基于ANSYS/LS-DYNA的轻型货车车身缓冲区有限元分析

马建伟



基于ANSYS/LS-DYNA的轻型货车车身缓冲区有限元分析

马建伟

（邢台职业技术学院，河北 邢台 054035）

分析了轻型货车安全性，介绍了碰撞有限元法的基本原理和有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA，对原车进行耐撞性改进设计，增加了缓冲区，根据车身缓冲区的三维结构，用UG软件建立了车身缓冲区的力学模型，并利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对车身缓冲区进行了模拟碰撞分析，将输出结果与原车身前部的碰撞结果相对比，证明对车身的改进设计是合理的，简化了设计流程，对轻型货车的耐撞性设计有很好的指导意义。

轻型货车；车身；碰撞；有限元

交通事故日益增加，汽车的安全性设计在现代汽车设计中占有越来越重要的地位，但不同类型的车辆，安全性设计的侧重点不尽相同。针对轻型货车价格低廉、广泛应用于城乡结合部、事故率高、事故伤害大的特点，在主要考虑安全性的同时，还要兼顾成本和适用性。

一、碰撞有限元法的基本原理

有限元法是将弹性体划分为有限单元，彼此只在有限点连接的，把有限的单元组合起来进行研究，用一个离散结构代替原结构，作为真实结构的近似力学模型，后续的数值计算在这一离散结构上进行，即有限单元离散化[1]。

图1 碰撞有限元用于工程实际分析的一般过程

汽车耐撞性分析的有限元法是在20世纪80年代以后逐步发展和完善起来的先进技术，现在在汽车车身设计领域应用很广，并为汽车车身设计提供很大方便[2]。碰撞有限元用于工程实际分析的一般过程如图1所示。

和碰撞试验法相比，有限元法是数值分析方法，在电脑上完成分析与运算，这种方法非常方便、快捷，减少了实验的费用，因此在汽车碰撞安全性研究方面占有特殊重要的地位[3][4]。

二、货车缓冲区的结构建模与改进

为提高轻型货车的安全性，加大对驾驶员的保护，减少碰撞时对驾驶员的伤害，对平头式货车进行改进，在保证货车内部空间的前提下，在货车前部增加耐撞吸能区，在汽车的前纵梁和保险杠中间增加汽车碰撞安全保护结构[5]，以保证在汽车发生碰撞时，汽车绝大部分的能量由前纵梁通过溃缩变形来吸收能量，使得车身覆盖件向车内的侵入位移不致过大，并且前纵梁结构不应先于保险杠总成产生碰撞压溃失效[6]。在进行有限元分析之前，本设计采用UG软件建立三维力学模型，并为了在ANSYS中顺利地划分网格，增加了缓冲区模型做了如下修改：对不平滑、质量不好的的曲面截取边界，重新作曲面；对曲面之间由于接触不好产生的缝隙，在修改后将两曲面在默认的公差下缝合。对于一些不影响分析结果的细微结构，在简化模型的时候将其忽略，如倒圆角、工艺结构等。在修改了各个部件后，将其装配成一个整体，修改后模型如图2所示。

图2 改进后缓冲区的三维图模型图

图3 墙和缓冲区部件的网格划分

三、对缓冲区进行碰撞有限元分析

1.前处理

以GUI方式启动ANSYS/LS-DYNA，将压溃杆的模型导入。将缓冲区和撞击墙单元类型都定义成壳单元，将墙的实常数厚度定义为0.001m；再将前顶件、压溃杆、前围板的厚度分别定义为0.0025m、0.0008m、0.003m。将墙材料定义为密度为7830kg/，弹性模量为207GPa，泊松比为0.28。由于缓冲区是弹塑性材料，在ANSYS中定义该材料模型，首先需要定义两个数组来输入应变和相应的应力，然后生成一条应力应变曲线，最后该材料模型调用该应力应变曲线。对墙和缓冲区部件进行网格划分，如图4所示。将接触定义成单面接触，分别将静摩擦和动摩擦定义成0.2、0.18，将缓冲区的初速度设置为20m/s。

2.求解

完成上述操作后可以直接递交求解，也可以输出关键字文件，然后递交给LS-DYNA进行计算。本文先直接递交求解并输出关键字文件，算出结果后观察结果，修改关键字文件，再递交给LS-DYNA（Ls970.exe）进行计算。

3.后处理

上述求解后输出D3PLOT文件，用Isprepost进行后处理。得到整个缓冲区不同时刻的变形情况如图6所示。

图4 缓冲区的变形过程

四、对前围板的分析

前围板的分析过程同上述的分析过程大致一样，而且为了对比结果，两次分析的一些初始参数如初速度等被设置为相同。修改后的前围板模型如图5所示。

图5 原前围板修改后的模型

对前围板的变形在ANSYS/LS-DYNA进行碰撞分析，碰撞过程中的变形情况如图6所示。

图6 前围板碰撞变形过程

1.结果分析

根据分析结构获得碰撞中前围板的动能变化曲线如图，碰撞中X方向上加速度变化曲线如图7所示，动能变化曲线如图8所示。

图7 加速度变化曲线

加速度曲线表明，加缓冲区后的前围板在碰撞过程中的加速度最大值为2.1左右，而原前围板在碰撞过程中的加速度峰值却达到了5.5左右，原前围板的性能明显不如加缓冲区后的前围板。另外，从上述加缓冲区后的加速度变化曲线还可以看出，在0.004S左右，加速度出现最大值时，这个加速值还持续了一小段时间，这正满足了“碰撞过程中要加速度尽量小，在加速度峰值时持续的时间最长”的理想特征。

图8 动能变化曲线

动能变化曲线表明，加缓冲区前围板的动能在0.005秒内减少接近至0，而加缓冲区后的动能在0.02秒时才减少趋近于0，可见，在碰撞中，缓冲区能使动能在一段比较长的时间内衰减，而不会出现急剧降低的情况，性能要明显优于原前围板。

五、结论

通过对结果分析，可知所加的缓冲区起到了缓冲效果，碰撞中表现出能量的衰减、加速度的变化都较契合理想特性，加缓冲区的前围板的性能明显好于原前围板，因此，对原车的改进设计对于提高原车的耐撞特性是有效的。

在碰撞分析过程中，参数的设定是在反复的几次碰撞模拟计算、根据观察变形情况并修改后计算得到的。这些参数将对缓冲区结构设计起到参考作用。

利用有限元法碰撞分析法，简化了缓冲区设计的过程，提高了设计精度，对设计出具有良好的耐撞性的货车有很好的指导意义。

[1]赵桂范，柳东威，孟媛媛.轿车正面碰撞有限元仿真研究[J].机械设计与制造，2010（1）：18-20.

[2]龚洁.汽车前保险杠碰撞的有限元仿真分析研究[D].沈阳：东北大学：2010.

[3]张积洪，李德根.基于ANSYS/LS-DYNA的进近灯光杆塔撞击应力数值仿真[J].制造业自动化，2011，32（3）：131-133.

[4]时党勇，李裕春，张胜民.基于ANSYS/LS-DYNA 8.1进行显式动力分析[M].北京：清华大学出版社，2005.

[5]赵海鸥.LS-DYNA动力分析指南[M].北京：兵器工业出版社，2003.

[6]黄金陵.汽车车身设计[M].北京：机械工业出版社，2007.

Finite Element Analysis on Buffer of Light-duty Truck Body Based on ANSYS/LS-DYNA

MA Jian-wei

（Xingtai Polytechnic College, Xingtai, Hebei 054035, China）

The safety of light-duty truck is analyzed，basic principle of the collision finite element method and collision finite element analysis software ANSYS/LS-DYNA are introduced. Improved design of the original car is conducted, the buffer is added. According to three-dimensional structure of body buffer, the mechanics model of the buffer is built using UG software, and simulated collision analysis of buffer is conducted using the finite element analysis software ANSYS/LS-DYNA. With the original in the front of the car body collision, the output result is contrasted with original body collision results. It proved that improvement design to body is reasonable, design process is simplified, and it has a good guidance to crashworthiness design of light-duty truck.

light-duty truck; body; collision; finite element

（责任编辑 王傲冰）

U463

A

1008—6129（2016）05—0083—05

2016—08—11

马建伟（1981—），河北唐山人，邢台职业技术学院汽车工程系，讲师。