【保险杠碰撞仿真分析案例5600字】

保险杠碰撞仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u7843保险杠碰撞仿真分析案例 1165691.1保险杠低速碰撞有限元模型 250901.1.1摆锤模型建立 2257531.1.2保险杠模型的建立 3288211.1.3有限元网格划分 4317881.1.4保险杠模型的质量检查 533181.1.5保险杠的材料模型 7146801.1.6接触定义 7275521.1.7加载集中质量和边界条件 8295551.2低速正面碰撞仿真结果分析 9289691.2.1正面碰撞动力响应特性分析 994461.2.2正面碰撞吸能特性分析 14321941.3低速角度碰撞仿真结果分析 14263401.1.1角度碰撞动力响应特性分析 1483311.1.2角度碰撞吸能特性分析 20255691.4高速正面碰撞仿真结果分析 2068371.4.1保险杠高速碰撞有限元模型 21160381.4.2高速碰撞动力响应特性分析 21227121.4.3高速碰撞吸能特性分析 2569761.4小结 251.1保险杠低速碰撞有限元模型依据FMVSS581保险杠碰撞法规中[16]，是需要摆锤对保险杠进行碰撞的实验，分为正面碰撞和角度碰撞。按照法规中要求，在发生碰撞前，汽车必须在无负载停止的情况下，前轮在直线行驶的位置，轮胎要按照厂家的要求进行充气，并且完全松开制动器，变速器挂在空挡上。碰撞实验后，除了前保险杠与车架连接的安装件外，车辆外部不能有掉落物或者变形，而车辆能正常工作，汽车的其他功能可以正常使用。根据法规的要求，本章中的低速碰撞仿真是要摆锤以4km/h速度正面，以及以2.5km/h速度60°角度，分别对保险杠进行碰撞，以此来对这两个工况进行低速碰撞仿真分析。1.1.1摆锤模型建立依据FMVSS581标准，对于摆锤碰撞保险杠实验中，如图1.1所示摆锤装置的模型所按照先规定。如图1.2是采用CATIA创建的摆锤几何模型。图1.1摆锤轮廓（单位mm）[17]图1.2摆锤几何模型1.1.2保险杠模型的建立在建立保险杠有限元模型[19]需要考虑几个重要因素：几何模型线条的清理、对模型网格划分、选择网格单元、材料模型和参数等。其中有限元模型的单元质量极大的影响了计算结果准确程度，因此必须要保证有限元模型的质量。本文针对国内某款车型的前保险杠，如图1.3为CATIA建立好前保险杠几何模型，随后需要在CATIA中导出与Hyper

Mesh兼容格式的STP格式，把STP格式的几何模型顺利导入HyperMesh软件中。保险杠模型材料和厚度如下表所示。表1.1保险杠模型材料和厚度零件名称材料厚度（mm）横梁HC550/980DP1.2横梁连接板HC550/980DP1.6垫板HC550/980DP2.5吸能盒HC340/590DP1.4纵梁的连接板B340LA4.1图1.3保险杠几何模型1.1.3有限元网格划分接来下需要将模型导入HyperMesh软件，对模型进行有限元的网格划分[18-19]，由于保险杠属于薄壁件，故将其划分网格采用薄壳单元。由于在碰撞仿真中，属于大变形、大应力的动力学，变形区的壳单元的大小直接影响了计算结果，若网格过大计算结果不准确，若网格过小会增加计算时间。根据相关文献和经验，最终选择保险杠的网格大小为8mm。由于摆锤是实体单元，所以摆锤要采用刚体形式，在碰撞仿真过程中的反应，所以选择六面体单元尺寸为10mm。模型需要焊点连接的地方采用刚性单元连接。将摆锤和保险杠网格都划分好，图1.4是依照法规中4km/h低速正面碰撞的相应位置建立有限元模型图，有限元网格包含52714个有限元单元和59226节点，单元格符合要求。图1.4正面碰撞有限元模型1.1.4保险杠模型的质量检查网格数量越多，则求解更加精确，但求解的时间更长，占有更多的内存。所以我们对网格的要求逐渐细化网格中，要使网格达到我们所需要的精度也达到最好的目标。网格质量的好坏，也决定着网格形状的合不合理，只有当不同的类型的网格形状都在理想状态时，计算出来的结果才是最准确的。有限元网格也有检查标准，在此依据相关要求的单元质量表格见表1.2。表1.2有限元网格划分标准[20]参考值长度8≤L≤25翘曲度＜15最大四边形角度135最小四边形角度45最大三角形角度120最小三角形角度20雅可比0.6质量检查包括：网格单位质量检查、网格自由边检查、网格自有节点检查、网格重复检查、网格法线检查等等。图1.5是把网格的单位质量和错误改正后的网格总体结果如图：图1.5有限元网格模型质量检查1.1.5保险杠的材料模型当划分好有限元模型后，要给模型附上规定的材料和属性，才能在软件中计算。摆锤刚性较大，采用软件中的MATL20号刚体材料模型。摆锤材料参数如表1.3所示。表1.3摆锤材料参数材料密度ρ（）弹性模量E(MPa)泊松比μ刚体1.2978E-082100000.3保险杠各部分采用的材料不同，横梁采用材料的是宝钢的冷轧双相钢，牌号为HC550/980DP，吸能盒也是采用宝钢冷轧双相钢，牌号为HC340/590DP，连接板采用的是宝钢B340LA低合金高强度冷轧钢。保险杠的各部分都是MATL24号的线性塑性材料的模型，材料参数如表1.4所示。表1.4各项材料的参数材料名称密度ρ（）弹性模量E(MPa)泊松比μ屈服应力（Mpa）HC550/980DP7.8500E-092100000.3836HC340/590DP7.8500E-092100000.3533B340LA7.8500E-092100000.33971.1.6接触定义在单位中，接触的类型可以分为几大类，分别有单向接触、双向接触、单面接触、固-连接触。单相接触中，只需要检查从节点是否穿透主面，而不需要考虑主节点，因此，确保在接触的时候主节点不会穿过从面。在主从面的定义和算法处理是完全对称的，所以可以任意定义主面和从面。本文对摆锤和保险杠的接触定义为自动的面对面接触，保险杠的其他部件为单面接触。并把静摩擦系数FS为0.2，动摩擦系数FD为0.1[20]。1.1.7加载集中质量和边界条件根据保险杠的碰撞法规中规定，是需要摆锤与整车进行碰撞的，但由于本文只研究保险杠的仿真分析，所以采用了在保险杠的后端加载集中质量的方式来模拟整车质量。在左右吸能盒分别取几个节点定义为节点刚体，并在中心节点上加上质量来模拟汽车整车的车身，整车质量包括保险杠的质量之和是1300kg。按照保险杠碰撞法规进行碰撞仿真中所用的摆锤质量可以调节，需要在每次碰撞中与整车质量相同。本文采用改变摆锤的密度来改变摆锤的质量，使其质量达到1300kg。在法规中要求，在模拟碰撞仿真中，是要松开手刹，相对于保险杠的在碰撞方向是不需要约束它的自由度。所以本文只约束了摆锤和保险杠对地面的自由度的约束。而在仿真过程中，车辆和地面必然会存在摩擦，但由于摩擦力随着时间的推移而变化，数值不易预测，而且对碰撞力的影响很小，所以可以忽略不计。1.2低速正面碰撞仿真结果分析1.2.1正面碰撞动力响应特性分析根据法规的标准要求，假定摆锤是往碰撞方向做水平方向的自由运动，摆锤质量与被碰撞的整车质量相等为1300kg，摆锤碰撞的初速度为1111mm/s（4km/h），如图1.6为正面碰撞工况的情况。通过仿真结果，如图1.7是摆锤碰撞保险杠的主要过程，从图中可以看出在50ms时，横梁受到摆锤的碰撞有轻微的变形，并往后位移，随着碰撞的进行，在100ms时，横梁进行回弹又恢复了原来的形状。图1.6正面碰撞工况图1.7正面碰撞保险杠变形响应摆锤速度、加速度和汽车速度响应如图1.8所示摆锤的速度随着时间的变化而下降，而保险杠在收到摆锤的冲击力后，速度迅速上升。从图中的两条速度曲线可知，摆锤初始速度为1111mm/s，在85ms后渐渐恢复稳定，保险杠曲线一直都有轻微振荡，可见摆锤和保险杠之间的碰撞在85ms基本结束。图1.8速度变化曲线从图1.9是摆锤加速度的变化曲线，摆锤的加速度随着时间逐渐增加，随后逐渐降至为0，在49ms时到达最高点后开始减小至零，其中摆锤加速度在49ms达到最大值，最大值为16009mm/s²。当加速度为零时，表示摆锤和保险杠全完分离。根据公式牛顿第一公式，计算出保险杠所承受的最大碰撞力是17600N。图1.9摆锤加速度变化曲线保险杠的变形情况保险杠的发生的变形情况，可以通过保险杠的位移来作为依据，碰撞过程中，横梁的中部产生的变形最大，有轻微的凹陷，凹陷的地方随后有恢复回来。保险杠的变形量可通过保险杠的位移来看，如图1.10、图1.11所示横梁中部在50ms发生了变形最大，最大位移为：30.319mm，在50ms后变形量下降，变形的位置慢慢恢复。图1.10保险杠在50ms位移云图图1.11保险杠变化量保险杠等效应力在50ms保险杠变形最大的时候等效应力最大，保险杠的最大应力主要在横梁的中部，其中最大应力为1099MPa。吸能盒的最大应力为924.8MPa。与纵梁连接板最大应力为443MPa。如图1.12为50ms的等效应力图。图1.12正面碰撞50ms时等效应力云图1.2.2正面碰撞吸能特性分析在摆锤初速度为1111mm/s的正面碰撞保险杠的过程中，图1.9的曲线显示了该系统的各中能量的变化。该系统的初始能量，也就是摆锤最初的总能量为786J。在碰撞时，保险杠的内部能量会随着保险杠的变形而增大，而摆动的动能也会随之降低。在最大的保险杠变形及撞击后50ms的情况下，系统内能出现最大值，保险杠的最大吸能达到了362J，在总能量占到46%，吸收比较充分。保险杠永久塑性变形在吸收的能量为176J。从图1.13的沙漏曲线可以看出，当仿真结束时，沙漏能的最大值为1.783J，仅占总能量的0.22%，沙漏能非常的小，基本上对结果无影响，说明此次碰撞仿真不存在失真的情况，仿真的模型密度也合适。图1.13正面碰撞能量变化图1.3低速角度碰撞仿真结果分析1.1.1角度碰撞动力响应特性分析根据保险杠碰撞标准要求，如图1.14为角度碰撞的工况说明，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，摆锤碰撞初速度为694mm/s（2.5km/h），在此碰撞过程大约在70ms左右完成，如图1.15是角度碰撞的变形响应，可以看出由于是角度的碰撞，在50ms内与摆锤接触的一段的会有轻微变形，在100ms后有向后移动，并与摆锤产生一定的距离。图1.14角度碰撞的工况图1.15角度碰撞保险杠变形响应摆锤和汽车速度响应摆锤的速度随着时间的变化而下降，由于保险杠受到摆锤的冲击，保险杠的速度成波浪线逐渐上升。如图1.16所示，摆锤最开始的速度为694mm/s，可见摆锤和保险杠之间的碰撞在70ms基本结束。图1.16速度变化曲线碰撞力变形情况在碰撞过程中，摆锤上的点加速度不同，两边加速度会比中间大许多。如图1.17所示摆锤与保险杠碰撞力变化曲线，可直观的看到摆锤的碰撞情况。摆锤的碰撞力随时时间的变化而逐渐增大，在38ms时候达到了最大值，其最大值为19890N。图1.17角度碰撞碰撞力变化曲线保险杠的变形情况由于摆锤碰撞的位置不同，所以角度与正面碰撞的变形情况具有相当大的差别，在正面碰撞的变形主要是在横梁的中部，而角度碰撞的最大变形是在摆锤放置横梁的那端，而另外一端变形量几乎不受影响。如图1.18中看出保险杠受到摆锤的冲击作用横梁收到最大变形，其中最大移位为：17.41mm。图1.18角度碰撞最大位移云图保险杠等效应力在角度碰撞中，由于保险杠与摆锤接触的那端，受到摆锤的挤压接触很大，因此产生的应力也会很大。横梁产生的最大的应力为1111.07MPa，吸能盒产生的最大应力为751.86MPa，以及与纵梁接触的连接板最大应力为34.6MPa。在47ms时保险杠受到的角度碰撞应力如图1.19。图1.19角度碰撞80ms时等效应力云图1.1.2角度碰撞吸能特性分析摆锤以694mm/s的初速度，在于前方60°角的位置碰撞保险杠过程中，图1.20可以看到系统中不同能量的变化情况。从系统总能量曲线看出，系统的初始能量，也就是摆锤最初的总能量为312J。随着时间的变化，保险杠的逐渐发生变形，保险杠的内能也逐渐增加，摆锤的动能减小。从系统内能曲线可以看出，保险杠在40ms时出现了最大的变形，保险杠最大吸收能量为132J，占总能量的42%。结果说明，在碰撞后，保险杠所吸收的能量48J为永久塑性变形。从图1.20的沙漏能的曲线可以看出，沙漏能在仿真结束时，最大值为0.839J，仅占总能量的0.268%，沙漏能也是非常小的，对结果无影响。图1.20角度碰撞能量变化图1.4高速正面碰撞仿真结果分析1.4.1保险杠高速碰撞有限元模型根据C-NCAP正面碰撞实验，建立好保险杠高速碰撞的有限元模型[21]。按要求，车辆需要在50km/h的速度对刚性墙进行100%的重叠率正面碰撞。在保险杠的设置一面刚性墙，采用实体单元进行网格划分，单元采用的大小为100mm，采用软件中的MAT20材料模型，刚性墙的参数如下表1.1，并约束刚性墙的所有自由度。图1.21是依照C-NCAP实验中，以50km/h高速对刚性墙100%正面碰撞建立的有限元模型图，有限元网格包含9624个有限元单元和9991节点，单元格符合要求。刚性墙与保险杠之前的摩擦系数设为0.15，保险杠的设置与低速碰撞的有限元模型相同。表4.3刚性墙材料参数材料密度ρ（）弹性模量E(MPa)泊松比μ刚体7.85E-092100000.3图1.21保险杠碰撞刚性墙有限元模型1.4.2高速碰撞动力响应特性分析根据高速碰撞的相关要求，假设保险杠是往碰撞方向做水平方向的自由运动，整车质量相等为1300kg，保险杠的初速度为13888.88mm/s（50km/h），如图1.6为高速正面碰撞工况的情况。通过仿真结果，如图1.22是保险杠高速碰撞刚性墙的主要过程，从图中不同时间的变形响应可以看出，在0ms时保险杠开始与刚性墙碰撞，在5ms时横梁受限于与刚性墙接触，横梁受到刚性墙的挤压，吸能盒也开始轻微挤压，发生变形，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1.21保险杠碰撞刚性墙工况图1.22保险杠高速碰撞变形响应保险杠速度响应如图1.23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1.23速度变化曲线碰撞力变化情况从图1.24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13ms时迅速上升，在16ms达到最大，最大值为2.45×N，在18ms后迅速下降至0N。图1.24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1.25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，横梁已经发生大变形，吸能盒有轻微变形，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。16ms时，横梁出现最大位移，最大位移为211.8mm。（a）0ms（b）4ms（c）8ms