商用車前下部防護裝置結構模擬碰撞分析與優(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難，已成為世界性的社會問題。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，自汽車問世以來，全世界死于交通事故的人數(shù)已達數(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，相當于平均每5分鐘就有1人死于車禍，汽車交通事故已經嚴重威脅到人們的生命和財產安全，成為了人類生存面臨的一個不容忽視的安全問題。因此，提高汽車的碰撞性能已經越來越重要。

 為提高汽車的安全性，歐美發(fā)達國冢先后制定和實施了相應的法律和技術法規(guī)。目前，我國已開始實施部分強制性碰撞安全法則，使得大部分乘用車汽車必須通過相關的碰撞法規(guī)檢驗才能上市銷售。對于商用車領域，國家發(fā)展與改革委員會也發(fā)布了GB26511標準，其中強制規(guī)定了商用車前下部防護裝置的碰撞性能要求。為了滿足GB26511標準的要求，本文對新開發(fā)車型的前下部防護裝置，借助CAE的仿真手段進行虛擬碰撞驗證分析。通過HyperMesh前處理軟件，建立碰撞有限元模型，并采用RADIOSS求解器計算，通過分析碰撞模擬結果及時發(fā)現(xiàn)問題，進行結構優(yōu)化改進，盡可能避免通過實物樣件碰撞不合格后再進行改進的弊端，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。

 2、前下部防護裝置介紹及有限元模型建立

 （1）商用車前下部防護裝置介紹

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

圖1前下部防護裝置結構示意圖

 （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)生前部碰撞時的車輛前下部的有效保護。GB26511法規(guī)規(guī)定了商用車前下防護裝置的設計要求和碰撞試驗方法，主要對于卡車前下防護裝置進行以下三個點進行碰撞測試。具體碰撞試驗要求如下：

 第一、各P1點與切向前軸上的輪胎的最外側點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點位于車輛的垂直縱向中間平面上。如果與前下部防護相關的車輛的結構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點上的試驗應在一邊上進行。

 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的水平力應連續(xù)地施加在兩個P1點上；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的水平力應連續(xù)地施加在兩個P2點上。如果裝置不連續(xù)以及在兩個P2點之間的截面面積過小，則試驗應繼續(xù)在P3點上施加與P1點上同樣的水平力。試驗時，應當盡可能快地施加試驗力，并且裝置或車輛應承受至少0.2秒的下述規(guī)定的力。

 （3）前下防護碰撞有限元模型建立

 按照碰撞分析網格建模要求，嚴格控制網格質量，建立的有限元分析模型中，車架縱梁，車架橫梁，圓管梁，保險杠和前防護等采用殼單元模擬，網格大小平均值為10mm，螺栓連接采用RBODY單元進行模擬。保險杠支架的材料牌號為Q235，其余結構材料為610L，有限元模型如下所示：

圖2前下防護有限元模型

 （4）邊界條件

 約束：為了考慮車架總成第一橫梁及側支撐管梁對前下部防護裝置的貢獻，將約束施加在車架總成第一橫梁后端部的縱梁截斷面上，約束其六個方向的自由度。

 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果。

圖3P1，P2，P3碰撞點

 3、分析結果

 （1）初始結構分析結果

 根據(jù)設計人員初步設計的結構進行分析，其結果如下圖4：

圖4P1點碰撞接觸力及應力云圖

 P1點工況下：碰撞器和保險杠的相互作用力是2.75噸；

圖5P2點碰撞接觸力及應力云圖

 P2點工況下：碰撞器和保險杠的相互作用力是小于6噸；

圖6P3點碰撞接觸力及應力云圖

 P3點工況下：碰撞器和保險杠的相互作用力是＜5噸；

 通過分析可知：P1、P2、P3碰撞的結果均不滿足GB26511的法規(guī)要求，需重新進行結構優(yōu)化。

 （2）優(yōu)化后結構分析結果

 根據(jù)初步分析結果，對結構進行優(yōu)化，增加了車架橫梁與碰撞橫梁支架的過渡支架，并進行了局部結構的加強，優(yōu)化后仿真計算結果如下：

圖7優(yōu)化后P1點碰撞接觸力及應力圖

 P1點工況下：碰撞器和保險杠的相互作用力是10噸。

圖8優(yōu)化后P2點碰撞接觸力及應力圖

 P2點工況下：碰撞器和保險杠的相互作用力是小于16噸。

圖9優(yōu)化后P3點碰撞接觸力及應力圖

 P3點工況下：碰撞器和保險杠的相互作用力是小于15噸。

 4、結論

 本文通過對前下部防護裝置初始結構的低速碰撞仿真分析及時發(fā)現(xiàn)結構不滿足GB26511法規(guī)要求，并針對結構薄弱區(qū)域進行優(yōu)化改進。對改進后結構再次進行碰撞仿真分析，其結果顯示，改進后結構基本滿足法規(guī)要求。通過使用HyperMesh建模，RADIOSS求解器進行模擬仿真實驗分析，可以為實物樣件實驗提供有效的模擬實驗數(shù)據(jù)。以此為基礎對模型進行改進，，用來提高真實碰撞試驗中模型的通過率，可以一定程度上降低研發(fā)周期和成本。

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