铝合金车身关键零部件耐撞性能研究

张军　武玉慧

摘 要：安全、节能、环保是未来汽车发展的主题，为了既能更好的保护车内乘客的安全，又可以提高能源利用率。本文使用三维建模软件CATIA进行前纵梁建模，然后通过Hyper Mesh 软件对前纵梁进行网格划分，最后通过LS_DYNA软件对汽车正面碰撞安全性能进行求解，分析了不同结构的前纵梁的耐撞性能，为前纵梁优化改进提供依据。

关键词：前纵梁；碰撞；仿真；结构优化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.044

0 引言

据研究表明，正面碰撞发生的概率是所有碰撞类型中最高的，对乘客造成的伤害也是最大的[1]。前纵梁既是吸收汽车前部纵向碰撞能量的主要结构，又是控制碰撞能量在汽车中的分布情况的主要装置。据研究，设计良好的汽车前纵梁在正碰时吸收的能量能达到总吸收能量的50%以上，是最重要的吸能元件[2]。因此前纵梁的变形及吸能状况很大程度上决定了整车的耐撞性能好坏[3]。

本文通过对前纵梁进行仿真分析，从而对前纵梁的结构及材料进行优化，使汽车在发生正面碰撞时更好的保护车内乘员的安全，并且提高能源利用率。

1 仿真分析路线图

1.1 HyperMesh前处理

前纵梁材料按照铝真实应力—应变材料特性设置为24号线性材料MATAL24 并考虑材料应变率效应，选用Krupkswsky模型和Cowper—symonds应变率模型，选择经验值C为40，p为5[4]。密度为2.7X10-9t/mm3，弹性模量E=79000Mpa，泊松比NU=0.33，屈服应力SIGY=130Mpa。对于有限元仿真分析，网格大小的选取是非常重要的，网格大小的不同可能导致塌陷形式的不同。网格划分越小，计算时间越长，变形描述越详细。然而较大的网格划分可能会引起较大的沙漏能，导致仿真变形失真。薄壁梁最佳单元尺寸为L=0.5πr，r=0.72C1/3t2/3，C为截面宽度，t为板厚度，r为折叠半径[5]。综合考虑前纵梁特性和仿真计算时间后，选取网格尺寸为6mm[6]。如图2所示。

前纵梁后端施加0.5t的质量（考虑到整车质量1.2t），以时速50km/h的速度撞向刚性墙。

1.2 LS_DYNA仿真求解

使用LS_DYNA软件，将划分好网格并赋予材料，施加约束和边界条件的模型进行求解。

结果如图3所示。

2 优化前后铝合金前纵梁能量对比分析如图4所示

3 结论

通过联合使用CATIA三维建模软件、HyperMesh和LS_DYNA两款CAE软件对两种不同截面形状的前纵梁正面碰撞进行了仿真分析，结果显示沙漏能均未超过总能量的3%，因此仿真结果较为理想。结果表明优化后的前纵梁的吸能过程更加平缓，在吸收相同能量的情况下，压溃距离明显缩短。所以铝合金材质的正六面体截面前纵梁更有利于保护车内乘客的安全。

参考文献：

[1]陈吉清，周鑫美，饶建强，区权湛.汽车前纵梁结构碰撞吸能特性及其优化的研宄[J].汽车工程，2010，32（06）：486-492.

[2]McNay Gene H. Numerical Moleling of Tube Crash with Experiment Comparision[J].SAE Paper：880898.

[3]苏建.汽车前纵梁结构的碰撞仿真及其优化[D].浙江工业大学硕士论文，2014（04）

[4]N.Jones，T.Wierzbicki.Structure aspects of ship collisions[M]. Structural Crashworthiness，1983：308-337.

[5]高伟，黎权波，基于LS—DYNA的汽车前纵梁碰撞性能仿真研究[J].湖北汽车工业学院院报：2010.6 第24卷第2期.

[6]胡远志，曹必强，谢书港.基于LS—DYNA和HyperWorks的汽车安全仿真与分析[M]：清华大学出版社.

基金项目：烟台大学研究生科技创新基金一般项目（YDYB1720）

作者簡介：张军，男，研究生，研究方向：机械工程。endprint