【保险杠轻量化分析案例3800字】

保险杠轻量化分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u1162保险杠轻量化分析案例 1142581.1铝合金保险杠碰撞性能分析 1231991.1.17075铝合金性能特点 1236421.1.2厚度对7075铝合金保险杠碰撞性能的影响 2308631.1.3铝合金保险杠正面碰撞性能分析 3237941.1.4铝合金保险杠角度碰撞性能分析 7279633.1.2铝合金保险杠高速碰撞性能分析 1127461.2保险杠碰撞性能比较 17近年来，已经出现了很多种轻量化材料，比如铝材、炭纤维复合材料以及高强度复合材料，这些材料都为车身轻量化的研究奠定了不少的基础条件，这也将会成为汽车轻量化的研究重要方向。金属铝是一种轻金属，它具有质量很轻、耐磨性能好、良好的延展性、强度和刚度高坚固耐用等优点，已经成为汽车车身轻量化的重要替代材料之一。本章将把原来的高强度钢材料替换7075铝合金材料，来减轻保险杠的质量。1.1铝合金保险杠碰撞性能分析1.1.17075铝合金性能特点金属铝具有质量很轻、耐磨性能好、良好的延展性、强度和刚度高坚固耐用等多个优点，成为很多汽车厂商首选的轻量化材料。同时金属铝材料的使用在车辆上越来越广泛，包括局部和整体的使用的车型也越来越多。目前铝合金的6000系列，由于可塑性强、强度高抗和腐蚀性好等优点，被汽车厂商广泛的运用在车辆上。本文采用的7075铝合金为7000系列（Al-Mg-Si）\t"/item/6082%E9%93%9D%E5%90%88%E9%87%91/_blank"合金铝板，它是一种可以进行热处理和可强化的铝合金板，其焊接性能和耐腐蚀性均较好。表1.1和表1.2为7075铝合金化学成分和力学性能。表1.17075铝合金化学成分[22]CuSiFeMnMgZnCrTi其他1.2-2.02.1-2.95.1-6.10.18-0.280.20.15表1.27075铝合金力学性能材料密度ρ（）弹性模量E(MPa)泊松比μ屈服应力（Mpa）70752.8100E-09717000.335031.1.2厚度对7075铝合金保险杠碰撞性能的影响由于高强度钢的强度大于铝合金的强度，所以铝合金的厚度要适当的增加。为了能深入的了解不同的厚度所对7075铝合金保险杠产生的碰撞性能的影响，为后面的铝合金保险杠提供依据。在不超过原保险杠的质量情况下，分别取厚度为1.6mm、2.0mm、2.4mm、2.8mm、3.2mm，来对铝合金保险杠进行摆锤正面低速4km/h碰撞保险杠，结论以下表1.3。表1.3不同厚度的铝合金保险杠碰撞性能比较厚度（mm）质量（kg）质量下降比（%）最大变形量（mm）最大加速度（mm）吸能（J）1.63.16741.9%41.4112835.3378.82.03.69135.8%37.8915425.631626.6%31.9118458.834017.6%27.2821108.63658.43%21.5023893.1371.5从表1.3可以看出不同厚度的铝合金碰撞性能对比可以看出，每个厚度的变形量都符合保险杠的许可位移。铝合金保险杠的厚度越小，变形量越大，吸收的能量就越多。对于变形量，与原高强度钢保险杠而言，铝合金的变形量相对要小，吸能也略增大。随着厚度的增加，最大加速度也逐渐增加，在这些厚度的铝合金保险杠都要比原高强度钢的保险杠要大，要降低加速度，才能车辆的保护越好。经过变形量、吸能、最加速度等综合考虑，最后选择厚度2.5mm来作为横梁和吸能的厚度。1.1.3铝合金保险杠正面碰撞性能分析铝合金的保险杠质量为1.347kg，下面是摆锤以4km/h的速度对铝合金保险杠正面碰撞的仿真结果的分析：通过图1.1可以看出，摆锤碰撞铝合金保险杠的全过程，在50ms时保险杠受到摆锤的力只发生了轻微的变形，在100ms时，保险杠产生了回弹，回到了原来的形状并与摆锤产生了一定距离。整过碰撞过程在70ms左右就已经结束。图1.1正面碰撞铝合金保险杠变形响应摆锤速度、加速度和保险杠速度响应在图1.2为铝合金保险杠和摆锤的速度曲线。从图中的两条速度曲线可以看出在在70ms左右摆锤与保险杠的速度趋向平稳，可见在碰撞过程到75ms时几乎结束。摆锤的速度在碰撞结束时为58mm/s，保险杠速度为1032mm/s。图1.2铝合金保险杠摆锤和保险杠速度变化曲线图1.3是摆锤碰撞铝合金保险杠加速度曲线，从图可知在摆锤45ms时，加速度在达到了最大，其最大值达了19106mm/s²，由此可得保险杠承受最大碰撞力是21016.6N，与原来的保险杠的最大碰撞力17600N相比要大。摆锤加速度在87ms时降低到零，说明摆锤和保险杠已经完全分开，碰撞也已经结束。图1.3铝合金保险杠摆锤加速度变化保险杠变形情况从图1.4铝合金保险杠的位移云图，可以看出保险杠的最大变形发生在横梁中部，变形量从中部往两边慢慢变小。由图1.5铝合金保险杠的位移曲线可以看到，保险杠横梁中部的在47ms时变形最大，最大变形量为30.55mm。保险杠在47ms后变形量逐渐下降，慢慢恢复形状，89ms后保险杠变化量有小幅度的轻微振荡。图1.4铝合金保险杠变形云图图1.5铝合金保险杠变形曲线保险杠最大应力在本次碰撞中，保险杠的横梁中部和吸能盒前部连接的位置受到的最大应力比较大，最大应力为503MPa，图1.6为铝合金保险杠45ms时应力云图。图1.6铝合金保险杠45ms时应力云图保险杠吸能分析图1.7显示了摆锤碰撞铝合金保险杠过程中系统中的各中能量的变化。该系统的初始能量，也就是摆锤最初的总能量为786J。保险杠在47ms时变形最大，而系统的内能达到最大值，最大可吸收的能量为377J，相当于48%的总能量，吸能比较充分。图1.7铝合金保险杠能量变化图1.1.4铝合金保险杠角度碰撞性能分析根据保险杠碰撞标准，在角度碰撞中需要将摆锤放置在保险杠两边其中一端的60°角度的地方，摆锤角度碰撞速度为691.4mm/s。如图1.8是铝合金保险杠角度碰撞的不同时间段的变形响应。从图可知，保险杠与摆锤接触的那端发生碰撞在50ms时，有轻微变形，在100ms时，保险杠恢复形状，并与摆锤产生一定的距离。图1.8铝合金角度碰撞保险杠变形响应摆锤和汽车的速度响应如图1.9所示可以看出，两条速度曲线的变化情况。摆锤的逐渐速度下降，同时保险杠速度由于受到摆锤的冲击，有逐渐上升。摆锤在角度碰撞的速度最开始为694mm/s，可见摆锤和铝合金保险杠之间的碰撞在57ms几乎结束。图1.9角度碰撞速度变化曲线碰撞力变化情况如图1.10为摆锤碰撞保险杠的碰撞力变化曲线。从图可知碰撞力随着碰撞的进行逐渐增大，并在38ms达到最大，其最大值为20994N，随后逐渐减小，降至为0N。图1.10角度碰撞碰撞力变化曲线保险杠的变形情况铝合金保险杠的角度碰撞位移图为图1.11，由于摆锤的撞击，该外侧的位移较大，而另一端的位移相对较小。虽然保险杠与摆锤接触的那端发生的位移较大，但由于车身是偏转后移的，所以使得整体保险杠变形很小。横梁受到摆锤的冲击作用的最大移位为：15.86mm。图1.11角度碰撞最大位移云图保险杠等效应力保险杠与摆锤接触的那端由于挤压接触会较大，所产生的应力也较大。在碰撞时，横梁与摆锤接触那端出现了最大应力，其中值为503MPa，同时吸能盒的最大应力为503MPa。铝合金角度碰撞35ms时保险杠的应力云图为图1.12。图1.12铝合金角度碰撞35ms时等效应力云图吸能特性分析从图1.13的各个能量变化曲线，可以看到系统的能量曲线代表系统的初始总能量，也就相当于摆锤的最初动能为311J。在看系统内能曲线可以得到，在39ms时，保险杠吸收的内能最大，最大吸能为133J，只占总能量的42%。仿真结束时，可以看到沙漏能的曲线只有1.632J，只占总能量的0.52%，说明沙漏能小到基本上不会影响计算结果。图1.13角度碰撞能量变化图3.1.2铝合金保险杠高速碰撞性能分析保险杠的初速度为13888.88mm/s（50km/h），如图1.14是铝合金保险杠高速碰撞刚性墙的主要过程，由图可知在5ms时，横梁最先与刚性墙发生碰撞，横梁出现了大的变形，吸能盒也有被压缩的痕迹。在10ms时吸能盒直接被压缩，在15ms时候吸能盒被压缩到极限，20ms后由于惯性保险杠整体发生回弹，向后移动。图1.14铝合金保险杠变形响应（1）保险杠速度响应如图1.15所示，保险杠的速度随着时间的变化而上升，保险杠初始速度为13888.88km/h，在1ms时保险杠与刚性墙接触，在17ms后由于产生惯性，保险杠往后位移，碰撞结束。图1.15速度变化曲线碰撞力变化情况从图1.16的碰撞力曲线可以看出，在3ms发生开始碰撞时，碰撞力缓慢上升，在15ms时迅速上升，在16ms达到最大，最大值为2.87×N，在17ms后迅速下降至0N。图1.16铝合金保险杠碰撞力变化曲线保险杠变形情况由于在高速碰撞中，保险杠变形速度比较快，其中如图1.17是在0-20ms为保险杠高速碰撞的主要变形云图，从图可以看出4ms时，由于与刚性墙碰撞，横梁收到撞击，中部分的形状发生变形，吸能也有收到轻微挤压变形，在8ms时吸能盒已经被压缩至一半，在12ms时候吸能盒已经完全变形，被压缩到极限。和原保险杠一样在16ms时，横梁出现最大位移，最大位移为199.13mm。（a）0ms（b）4ms（c）8ms（d）12ms（e）16ms（f）20ms图1.17铝合金保险杠0-20ms位移云图保险杠等效应力从图1.18保险杠0-20ms应力云图可以看出应力的变化情况，在15ms时最大应力出现在纵梁的连接板上，最大值为1006.8MPa。横梁的最大应力为503.0MPa。（a）0ms（b）4ms（c）8ms（d）12ms（e）16ms（f）20ms图1.18铝合金保险杠0-20ms应力云图高速碰撞吸能特性分析图1.19为铝合金在高速正面碰撞中，该系统的各种能量的变化曲线。改系统的初始能量，也就是保险杠的最初总能量为1.25×J。在发生碰撞时，保险杠的内能随着它的变形量而增大，内能的最大值出现在15ms时，最大吸能达到1.23×J，占总能量的34%，吸收较充分。同时沙漏能的最大值为823J，占总能量的0.65%，沙漏很小，对仿真结果不受影响。图1.19高速碰撞能量变化图1.2保险杠碰撞性能比较按照法规要求，分别对7075铝合金保险杠和原高强度钢的保险杠进行了低速和高速的碰撞仿真，两种材料的仿真结果满足保险杠碰撞标准要求，现将铝合金保险和原保险杠的碰撞特性进行对比，碰撞特性对比参数如表1.4所示。表1.4铝合金保险和原高强度钢保险杠碰撞性能比较质量（kg）碰撞方式最大变形量（mm）最大碰撞力（N）吸能（J）7075铝合金保险杠1.347低速正面碰撞30.5521016377低速角度碰撞15.8626994133高速正面碰撞199.132870000042300高强度钢保险杠5.750低速正面碰撞30.3217600362低速角度碰撞17.4119890132