基于LS_DYNA的保险杠耐撞性虚拟试验研究

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4493.TH.20120913.1039.001.html

文章标号：1009-4687（201 ）00-0000-00

基于LS-DYNA的保险杠耐撞性虚拟试验研究

夏 磊， 陈昆山

（江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013）

摘 要：为提高某轿车保险杠的耐撞性，根据GB17354-1998标准，在LS-DYNA软件中建立虚拟碰撞试验的有限元模型，对不同车体边界条件、材料屈服强度和地面摩擦系数下的主梁和吸能盒变形以及系统内能进行了对比分析，探讨了这些参数对保险杠耐撞性的影响。研究表明：依据实际试验情况，车体边界条件应设为不固定；合理组合主梁和吸能盒的屈服强度可提高保险杠耐撞性；地面摩擦系数增大，保险杠吸能量增加。 关键词：保险杠；耐撞性；虚拟碰撞试验；LS-DYNA

中图分类号：U467.1+4 ；TP391.9 文献标识码：A Study on Virtual Test of Bumper Crashworthiness By LS-DYNA XIA Lei， CHEN Kun-shan (School of Traffic and Automotive Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

Abstract：In order to improve the crashworthiness of the vehicle bumper, the finite element model was established using LS-DYNA in accordance with the GB17354-1998 standard.Vehicle boundary condition、yield strength of material and ground friction factor were simulation parameters. The system internal energy and the deformation of bumper beam and crash box were analyzed to sum up how the parameters influence bumper crashworthiness.The results showed that the vehicle boundary condition should be movable. Reasonable combination of yield strength of bumper beam and crash box improves bumper crashworthiness.Energy absorption increases along with the increase in ground friction factor. Key words：bumper；crashworthiness；virtual crash test；LS-DYNA

研究保险杠的耐撞性对提高行人/乘员及车辆的碰撞安全性都具有实际意义，因此世界各国对汽车保险杠的耐撞性都制定了相应的标准，主要有美国的保险杠(CFR581)技术标准、欧洲车辆前部防护装置法规(ECE R42)及我国GB17354-1998汽车前、后端保护装置评价标准，等等[1]，其中我国标准的技术内容等效采用ECE R42法规。

国内一些学者参照GB17354-1998标准或ECE R42法规对汽车保险杠的耐撞性做了大量研究工作。他们在研究时大多假定车体在碰撞过程中基本不发生后移，保持原地不动，从而在仿真研究时将车体作固定约束处理[2-5]。但标准描述试验时的车辆状态为：车辆应处于停止状态，前轮应处在直行位置，制动器应松开，变速器挂空挡。可以看出实际

收稿日期：2012-08-13。 作者简介：夏磊，（1989-），男，硕士研究生，研究方向：汽车碰撞有限元分析 试验中车辆受撞击后会发生滑移，仿真时将车体视

为固定则因与实际状态存在差异而影响准确性。为提高仿真的准确性，比较两种约束条件引起的误差，选择与实际试验情况相一致的边界条件。对不同的材料屈服强度和地面摩擦系数下的主梁和吸能盒变形以及系统内能进行了对比分析，探讨了这些参数对保险杠耐撞性的影响。

1 虚拟试验的有限元模型

虚拟碰撞试验的有限元模型有碰撞器、主梁、吸能盒和车体4个部分，共有25 181个单元，如图1所示。碰撞器、车体采用Solid实体单元模拟，保

险杠主梁和吸能盒采用Shell壳单元模拟。

依据这些参数的相互组合构成虚拟试验条件。本次虚拟试验条件以铝合金材料屈服强度和车体载荷这2个参数建立，其组合如表2所示。序号为1~3的3组参数分别为车体载荷相同，主梁和吸能盒屈服强度改变。序号为1、4~6的4组参数则为主梁和吸能盒屈服强度相同，车体载荷取不同的数值。

表2 虚拟试验条件

试验序号

1 2 3 主梁/吸能盒屈服强度/MPa

215/130 250/130 250/170 215/130 215/130 215/130 车体载荷/N(地面摩擦系数)

500(0.039) 500(0.039) 500(0.039) 1000(0.078) 1500(0.118) 2000(0.157) 图1 虚拟碰撞试验有限元模型 4 5 6 汽车保险杠的主梁和吸能盒主要使用高强度钢、铝合金和复合材料等。本研究中的主梁和吸能盒为铝合金材料，碰撞器和车体选用高强度钢材料。考虑到模型体积和实际质量，分别定义它们的等效密度。碰撞器、车体和保险杠的材料性能参数列于表1。 3 不同车体边界条件的比较 为研究车体边界条件对试验结果的影响，分别表1 碰撞器、车体和保险杠的材料性能参数 部件名称 碰撞器 主梁 吸能盒 车体 密度/(g∙cm) 30 2.7 2.7 22 -3将车体边界条件设定为固定和不固定，其中不固定时施加的车体载荷为500 N，对碰撞过程进行仿真计算，得到两种车体边界条件下的主梁、吸能盒变形和系统内能时间历程曲线，如图2~图4所示。可以看出：车体固定与车体不固定条件相比，碰撞持续时间、主梁和吸能盒变形以及系统内能均有显著的增长，其中碰撞持续时间增加53.8﹪；主梁变形峰值增加70.3﹪；吸能盒变形峰值增加115.4﹪；系统内能峰值增加172.5﹪。由此可见，在车体固定条件下的碰撞激烈程度更高，保险杠受损程度更大。在虚拟试验研究中，边界条件的设定应尽量与实际试验情况相一致。考虑到在实际试验中车辆受撞发生滑移，所以车体边界条件应设为不固定。

图2 主梁变形时间历程曲线

0.3 0.3 0.3 0.3 弹性模量/GPa 210 70 70 210 泊松比 定义接触类型为自动单面接触，动、静摩擦系数均取0.1。根据GB17354-1998标准要求，碰撞器的初始速度定义为4 km/h，碰撞器和试验车辆的质量相等，定义为1 300 kg。虚拟试验中车辆有固定和受撞后发生滑移两种状态。当试验车辆发生滑移时，将车体模块的边界条件设定为不固定，给车体施加载荷以模拟车辆受撞滑移过程中的地面阻力。根据动摩擦力公式F=G·f可得，当车重一定时，地面阻力随摩擦系数的增大而增大。分别定义车体载荷为500 N、1 000 N、1 500 N、2 000 N，计算得到对应于地面摩擦系数为0.039、0.078、0.118、0.157的路面条件。

2 虚拟试验条件

汽车保险杠防撞梁的耐撞性能主要与保险杠的材料、结构尺寸、截面形状和载荷等参数有关，

3种组合的对比分析可知，主梁屈服强度和吸能盒屈服强度2个参数，后者对吸能盒变形的影响较大，吸能盒屈服强度越大，吸能盒变形越小。 图6显示了主梁和吸能盒屈服强度不同组合下的主梁变形时间历程曲线。从图6可以看出：3种组合下的主梁变形曲线变化不同。就变形峰值而言，215/130组合最大，250/130组合次之，250/170组合最小。250/130组合和250/170组合的变形终值基本一致，而215/130组合与它们比较，变形终值仍

图3 吸能盒变形时间历程曲线

为最大。通过3种组合的对比分析可知，主梁屈服强度和吸能盒屈服强度2个参数，前者对主梁变形的影响较大，主梁屈服强度越大，主梁变形越小。 保险杠吸能量增加。

图4 系统内能时间历程变化曲线 图6 主梁变形时间历程曲线

保险杠设计目标之一是使吸能盒变形尽量大，而主梁变形尽量小，这样较多的碰撞能量能够由吸能盒压溃吸收。为实现这一目标，设计时在相同结构条件下，主梁的屈服强度应取较大值，吸能盒的屈服强度取较小值。考虑上述3种组合，选择250/130组合作为主梁和吸能盒的屈服强度。 接着进行不同车体载荷下的仿真对比，得到系统内能时间历程曲线如图7所示。从图7可以看出：车体载荷从500N增大到2000N的过程中，系统内

4 不同材料参数和车体载荷的比较 首先进行车体载荷为500 N时主梁和吸能盒屈服强度不同组合下的仿真对比，得到吸能盒变形时间历程曲线如图5所示。从图5可以看出：3种组合下的吸能盒变形曲线变化不同，其中215/130组

合和250/130组合的变化趋势基本一致，而250/170组合与它们比较，变形峰值和变形终值都小。通过

图5 吸能盒变形时间历程曲线

图7 系统内能时间历程变化曲线

能逐渐增大，即保险杠的吸能量逐渐增大，说明路面条件对保险杠耐撞性有影响，地面摩擦系数增大，保险杠吸能量增加。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家标准．GB17354-1998汽车前、后

端保护装置[S]．1998．

[2] 李继川，程秀生．汽车前部保险杠的耐撞性及结构优化

方法[J]．汽车工程，2008，(11)：984-986．

[3] 张 静，张三川，毛 杰．不同板厚后防撞梁低速碰撞

仿真分析[J]．中原工学院学报，2011，(4)：47-50． [4] 章正伟．保险杆低速碰撞性能仿真研究[J]．噪声与振动

控制，2007，(8)：78-81．

[5] 龚艳霞，沈晓红，聂学俊．基于ABAQUS的保险杠低

速碰撞的仿真研究[J]．北京工商大学学报，2009，(5)：32-36．

5 结 论

1）在虚拟试验研究中，边界条件的设置要与

实际试验情况相一致。依据GB17354-1998标准建立的虚拟碰撞试验中，车体边界条件应设为不固定。 2）保险杠主梁和吸能盒选用铝合金材料，合理组合两者的屈服强度可提高保险杠耐撞性。

3）路面条件对保险杠耐撞性有影响。地面摩擦系数增大，保险杠吸能量增加。