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保險杠安全性能仿真分析與試驗研究

文檔作者：徐中明徐小飛張志飛萬鑫銘趙清江文檔來源： 1．重慶大學(xué) 2．重慶大學(xué)機械工程學(xué)院 3．中國汽車工程研究院股份有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 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
保險杠安全性能仿真分析與試驗研究木
2014056
徐中明 ，徐小飛 ，張志飛。，萬鑫銘 ，趙清江
(1．重慶大學(xué)，機械傳動國家重點實驗室，重慶400030； 2．重慶大學(xué)機械工程學(xué)院，重慶400030；
3．中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶400030)
[摘要】 針對某乘用車原鋼制保險杠低速碰撞變形大的問題和汽車輕量化設(shè)計的需求，新開發(fā)了鋁合金保險
杠。分別建立了原鋼制保險杠和新開發(fā)的鋁合金保險杠的有限元模型，對其進行了三點靜壓仿真，并進行了試驗驗
證。結(jié)果表明，鋁合金保險杠強度性能優(yōu)于原鋼制保險杠。通過臺車碰撞仿真和試驗，分析了兩款保險杠的耐撞
性，相同工況下鋁合金保險杠防撞梁的變形量和臺車減速度值均小于鋼制保險杠，其耐撞性優(yōu)于原鋼制保險杠。
關(guān)鍵詞：輕量化；鋁合金保險杠；三點靜壓試驗；臺車試驗；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％ 可實現(xiàn)節(jié)油6％ ～
8％ [1-2]
。
保險杠系統(tǒng)是汽車低速碰撞時最主要的承載和
吸能構(gòu)件，對保護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杠正越來越受到汽車生產(chǎn)商
和研究人員的關(guān)注 J。文獻[5]中根據(jù)SAE J2319
標準建立了用于研究轎車保險杠低速碰撞性能的擺
錘碰撞試驗裝置和仿真分析模型，通過計算機仿真
分析和試驗研究，驗證了擺錘低速碰撞試驗的有效
性。文獻[6]中將7075鋁合金應(yīng)用于汽車保險杠，
汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室開放基金(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：保險杠安全性能仿真分析與試驗研究
模型的計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。運用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。
對上述保險杠模型進行連接，鋼制保險杠實物
樣件以點焊連接，仿真時用Beam單元模擬，并以
$CONTACT_ TIED— SHELL— EDGE— TO— SURFACE設(shè)
置焊點和殼單元之間的接觸。鋁合金保險杠實物樣
件采用縫焊，仿真時以節(jié)點耦合方式模擬該處連接。
2 保險杠強度分析
保險杠的一個重要作用在于，無論在正面碰撞
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，保險杠防撞梁須滿
足一定的強度指標 。本文中通過三點靜壓仿真分
析和試驗對防撞梁強度進行了分析，三點靜壓分析
示意圖如圖5所示。
圖5 三點靜壓分析示意圖
仿真分析前須設(shè)定邊界條件，在Hypermesh中
對保險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)移動自由度，壓頭以1m／s的
速度加載，即強制使保險杠支架做向下位移100mm，
以模擬準靜態(tài)過程。壓頭與防撞橫梁之間采用自動
面面接觸，保險杠自身采用自動單面接觸，靜摩擦因
數(shù)為0．15，動摩擦因數(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計算。
三點靜壓試驗在常溫、常壓下進行，試驗設(shè)備包
括PLS—L50B4電液伺服構(gòu)件試驗系統(tǒng)和YE2539高
速靜態(tài)應(yīng)變儀，試驗時壓頭加載速度為0．001m／s，
圖6為鋁合金保險杠三點靜壓試驗現(xiàn)場照片。
以防撞梁靜壓支反力作為評價保險杠強度性能
的指標，仿真和試驗所得的支反力一位移曲線如圖7
所示。由圖可知：鋼制保險杠試驗靜壓力峰值為
6．1kN，仿真靜壓力峰值為6．4kN，兩者誤差為
4．9％ ；鋁合金保險杠試驗靜壓力峰值為8．6kN，仿
堇
圖6 鋁合金保險杠三點靜壓試驗
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％ ，從而驗證了有限元模型的準確性。
結(jié)合圖7曲線，對仿真和試驗數(shù)據(jù)進行對比分
析：鋁合金保險杠靜壓力峰值及其平均值均大于鋼
制保險杠，可知鋁合金保險杠前防撞梁在實際工況
下能承受更大的載荷；在變形量相同的條件下，鋁合
金保險杠吸能也比鋼制的多?？梢娦麻_發(fā)的鋁合金
保險杠強度性能優(yōu)于原鋼制保險杠。
3 保險杠碰撞性能分析
國內(nèi)外對保險杠低速碰撞都有嚴格的法規(guī)要
求。本文中參照美國IIHS-TEST試驗規(guī)范，對兩款
保險杠分別進行了臺車正面100％重疊碰撞和40％
偏置碰撞仿真分析與試驗 。
IIHS．TEST法規(guī)要求被測車輛以8km／h的速度
撞擊固定安裝的碰撞器。文中只對單獨的保險杠零
件進行碰撞分析，結(jié)合實際試驗條件，以臺車碰撞試
驗來研究兩款保險杠的耐撞性能。試驗用臺車質(zhì)量
為lt，考慮到與法規(guī)規(guī)定的試驗工況能量等效，試驗
時將臺車加速到9km／h撞擊固定安裝的保險杠，通
過高速攝像儀記錄碰撞過程，用加速度傳感器測取
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徐中明，等：保險杠安全性能仿真分析與試驗研究 ·297·
合金保險杠具有更好的緩沖性能。
結(jié)合仿真結(jié)果，對保險杠耐撞性進行定量研究，
表2列出了鋼制和鋁合金保險杠各部件的吸能情
況：正面碰撞工況下，鋁合金保險杠總吸能為
2．84kJ，比鋼制保險杠增加7．2％ ；40％偏置碰撞工
況下，兩款保險杠吸能總量基本相同，但鋁合金保險
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，有利于保護汽車后部結(jié)構(gòu)；從單
位質(zhì)量吸能來看，鋁合金保險杠單位質(zhì)量吸能明顯
大于鋼制保險杠，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，達到了輕量化開發(fā)的目的。
原鋼制保險杠的質(zhì)量為4．5kg，新的鋁合金保險
杠質(zhì)量為3．1kg。通過對新開發(fā)的鋁合金保險杠和
原鋼制保險杠的低速碰撞分析，可知鋁合金保險杠
在減質(zhì)量3l％的同時，擁有比原鋼制保險杠更好的
碰撞吸能性。
4 結(jié)論
(1)通過高速拉伸試驗數(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)通過三點靜壓仿真與試驗，對比分析了兩
款保險杠的強度性能。結(jié)果表明，鋁合金保險杠靜
壓力峰值為9．4kN，大于鋼制保險杠的6．4kN?？?
見新開發(fā)的鋁合金保險杠前防撞梁能夠承受更大的
靜載荷，強度性能優(yōu)于鋼制保險杠。
(3)通過臺車碰撞仿真與試驗對比，結(jié)果表明，
正面100％重疊碰撞下鋁合金保險杠總吸能比鋼制
保險杠增加7．2％ ，鋁合金保險杠單位質(zhì)量吸能明
顯大于鋼制保險杠，且前防撞梁變形量和臺車減速
度值均小于鋼制保險杠，新開發(fā)的鋁合金保險杠耐
撞性能優(yōu)于鋼制保險杠。
參考文獻
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