汽车前保险杠的设计及有限元分析

汽车前保险杠的设计及有限元分析汽车前保险杠的设计及有限元分析摘 要近年来，随着环境污染、能源枯竭等问题的日趋严重以及国家政策的支持和鼓励，汽车轻量化已越来越被人们所重视，且已逐渐成为当前和未来汽车技术发展的主要方向。基于此，在汽车车身及其零配的件的材料选择上，人们越来越关注材料本身的重量。其中，铝合金板材作为一种低密度、高强度、可塑性强的金属材料，受到了越来越多汽车厂商的青睐。然而，在板料成形技术中，起皱、断裂、变形不足和回弹等质量问题也越来越突出， 这不仅造成了大量的材料浪费，还严重制约了铝合金板材在汽车制造中的使用。因此，探索出一种适合汽车前保险杠设计以及成型的优秀工艺，成了当前众多汽车厂商研究的重点。本文将利用有限元分析软件ANSYS Workbench对汽车前保险杠中铝合金组件结构的进行分析研究，找出导致其出现质量问题的主要因素，并结合分析结果尝试对现有的成型工艺进行合理优化，达到提高成品率的目的。关键字 有限元分析 铝成型 工艺优化Design and Finite Element Analysis of Automotive Front BumperAbstractIn recent years, with the environmental pollution, energy depletion and other issues become increasingly serious and national policy support and encouragement, automotive lightweight has been more and more attention, and has gradually become the current and future development of the main direction of automotive technology The Among them, the aluminum alloy sheet as a low-density, high strength, plasticity of the metal material, by more and more car manufacturers of all ages. However, in the sheet metal forming technology, wrinkling, rupture, deformation and rebound and other quality problems are more and more prominent, which not only caused a lot of material waste, but also seriously restricted the use of aluminum alloy sheet in the automotive industry The Therefore, to explore a suitable for aluminum alloy sheet stamping of the excellent process, has become the focus of many car manufacturers.In this paper, the finite element analysis software ANSYS Workbench is used to analyze the stamping of aluminum forming components in automobile bumper, and the main factors leading to its quality problems are found out. Combining with the analysis results, the existing stamping process is optimized reasonably, To achieve the purpose of improving the yield.Key words Finite element analysis aluminum forming process optimization目录第1章 绪论11.1 引言11.2 汽车前保险杠铝合金组件结构工艺优化的科学意义11.3 汽车前保险杠铝合金组件结构质量问题的国内外研究状况11.3.1 国外研究情况21.3.2 国内研究情况21.4汽车前保险杠铝合金组件结构的发展趋势21.5汽车前保险杠铝合金组件结构缺陷分析31.5.1起皱31.5.2破裂41.5.3回弹51.6本文研究的主要内容51.7本章小结6第2章 板材成型有限元分析理论72.1 ANSYS Workbench软件介绍72.2 材料的特性72.3 材料的屈服准则82.3.1 Tresca 屈服准则82.3.2 Von Mises 屈服准则92.4材料的硬化准则92.4.1各向同性硬化准则92.4.2随动硬化准则102.5 成型过程应力加载和卸载法则112.6 成型过程接触算法112.6.1 拉格朗日算法122.6.2 罚函数接触算法122.6.3 非线性罚函数接触算法12第3章 汽车前保险杠设计15第4章 有限元分析过程及结果214.1概述214.2 分析流程及结果214.2.1分析流程214.2.2 分析结果254.3 本章小结26第5章 工艺优化内容及结果275.1 工艺优化的注意事项275.2 工艺优化的内容275.3 优化效果305.4 本章小结30致 谢31参考文献32第1章 绪论1.1 引言近年来，由于人们人们生活水平的不断提高，对衣食住行的要求也越累越重视。汽车最为一种最常见的交通工具，为人们的出行提供了极大的方便，因此汽车的保有量近年来出现了持续增长的趋势。据统计，2016年新注册登记的汽车达2752万辆，保有量净增2212万辆，汽车总保有量已达1.94亿辆，均达到历史新高。另一方面，由于环境污染、空气恶化等社会问题日趋严重，节能环保的问题也开始得到人们的重视。在汽车制造领域，越来越多汽车厂商开始重视汽车的减排问题，都致力与研发同时兼顾节能、环保和安全三个优点为一体的新时代汽车。研究发现，通过减轻汽车自重来减少能源消耗效果可谓说是立竿见影，据统计：汽车每减重10%，油耗可降低 6%8%，车身质量占汽车总质量的 40%60%，因此，可以说，减轻车身重量对于节约能源减少排放有着十分重要的作用。当然，减轻车身质量并不是盲目为之，而是必须在保证不影响汽车安全和性能的前提下，最大可能地减轻车身的质量。传统的高强度钢材料尽管有许多优良性能，但对于减轻车身重量而言，显然不尽人意。随着材料技术的发展， 很多轻质材料诸如铝合金等材料运用越来越广泛，运用铝合金等轻质制造车身及汽车配件不仅为车身轻量化提供了巨大的发展空间，而且与传统的高强度钢相比相比具有密度小、耐锈蚀易成型等优点，因此，铝合金材料在车身上的使用量越来越多，已经逐渐成为减轻车身质量化技术中取代钢材的主要材料之一，在汽车轻量化中，铝合金等轻质材料做出了不可磨灭的贡献。然而，在实际的生产制造过程中，由于铝合金板与传统钢板的成型成形特性并不完全相同，尤其是汽车车身覆盖件成型工艺中常见的起皱、破裂、回弹等问题，根本无法完全借鉴钢板成形方面的经验来解决， 导致实际生产过程中由于零件产生因质量问题而无法满足外观使用、装配性等要求，所以，对铝合金车身覆盖件的质量研究正成为汽车车身成形技术的前沿和热点。1.2 汽车前保险杠铝合金组件结构工艺优化的科学意义汽车前保险杠是汽车上一个重要的结构部件，承受着汽车碰撞时的巨大冲击力，对汽车的安全性起着至关重要的作用。其中，保险杠结构中的部分组件采用铝合金板材成型，而在成型过程中极易出现起皱、破裂、变形不足和回弹等质量问题，若能通过合理的工艺优化，解决此类质量问题，那么不仅能使车身轻量化的研究更进一步，对于众多汽车厂商来说，还能大大节约成本，提高运营利润。1.3 汽车前保险杠铝合金组件结构质量问题的国内外研究状况汽车前保险杠铝合金组件结构属于板材成型件，而对于此类由板料成型成形的零件容易出现的常见缺陷问题，自上世纪50年代以来，国内外大量学者针对这些问题进行了深入的理论分析、模拟和实验研究。1.3.1 国外研究情况从上世纪50年代起，R.Hill、F.J.Gardiner 、F.Proska 等人通过多年探索研究，在板料成形及回弹分析方面取得了初步进展，为后续的研究奠定了理论基础。随后，F.Fenoglietto 等人尝试通过对弹性模量的研究，找出其对板料回弹的影响。A.M.Prior建议将板料成形模拟的静态隐式算法和动态显示算法结合起，以此来求解回弹问题是一种十分的方法。随着人们不断的追求车身轻量化并将铝和强度钢等材料大量用于车身上。板材成型所出现的质量问题也越来越得到人们的重视，由此对其进行了大量的分析和研究。You Ming Huang分析了工艺参数（如凹模圆角半径 rd、摩擦系数 、凸凹模间隙 C 等）对 U 形件成形后质量的影响，其分析结果表明：增加凹模圆角半径和凹凸模空隙并减小摩擦系数会加重零件的回弹现象。此外，M.Kawka 等人也用汽车轮毂和顶盖作为研究对象，对其进行了研究分析。还有人通过有限元模拟方法，针对不同形状配件的模具进行回弹迭代补偿，使最后成形后的零件刚好与零件本身的设计要求相符。S.G.Xu研究了板料回弹的影响因数，他认为材料参数的波动变对回弹缺陷的影响化非常敏感，此外，对于高强度板的大回弹问题，他提出了工艺参数优化控制和考虑板料变形历史的模面迭代补偿控制方法。1.3.2 国内研究情况我国对于此类的板料成形质量题研究时间比较短，但也取得了一定成果。首先由付宝连等人创立了金属成形过程的回弹最最小余能原理和小势能原理，并将该原理运用于曲梁回弹变形和悬臂梁回弹变形计算。蔡中义教授等提出采用静力隐式算法对板材回弹进行数值分析。刁法玺，张凯锋基于连续介质力学及有限元变形理论，给出了 V 形弯曲回弹的动力显式算法，并开发了有限元分析程序 DEFORM-3D。杨光等针对板材成形后的切边回弹问题，发明了基于大变形弹塑性有限元理论的切边处理技术-AIA 方法。章婷等人采用 FEM 技术，通过建立正交优化试验对 U 形件进行成型回弹仿真研究，得出影响铝合金板料成形和回弹精度的数值模拟参数。在回弹控制方面，张立力等人针对板材成形中的回弹补偿问题，通过采用通用机械软件 UG 和 CAE 软件 Pam-Stamp 所开发的回弹补偿的模具设计系统，提出了一个根据工件的几何形状和回弹误差来进行模具补偿的方法。1.4汽车前保险杠铝合金组件结构的发展趋势无论汽车技术怎样发展，人们在研究汽车轻量化的同时，汽车的安全性仍会被人们放在首位。如果一辆汽车车身重量很轻，节能减排的效果十分出色，但也丧失了其基本的安全保障能力，那么，这样的汽车也必将不会被人们接受，因此，在降低车身质量的问题上，选择合适的材料十分重要。由于铝合金具有诸多优点，使用铝合金材料代替传统钢材在汽车车身上使用，不仅能最大限度的降低车身质量，而且在提高汽车的机动性能和高乘客的舒适性及安全性的方面，也具有这显著效果。正是由于这些原因，现如今全球各大汽车公司为了在保证汽车安全性的同时降低车身质量，都在不遗余力的研发铝合金车身零部件乃至全铝车身。而保险杠作为汽车上的一个重要零部件，当汽车受到外界撞击时，它能有效的减缓外界冲击，保护车内乘客安全，在一定程度上还能保护车身不被严重破坏。所以无论是传统车型还是近几年兴起的新能源车型，都无法舍弃这一装置，而且因其工作时将承受巨大冲击载荷，制作材料要求具有高强度、高硬度等特点。铝合金材料不仅能满足这一要求，而且还能大大降低其自身重量，当然会首先进入人们的视线。因此，用铝合金材料制作保险杠及其相关组件，将会有很好的发展趋势。1.5汽车前保险杠铝合金组件结构缺陷分析由于汽车前保险杠铝合金组件结构的形状较为复杂，其几何尺寸较大，而且在实际生产中，模具总是在不断的打开和关闭，致使板料与模具不断接触，另一方面，由于成型过程中板料所受载荷路径极为复杂，因此很难保证在成型过程中材料不会出现失稳变形的情况。而为了保证零件表面质量和装配精度，这些诸如起皱、破裂、回弹等质量问题是绝对不允许出现在零件上的，这就增加了零件成型模具开发设计工作的难度，以下将针对上述的主要缺陷进行分析。1.5.1起皱起皱是保险杠铝合金组件结构成型过程中比较普遍的质量缺陷之一。它是由于材料在塑性变形过程中局部压应力过大而出现的不均匀变形。由于是板材成型，受压材料一般较薄，因此在成型的过程中厚度方向上的变形很不稳定。材料内部的压应力一旦超过材料在厚度方向上的失稳极限后，便会产生失稳起皱。如图1-1所示。当然，除此之外，成型过程中往往还跟随着一些不均匀拉应力、剪应力或板内弯曲应力等，这些因素也可能使板材出现起皱缺陷。起皱缺陷会对此类尺寸精度和表面质量要求较高的车身覆盖件会产生极大影响，若起皱过于严重，则零件将直接报废，造成资源浪费。图1-1保险杠组件起皱缺陷解决此类零件起皱问题时，一般在保证产品使用功能不丧失的前提下通过调整零件的形状、采用合理的成型工艺、改善成型条件和材料性能及优化模具设计制造等，最终达到改善和消除起皱缺陷的目的。1.5.2破裂 破裂也是汽车前保险杠铝合金组件结构成型过程中常见的缺陷之一，它是材料在成型的过程中拉伸过度导致失稳的一种主要表现形式。板料变形过程中在其内部会存在拉应力相对集中区域，随着变形的不断加大，当某处材料所受到的拉应力过大，接近或超过材料本身的最大抗拉强度时，材料就将出现拉裂或拉断现象，也就产生了破裂的缺陷。保险杆铝合金组件结构拉延过程主要在以下两种区域容易出现破裂：一种是出现在材料的传力区，主要原因是由于材料强度不够，这种破裂缺一般延伸至零件边缘，如图1-2所示。另一种破裂容易出现在零件大的塑性变形区，主要是材料的塑性无法满足拉延变形要求而引起的，如图1-3所示。无论是上述哪种破裂形式，此种缺陷在实际生产中会直接影响着产品的成形质量，导致产品报废，因此在实际生产中绝不允许出现此种缺陷。图1-2保险杠组传力区件破裂缺陷图1-3保险杠组件塑性变形区破裂缺陷在板材成型过程中，存在很多容易导致板材破裂的因素。为防止此种缺陷的产生，一般采取以下措施：可根据最终产品的具体情况选择合适的毛坯形状和尺寸；采用机械性能较好的材料作为零件材料；此外，可在条件允许的情况下，增大拉裂区域的凸凹模圆角半径；修正模具的参数，并提供良好的润滑条件等。1.5.3回弹起皱缺陷和破裂缺陷，究其原因都是由于板料在成型过程中内部应力变化造成的，然而，除了上述两种常见缺陷外，在保险杠组件实际生产过程中，还有一种常见缺陷，它主要由材料本身的性能决定，且往往发生在成型之后，那就是回弹缺陷，众所周知，金属板材在成型时发生的变形形式主要包括两种：弹性变形和塑性变形。当成型结束后，由于模具和零件分离，而金属板材本身具有弹性，因此在无外部压力的情况下，成型之后的板材部分区域会出现弹性回复的现象，这种现象往往导致成形后零件的实际尺寸值与标准值存在偏差，当然，对于零件的实际形状也会产生很大影响，这种现象就称之为回弹现象。汽车前保险杠组件主要以弯曲变形为主，因此产生回弹现象是不可避免的。回弹现象对零件的成品质量影响很大，当回弹的量过大且超过零件允许误差后，零件就将直接报废，因此，回弹也是影响零件质量的重要缺陷。实际生产过程中很多因素都可能导致最终零件产生回弹现象。除了材料本身的性能外，还有模具的间隙和零件本身的形状，以及压边力、摩擦接触等因素都对回弹有较大影响。解决回弹问题，要根据零件件的具体形状、尺寸及成型过程的变形特点等进行具体分析。1.6本文研究的主要内容本文将以汽车前保险杠结构以及成型设计为例，并结合ANSYS Workbench有限元分析软件，模拟保险杠组件成型过程，分析现有工艺状况及实际生产条件，找出其中容易导致产品成形后出现起皱、破裂、回弹等缺陷的因素，并依据分析结果，结合企业实际生产条件，对成型工艺做出合理优化，力求达到提高最终成品率的目的。具体工作内容如下：（1） 研究背景及研究意义简要介绍；（2） 板材成型有限元分析基本理论说明，包括相关软件介绍，材料特性，材料屈服、硬化准则，接触算法，加载卸载法则以及三维模型建立等内容；（3） 研究对象的工艺特点及工艺分析；（4） 对模型进行有限元分析，研究其变形状况，为工艺优化做准备；（5） 结合有限元分析内容，提出几点符合企业实际情况工艺优化措施，并对现有工艺适度改进优化；（6） 通过现场实验，对优化后的工艺进行验证，并与优化前的结果作对比，记录相关实验数据。（7） 对研究结果做出总结。1.7本章小结本章主要对研究内容做了一个简要说明，分析了课题研究意义、国内外发展状况以及相关技术的发展趋势，并从针对本课题的具体对象，简要介绍其实际生产中常见的缺陷类型。第2章 板材成型有限元分析理论2.1 ANSYS Workbench软件介绍ANSYS软件由美国ANSYS公司开发，是一款功能十分强大的大型通用有限元分析（FEA）软件，同时也是目前全球范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件。它能与大部分的计算机辅助设计软件（CAD，computer Aided design）接口，实现数据的共享以及交换。是融合了流体、电场、声场、磁场、结构分析等于一身的大型通用有限元分析软件。而自ANSYS 7.0开始，ANSYS公司便推出了ANSYS Mechanical APDL（经典版）和ANSYS Workbench版两个不同版本，并且目前均已开发至17.2版本。其中，Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境，目的是解决企业在产品研发过程中常见的CAE软件异构问题。它不但继承了ANSYS Mechanical APDL界面在有限元仿真分析上的大部分强大功能，还提供了CAD双向参数链接互动、项目参数自动更新机制、全新的参数和无缝集成优化设计工具等，使得ANSYS在“仿真驱动产品设计”方面达到了前所未有的高度。可以说，ANSYS Workbench真正实现了集产品设计、仿真、优化功能于一身，可以帮助设计人员完成在同一平台上完成产品研发过程的所有工作，从而大大缩短了产品研发周期，加快了上市步伐。本课题研究所用的为ANSYS Workbench 15.0 版本。它是一个集成框架，整合了现有的各种应用并将仿真过程集成在同一界面下，其主要有三个模块组成，分别是： Design ModelerCAD几何模型建立模块，为后续分析做准备。 Design Simulation用ANSYS的分析模块实现网格划分，用来求解以及后处理，包括常见的Mechanical、Fluent等。 Design Exploration用于研究变量（几何、载荷等）对响应（应力、频率等）的影响，可实现优化。除了以上三个主要模块，ANSYS Workbench 15.0还很多其他模块，其中比较典型的有：进行全隐性耦合算法的CFX，由于专业涡轮叶片设计的Blade Modeler，用于爆炸等场合的高度非线性显示动力学分析的AUTODYN。这些模块将ANSYS Workbench 15.0打造成了应用极广的有限元分析软件。2.2 材料的特性本文研究的例子是保险杆组件，属于汽车覆盖件的一种。而汽车覆盖件的原材料一般为金属材料，本例也不例外。该组件使用的原材料是铝合金，牌号为EN-AW1050A。其泊松比0.320.36，弹性模量E72GPa,具体规范如表2-1和所示。项目名称数值单位尺寸（长*宽）980380mm厚度0.810%mm密度216010%g/m2滚花高度2.50.5mm断裂伸长率=38%/50mm抗拉强度7080Mpa成分铝（Al）=99.50%g硅（Si）00.25%g铜（Cu）00.05%g镁（Mg）00.05%g锌（Zn）00.05%g锰（Mn）00.05%g钛（Ti）00.03%g钒（V）00.05%g铁（Fe）00.40%g其他00.03%g表2-1原材料基本信息1050A铝合金主要成分是工业纯铝，其含量高达（质量分数）99.50%以上，所以，1050A铝合金的熔点比较低，不可运用热处理的方法来加强它本身的硬度。但是它的塑性特别好，在成型方面有很大优势，易被加工成各种形状。不仅如此，1050A铝合金的导电性和导热性也十分出色。因此，在制造领域1050A铝合金被广泛使用，并应用于各种各样的产品。2.3 材料的屈服准则金属材料在受到外力作用的过程中，其自身性能以及它受到的应力状态会使它由弹性变形逐渐向塑性变形过度。在同等条件下，金属材料的屈服极限仅由应力状态决定，当金属材料受力时，材料内部的质点由弹性状态逐渐过度到塑性状态的准则，称之为为屈服准则。对于金属材料而言，常用的屈服准则主要有以下几种：2.3.1 Tresca 屈服准则材料的塑性变形与其受到的最大切应力之间存在某种关系，当最大切应力的值达到某一特定值（即材料单向拉伸或者压缩时屈服强度值（s）的一半）时，材料就会发生屈服。Tresca屈服准则可表示为：max=12(1-3)=s2 （2-1）式中 max材料的最大切应力（N/mm2）； s 材料的屈服强度（N/mm2）。从上式可以看出，当材料的最大切应力达到屈服强度的一半时，材料就将进入并保持塑性变形状态，而和另外的两个差值没有关系。Tresca屈服准则计算虽然简单，但只能看出是否发生屈服与最大主应力和最小主应力的关系，无法反应第二主应力的影响。2.3.2 Von Mises 屈服准则Mises屈服准则是在1913 年由德国力学家 Von Mises 针对 Tresca 屈服准则作了进一步的弥补和改进之后提出的，该准则指出，在一定的变形条件下，不管物体处于什么状态，一旦其所受应力的三个主应力组合符合某种特定条件，则材料的屈服准则可表示为Mises 屈服准则于。与Tresca 屈服准则相比，凡是通过Mises 屈服准则来描述的材料，都是各向同性的，即当材料内部任意一点的等效应力达到屈服极限时，那么该点就会进入塑性变形状态。Mises屈服准则采用三个主应力的函数表达式如下：F0ij=161-22+2-32+3-12-13s2=0 （2-2）式中 F0材料内部的等效应力（N/mm2）。2.4材料的硬化准则在金属塑性变形过程中，随着应变的增加，应力会急剧增大，此时就会发生加工硬化现象，而硬化准则 就是用数学表达式来描述材料变形过程中所受应力与自身应变之间的关系。金属板料塑性变形中的硬化准则主要描述了材料发生塑性变形后初始屈服准则随着塑性应变增加的变化规律。硬化关系式可用如下一个基本方程表达：Fij,ijp,k=0 （2-3）式中 ij材料所受应力； ijp材料应变。通常，我们根据材料在发生硬化过程中加载曲面变化的不同，一般将材料的硬化准则简化为三种形式，分别为：各向同性硬化准则、随动硬化准则、混合硬化准则。2.4.1各向同性硬化准则 有的材料在变形过程中，材料内部各个方向上应变量会始终保持某一固定比值逐渐增加或者减少，这种特性就是各向同性。当计算各向同性材料的变形时，需要采用的硬化准则即为各向同性硬化准则。当材料所受应力使其达到屈服极限后，材料的屈服面向各方向扩展时，会基于同一中心匀地向个方向扩展，如图 2-1所示。假如材料在变形过程中一直保持各向同性，且忽略各向异性对变形的影响，那么后继屈服函数的表达形式将与初始屈服函数的表达形式保持一致。可用如下表达式表示材料各向同性硬化准则：Fij,k=fij-k=0 （2-4）k=13s2p （2-5）p=23dijpdijp （2-6）fij=23 （2-7）式中 k 硬化参数； p等效塑性应变。图2-1各向同性强化模型2.4.2随动硬化准则 并不是所有材料在成型过程中都保证按各向同性的规律进行变形，因此各向同性硬化准则对于此类材料并不适用。这些材料在变形时，屈服面的大小、形状、方位都不发生变化，而是在屈服方向上作一个刚体移动，如图2-2所示，这种特性我们可以称之为随动性。计算这类材料的变形情况时，我们所用的硬化准则称为随动硬化准则。随动硬化准则的表达式可用如下关系式表示：F(ij-ij)=0 （2-8）式中 ij屈服面中心的位置变化（mm）。图2-2随动硬化准则模型2.4.3混合硬化准则 除了上述的两种变形情况外，某些材料在变形过程中，不仅屈服面的大小在应力作用下发生变化，而且其位置也会发生变化，遇到这样的变形情况，无论是各向同性硬化准则还是随动硬化准则都不适用，这种情况下的之为混合硬化准则。顾名思义，混合硬化准则包含了各向同性变化和随动变化过程中的屈服行为，变形过程中屈服面的形状、大小和中心位置都在应力空间中发生变化，因此对板料成形过程中的应力与应变之间的关系描述得更加准确。混合硬化准则将塑性应变增量分解为两部分，适用于各向异性材料，表达式如下：dij=dijm+ijk （2-9）式中 dijm屈服曲面扩张时的塑性应变增量（mm）； dijk屈服曲面移动的塑性应变增量（mm）。因此，混合硬化准则的函数表示为：Fij,ij,k=f-k=0 （2-10）f=12(Sij-ij)2 （2-11）k=13s2(p,M) （2-11）式中 M 材料在发生塑性行为时的混合硬化参数，一般在-11 之间取值。2.5 成型过程应力加载和卸载法则当板料受压达到屈服极限并进入塑性变形状态以后，由于受到变形过程中载荷的加载路径以及加载历程的影响，板料内部的应力和应变都不再是线性关系。材料进入屈服状态后，其塑性应变增量的方向可以依靠成型过程中应力加载和卸载法则进行精确预测和判定，由此便可确定板料处在不同状态下的本构关系。对于硬化材料来说，判断板料是否会继续发生塑性变形的准则如下：（1） 如果f(ij)0 , 则板料将处于继续塑性加载状态 ；（3） 如果f(ij)0，且fijdij0 则板料将由塑性状态按照弹性卸载；（4） 如果f(ij)0，且fijdij=0，则材料处于加载的过渡状态，此状态下板料不会产生新的塑性流动， 而是始终保持塑性变形状态。2.6 成型过程接触算法汽车覆盖件成型的有限元分析是十分典型的复杂非线性静力分析求解过程，因为在成型过程中模具与板料总是动态变化的处于接触和摩擦状态。而诸如此类的数值模拟过程中通常采用的处理方法主要有三种，分别为：拉格朗日接触算法、罚函数接触算法以及非线性罚函数接触算法。2.6.1 拉格朗日算法在拉格朗日算法中，不会发生从节点穿透主动面的现象。该方法把接触力以未知量的方式带入到运动方程中，并且引入拉格朗日因子，再通过将各方程联立成方程组，以此求解出接触力大小。因此拉格朗日算法得出的计算结果较为精确，当接触非常高时，就适合用此算法来求解。需要注意的是，拉格朗日对于模具网格形状的质量要求非常高，在网格划分时，任何单元都不允许出现不连续或者交叉重叠现象，也不允许存在初始穿透的现象。除此之外，在运算处理过程中，由于所联立程组比较复杂，计算消耗量会比较高。2.6.2 罚函数接触算法与拉格朗日算法相比较，用罚函数接触算法处理接触问题时，具有稳健以及高效的优点，罚函数接触算法几乎可以用来处理任何板材在成型模拟过程中的接触计算。这种算法的具体处理原则为：若出现从动面节点穿透主动面的现象，那么一个界面法向接触力就会在主动面和从动面之间产生，而且随着穿透深度的增加，此接触力也会随之增大。罚函数的数值就是表示在模具与板料的接触过程中相应的接触力大小。用此种接触算法模拟过程时，可能在模具与板料之间会出现穿透现象，因此应力计算的结果不是十分准确。此外，罚函数接触算法模拟计算的精度以及稳定性与接触刚度比例系数的设置是否合理有很大关系。2.6.3 非线性罚函数接触算法从本质上来说，非线性罚函数接触算法其实还是属于罚函数接触算法。与上述的罚函数接触算法相比较，这种算法只是在接触力计算方法和接触搜索方式上略有所不同。非线性罚函数接触算法在判断是否有接触发生时，先将从动面的节点看成是球体，该球体的直径即为材料厚度，如果球体和主动面之间存在穿透现象，则可以确定二者之间发生了接触。所以在使用此算法的过程中，模具的法线方向不需要全部指向受压材料。在接触力的计算过程中，衡量惩罚强度的罚因数不再保持不变，而是以非线性变化呈现。因此在此种算法中，几乎不可能出现从节点穿透主动面的情况，计算精度也就比传统的罚函数法要高。2.7 三维数模建立本文的研究对象是汽车前保险杠铝合金组件结构，在进行有限元分析之前，必须先建立零件及模具的三维模型。在ANSYS Workbench中，有专门用来建立模型的模块，及Design Modeler（简称DM）模块，因此可以直接在ANSYS Workbench中建立待分析的模型。当然，模型建立也可以采用常用的绘图工具来实现，如Solidworks、Auto CAD、Proe、CATIA等。此次分析的模型采用CATIA V5R21建立，分别建立了产品零件图、模具装配图等模型，建立结果如图2-3和图2-4所示。图2-3保险杠组件零件图 (a) (b) (c) (d)图2-4模具装配图2.9 本章小结本章主要介绍一般有限元分析过程中常用的算法及理论，为后续有限元分析部分做准备，除此之外，分析过程中需要的三维数模以及分析软件也在本章做出了说明。第3章 汽车前保险杠设计3.1保险杠的发展汽车保险杠是吸收缓和外界冲击力,防护车身前后部的安全装置. 20年前,轿车前后保险杠是以金属材料为主,用厚度为3毫米以上的钢板冲压成U型槽钢,表面处理镀铬,与车架纵梁铆接或焊接在一起,与车身有一段较大的间隙,好像是一件附加上去的部件.随着汽车工业的发展,汽车保险杠作为一种重要的安全装置也走向了革新的道路.今天的轿车前后保险杠除了保持原有的保护功能外,还要追求与车体造型和谐与统一,追求本身的轻量化. 为了达到这种目的，目前轿车的前后保险杠采用了塑料，人们称为塑料保险杠。塑料保险杠是由外板、缓冲材料和横梁三部分组成。其中外板和缓冲材料用塑料制成，横梁用厚度为1.5毫米左右的冷轧薄板冲压而成形槽；外板和缓冲材料附着在横梁上，横梁与车架纵梁螺丝连接，可以随时拆卸下来。这种塑料保险杠使用的塑料，大体上使用聚酯系和聚丙烯系两种材料，采用注射成型法制成。例如标致405轿车的保险杠，采用了聚酯系材料并用反应注射模成型法做成。而大众的奥迪100、高尔夫、上海的桑塔纳、天津的夏利等型号轿车的保险杠，采用了聚丙烯系材料用注射成型法制成。国外还有一种称为聚碳酯系的塑料，渗进合金成分，采用合金注射成型的方法，加工出来的保险杠不但具有高强度的刚性，还具有可以焊接的优点，而且涂装性能好，在轿车上的用量越来越多。塑料保险杠具有强度、刚性和装饰性，从安全上看，汽车发生碰撞事故时能起到缓冲作用，保护前后车体；从外观上看，可以很自然的与车体结合在一块，浑然成一体，具有很好的装饰性，成为装饰轿车外型的重要部件。3.2 保险杠设计要点保险杠与车身，所有端面应向内弯曲，且不能被直径为100mm的球体所接触，且与车身（发盖，后背门，翼字板，大灯等）表面配合间隙不超过20mm。保险杠上所有朝外表面且能被半径100mm的球所接触到的圆角半径应不小5mm（下图为S18前保外表面圆角的检查情况）图3-1保险杠零件形状GB15741-1995可视范围：安装于号牌板上的号牌应在如下空间范围内可视，该空间由以下四个平面组成：通过号牌两侧边并向外30的两个铅垂面；通边号牌上边缘与水平向上15的平面，经号牌下边缘的水平面（若号牌上边缘离地高度大于1.20m,该平面应与水平面呈向下15）。32保险杠与轮胎的关系32保险杠的材料及结构采用弹性体AB分别共聚PP进行共混。A是一种EPDM，它具有优异的低温冲击效果，但其粘度大，与PP共混后流动性差。B是一种TPE，既有较好的冲击韧性，又和聚丙烯有很好的相容性，还能像一般热塑性塑料那样在通用加工设备上成型。不论从拉伸强度、断裂伸长率，还是冲击强度考察，弹性体B均比A改性效果好，共混改性后树脂综合性能优。3.3 PP基础树脂的选择保险杠属于大型薄壁注塑件，由于其模腔结构的复杂性，要求共混材料有较好的加工性，即要有良好的流动性能。同时，保险杠是抗冲部件，使用单一的均聚PP与橡胶共混橡胶含量高，使共混物机械强度大幅下降，而且成本较高。添加嵌段共聚PP不仅模量下降不多，而且冲击强度较高，选择合适的添加比，可以做到最优的性能价格比。（见下表）MFRg/10min拉伸强度Mpa弯曲模量MPa缺口冲击强度J/mPP-A+25%TPE4.628.61260540PP-A+25%TPE+15%PP-B4.624.21160640PP-A+25%TPE+30%PP-B3.822.4980756PP-A+25%TPE+15%PP-C6.826.01240598PP-A+25%TPE+30%PP-C7.625.21200700由上表可知，添加30共聚PP-C的体系冲击强度大大提高，可达到 700Jm以上，而添加15 PP-C的冲击强度只比均聚PP-A体系稍高，约600Jm左右。此外，添加共聚PP-C的体系不但强度下降不多，而且流动性非常好，冲击强度也较高，完全适合保险杠的要求。3.4 保险杠结构M1类车保险杠要求满足GB17354中规定的低速碰撞要求，它们的共同特点是都有能量吸收体。这类保险杠一般由面罩、能量吸收体、骨架及连接件组成。常见吸能体形式： 、简筒结构能量吸收式，这种能量吸收装置利用机械油等液体和在高压下像硅酮橡胶那样的显示液体性质的材料，通过偏移时产生粘性阻力吸收冲击能，吸能率高。其特点是保险杠突出车身外的量小、耐温性好。保险杠表面一般采用不锈钢材料，或聚氨酯和聚丙烯等树脂。 、发泡树脂能量吸收式，这种形式比上述形式结构简单、质量小、成本低，并且有可吸收上下、左右偏置输入力的能力。能量吸收发泡树脂采用聚氨酯和聚丙烯等发泡树脂，在受冲击时可吸收大的变形及变形过程中的能量。保险杠外表在受冲击变形后要恢复原状，所以应采用聚氨酯和聚乙烯发泡树脂等复原性好的材料。、蜂窝状结构树脂能量吸收式，结构与前一种相同，但采用的不是发泡树脂，而是成型蜂窝状聚氨酯等树脂结构。由于是靠蜂窝部分的压缩来吸收能量，所以比发泡树脂吸能能效高，但应注意它有模具费用高和模具修整困难等缺点.也有采用聚丙烯(改性PP)材料的.3.5我司现有车型保险杠结构A11前、后保险杠的材料选用PP+ PE，其中PE使保险杠具有一定的弹性，保险杠结构分为内外两层，本体缓冲器，缓冲器用热板焊接工艺连接到本体上。缓冲器采用蜂窝状结构，使保险杠的缓冲性能发挥到极限。S11前、后保险杠的材料选用PP+ EPDM+T15，其中EPDM使保险杠具有一定的弹性，S11考虑到成本，缓冲器结构相当简单，性能上相对于A11的要差些。B11前、后保险杠的材料选用PP+ EPDM+T10，其中EPDM使保险杠具有一定的弹性，保险杠结构分为内外两层，本体缓冲器，缓冲器用卡扣联接到本体上。前保险杠缓冲器采用中空状结构，材料为GMT，强度很好，有很好的缓冲性能，但价格昂贵。后保险杠缓冲器也采用中空状结构，材料为PC+PBT，强度很好，但保险杠的缓冲性能相对来说不如A11。S18保险杠由缓冲横梁、（吸能器）吸能泡沫、本体及连接支架组成，其中吸能器采用PP发泡的形式。（下图为S180前保险杠系统构成图）保险杠本体，上下格栅，拖钩盖，下部支撑护板材料采用PP+EPDM+T20:其中的PP为保险杠外罩的基体，EPDM能够提高保险杠外罩的弹性，而T20的含义是材料中加上20的滑石粉，主要是提高保险杠外罩的刚度。吸能块一般采用EPP或者是PP发泡结构，起到吸收撞击能量的作用。前/后保缓冲横梁本体材料采用冷轧高强度结构钢B340/590DP，缓冲横梁支架采用B180P2（相对横梁本体的材料，该材料强度较低，但价格便宜），主要是为了满足欧洲法规中的前/后碰撞要求。两侧支架材料采用PP66+GF30%，该材料具有韧性好，表面坚硬的特性。下部支撑护板主要起行人保护作用，碰撞时支撑保护小腿，并起一定的美观作用。以上提到的这些材料一般均具有回收再利用的环保效果，可以降低对于环境的污染。前保险杠结构图第4章 前保险杠碰撞有限元分析汽车防撞梁在碰撞过程中起到缓冲吸能的作用，随着汽车数量的逐渐增多，车祸发生的概率也大大的增加。这让政府和人民对汽车的安全性要求越来越高。所以我国通过汽车碰撞试验来真实的检测汽车安全性能的好坏，本章根据中国汽车安全法规C-NCP来建立整车模型然后，对车架模型做正面100%刚性碰撞和正面40%刚性碰撞。研究在碰撞过程中车架的速度，加速度，变形，应力等变量的变化，同时对碰撞过程中需要的参数做详细的解释，以求达到更加真实的结果。最后对汽车防撞梁在碰撞过程中的变形受力情况做分析，为后期优化防撞梁时提供参考1.4.1模型建立图4. 1汽车防撞梁的真实模型参照为了能够更加真实的得出碰撞过程中汽车车身的加速度和速度变化，在建立模型时将汽车的车架和汽车的前防撞梁和缓冲盒等部件一并画出。防撞梁和缓冲盒的真实模型如图4. 1所示。本文参照该模型，建立汽车的地盘车架和防撞梁结构。由于汽车结构较为复杂，并且在进行参数优化的过程中需要对参数进行不断的修改分析，这样的操作在ANSYS中很难完成。所以使用Pro ENGINEER进行建模、然后利用ANSYS和Pro ENGINEER之间的无缝接口将模型导入ANSYS中进行网格划分、分析计算。这样能够有效的提高有限元计算效率。根据上图的真实模型建立的车架防撞梁模型如图4. 2 所示Error! Reference source not found.。图4. 2 防撞梁整体模型图防撞梁和缓冲盒的详细形式如下图所示图4. 3缓冲盒截面形式图4. 4 防撞梁局部图图4. 5防撞梁截面形式缓冲盒采用边长为40mm的正六边形；防撞梁截面采用长宽分别为110mm和40mm的矩形。使用上述结构的原因为通常情况下正六边形的吸能效果要好于其他截面形式的缓冲盒，并且在生产制造过程中通常也使用正六边形。同时为了简化防撞梁的形式，采用单孔的矩形截面形式。为了让接触时间增加，将防撞梁弯成弧形是汽车生产制造过程中通常使用的方法，防撞梁和缓冲盒均采用薄壁形式，厚度分别为3mm和2mm。4.2材料参数定义防撞梁和缓冲盒均采用铝制材料，铝制材料能够在碰撞时快速发生屈服，可以快速的吸收能量，同时铝材的密度要相对低于其他金属材料，所以能够一定程度上减轻防撞梁的质量，增加比吸能。车架模型采用简单的低碳钢模型进行分析，因为车架在整个分析过程中只是为了提取加速度、速度、应力参数而设定的。所以车架的材料对整体的分析效果并没有很大的影响。所以只取线弹性材料模型分析。刚性墙采用LS-DYNA中提供的Rigid Material材料。表 4. 1中列举了所使用的材料的参数。表 4. 1材料参数材料名称密度(kg/m3)泊松比弹性模量(GP)屈服强度(MP)防撞梁Al610127000.3369271车架低碳钢78000.32004001.1 网格划分LS-DYNA显示计算中计算时间的长短跟单元的最小尺寸和单元的总数有关系。单元