汽车保险杠横梁的研究与改进.pdf

10.16638/ ki.1671-7988.2017.10.057 10.16638/ ki.1671-7988.2017.10.057 汽车保险杠横梁的研究与改进 李洋，施伟辰 （上海海事大学，上海 201306） 摘 要：碳纤维增强复合材料(CFRP)是一种新型复合材料，具有优良的性能。由于其具有较轻质量和较高的比强 度比吸能比刚度等特性很适合用作汽车构件。碳纤维增强复合材料的可设计性强的优势为其用作汽车保险杠提供 了方便。文章针对碳纤维增强复合材料和橡胶制作成的汽车保险杠横梁在碰撞时表现出来的优势进行分析探讨， 并与传统的钢制保险杠横梁和碳纤维复合材料保险杠横梁进行对比，通过 ANSYS 进行仿真，利用 LS- DYNA 对 保险杠模型进行碰撞模拟。结果显示有橡胶层保险杠横梁变形较小，性能优异，满足要求。 关键词：复合材料；橡胶；保险杠；碰撞；仿真 中图分类号：U463.8 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)10-164-03 Research and improvement of the bumper beams Li Yang, Shi Weicheng ( Shanghai maritime university, Shanghai 201306 ) Abstract: Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) is a new kind of composite material, it has excellent performance.Since it has lower quality and higher stiffness than the intensity of energy absorption characteristics and it is suitable for automobile components.Carbon fiber reinforced composite materials can be the advantage of strong convenience to be provided for its used in automobile bumpers.This article in view of the carbon fiber reinforced composite materials and rubber made in the collision of the car bumper beams shows advantage analysis, And compared with the traditional steel bumper beams and carbon fiber composite bumper beams were compared through the ANSYS simulation, using ls- dyna to simulate the bumper model collision. Results show that the layer has a rubber bumper beam deformation is small, excellent performance, meet the requirements. Keywords: composite material; Rubber; Bumper; The collision; The simulation CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671- 7988 (2017)10- 164- 03 前言 随着各国对新型材料研发的力度逐渐增加，碳纤维增强 复合材料的性能也越来越好。由于这种材料具有各向异性的 特点，这样就可以满足某些结构在一定方向上的力学性能要 求而在别的方向上性能过剩的局面。汽车保险杠要求自身具 有良好的吸能效果，保护汽车及汽车内乘客的安全。碳纤维 增强复合材料和橡胶材料在碰撞时均具有很好的吸能效果， 从这些方面考虑，结合两者共同的优势开发新的汽车保险杠 横梁是可行的。传统的钢结构保险杠质量大，增加了汽车的 油耗，改用碳纤维复合材料保险杠极大的降低了这一问题， 在碳纤维复合材料横梁的基础上，增加橡胶层，有效的保护 了横梁，改善了碰撞情况。国外很多机构已经对碳纤维复合 作者简介：李洋，作者简介：李洋，就读于上海海事大学物流工程学院，硕士研究生， 研究方向机械动态性能分析与研究，施伟辰，教授，就职于上海海 事大学物流工程学院。 汽车实用技术汽车实用技术 165 2017 年第 10 期2017 年第 10 期 材料用作汽车结构件和覆盖件做了大量研究，国内这一领域 由于受到材料研发的制约，还未大量推广研究。随着时代的 发展，碳纤维复合材料一定会普及，而且的到快速的发展。 提前对其进行研究是很有价值和意义的。 1、碳纤维复合材料层合板力学基础 取坐标 x,y,z 中 z0 的 xoy 面为中面。沿着板厚范围内 x,y,z 方向的位移是 ，v，中面上点 x,y,z 方向的位移为 0，v0，0，如 图 1 所示。 图 1 层合板坐标图 假设层合板中变形前垂直于中面的直线段，变形后仍未 直线且垂直中面。该线段的长度不改变。由假设，板中某一 垂直于中面的直线段 AB 变形后为 B A 。如图 2。 图 2 直线段变形前后关系 原中面上 o 点的 x 方向位移为 0，直线段 AB 变形后仍 与中面垂直， o 的切角是 x ，则 C 点在 x 方向的位移。 同理可得 C 点在 y 方向的位移： 由弹性力学公式位移与应变的关系： 带入可得， 2、新型汽车保险杠设计模型 选取某种汽车保险杠模型作为参考，利用 UG 进行建模 设计出保险杠模型，导入 ANSYS 进行前处理，处理结果使 用 LS- DYNA 进行运算。该模型保险杠横梁采用 8 毫米厚度 橡胶与 8 毫米厚碳纤维复合材料粘结结构， 复合材料采用+45 和- 45交叉铺层，每层厚度 0.2 毫米，铺设 40 层。碰撞 速度为 4km/h。模型方案如下图： 图 3 碳纤维复合材料采用环氧树脂基碳纤维增强复合材料 T300/5208，材料属性如下： 表 1-1 T300/5208 材料参数 橡胶的材料参数为橡胶材料属性：密度 1000 Kg/m3， 弹性模量 6.1*106 Pa， 泊松比 0.490 抗剪模量 2.9*106 Pa， 屈服强度 9.24*106 Pa。 3、结果分析 新型保险杠在碳纤维横梁粘有橡胶材料。图 1 为三种模 型加速度变化对比，即无橡胶层的碳纤维复合材料保险杠和 有橡胶层的碳纤维复合材料保险杠以及钢制保险杠对比，从 图中可以看出，从开始接触计算，0- 0.026s 无橡胶层的保险 杠的车身加速度高于有橡胶层的保险杠的，碰撞在 0.026- 0.047s 时，二者加速度相差不大，0.047s 后，有橡胶层的保 险杠加速度变化明显低于无橡胶层的保险杠。说明有橡胶层 的保险杠碰撞过程更加平稳，性能优于无橡胶层的保险杠。 而钢制保险杠的加速度在 0.047s 前始终高于有橡胶层保险 杠。之后二者加速度相差不大。 图 4 三种保险杠加速度变化图像 图 5 为无橡胶保险杠横梁节点 A68073 和有橡胶保险杠 李洋李洋 等：汽车保险杠横梁的研究与改进等：汽车保险杠横梁的研究与改进 166 2017 年第 10 期2017 年第 10 期 横梁节点 A346406 的位移情况及钢制保险杠横梁节点 A33629 位移情况， 从节点位移可以看出保险杠在受到碰撞时 发生的变形情况，二者正相关。无橡胶层的保险杠横梁在较 短时间内位移较大，最大值达到 15.387 毫米。有橡胶层保险 杠横梁的位移较小，最大值为 13.92 毫米，而且达到最大值 时所用时间更长。 钢制保险杠横梁位移最大， 最大值是 20.26 毫米。远大于其他保险杠横梁变形。 图 5 节点位移图 图 6 无橡胶保险杠 Z 图 7 有橡胶保险杠 Z 方向应力云图 方向应力云图 图 8 无橡胶保险杠 Z 图 9 有橡胶保险杠 Z 方向应变云图 方向应变云图 图 10 钢制保险杠 Z 图 11 钢制保险杠 Z 方向应力云图 方向应变云图 如图所示为碰撞开始保险杠横梁中心节点位移峰值时刻 的应力图像和应变图像。无橡胶保险杠位移最大值时刻为 0.0548s，有橡胶保险杠位移最大值时刻是 0.0596s。图 6 为 无橡胶保险杠位移峰值时刻 Z 方向应力云图，图 7 为有橡胶 保险杠位移峰值时刻 Z 方向应力云图。从图像可以看出，无 橡胶保险杠横梁应变峰值为大于有橡胶保险杠应变峰值。图 8 为无橡胶保险杠位移峰值时刻 Z 方向应变云图，图 9 为有 橡胶保险杠位移峰值时刻 Z 方向应变云图。 由图 8 图 9 看出， 有橡胶保险杠的应变低于无橡胶保险杠的应变。由于橡胶的 作用，延缓了保险杠位移峰值的出现的时间，降低了碰撞时 保险杠横梁的最大应力应变，增加了系统整体碰撞时间。而 钢制保险杠横梁最大变形量的最大应力是 4.71，最大应变是 12.57%。如图 10 和图 11。 4、结论 1）根据图 2 可以看出，铺设了橡胶层的保险杠横梁能 够减少保险杠横梁的变形， 提高了保险杠横梁的抗撞击性能。 2）本文的研究为改进保险杠横梁设计提供参考。 参考文献 1 李永刚. 碳纤维复合材料汽车保险杠的研究D.沈阳理工大学, 2015. 2 董银飞. 汽车复合材料碰撞吸能装置设计与仿真方法研究D.山 东理工大学,2014. 3 张振明. 变厚度复合材料汽车防撞梁优化设