地施加在兩個(gè)P2點(diǎn)上。如果裝置不連續(xù)以及在兩個(gè)P2點(diǎn)之間的截面面積過小，則試驗(yàn)應(yīng)繼續(xù)在P3點(diǎn)上施加與P1點(diǎn)上同樣的水平力。試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能快地施加試驗(yàn)力，并且裝置或車輛應(yīng)承受至少0.2秒的下述規(guī)定的力。

 （3）前下防護(hù)碰撞有限元模型建立

 按照碰撞分析網(wǎng)格建模要求，嚴(yán)格控制網(wǎng)格質(zhì)量，建立的有限元分析模型中，車架縱梁，車架橫梁，圓管梁，保險(xiǎn)杠和前防護(hù)等采用殼單元模擬，網(wǎng)格大小平均值為10mm，螺栓連接采用RBODY單元進(jìn)行模擬。保險(xiǎn)杠支架的材料牌號(hào)為Q235，其余結(jié)構(gòu)材料為610L，有限元模型如下所示：

圖2前下防護(hù)有限元模型

 （4）邊界條件

 約束：為了考慮車架總成第一橫梁及側(cè)支撐管梁對前下部防護(hù)裝置的貢獻(xiàn)，將約束施加在車架總成第一橫梁后端部的縱梁截?cái)嗝嫔?，約束其六個(gè)方向的自由度。

 載荷：根據(jù)法規(guī)GB26511的要求，分別在P1、P2、P3(如圖3)施加速度1.5m/s的速度邊界，通過接觸力輸出判斷結(jié)果。

圖3P1，P2，P3碰撞點(diǎn)

 3、分析結(jié)果

 （1）初始結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

 根據(jù)設(shè)計(jì)人員初步設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其結(jié)果如下圖4：

圖4P1點(diǎn)碰撞接觸力及應(yīng)力云圖

 P1點(diǎn)工況下：碰撞器和保險(xiǎn)杠的相互作用力是2.75噸；

圖5P2點(diǎn)碰撞接觸力及應(yīng)力云圖

 P2點(diǎn)工況下：碰撞器和保險(xiǎn)杠的相互作用力是小于6噸；

圖6P3點(diǎn)碰撞接觸力及應(yīng)力云圖

 P3點(diǎn)工況下：碰撞器和保險(xiǎn)杠的相互作用力是＜5噸；

 通過分析可知：P1、P2、P3碰撞的結(jié)果均不滿足GB26511的法規(guī)要求，需重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

 （2）優(yōu)化后結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

 根據(jù)初步分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增加了車架橫梁與碰撞橫梁支架的過渡支架，并進(jìn)行了局部結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)，優(yōu)化后仿真計(jì)算結(jié)果如下：

圖7優(yōu)化后P1點(diǎn)碰撞接觸力及應(yīng)力圖

 P1點(diǎn)工況下：碰撞器和保險(xiǎn)杠的相互作用力是10噸。

圖8優(yōu)化后P2點(diǎn)碰撞接觸力及應(yīng)力圖

 P2點(diǎn)工況下：碰撞器和保險(xiǎn)杠的相互作用力是小于16噸。

圖9優(yōu)化后P3點(diǎn)碰撞接觸力及應(yīng)力圖

 P3點(diǎn)工況下：碰撞器和保險(xiǎn)杠的相互作用力是小于15噸。

 4、結(jié)論

 本文通過對前下部防護(hù)裝置初始結(jié)構(gòu)的低速碰撞仿真分析及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不滿足GB26511法規(guī)要求，并針對結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。對改進(jìn)后結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行碰撞仿真分析，其結(jié)果顯示，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)基本滿足法規(guī)要求。通過使用HyperMesh建模，RADIOSS求解器進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)分析，可以為實(shí)物樣件實(shí)驗(yàn)提供有效的模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。以此為基礎(chǔ)對模型進(jìn)行改進(jìn)，，用來提高真實(shí)碰撞試驗(yàn)中模型的通過率，可以一定程度上降低研發(fā)周期和成本。

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