螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置的應(yīng)用研究

2013-06-16 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

目前,汽車被動安全防護措施卞要有安全氣囊、側(cè)氣簾、安全帶、防撞減振(活塞式)保險杠和側(cè)防撞橫梁等,這些措施的本質(zhì)都是對碰撞瞬間駕、乘人員的安全進行保護,而忽略了對車的保護。在碰撞過程中,車體大都受到不同程度的損壞。因此,車輛與人身雙保險、碰撞吸能系統(tǒng)智能化應(yīng)是汽車碰撞防護裝置的重要研究方向。本文使用有限兒方法對螺紋剪切過程進行仿真,為螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置的設(shè)計提供參考。

1 螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置介紹

螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置包括螺紋導(dǎo)桿、螺紋管、電機和保險杠組件。螺紋導(dǎo)桿一端以螺紋聯(lián)按套裝在螺紋管內(nèi),另一端仲出管外井與電機相連;保險杠組件與螺紋導(dǎo)桿仲出端或螺紋管的底端相接。在汽車發(fā)生碰撞事故前,該裝置能根據(jù)車速的大小自動伸縮;在汽車發(fā)生碰撞事故時,能通過螺紋的剪切變形吸收巨大的碰撞能量,確保碰撞過程具有平穩(wěn)的力一變形特性,同時避免車體遭受破壞;在汽車碰撞事故發(fā)生后,只需更換該裝置即可。從而達到既保護車內(nèi)乘員安全又保護汽車本身的目的。該裝置的核心是通過螺紋的剪切來吸收碰撞時的汽車動能。

2 螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置的安裝

螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置配合保險杠安裝在汽車前縱梁上,在平頭卡車上安裝非常方便,在轎車上的安裝如圖1所示。在汽車碰撞試驗中,副車架主要用作大變形緩沖吸能裝置,利用安裝副車架的螺釘孔與保險杠安裝孔,可將螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置安裝在汽車車身上,用來代林傳統(tǒng)的副車架。碰撞事故發(fā)生后,更換該裝置即可。為了盡量降低成本.可以將該裝置設(shè)計成通用件。因為大部分轎車質(zhì)量都在1~1.5t,大部分都有安裝孔位,只是孔位大小及結(jié)構(gòu)不一,可以使用不同的螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置后安裝座進行連按處理,核心的吸能部分完全可以通用。良好的車型適應(yīng)性能使該裝置具有廣闊的應(yīng)用前景。

螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置的應(yīng)用研究+有限元項目服務(wù)資料圖圖片1

3 螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置的有限元仿真

3.1模型的建立

選用ANSYS/LS-DYNA中的二維顯式實體單元SOLID164建立仿真模刑。該模型由2部分組成:一是螺紋管(內(nèi)螺紋)一是螺紋桿(相當于碰撞過程中的固定剛性墻)。模型采用彈塑性材料,50#。單片剪切模型共有30180個SOLID164單元、53 309個節(jié)點(見圖2)。

螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置的應(yīng)用研究+有限元項目服務(wù)資料圖圖片2

3.2定義按觸

螺紋間的按觸采用LS-DYNA的AutomaticContact,Surface to Surface按觸模型。在螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置中,螺紋單元按觸時會發(fā)生材料失效剪切問題,并且按觸是在剩余的螺紋中發(fā)生,所以必須選擇侵蝕按觸。在定義侵蝕按觸時,指定發(fā)生材料失效時保持邊界條件對稱,允許發(fā)生實體內(nèi)部侵蝕,自由表面發(fā)生侵蝕時包括實體單元的表面。

3.3邊界條件和載荷的設(shè)置

LS-DYNA程序中,所有載荷必須與時間相關(guān),對模刑進行加載時,剛性墻的所有自由度都被約束。螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置與剛性墻碰撞時的速度為14m/s。

3.4 計算結(jié)果及分析

3.4.1螺紋剪切過程中的變形與破壞

圖3是螺紋剪切過程中不同時刻的變形圖,整個過程歷時0.04s。隨著時間的增加,螺紋逐漸被剪切,但剪切力(碰撞力)基本保持不變。由動畫演示觀察可知,碰撞過程中產(chǎn)生了螺紋鐵屑的散落,如果散落位置不合理,可能導(dǎo)致鐵屑的重復(fù)剪切或摩擦,對模擬仿真結(jié)果帶來一定干擾。

螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置的應(yīng)用研究+有限元項目服務(wù)資料圖圖片3

3.4.2碰撞時的速度、加速度及碰撞能量吸收曲線

由圖4~6可見,在碰撞運動開始時,速度最大,碰撞力和位移最小;隨著碰撞的進行,碰撞力迅速增大,當螺紋開始被剪切時,碰撞力基本維持在一定范圍內(nèi)變化,碰撞速度迅速下降,螺紋的剪切吸收了碰撞過程中的能量。

螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置的應(yīng)用研究+有限元項目服務(wù)資料圖圖片4

由圖4可知,加速度曲線先直線上升,然后轉(zhuǎn)平,最后直線下降。符合理想加速度曲線要求;中段曲線有一定波動,原因是沖擊導(dǎo)桿在截面上單側(cè)受力,在雙螺紋剪切吸能試驗中可消除。

由圖5可知.速度曲線平滑.在中段基本呈直線.說明速度變化平穩(wěn)。

4 結(jié)語

螺紋剪切吸能作為一種全新的吸能形式,其吸能效果、對加速度和速度的控制效果相對于同類方法均有大幅度提高,其吸能密度大、控制加速度的能力較好,其加速度曲線類似于幾理想加速度曲線,因此,該吸能方式值得推廣。

根據(jù)螺紋剪切吸能原理設(shè)計的螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置可用于重刑汽車、平頭客車等車型在碰撞過程中,該裝置可充分吸收碰撞能量,使駕駛室不發(fā)生嚴重變形,保證車內(nèi)乘員的安全。應(yīng)用在現(xiàn)有轎車上,用來代林傳統(tǒng)的波紋管副車架,也是一種有效提高汽車碰撞能力的方法。

該吸能技術(shù)具有很強的先進性,也符合我國有關(guān)法律和相關(guān)政策,全面實施重型貨車正面碰撞乘員保護是我國重刑貨車發(fā)展的大勢所趨;努力提高民族自主汽車工業(yè),適應(yīng)歐盟越來越嚴格的汽車碰撞安全法規(guī)是我國汽車工業(yè)走向世界的必要條件。因此,該技術(shù)的實施將具有廣闊的市場前景。

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