文章编号:1006-1355(2007)04-0078-04
保险杆低速碰撞性能仿真研究
章正伟
(浙江交通职业技术学院机电系，杭州311112)
摘 要：在低速碰撞中，保险杠对车身的安全防护作用是不容忽视的，这就需要对保险杆的耐撞性要有一个准
确的评估，按照欧洲ECE R42法规要求，建立保险杠有限元普适性模型，并对其进行非线性模拟分析，得出增强保险杆耐撞性的规律。
关键词：振动与波；汽车；保险杆；碰撞；数值模拟中图分类号:U467 文献标识码:A
I m pact Perfor mance Ana lysis of Fron t a l Bum per i n L ow Speed
ZHAN G Zheng 2w ei
(Vocati on and Technical I nstitute of Trans portati on Zhejiang University
of Tecnol ogy,Hangzhou 310014,China )
Abstract:W hen the vehicles i m pacted in l ow s peed,it’s fr ontal bumper is useful t o p r otecting itself,But the p r otecting capability needs t o be indeed evaluated .According by ECE R42regulati on,fr ontal bumper model is established in this paper,non 2linear si m ulati on analysis is carried out,the def or mati on of the fr ontal bumper in crash is obtained .
Key words:vibrati on and wave;vehicle;fr ontal bu mper;i m pact;si m ulati on 收稿日期:2006210219；修改日期:2006211209
基金项目：汽车零部件(汽车保险杠)结构动态特性分析及优化研究
课题编号:2006-17
作者简介：章正伟(1977-)，男，浙江金华人，讲师，主要从事汽车虚拟仿真分析。
随着世界汽车保有量的增加及道路交通伤害的不断增长，汽车耐撞性能已经成为汽车设计过程中的重要一环。低速碰撞过程中，减小车辆结构碰撞损伤及改善修复性能的要求，使得车辆前部结构除了必须能满足保护乘员及行人以外，还要尽可能的保护车身的主要框梁结构不受损坏，以降低车辆修复成本。汽车前部保险杠可以吸收低速撞击的能量，缓和外界对车身的冲击，对车体结构起着主要的防护
作用。本文按照ECER42法规要求[1]
，对某轿车前部保险杆做了结构碰撞模拟，建立了通用碰撞分析有限元模型，并分析得到了此结构碰撞动力响应特性。
1 碰撞模型低速碰撞计算方法
由于低速碰撞分析属于非线性动态接触变形问
题，在此采用显式有限元中心差分法来做多步代入
求解计算，有限元方程描述如下
[2]
M ¨u +K (u )u =f ext
(u )
(1)M ¨u =f ex t
(u )-f
int
(u )(2)¨u n +1/2
=
u n +1-u n
Δt
(3)
¨u n =u n +1/2-u n -1/2
Δt
(4)¨u n =
u n +1-2u n +u n -1
(Δt )
2
(5)
M (u n +1-2u n +u n -1)=(Δt )2
×(f ext n
-f int
n )(6)
u n +1=2u n -u n -1+(Δt )2
M
-1
(f ext
n
-
f int
n )
(7)
f int
n
=f int
n (u n )=
∫
Ω
5N I
5x j σij
d Ω|n =∫
Ω
σn B T
n d
Ω(8)f ex t
n
=∫Ω
N I ρb i d
Ω+∑∫
Γx
N I t i
d Γ(9)
这里，在时间n 时刻,u n 、u n -1、f int n 、f ext
n 为已知量,
再将质量矩阵对角化，即可求得(7)式，从而代入求出各时刻解。
2 保险杆有限元模型的建立
2.1 有限元计算模型
以某轿车前部保险杠为分析对象，包括保险杠蒙皮、进气隔栅、泡沫缓冲块，各构件属性见表1。
按照ECE R42法规要求，碰撞形式分为角度碰
撞和中心碰撞，碰撞器分别以2.5+0.1
0km /h 和4+0.25
km /h 的碰撞速度撞击被测量车体前端，要求
车体变形要尽可能的小，保险杠后部结构，包括保险杠框梁以及纵梁前端，要尽可能的不变形。
在这里为了简化模型，加快计算速度及模型收敛特性，只抽取前部保险杠结构建模，考察前保各构件变形及吸能效果，以间接考察对车体主要框梁结构的碰撞影响，即前保吸能效果越好，对车体框梁结构损伤越小，当前保吸收能量充分时，可认为对车体其余结构无影响[3]。
碰撞器按照法规要求尺寸建模，见图1所示。
所建立有限元模型见图2和图3，前保模型采用单点积分BT薄壳单元，单元尺寸为10×10 (mm)，单元数为24380，节点数为23842，碰撞器单元尺寸为前保险杠模型的2倍，采用刚性壳单元，以保证碰撞器在撞击过程中不变形。
2.2 本构模型的选择
为简单起见，碰撞器和前保险杠均采用理想的弹塑性模型，碰撞器在计算中使用LS_DY NA中的刚体材料本构模型，保险杠采用“弹塑性+破坏”材料模型，在材料达到失效应变(承受的应力值超过其抗拉强度)后发生破坏，屈服模型为m ises应力屈服模型，失效模型为最大塑性应变[4]。
碰撞器和保
图1 ECER42碰撞器模型
险杠之间采用自适应罚函数接触，并定义碰撞器为主接触面，保险杠为从接触面。保险杠金属横梁的基本材料特性如表1所示。
表1 保险杠材料基本性能
材料名称密度(kg/mm3)弹性模量(Gpa)泊松比屈服极限(Gpa)厚度(mm)保险杠蒙皮2.2e-62.00.30.14.2泡沫缓冲块1.8e-61.540.340.052.0隔栅3.5e-62.50.290.133.0
2.3 时间步长
本文采用显示时间积分有限元算法，它无需组
合刚度矩阵或求解系统方程组，每一个时间步都较
快，但稳定时间步长受Courant条件限制，即时间步
长受到应力波跨越单元所需的时间，求解问题的整
个过程一般从几μs到数十s。
如上采用中心差分法进行时间积分，可以推导
出方程有稳定解的条件是最大的时间步小于临界时
间步，即
Δt≤Δt
critical =
2
ω
max
=
l
c
其中ω
max
为固有频率,c为声波在材质中的传播速度,l为单元的特征长度。
声速c是材料杨氏模量E、泊松比ν和质量密度ρ的函数，不同维数的单元计算是不同的，对于壳单元来说，声速计算方法为
c=
E
(1-v2)ρ
汽车保险杠修复 为减小模型计算时间及保证计算稳定性，还可设定时间步长缩放因子，此缩放因子只在单元尺寸不满足临界阀值时起作用，通常设定为0.9。
2.4 沙漏控制
由于此处单元场函数采用单点高斯积分形式计算，因此必然会给单元各场函数带来能量损失，发生所谓沙漏现象。但采用单点高斯积分形式，会带来计算时间约8倍的下降，因此对于单元数量巨大的有限元模型来说，这有积极的意义。对于低速碰撞中，沙露能量的损失比例往往更高，因此，必须设置沙漏系数，一般为0.1到0.3之间。
2.5 边界条件处理[5]
由于整车结构相对于保险杠来说，质量要大得多，低速碰撞过程中，可认为车体基本不发生后移，因此将保险杠与车体安装及接触部位统一用rigid2 body单元连接，并约束此刚性单元主节点六个自由度，考虑模型振荡原因及整车截面力传递效果，按照实车碰撞对比经验值，在此rigidbody主节点上配重300kg，所建立的有限元模型见图2和图3。
3 碰撞计算结果的分析
如上图4、图5所示，碰撞中系统总能量几乎没
图2
角度碰撞有限元模型
图3 中心碰撞有限元模型
发生任何变化，系统动能和内能变化趋于平衡，这说
明计算模型沙漏控制较好，构件间非线性振荡很小。角度碰撞约在75m s 的时刻，内能达到最大，之后构件发生弹性回弹，随着碰撞器能量的衰减，保险杠各构件变形逐渐稳定，发生永久塑性变形。中
心碰撞系统动能逐渐衰减，由图示可见系统动能并未衰减为零，内能仍成增大趋势，说明构件计算时间不够，碰撞过程仍在继续，最终如同角度碰撞一样，系统动能、内能必趋于平衡。两图对比易知，角度碰撞由于发生在前保折弯处，曲率较大，弯曲刚度也大，因此抵抗变形的能力也强，能量可以很快衰减，碰撞过程较短；而中心碰撞由于前保中间无任何构件支撑，刚度较小，因此发生能量衰减速度较慢，计算时间相对较长。这也说明在保险杠与车身连接位置需要有保险杠金属横梁来做支撑，以保证保险杠适当的刚度要求
[6]
。目前很多国家行人保护及保险协会对车
辆外部结构可修复特性要求，使得对前保外形及刚度的设计越来越重视，某种程度上甚至改变了以往的车辆设计方法。
由图6角度碰撞加速度易知，加速度最大值为3g，发生在内能最大时刻，最大值持续时间约有5m s
左右,100m s 之后碰撞器开始回弹，结合图4变形，由于碰撞器动能大多转化为保险杠内能，因此模型开始稍做反弹振荡后，保险杠及碰撞器开始以各自微小速度分离，至此碰撞结束；而观察图7中心碰撞加速度，由于碰撞未完全结束，所以加速度仍以同一个方向加速(X 正向)，可见此时如无保险杠金属横梁支撑，保险杠变形将加剧,
导致低速碰撞中保险杠
图4
角度碰撞系统能量
图5 中心碰撞系统能量
图6 角度碰撞加速度
图7 中心碰撞加速度
损坏严重，车辆修复成本升高，同时在做认证试验
时，增加了车辆投保金额。这在消费者看来是不能接受的。 图8、图9分别为角度碰撞及中心碰撞时间终
了位移，角度碰撞由线接触逐渐变为面接触，因此位移云图呈现由中心向外辐射状态，分布较有规律，并且由于前保弯角处刚度较大，因此总体位移较小；中心碰撞位移较大，分布也较有规律，其中最大值约为角度碰撞的2倍，为110mm；比较图4和图5能量分布曲线，可知，中心碰撞前保变形能约为角度碰撞的2倍，由此可验证此模拟模型的正确性
。
图8 角度碰撞位移云图
图9 中心碰撞位移云图
下图10和图11为此模拟模型的应力云图，中心碰撞的最大应力值约为54Mpa，位置在中心碰撞器与前保重叠面的上边沿，此处也是前保泡沫缓冲块刚度较大处；角度碰撞最大应力值约为49Mpa，约在蒙皮折弯尖角处。两值比较，中心碰撞最大应力值稍大，究其原因，中心碰撞接触变形更充分，碰撞器与前保蒙皮摩擦能量也较大的缘故。
4 结语
(1)通过对某车型前部保险杠的模拟分析，建立了所有车型保险杠分析的普适性模型，并且其建模方法可以应用到其它零部件分析当中。
(2)目前各国对保险杠低速碰撞都有法规要求，本文只按照相对严格的欧洲法规进行了模拟分析，模拟得到了能量、加速度、变形、应力等随时间变化规律
，其结果可反映保险杠结构特性，这对设计具
图10 角度碰撞
m ises 应力云图
图11 中心碰撞m ises 应力云图
有较强的指导意义。这种分析方法也可满足各国此
类法规分析要求。
(3)通过有限元模拟，可在车辆开发过程中对保险杠结构进行多轮分析，经济实用。
(4)碰撞仿真结果再现了保险杠的整个碰撞过程，模拟结果显示，虽然保险杠系统在法规要求的速度之下产生了较大的塑性变形，但保险杠系统仍有
较好完整性，考察应力及能量变化，此保险杠具有较
好的耐撞性能。参考文献:
[1] 黄世霖，张金换，王晓东.汽车碰撞与安全[M ].北京:
清华大学出版社,2000.
[2] 钟志华.汽车耐撞性分析的有限元法[J ].汽车工程,
2000,1994,16(1):1-6.
[3] 陈晓东，苏清祖，程勇，等.汽车侧碰移动变形壁障有
限元模型的开发[J ].汽车工程,2003,25(3):260-263.
[4] 钟志华，张维刚，曹立波.汽车碰撞安全技术[M ].北
京：机械工业出版社,2003.
[5] 薛亮，等.汽车碰撞仿真中的连接失效模拟[J ].机械
科学与技术,2000,(1).
[6] J. D.Rehkopf,et al .Dyna m ic Behavi our of An Aut omo 2
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