作者：张克鹏 蔡培裕 康志军等
来源：《专用汽车》 2019年第2期
l前言
汽车保险杠是汽车上的重要部件，它是吸收和缓冲外界冲击，保护驾驶室前后部分的安全装置。在以节能、安全、环保为当今汽车设计的主流前提下，保险杠的动态特性更是汽车前端布置和设计的重要任务之一。由于保险杠支架与车架直接相连，且是金属部件，因此是整个保险杠系统中的重点考察对象。
本文采用数值模拟的手段，结合模拟分析的结果，用大型有限元软件HyperWorks平台下前处理工具HyperMesh建立某自卸车前保险杠总成2种方案的有限元模型，并利用OptiStruct求解器进行保险杠结构的模态分析；同时按照实际设计过程及要求，运用材料线性分析考察支架的静态强度，根据分析结果选定相对合理的方案。
汽车前保险杠多少钱 2保险杠总成的有限元模型建立
利用设计人员提供的CAD数据模型，将其导入主流CAE前处理软件HyperMesh进行前处理。保险杠总
成包括保险杠面罩、保险杠骨架和车架连接支架3个部件。在进行网格划分时，根据零件的几何特征，全部采用壳单元，单元类型为CTRIA3和CQUAD4，网格平均尺寸设置为5 mm；面罩和骨架、骨架与支架之间采用螺栓连接，在模型建立过程中采用RBE2和BAR2-维单元模拟；汽车雾灯用质量单元Mass替代，与保险杠支架用RBE3-维单元连接。方案1和方案2的有限元模型如图1、2所示。
3保险杠总成的模态分析
3.1模态理论
模态是结构系统的固有振动特性。线性系统的自由振动被解耦合为Ⅳ个正交的单自由度振动系统，对应系统的Ⅳ个模态。每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。
当利用有限元方法求解结构的动态特性时，结构的动力学方程为：
Mx+ Cx+Kx=f(t)
3.2约束边界条件
模型中添加刚性单元(rigid bar element)RBE2来定义刚性连接，在车架连接支架的安装孔处，添加用于固定约束的RBE2．如图3所示，约束该安装孔的1～6自由度。
3.3载荷边界条件
在HyperMesh建立模态分析时，设定模态数为0～30，设定频率范围为0～200 Hz．针对该车型来说，这样的设定从工程应用角度来说足够了。
3.4材料设定
该保险杠总成中，计算用到的材料属性如表1所示。
3.5模态分析
将之前的模型设定好之后，提交OptiStruct求解器进行求解，得到2种方案模态频率值如表2所示。图4～6分别为保险杠总成前1～6阶的模态振型图，其中上面为方案1阵型图，下面为方案2阵型图。
保险杠是固定在车架上的，发动机也是固定在车架上的，所以保险杠受到的固定激励频率跟发动机相关。
发动机转速发动机激励频率存在某种关系。怠速工况和正常行驶工况下发动机的激励频率可以由发动机激励频率的计算公式获取，由此就可以分析发动机的主要振动频率范围。该新能源卡车的发动机为某4缸四冲程发动机，怠速转速为600 rad/min。
根据发动机激励频率公式，发动机激励频率=(发动机转速×发动机缸数x2)÷(60x发动机冲程数)．通过计算可以得出其常用工况下发动机激励频率为20 Hz。
从分析数据来看，在发动机怠速时，发动机频率与保险杠总成方案1的1阶、2阶模态频率接近，将有可能在该区间某一频率发生共振；而发动机怠速频率与方案2的各阶模态频率没有共振频域，所以从模态方面考虑，方案2优于方案1。
4保险杠总成的静强度分析
4.1力学理论
力学分析是结构有限元分析的基础和主要内容，力学分析计算是在固定载荷作用下结构的响应，它不考虑惯性和阻尼的影响。通过静力分析，可以校核结构的强度和刚度是否满足设计要求。
线性力结构分析用来分析结构在给定力载荷作用下的响应。一般情况下，比较关注的往往是结构的位移，约束反力，应力以及应变等参数。动力学方程为：
在分析过程中应该满足以下假设条件：[K]矩阵必须是连续的，相应的材料需满足线弹性和小变形理论。{F）矩阵为力载荷，同时不考虑随时间变化的载荷，不考虑惯性（质量、阻尼等）的影响。
4.2静强度分析
保险杠总成在车辆行驶过程中，受到冲击的典型工况为制动、转弯和垂向，表3为三种工况下，作用在该自卸车车型保险杠总成的冲击加速度，表3中的工况及加速度大小来源于整车厂对保险杠总成的试验测试。
表4为三种工况下最大应力统计，图7～9为两种保险杠总成方案在三种工况下的应力云图。 从计算分析结果来看，在车辆制动工况下，其方案1最大应力为27.17 MPa．方案2最大应力为17.77 MPa．最大应力均出现在车架连接支架上；转弯工况下，方案1最大应力为20.56MPa．方案2最大应力为26.29 MPa．最大应力均出现在车架连＼接支架上；垂向工况下，方案1最大应力为32.26 MPa，方案2最大应力为33.09MPa．最大应力也均出现在车架连接支架上。
三种工况下，两种方案的最大应力都没有超过其材料的屈服强度350 MPa．且具有很高的安全系数，整体满足设计要求。
5结语
本文以某自卸车型2种保险杠总成方案为研究对象，利用HyperMesh建立了保险杠总成的有限元模型，在此基础上，用OptiStruct求解器对2种设计方案进行模态和静强度对比分析，对设计方案进行优化选择。
本文对2种保险杠总成方案进行模态分析后，发现方案1与发动机频率之间有共振分析；对2种方案进行静强度分析，两种方案的最大应力均没有超过材料的屈服强度，所以建议选择方案2作为其最终的设计方案。
发布评论