商用車前下部防護裝置結(jié)構(gòu)模擬碰撞分析與優(yōu)化

2017-02-15 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1 概述

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展,汽車普及率的大幅提高,交通事故也隨之增多。交通事故給人們的生活帶來了巨大災(zāi)難,已成為世界性的社會問題。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計,自汽車問世以來,全世界死于交通事故的人數(shù)已達數(shù)千萬,并且還在以每年百萬人的速度增加,此外加上幾倍于死者的受傷者和家屬以及各種物質(zhì)損失,這種損害顯然是十分巨大的。以2006年世界主要國家地區(qū)道路交通事故發(fā)生統(tǒng)計數(shù)據(jù)1為例,在美國大約有43300人死于道路交通事故,在歐盟大約有38500人死于道路交通事故。雖然這些年來,如美國等發(fā)達國家由于汽車造成的人員死亡率有了一定程度的下降趨勢,但是多數(shù)發(fā)展中國家,例如中國,雖然只占世界汽車保有量的2%,但交通事故卻占了15%,已數(shù)年是交通事故數(shù)量和死亡人數(shù)最高的國家之一。我國每年發(fā)生道路交通事故大于30萬起,而且連續(xù)幾年死亡人數(shù)均超過10萬人,相當(dāng)于平均每5分鐘就有1人死于車禍,汽車交通事故已經(jīng)嚴重威脅到人們的生命和財產(chǎn)安全,成為了人類生存面臨的一個不容忽視的安全問題。因此,提高汽車的碰撞性能已經(jīng)越來越重要。

為提高汽車的安全性,歐美發(fā)達國冢先后制定和實施了相應(yīng)的法律和技術(shù)法規(guī)。目前,我國已開始實施部分強制性碰撞安全法則,使得大部分乘用車汽車必須通過相關(guān)的碰撞法規(guī)檢驗才能上市銷售。對于商用車領(lǐng)域,國家發(fā)展與改革委員會也發(fā)布了GB26511標準,其中強制規(guī)定了商用車前下部防護裝置的碰撞性能要求。為了滿足GB26511標準的要求,本文對新開發(fā)車型的前下部防護裝置,借助CAE的仿真手段進行虛擬碰撞驗證分析。通過HyperMesh前處理軟件,建立碰撞有限元模型,并采用RADIOSS求解器計算,通過分析碰撞模擬結(jié)果及時發(fā)現(xiàn)問題,進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進,盡可能避免通過實物樣件碰撞不合格后再進行改進的弊端,降低開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期。

2 前下部防護裝置介紹及有限元模型建立

2.1商用車前下部防護裝置介紹

前下部防護裝置是汽車上較大的覆蓋件之一,作為一個獨立的總成安裝在汽車上,它對車輛的安全防護、造型效果、空氣動力學(xué)特性等有著較大的影響。汽車前下防護裝置安裝在汽車的最前端,在整車造型風(fēng)格中起到至關(guān)重要的作用,它能夠詮釋出整車外裝飾的藝術(shù)風(fēng)格,好的保險杠能夠使用戶感到賞心悅目,得到美的享受。無論汽車的大、小改型設(shè)計,保險杠總是成為造型師手中重點塑造的對象,造型美觀是整車的亮點及賣點。另外,發(fā)生碰撞時,大多數(shù)情況下都有前下部防護裝置的參與,前下部防護裝置作為汽車安全防護裝置是現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)的重要組成部分。前下部防護裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.

商用車前下部防護裝置結(jié)構(gòu)模擬碰撞分析與優(yōu)化hypermesh技術(shù)圖片1
圖1 前下部防護裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2GB26511法規(guī)要求

GB26511法規(guī)適用于安裝在N2和N3類車輛上的下部防護裝置,本法規(guī)的目的是對M1或N1類車輛提供在發(fā)生前部碰撞時的車輛前下部的有效保護。GB26511法規(guī)規(guī)定了商用車前下防護裝置的設(shè)計要求和碰撞試驗方法,主要對于卡車前下防護裝置進行以下三個點進行碰撞測試。具體碰撞試驗要求如下:

第一、各P1點與切向前軸上的輪胎的最外側(cè)點的縱向平面的距離最大為200mm,但不包括靠近地面的輪胎的膨脹;各P2點與相互距離為700-1200mm(包括)的車輛的中間縱向平面相對稱。P3點位于車輛的垂直縱向中間平面上。如果與前下部防護相關(guān)的車輛的結(jié)構(gòu)和部件位于完全與其縱向中間平面對稱的位置,則在各P1和P2點上的試驗應(yīng)在一邊上進行。

第二、與車輛或要安裝的車型的最大重量的50%相等但不超過80×103 N的水平力應(yīng)連續(xù)地施加在兩個P1點上;與車輛或要安裝的車型的最大重量的100%相等但不超過160×103N的水平力應(yīng)連續(xù)地施加在兩個P2點上。如果裝置不連續(xù)以及在兩個P2點之間的截面面積過小,則試驗應(yīng)繼續(xù)在P3點上施加與P1點上同樣的水平力。試驗時,應(yīng)當(dāng)盡可能快地施加試驗力,并且裝置或車輛應(yīng)承受至少0.2秒的下述規(guī)定的力。

2.3前下防護碰撞有限元模型建立

按照碰撞分析網(wǎng)格建模要求,嚴格控制網(wǎng)格質(zhì)量,建立的有限元分析模型中,車架縱梁,車架橫梁,圓管梁,保險杠和前防護等采用殼單元模擬,網(wǎng)格大小平均值為10mm,螺栓連接采用RBODY單元進行模擬。保險杠支架的材料牌號為Q235,其余結(jié)構(gòu)材料為610L,有限元模型如下所示:

商用車前下部防護裝置結(jié)構(gòu)模擬碰撞分析與優(yōu)化hypermesh技術(shù)圖片2

圖2 前下防護有限元模型

2.4邊界條件

約束:為了考慮車架總成第一橫梁及側(cè)支撐管梁對前下部防護裝置的貢獻,將約束施加在車架總成第一橫梁后端部的縱梁截斷面上,約束其六個方向的自由度。

載荷:根據(jù)法規(guī)GB26511的要求,分別在P1、P2、P3(如圖3)施加速度1.5m/s的速度邊界,通過接觸力輸出判斷結(jié)果。

商用車前下部防護裝置結(jié)構(gòu)模擬碰撞分析與優(yōu)化hypermesh技術(shù)圖片3

圖3P1,P2,P3 碰撞點

3 分析結(jié)果

3.1初始結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

根據(jù)設(shè)計人員初步設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行分析,其結(jié)果如下圖4:

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圖4 P1點碰撞接觸力及應(yīng)力云圖

P1點工況下:碰撞器和保險杠的相互作用力是2.75噸;

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圖5P2點碰撞接觸力及應(yīng)力云圖

P2點工況下:碰撞器和保險杠的相互作用力是小于6噸;

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圖6 P3點碰撞接觸力及應(yīng)力云圖

P3點工況下:碰撞器和保險杠的相互作用力是<5噸;

通過分析可知:P1、P2、P3碰撞的結(jié)果均不滿足GB26511的法規(guī)要求,需重新進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.2優(yōu)化后結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

根據(jù)初步分析結(jié)果,對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,增加了車架橫梁與碰撞橫梁支架的過渡支架,并進行了局部結(jié)構(gòu)的加強,優(yōu)化后仿真計算結(jié)果如下:

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圖7 優(yōu)化后 P1點碰撞接觸力及應(yīng)力圖

P1點工況下:碰撞器和保險杠的相互作用力是10噸。

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圖8 優(yōu)化后 P2點碰撞接觸力及應(yīng)力圖

P2點工況下:碰撞器和保險杠的相互作用力是小于16噸。

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圖9 優(yōu)化后 P3點碰撞接觸力及應(yīng)力圖

P3點工況下:碰撞器和保險杠的相互作用力是小于15噸。

4 結(jié)論

本文通過對前下部防護裝置初始結(jié)構(gòu)的低速碰撞仿真分析及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不滿足GB26511法規(guī)要求,并針對結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域進行優(yōu)化改進。對改進后結(jié)構(gòu)再次進行碰撞仿真分析,其結(jié)果顯示,改進后結(jié)構(gòu)基本滿足法規(guī)要求。通過使用HyperMesh建模,RADIOSS求解器進行模擬仿真實驗分析,可以為實物樣件實驗提供有效的模擬實驗數(shù)據(jù)。以此為基礎(chǔ)對模型進行改進,,用來提高真實碰撞試驗中模型的通過率,可以一定程度上降低研發(fā)周期和成本。

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