汽车前保险杠碰撞仿真分析与轻量化研究

汽车前保险杠碰撞仿真分析与轻量化研究摘 要汽车前保险杠是发生碰撞时起到主要缓冲作用的构件。主要由防撞横梁和低速吸能盒两个部分构成，影响缓冲效果的因素有 ：吸能盒和前保险杠的截面、厚度 、截面大小、长度等。通过调整上述这些参数可以得到缓冲性能最好的前保险杠结构。本文使用数值模拟的方法，分别对前保险杠和低速吸能盒的参数取不同值进行正面的碰撞模拟，提取最终的加速度变化曲线和能量变化曲线进行对比。加速度相对小而吸收能量相对多的组合即为最优组合。由于整个过程中可变的参数很多，不可能将所有的组合都进行分析。所以首先进行单个参数的变化分析，从单个参数变化中得出规律，然后根据规律组合出相对较优的前保险杠结构并进行验证。通过上述的分析过程中最终得到研究结果大致为，低速吸能盒主要是通过薄壁梁的轴向溃缩吸能。前保险杠是通过材料发生失稳弯曲后的塑性变形来吸收能量。前保险杠和吸能盒的各个参数之间存在着耦合现象。通过单独参数变化来寻找规律，然后再根据规律进行组合参数的方法，能够较为高效准确的得出整体优化结果。关键字：前保险杠；汽车碰撞；数值模拟；优化；ABSTRACTThe front bumper is the main cushioning component when collision occurs. It mainly consists of collision-proof beam and low-speed energy absorbing box. The factors affecting the cushioning effect are the cross section, thickness, cross section size and length of energy absorbing box and front bumper. By adjusting these parameters, the front bumper structure with the best cushioning performance can be obtained. In this paper, the front bumper and the low-speed energy absorbing box are simulated by numerical simulation, and the final acceleration curve and energy curve are extracted and compared. The combination of relatively small acceleration and relatively large energy absorption is the optimal combination.Because there are many variable parameters in the whole process, it is impossible to analyze all combinations. So firstly, the change of single parameter is analyzed, and the rule is obtained from the change of single parameter. Then, according to the rule, a relatively better front bumper structure is combined and verified.Through the above analysis process, the final research results are roughly as follows: the low-speed energy absorption box mainly absorbs energy through the axial collapse of thin-walled beams. The front bumper absorbs energy through plastic deformation after material buckling and bending. There is a coupling phenomenon between the parameters of the front bumper and the energy absorbing box. Through the change of individual parameters to find the law, and then according to the law to combine the parameters, the overall optimization results can be obtained more efficiently and accurately.Keywords: anticollision beam; Vehicle Crash; numerical simulation; optimization;目 录第一章绪 论1第二章前保险杠碰撞变形基本理论分析8第三章有限元数值模拟仿真15第四章基于中国汽车安全法规C-NCAP的前保险杠碰撞仿真分析21第五章前保险杠的轻量化研究31第六章前保险杠的各个参数组合优化41结论42参考文献.43致 谢.44第一章 绪 论汽车作为当今最流行的交通工具之一，在日常生活中也是越来越多的出现。而且随着汽车产业的快速发展和人民生活水平的提高，汽车的数量和种类也开始大大提升。我国汽车产量从1992年的年产22万量车，到2008年时已经增长到了年产935万量1 。而且由于汽车生产流水线的产生，汽车的行驶速度也大大的提高。但是由于汽车数量的增多和车速的提高，车祸的发生概率自然就大大的提高，所以必须通过改善车的质量、结构来增强车辆的安全性。为了能够更快的计算出提高安全性的方法，采用软件模拟的方式来进行计算是具有使用意义的。1.1 研究汽车碰撞的背景和意义在汽车越来越多的情况下，发生车祸是不可避免的。虽然车身内存在很多的保护措施，例如安全带，安全气囊等。但是由于车祸而产生的生命和财产损失仍然是十分巨大的。每年因为车祸导致的财产损失高达数十亿元2 。据统计，仅2002年中国一共发生了773137次交通事故，导致118131人死亡，财产损失巨大。其他国家交通事故发生的次数同样十分庞大，美国共发生1967000起交通事故，死亡人数42825人，日本发生936721次交通事故，死亡9575人，欧盟国家共发生123294起交通事故，死亡人数38824人3 ，并且以上数字每年都在增长。如此庞大的数字让人们不得不在购买车辆时对车辆的安全性能进行考核。车辆的安全性可以通过技术改进来提高，通常的汽车安全技术主要分为两类：第一类是主动安全技术，第二类是被动安全技术。主动安全技术是指通过利用控制技术或传感器等提前的预知危险，从而达到躲避危险的目的。被动安全技术是指通过在车内及车身放置安全带，安全气囊，前保险杠等保护措施，在车辆碰撞后，起缓冲保护作用，从而达到保护车内人员的目的。汽车发生碰撞后首先是汽车发生碰撞，称为一次碰撞，其次是车内的人和车内部构件发生碰撞，称为二次碰撞4 。由于二次碰撞是由一次碰撞引起的，所以控制好一次碰撞对提高汽车安全性有着巨大的意义。汽车的一次碰撞的控制，是指在发生碰撞的时候通过对采用缓冲装置，吸能装置，阻尼装置或者是各种装置的组合，吸收碰撞时候产生的巨大能量。通过以上这些操作也可大大的减缓一次碰撞后二次碰撞所产生的巨大损害，同时也是增加了碰撞的时间，为安全气囊等装置争取时间4 5 ，以便能够最大效果的发挥保护作用。吸收一次碰撞所产生的巨大能量，最常用的吸能构件是采用汽车前保险杠。汽车的正前前保险杠能够在汽车发生正面碰撞或者斜碰的时候，有效的吸收能量、增大碰撞时间，从简单的根据冲量定理可以得出，在以一定的速度发生碰撞的时候，作用时间越长，那么作用于汽车的反作用力就越小。同时前保险杠的强度也一定程度上减少了汽车的变形，在给予汽车内部人员一定生存空间的同时，也是保护了汽车内部重要部件，如发动机、变速箱等不被损坏，给汽车的再次维修降低了费用，减少了财产损失。1.2 数值仿真模拟计算的意义由于车祸的高发性，导致各国对汽车的安全性逐渐形成了法规，如美国的 FMVSS 208 ( 美国联邦车辆标准安全法规) ，还有我国的汽车正面碰撞标准 GB1155l-2003乘用车正面碰撞的乘员保护 规定6 。这些试验都是需要做汽车实体试验的。只有符合该试验标准的车辆才能继续生产。但是直接使用实体碰撞的试验可重复性太弱，而且每次试验都需要耗费巨大的资金。所以如果做生产之前的设计，采用这种方法是不行的。随着计算机技术的快速发展。计算机模拟是一种进行大型计算非常适合的工具。通过在计算机中建模、求解、改进等方法，可以模拟真实的碰撞过程，虽然不能和实际的碰撞完全相同，但是也能大致的得到改进汽车安全性能的可行方法，而且由于计算机的计算速度极快，可以很快的重复多次计算而取得最优值。显然，这通过汽车实体实验是无法实现的，并且由于有限元的快速发展，使得计算机能够计算出很多通过理论无法计算出来的东西。例如汽车碰撞过程是十分复杂的，如果单纯的通过理论计算来得出结果显然是不现实的，只能是用理论来辅助模拟计算。1.2.1 中国新车评价规程（C-NCAP）中国的汽车安全法规主要是参照美国的NHTSA-NCAP和欧洲的 Euro-NCAP，再结合我国的汽车标准法规以及我国的路况等各种因素，最终形成的检测汽车安全性能的法规。如下表 1. 1 中国新车评价规程（C-NCAP）10 表 1. 1 中国新车评价规程（C-NCAP）10 试验项目碰撞形式假人安放位置正面 100% 重叠刚性壁障碰撞试验车辆以 50 km/h 的速度与刚性固定壁障进行100 重叠率的正面碰撞在前排驾驶员和乘员位置分别放置 Hybird 型第 50 百分位男性假人，在第 2 排最右侧座位放置 Hybird 型第 5 百分位女性假人，试验时假人应佩戴安全带，用以考核安全带性能正面 40% 重叠可变形壁障碰撞试验车辆以 56 km/h 的速度对可变形壁障进行40 重叠率的正面偏置碰撞在前排驾驶员和乘员位置分别放置 Hybird 型第 50 百分位男性假人，在第 2 排最右侧座位放置 Hybird 型第 5 百分位女性假人，应佩戴安全带可变形移动壁障侧面碰撞可变形移动壁障以 50 km/h 的速度与车辆侧面 （ 驾驶员侧）进行碰撞在驾驶员位置放置Euro SID 型假人， 用以测量驾驶员位置受伤害情况如下面三幅图所示，分别表示了C-NCAP三个实验的碰撞试验图图 1. Error! Main Document Only.正面 100% 重叠刚性壁障碰撞试验图 1. Error! Main Document Only.可变形移动壁障侧面碰撞图 1. Error! Main Document Only.正面 40% 重叠可变形壁障碰撞试验1.3 本文主要研究内容本文主要利用LS-DYNA做实验的数值模拟计算。利用前保险杠的模型进行碰撞，采用不同厚度，不同截面，不同材料的前保险杠进行碰撞分析，通过碰撞后车架所受的力的峰值，加速度的大小，能量的剩余情况来衡量前保险杠的缓冲效果。通过对碰撞后的整个前保险杠的变形情况，来判定前保险杠是否符合碰撞最大位移要求。整个碰撞过程是为了给汽车前保险杠的实验做理论依据。同时也是给实验做有力验证。第二章 前保险杠碰撞变形基本理论分析汽车前保险杠的好坏主要是通过汽车发生碰撞时前保险杠吸收能量的多少来判定，而前保险杠吸收的能量主要是由梁和缓冲盒的塑性变形引起的。既然提到塑性变形，那么首先需要确定材料的性质，所以需要利用弹塑性理论分析。其次，吸收能量的主要部分是塑性变形能，所以需要考虑变形过程中的能量问题。再次，由于汽车发生碰撞是一个碰撞过程，则需要动力学分析。最后前保险杠的力学模型可以用薄壁梁来进行模拟，所以薄壁梁理论也是理论分析中不可缺少的一部分。下面依次介绍这些理论。2.2.1 弹塑性变形理论金属材料在发生压缩或者拉伸变形的时候，都是先发生弹性变形，然后进入屈服阶段，最后进入强化阶段。每个阶段的应力应变规律均不相同，有的阶段吸收能量多，有的少，有些能量会再次反弹，而有些能量则被永远的吸收。了解简单材料的变形才能了解复杂变形情况中能量的吸收情况。2.1.1 金属材料拉伸时的力学性能图2. Error! Main Document Only. 力和伸长量的关系图材料拉伸时的应力应变曲线能够反映材料在受到拉力的作用下变形与力的关系。以简单的低碳钢拉伸为例子22 ，对低碳钢做缓慢增加拉力作用。将拉力P和伸长量DL的关系作图，如图2. 1 所示。为了消除尺寸对力学规律的影响，将拉力p除以试样横截面积A0，得出正应力： =P/A0；同时，把伸长量DL除以总长L0，可以得到应变：=DL/L0。因为各点的应变是均匀的，所以该应变是平均应变。然后再以为纵坐标，以为横坐标，作图表示和的关系，该关系为应力应变关系，该图为应力应变曲线图。如图2. 2图2. 2所示。图2. Error! Main Document Only.应力应变曲线根据上图的结果，可以将变形分为几个阶段。1) 弹性阶段在材料拉伸的初始阶段，和是线性关系即上图中的OA段。该段中应力与应变成正比关系。即 将该式子写为等式则有=E (2. 1)该式即为拉伸压缩的胡克定律。式子中的E即为弹性模量通常情况下使用的是弹性模量2) 屈服阶段当应力增加超过B时应力有明显的下降。然后在应力应变曲线上开始形成像锯齿一样的变化情况。这种情况下，应力基本保持不变，而应变却有显著增加。在这个阶段内的最低应力值为下屈服极限，该屈服极限比较稳定，能够反映材料的性能，所以用下屈服极限来做计算。用s表示。该参数在后面的有限元计算中，作为一个参数输入。3) 强化阶段金属材料在屈服一段时间后，又恢复了抵抗变形的能力，能够使应力继续增加。该种现象即为强化。第三章 有限元仿真方法汽车的碰撞过程是一个复杂的过程。因为其中存在着各种复杂的因素。单纯的依靠理论计算是无法得到结果的。在有限元计算软件还没有发展起来之前，如果想要得到碰撞的结果，那么只能是通过实体汽车碰撞的方法。但是实体汽车碰撞是需要高昂的花费，其重复性较差，而汽车碰撞过程中的某些规律只有在做长时间的试验时才能得出。所以有限元的存在能够很好的解决这一问题。本文通过使用ANSYS/LS-DYNA显示有限元计算软件来计算整个碰撞的结果，利用lsprepost后处理器分析得到的结果。3.3.1 有限元算法有限元计算软件的基本算法从坐标类型讲目前最普遍使用的方法有：欧拉法（EULER），拉格朗日法(LAGRANGE)，任意拉格朗日-欧拉法（ALE）26 。三种方法各有优劣。3.1.1 拉格朗日法(LAGRANGE)拉格朗日法特点是坐标系固定在物质上或者随物质一起运动和变形，处理自由表面和物质截面是直观而简单的。优点是能够准确的描述不同材料的不同应力方程，并且允许对不同材料采用不同的本构方程。但是在有限元计算中网格会发生扭曲，即便这样会导致计算的不稳定。由于该方法具有上述的优点，所以通常用来计算固体大变形问题时十分合适。3.1.2 欧拉法（EULER）欧拉法特点是固定的空间坐标系，Eulerian网格是不变形的。它的优点是不会出现网格相交的问题，物质通过网格边界流进流出，物质的变形不直接影响时间步长的计算，适合计算严重变形问题。具有这种性质的材料通常是流体。所以该方法用来计算流体，但是当系统中包含多种介质，从而有多个界面的时候，欧拉法就会碰到困难。3.1.3 任意欧拉-拉格朗日法（ALE）任意欧拉-拉格朗日法的一个重要特征是计算网格是基于参考构形而划分的，也就是说计算网格可以独立于物质的构形和控件构形运动。这样通过制定合适的网格运动形式就可以准确的描述物体的运动截面，并使单元在运动中保持合理的形状，克服了纯粹的拉格朗日法或是欧拉法的弊端。这种方法通常使用在流固耦合或者炸药爆炸等问题。 针对上面三种方法的优劣和适用条件可以得出，在本例中使用拉格朗日（LAGRANGE）方法是合理的，并且这种方法也是当今最成熟，使用最多的方法。下面重点介绍拉格朗日（LAGRANGE）方法的有限元理论。3.2 拉格朗日有限元算法介绍拉格朗日方法采用运动方程来描述物体的运动状态和变形状态，它规定物质的网格是随物质上的质点移动的，即在物体的变形过程中网格点和物质点始终重合。物质点与网格点之间不存在相对位移。而且在整个过程中满足三大守恒方程质量守恒，动量守恒，能量守恒。利用这些方程来保证计算结果的正确性。第四章 基于中国汽车安全法规C-NCAP的前保险杠数值仿真分析汽车前保险杠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。最后对汽车前保险杠在碰撞过程中的变形受力情况做分析，为后期优化前保险杠时提供参考4.4.1 模型建立图4. Error! Main Document Only.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前保险杠和缓冲盒等部件一并画出。前保险杠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前保险杠结构。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前保险杠模型如Error! Reference source not found.所示32 。前保险杠和缓冲盒的详细形式如下图所示图4.2 防撞梁局部图缓冲盒采用边长为40mm的正六边形；前保险杠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。同时为了简化前保险杠的形式，采用单孔的矩形截面形式。为了让接触时间增加，将前保险杠弯成弧形是汽车生产制造过程中通常使用的方法，前保险杠和缓冲盒均采用薄壁形式，厚度分别为3mm和2mm。4.2 材料参数定义前保险杠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前保险杠的质量，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)前保险杠Al610127000.3369271车架低碳钢78000.32004004.3 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。单元的最小尺寸影响着计算时间步长的大小。而整个模型的单元个数则影响着计算每一步所需要的时间。所以单元划分的好坏跟计算效率息息相关。本次计算中车架的变形显著，所以划分尺寸可以大，而缓冲盒和前保险杠的模型在碰撞过程中需要发生强烈变形所以单元尺寸需要很细小。为了减小计算量在100%正碰中由于模型时对称的，所以只取一半分析，提高计算效率。正面 100% 重叠刚性壁障碰撞仿真分析4.3.1 问题简化100%重叠碰撞属于对称性问题，所以碰撞过程中取一半模型分析，以减少计算量。碰撞过程中由于整车的质量远远大于车架的质量，所以如果取车架的密度为低碳钢的密度是无法满足在碰撞过程中前保险杠受到的真实的力的大小。本文为了消除该情况，将整车的质量全部附加到车架中作分析，即假设整车的质量为1500kg则将该质量除以车架的体积（通过Pro工程软件计算得到）得到车架的密度，该密度比真实的车架的密度要大的多，但是如此便可以真实的模拟碰撞过程中前保险杠受到的力，所以做此简化十分的有必要。4.3.2 参数设置1) 边界条件：刚性墙材料为被撞物，所以刚性墙需要全部固定。其次由于是取一半分析，所以所有的对称面都需要进行对称约束。最后，由于车架的整体形状导致整个车架的重心偏下，在真实的碰撞过程中由于有轮胎等构件进行支撑，不会出现车体在垂直方向下滑的现象。所以将轮胎的约束简化到车架上，即将模型中的车架第一和第四横梁进行垂直方向的约束。2) 沙漏控制：为了防止在碰撞过程中出现沙漏现象，本次计算对前保险杠和缓冲盒的壳单元采用三个积分点数同时进行全局的能量控制和沙漏控制。这些参数为了简便全部使用程序默认的数值。3) 初始条件：初始状态下，车架和前保险杠以5m/s的速度撞向刚性墙。本次计算中主要研究的是汽车前保险杠的碰撞特性，所以采用较为低速的碰撞方式，更加能够反映出前保险杠的碰撞特性。4) 接触定义：碰撞过程中前保险杠会因为受到车架的挤压发生变形。变形过程中会导致前保险杠和缓冲盒内壁的自接触，所以采用LS-DYNA提供的单面自动接触算法。接触时的动摩擦因子取0.5。5) 分析时间：整个过程取用从车开始向前运动到碰撞后车体反弹的过程，经过后面的多次计算，发现这个过程大约持续0.065s，所以计算终止时间取0.065s4.3.3 计算结果分析1） 变形图分析 整个变形过程首先由前保险杠接触到刚性面，再由弯曲状态压直，然后前保险杠截面开始变形，在缓冲盒附近的前保险杠变形最为严重，当前保险杠被整个压扁后，缓冲盒开始发生严重的溃缩变形，该过程为缓冲盒吸收能量最多的部分。最后由于整个车架的能量被缓冲盒和前保险杠的塑性变形能和弹性变形能吸收，整个车架的速度降为零，但由于弹性变形是可恢复的，所以被吸收的弹性变性能还会被前保险杠和缓冲盒释放出来，转化成为了车架的动能，即车架的反弹。最后整个车架、前保险杠、缓冲盒等结构全部以稳定的速度反弹，变形过程如图4. 2所示。图4. 2碰撞过程变形图在车辆碰撞的时候，主要研究汽车车身的加速度、速度、整体的能量变化等数值，通过这些数值的变化来判定和比较各种前保险杠的优劣。下面提取车架上从前到后的几个点的速度，加速度，以及整体的能量变化进行分析。2） 碰撞过程中加速度分析图4. 3 车架各个测点加速度变化曲线图4. Error! Main Document Only.整体加速都变化曲线图4. 3 表示的是车架前中后位置（分别对应A,B,C三条曲线）加速度值的变化。由此可以得出车架在碰撞过程中，车的前部的加速度最大，变化最显著。车体后部的加速度滞后于前部，并且由于车体本身的变形，车体后部的加速度峰值远小于车体前部的加速度峰值。从该图中可以看出加速度峰值的正负是交替变换的。这是由于在车体发生碰撞时，缓冲盒的溃缩和前保险杠的变形导致的，缓冲盒受到碰撞力的作用时发生褶皱变形。在其褶皱失稳时其承载能力会大大的减弱，车架本身的惯性导致了正的加速度，当褶皱到一定程度时，承载能力又恢复回来。又会使加速度从正值快速的变为负值。在0.03s到0.045秒的时间段末，各个测点出现了加速度峰值。从汽车的变形观察可以发现，在该阶段内前保险杠和缓冲盒已经被压溃到了最低点，并且即将开始反弹。说明在前保险杠完全溃缩完之后，碰撞效果直接作用到了车架上，导致车架的加速度快速上升。单独从A曲线来看，在刚开始的时候，加速度曲线也出现了急剧上升的情况。由此说明，前保险杠和缓冲盒在初始状态下需要将较强的碰撞力才能将其发生褶皱变形。当已经出现褶皱变形后，则褶皱变形再次产生相对容易。再通过整体加速都变化曲线形进行分析，如图4. 4所示整体加速度从0.014s之后开始逐渐增加，在0.038s时达到了峰值，该时刻即为前保险杠和缓冲盒被压溃到最低端的时候，这个车架即将开始反弹。从0.04s到0.08s的时间里加速度迅速变小，最终趋近于0。图4. Error! Main Document Only. 车架上个点的速度变化曲线3） 速度分析从图4. 5可以看出车架上各个测点的速度基本相同。从0.02秒到0.038秒的过程中，车架上个点的速度从开始时的5m/s变为了0，表示了前保险杠从刚开始被压溃到最终的完全溃缩完，即将开始反弹。从大约0.038秒之后，速度开始反向增加，到0.45秒之后整个车架上的点开始以1.5m/s左右的速度向后反弹。由于本次计算中未考虑地面摩擦等因素，所以该速度不会再减为0，真实的情况下， 车体会因为地面摩擦等因素停下来。 图4. Error! Main Document Only.能量变化曲线4） 能量分析从图4. 6可以看出总能量几乎不变，动能和内能相互转化。这里的内能是指弹性势能和塑性变形能的总和。从0秒到0.038秒的过程中动能逐渐的减小，内能逐渐的增大，到大约0.038时两者均达到了峰值。此后内能又减小，而动能又再次的增加，这是由于在碰撞后期弹性变形的恢复，导致了弹性势能转化为了动能。在0.058秒左右，弹性势能全部转化为了动能，此后由于车架和前保险杠产生了振动，导致动能又变为了弹性势能。交替振荡下去，整个过程中前保险杠吸收的能量可以由内能第一次降到最低的值进行计算。4.4 正面40%重叠刚性壁碰撞试验仿真分析正面40%重叠碰撞是非对称的碰撞模拟，所以取整车进行碰撞分析，碰撞中其他参数均不变，刚性墙只取与汽车的重叠的40%。图4. Error! Main Document Only.正面40%重叠刚性壁碰撞变形过程1） 变形分析从图4. 7所示的变形过程可以发现，在进行40%碰撞过程中，前保险杠和缓冲盒的初始变形与100%碰撞相似也是前保险杠先开始溃缩变形，然后缓冲盒开始溃缩变形，但到后期时车架整体开始发生扭转，开始向没有刚性平面的一侧偏移。这种车架的变形，会使车架受力过大并且在实际情况中，这种滑移很容易导致翻车，给车内人员带来更大的伤害。图4. Error! Main Document Only.40%重叠碰撞车架上各个测点的加速度曲线1） 加速度分析从图4. 8中看出，同样的速度以40%重叠的方式进行碰撞时，加速度的变化特征部分与100%重叠碰撞相同，但是加速度在个时间段的峰值却远远大于100%重叠碰撞，这说明在实际生活中同样的速度偏置碰撞要比正面碰撞危险的多。2） 速度分析 图4. Error! Main Document Only. 40%重叠碰撞车架上各个测点的速度变化曲线从图4. 9 的速度变化曲线中看出，40%重叠碰撞与100%重叠碰撞的速度变化过程基本相同，但是在同样的时间内100%碰撞的速度曲线基本已经开始平稳反弹，但是在40%重叠碰撞中并为看到明显的平稳反弹，这说明40%重叠碰撞过程要复杂于100%重叠碰撞。3） 能量分析图4. 10为能量变化曲线，对比40%重叠碰撞能量变化曲线图和100%重叠碰撞能量变化曲线图，发现由于40%碰撞是取整体分析所以初始总能量为100%的二倍，但是40%碰撞最后吸收的能量却小于100%碰撞时吸收能量的二倍。由此可以看出在偏置碰撞中前保险杠的作用不能完全发挥。这一结果和分析加速度时的结果相同，即正碰时前保险杠的保护作用更加明显。4.5 小结图4. Error! Main Document Only. 40%重叠碰撞能量变化曲线本章主要是对C-NCAP中的正面100%重叠刚性碰撞试验和40%碰撞试验做了简化后进行数值模拟，同时也是对整个建模过程中所用到的参数的意义以及具体的设定情况做了介绍。目的是通过合理的参数设定更加高效、准确的得到计算结果，同时对两种碰撞情况的变形过程、加速度、速度、能量等值的变化做了分析，对整个碰撞过程中出现的各种现象和具体的参数变化进行了联系解释，同时也得出了以下结论：1 碰撞过程中缓冲盒初始溃缩和完全溃缩完时都会引起加速度值的增大，说明此两个阶段内车架受到力最大，有可能会对车内的人造成较大程度的伤害。2 正面完全碰撞时前保险杠能更多的吸收能能量，降低更多的加速度。可见正面碰撞时前保险杠能更好的起到保护作用。第五章 前保险杠的轻量化研究在本章中对下列参数分别取一定范围内的值进行数值模拟，分析就单个参数变化而言那种取值能让加速度，吸收能量等参数取得最优值。可变的参数如下：a) 前保险杠的宽度。b) 缓冲盒截面的大小（以正六边形截面的边长来衡量）。c) 缓冲盒长度（缓冲盒上最长的棱边的长度）。d) 缓冲盒厚度。e) 前保险杠的厚度。f) 前保险杠的截面形式。g) 缓冲盒截面形式。下面将以上参数一一做仿真分析。5.图5. Error! Main Document Only.防撞梁截面形式5.1 前保险杠宽度对前保险杠缓冲效果的影响前保险杠的截面大小如图5. 1所示，在碰撞过程中该截面宽度方向的材料将承担主要的支撑能力，如果长度过长会导致在压缩过程中发生失稳变形。反之太短也会导致承载能力太强和吸能不好的现象。所以将该截面的高度不变，然后变化宽度，宽度t的取值范围为0.03m-0.07m在此区间内每隔0.01m取一个值，做数值仿真分析。然后对比各个参数取值下的加速度，能量，车架上的应力等参数的对比，分析出最优参数。5.1.1 结果对比评价结果的标准主要有两个，加速度，吸收能量。其中加速度主要关注整体的加速度变化曲线。能量主要考虑吸收的总能量变化曲线和比吸能（吸收的能量除以前保险杠的质量。）1) 整体加速度曲线图5. Error! Main Document Only.不同防撞梁宽度整体加速度曲线从整体加速度中可以明显的看出，宽度为0.05m时的整体加速度曲线的绝对值要明显小于其他曲线，说明在宽度为0.05m附近时能相对好的降低加速度值。图5. Error! Main Document Only.不同宽度的防撞梁吸收能量变化曲线2） 总能量吸收曲线从能量吸收来看，各个宽度所吸收的能量基本相同，也就是说改变前保险杠宽度对前保险杠的总能量吸收并不会起到很明显的作用。从变形图可以看出，前保险杠吸收能量的方式主要是靠宽度方向的板的塑性弯曲形成的，并不会产生叠缩变形，所以在这种单胞截面形式的前保险杠形式下，宽度太长会导致板壳发生失稳变形，反而会增大后期的加速度值。宽度太短会因为结构太稳定，而造成临界压力大的情况。这一结果也可以使用材料力学中的压杆稳定类似的进行对比，在压杆稳定中，临界压力的大小与杆的长度的二次方成反比，可见杆长越长，临界压力会越小。下面再进行模拟过程中数据的对比来验证这一观点。5.1.2 数据分析表5. 1不同宽度的前保险杠对比缓冲盒宽度（m）整体加速度（m/s2）总吸能（焦耳）比吸能（焦耳/千克）0.03-384.0680865061.65310.04-348.6579534685.32560.05-304.5478864387.56470.06-336.2479364182.83740.07-423.8379503980.5718从上表中总吸收能量来看，前保险杠宽度的改变对整个吸收能量并没有明显的提高。但是由于宽度加长，会使整个前保险杠的体积增大，所以随着宽度的增加比吸能会减小。车架上的整体加速度是在每一时刻所有点的加速度的矢量和。本次计算由于车架主要是在x方向进行碰撞所以只取x方向的整体加速度做对比。5.2 缓冲盒边长对前保险杠缓冲效果的影响缓冲盒的截面初期是取正六边形形式。所以改变缓冲盒的正六边形边长即为改变缓冲盒的截面大小，如图5. 4所示。缓冲盒的截面大小一定程度上影响缓冲盒的稳定性和缓冲盒的最大承载能力。所以研究其边长也能一定程度上了解缓冲盒截面大小对整个前保险杠系统的影响。下面提取结果进行具体的分析。图5. Error! Main Document Only.缓冲盒截面边长5.2.1 缓冲盒变形从图5. 5 中可以看出，当面积发生变化时，缓冲盒的变形形式出现了不同的溃缩。也可以看出有些变形很规则，例如边长为0.03，0.035，0.04的变形，都没有出现扭曲，由此可以看出这三种变形相对稳定。但是边长为0.03的截面变形明显不同于其他几种，它的溃缩形式与矩形的截面的溃缩形式相似，产生的褶皱幅度相对要大，这样的结构承受图5. Error! Main Document Only. 各个边长时缓冲盒的最终变形形式轴力的能力强，但是由于截面面积小，很容易在收到横向力时出现折断现象。也属于不稳定现象。所以从变形来看，边长为0.04和0.035的截面相对稳定。而且在轴向压力的情况下容易出现溃缩，不会导致初始碰撞时加速度过大现象。图5. Error! Main Document Only.不同边长的缓冲盒整体加速度对比曲线5.2.2 加速度结果对比由加速度曲线可以分析出，边长为0.03的缓冲盒加速度要明显大于其他边长的截面，因为截面面积小在溃缩完成后与其他的截面不一样，可以看出边长为0.03m的截面，褶皱的长度要大于其他几种情况，所以在碰撞后，褶皱次数少，并且在很快的时间内溃缩完成。导致缓冲盒被压实，而此时车架的速度并没有完全被降下来，所以出现了较大的加速度峰值。其他截面的加速度峰值基本相同。边长为0.035的截面的加速度相对小于其他几种。图5. Error! Main Document Only.不同边长的缓冲盒能量对比曲线5.2.3 能量结果对比由能量曲线图可以看出，改变缓冲盒的边长同样对吸收能量的效果没有明显提高，形成这种问题的原因还是无论边长大与小，截面都是发生弯曲塑性变形，并没有使褶皱增加所以吸收的能量不会增加。但是由于会使质量增加，则相对而言比吸能减小。所以边长越小越能够节省材料。综合考虑边长为0.035的截面形式既能够取得较小的加速度值，同时比吸能也较大。5.3 缓冲盒长度对前保险杠性能好坏分析缓冲盒长度的增加通常意义会增加缓冲盒的作用时间，从而起到减小加速度的作用。但是首先长度是受到车内空间的影响，不可能无限制的增加缓冲盒的长度。同时长度过于长，还是会使缓冲盒在受到侧面的力时容易发生折断现象。缓冲盒的整体形式是六棱柱形式，由于和前保险杠的放置形式是斜置的，所以取最长棱边分别为0.07，008,0.09，0.10，011等值进行仿真分析。5.3.1 整体加速度对比图5. Error! Main Document Only.不同长度的缓冲盒整体加速度对比曲线图5. Error! Main Document Only. 长度为0.11m的缓冲盒变形图从图5. 8的加速度对比曲线中可以看出，缓冲盒的长度对整体加速度的影响很剧烈，并且随着缓冲盒长度的增加加速度值在不断的减小，并且加速度峰值在不断的推后。这是因为增加长度会增加缓冲盒的作用时间，缓冲盒从刚开始被压缩到压缩完毕的时间会增加。这会导致因缓冲盒压实而产生的加速度峰值急剧的减小，并且会推迟产生。这在实际的生产过程中具有很大的工程意义。并且从0.11m的变形图中可以看出在长度为0.11m时变形仍然出于较为规则的稳定状态，可见如果车体内部空间允许还可以适当的增加缓冲盒长度，来减小峰值加速度。5.3.2 能量对比从图5. 10的能量吸收图中同样的可以看出，缓冲盒长度的增加使能量吸收的过程持续时间增加，这种现象对降低加速度时十分有效的，但是对能量吸收则不太明显。但仍然能够看出吸收的能量在不断的增加，产生这种吸能效果不明显的原因是，缓冲盒长度的增加，只是让褶皱的尺寸增大了，并没有增加褶皱的数量。这样的情况下虽然能够达到降低加速度的效果，但是却不能让吸收能量明显的增多，只能是微幅的进行增长。 图5. Error! Main Document Only.不同长度的缓冲盒能量对比曲线通过上面的描述可以得到，能够达到吸收能量和减小加速度都好的变形模式是在增加缓冲盒溃缩时间的同时，让褶皱的数目增多。单纯的增加长度只能是发生塑性弯曲吸收能量，并不会大范围的提高吸能效果，这与增加前保险杠宽度没有能提升吸能效果的结论是一致的，增加褶皱数目的方法将在下一章进行讨论。5.3.3 数据对比表5. 2不同缓冲盒长度数据对比缓冲盒长度（m）整体加速度（m/s2）总吸能(焦耳)比吸能（焦耳/千克）前保险杠质量（千克）0.07-353.978004629.51561.68484 0.08-348.779514684.14731.69743 0.09-280.980674715.53711.71073 0.1-255.182144768.37561.72260 0.11-244.484304867.49251.73519 从表5. 2中的数据可以看出，增加缓冲盒的长度对总吸收的能量有小幅提高，长度为0.11的缓冲盒相对于长度为0.07的缓冲盒类型的前保险杠仅仅只提高了8%，但对加速度却有大幅度的降低，相比于长度为0.07的缓冲盒类型的前保险杠，提高了31%。但是由于增加缓冲盒长度，对于整个前保险杠的质量来说增加的很少，所以比吸能仍然得到了提高，但是也仅仅只提高了0.2%左右。并没有真正的提高吸能效果。5.4 缓冲盒厚度对前保险杠性能的影响分析缓冲盒的厚度会影响溃缩程度的强弱，如果溃缩不够会导致吸能性能急剧下降，同时加速度也会随之上升。但是厚度太薄，则本身就不具有吸收能量的性质，即使完全发生了塑性变形也不会有太多的能量吸收，而且会降低缓冲盒作用时间。图5. Error! Main Document Only.不同厚度的缓冲盒整体加速度对比5.4.1 整体加速度曲线对比图5. Error! Main Document Only. 厚度为0.001和0.003的缓冲盒最终变形对比从图5. 11的整体加速度曲线中可以看出。厚度的改变也会对前保险杠的降低加速度的性能产生很大的影响，厚度太薄，例如A曲线会使整体的加速度峰值向后移动，因为薄的缓冲盒能够充分的进行溃缩，所以峰值会出现在曲线后面。但是由于溃缩过快，导致缓冲盒被快速压实，从而不能完全的降低车架的速度，这样会使后期的压实加速度急剧上升。但是同时也可以看出，在碰撞前期A曲线的加速度基本小于所有曲线，可见薄的缓冲盒能够在前期时降低加速度。反之如果缓冲盒太厚，例如曲线E，缓冲盒根本不能发生完全的溃缩，缓冲盒被完全压溃需要的力太大，缓冲盒不能完全溃缩，导致大部分能量由缓冲盒再次反弹到车架上。这两者的对比同时可以取变形图看出。如图5. 12所示图5. Error! Main Document Only.不同厚度的缓冲盒吸能对比曲线5.4.2 吸能对比图5. 13所示的能量吸收曲线中，厚度为0.001和厚度为0.003的曲线吸能都较少，反而在加速度对比中相对较好的厚度为0.002的缓冲盒吸收的能量相对较多。从能量和加速度两个方面考虑，缓冲盒厚度对吸能和加速度的影响都十分显著，所以在实际生产中应该取更多的值进行计算，以便得到相对最优的前保险杠结构。5.5 前保险杠薄壁结构的厚度对整体性能的影响分析上面分析缓冲盒厚度时发现，缓冲盒厚度对前保险杠整体的影响非常显著，同样的现在研究前保险杠横梁厚度对整个前保险杠性能的研究。前保险杠的变形和缓冲盒的变形方式不相同，缓冲盒是轴向的压缩变形，而前保险杠是横向的压缩，相对来说，前保险杠的变形更容易发生，所以在以上的变形过程中，都会出现先是前保险杠变形再是缓冲盒溃缩的现象。同时矩形的单胞截面容易出现对角定点成为塑性铰的失稳变形。但是这些变形都是与厚度相关的。厚度较厚的状态下不容易发生失稳，厚度薄的情况下容易产生失稳。下面逐一进行分析。5.5.1 不同厚度的前保险杠加速度对比分析图5. 14所示的加速度曲线中厚度最厚的0.004前保险杠整体加速度峰值最小。其次是厚度最薄的0.002，然后剩余厚度的前保险杠所产生最大加速都峰值均相差不大。有这种结果的原因是厚度为0.004的前保险杠，刚开始还是由前保险杠先开始变形，然后缓冲盒再变形，厚的前保险杠能够使结构更加稳定，所以从刚开始撞到前后两个截面完全接触需要的时间长，再有缓冲盒变形，所以加速度相比于其他情况要低。但是此时缓冲盒未能完全溃缩，材料没有充分的被利用。对于最薄的情况，前保险杠的变形快速，并且未能降低前保险杠的速度，而此时的速度产生的压溃力，刚刚能够是缓冲盒完全溃缩，所以也起到图5. Error! Main Document Only.不同厚度的防撞梁加速度对比曲线。了降低加速都的作用。对于其他三种情况，由于前保险杠厚度的增加对整个前保险杠的承载能力并不会有明显的提高，所以