汽車發(fā)生低速碰撞時(shí)前保險(xiǎn)杠能夠吸收沖擊能量，因此研究保險(xiǎn)杠的碰撞特性和碰撞過程中的吸能特性是必要的。本文建立汽車前保險(xiǎn)杠的三維模型，保險(xiǎn)杠橫梁采用CFS003/LTM25碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，運(yùn)用LS—DYNA軟件對(duì)保險(xiǎn)杠在低速碰撞(4km/h)過程中的動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行仿真，并對(duì)該保險(xiǎn)杠系統(tǒng)應(yīng)力云圖，能量變化曲線，橫梁變形情況以及加速度時(shí)間歷程曲線結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：該有限元模型仿真結(jié)果正確且復(fù)合材料橫梁和右吸能盒吸能性能良好而左側(cè)吸能盒吸能效果不佳，為后續(xù)保險(xiǎn)杠的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：前保險(xiǎn)杠；復(fù)合材料；LS-DYNA；低速碰撞

正面碰撞問題一直是汽車被動(dòng)安全性研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[1]。保險(xiǎn)杠系統(tǒng)是轎車車身的重要組成部分，其作用為當(dāng)轎車與其他車輛或障礙物發(fā)生碰撞時(shí)首先接觸的部件，應(yīng)該能起到保護(hù)車身和附件，具體說就是保護(hù)翼子板、散熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和燈具等部件的作用。輕微事故時(shí)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)能吸收沖擊能量，撞后自動(dòng)恢復(fù)原狀，有效地降低了轎車的修理費(fèi)用。遇上嚴(yán)重的撞車事故時(shí)，沖擊力經(jīng)保險(xiǎn)橫杠被合理導(dǎo)向分散給整個(gè)車身，以避免局部區(qū)域變形過大，保證乘客有足夠的生存空間。由于保險(xiǎn)杠在低速碰撞中的重要性，世界各國針對(duì)保險(xiǎn)杠的耐撞性都制定了具體、詳細(xì)的法規(guī)和試驗(yàn)要求，此外，研究汽車保險(xiǎn)杠的碰撞特性和碰撞過程中的吸能特性，對(duì)于提高汽車的碰撞安全性具有重要的意義。

J．Hilmann與M．Pass等人采用遺傳算法對(duì)車輛前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行了耐撞性能研究與改進(jìn)，并將該方法應(yīng)用到白車身的設(shè)計(jì)中[2]。MarcusREdhe使用LS-OPT對(duì)汽車吸能盒進(jìn)行的形狀改進(jìn)，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來優(yōu)化吸能盒的幾何形狀，在減少保險(xiǎn)杠橫梁的侵入量、剛性墻侵入量和降低縱梁應(yīng)變的約束條件下來提高車輛的低速碰撞性能，改進(jìn)后的模型降低了系統(tǒng)的質(zhì)量，減少了侵入量，改善了低速碰撞性能[3]。章正偉按照歐洲ECE-R42法規(guī)要求，建立保險(xiǎn)杠有限元仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行非線性模擬分析，得出增強(qiáng)保險(xiǎn)桿耐撞性的規(guī)律[4]。楊永生將整車模型簡(jiǎn)化為臺(tái)車模型，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值和仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)某一款進(jìn)口車吸能盒誘導(dǎo)槽的位置和數(shù)量，降低了碰撞力的峰值，增加了吸能盒吸收的能量[5]。

本文以汽車前保險(xiǎn)杠為研究對(duì)象，橫梁采用CFS003/LTM25碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，利用LS-DYNA軟件對(duì)汽車低速碰撞條件下的耐撞性進(jìn)行仿真分析研究，并在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)保險(xiǎn)杠耐撞性的途徑。

1、損傷分析模型

總體來講，復(fù)合材料層合板的低速?zèng)_擊損傷模式可分為層內(nèi)損傷（基體開裂、基體擠壓破壞、纖維斷裂等）和層間損傷（分層）[6]。
 

1.1層內(nèi)損傷模型

層內(nèi)損傷的分析采用基于傳統(tǒng)應(yīng)力強(qiáng)度理論的預(yù)測(cè)模型。該模型是以材料內(nèi)部某點(diǎn)處的應(yīng)力水平或一定區(qū)域的平均應(yīng)力水平作為失效準(zhǔn)則來判定損傷的產(chǎn)生。這就需要建立一套準(zhǔn)確合理的損傷失效判定準(zhǔn)則，如金屬材料常用的Ｍｉｓｅｓ強(qiáng)度準(zhǔn)則與剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則，復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則是在均勻各向同性和均勻各向異性材料強(qiáng)度理論的基礎(chǔ)上結(jié)合復(fù)合材料自身的特點(diǎn)，通過大量實(shí)驗(yàn)研究和理論研究逐步發(fā)展起來的。由于復(fù)合材料損傷破壞機(jī)理十分復(fù)雜，失效準(zhǔn)則往往不具有普遍適用性，因此出現(xiàn)了許多失效準(zhǔn)則，如Ｔｓａｉ-Ｈｉｌｌ失效準(zhǔn)則、Ｔｓａｉ-ｗｕ失效準(zhǔn)則、Ｈａｓｈｉｎ失效準(zhǔn)則、Ｃｈａｎｇ-Ｃｈａｎｇ失效準(zhǔn)則等。對(duì)于出現(xiàn)損傷的區(qū)域其材料力學(xué)性能下降，需要使用適當(dāng)?shù)牟牧蟿偠韧嘶绞剑瑢?duì)損傷區(qū)域的材料性能進(jìn)行調(diào)整。

1.2分層損傷模型

大量研究結(jié)果表明，復(fù)合材料層合板的分層損傷僅在纖維鋪設(shè)角度不同的兩相鄰子層之間的界面處產(chǎn)生、擴(kuò)展。因此，在可能發(fā)生分層的子層間引入一層厚度極薄界面單元，通過界面單元的失效破壞，可以真實(shí)有效地模擬預(yù)測(cè)分層損傷的產(chǎn)生，及其擴(kuò)展過程。如１圖所示為一典型三維界面單元，它由連接對(duì)應(yīng)的上下子層的兩個(gè)表面構(gòu)成[7]。由于界面層非常薄，初始界面單元的上表面和下表面對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)間的距離非常小。其中局部坐標(biāo)系e1為界面單元的厚度方向，該方向的界面力P1與開裂模式Ｉ相關(guān)聯(lián)；ｅ2，ｅ3為界面單元的兩個(gè)面內(nèi)相互垂直方向，其界面力p2，p3分別與開裂模式ＩＩ，ＩＩＩ相關(guān)聯(lián)。三種裂紋尖端的開裂模式如圖2所示，分別為：張開型、滑開型和撕開型。

圖1界面單元示意圖界面單元的建立是基于粘接域理論。近年來，基于粘接域理論的預(yù)測(cè)模型越來越多地被應(yīng)用于分析不同物體在粘結(jié)面處的開裂過程。該模型建立了發(fā)生層間裂紋處的界面力與界面上下表面間相對(duì)位移之間的聯(lián)系。如圖３為目前廣泛應(yīng)用的界面力一界面相對(duì)位移雙線性簡(jiǎn)化模型?？杀硎緸?img border="0" alt="汽車" src="http:///file/upload/201605/14/10-41-00-53-198.jpg" />

圖2 三種開裂模式示意圖

2、有限元模型建立

碰撞是一個(gè)瞬態(tài)的復(fù)雜物理過程，屬非線性動(dòng)力問題，本文采用有限元軟件LS-DYNA對(duì)保險(xiǎn)杠碰撞進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析。LS-DYNA求解碰撞問題主要采用顯式中心差分法，它利用中心差分法離散時(shí)間域，無需構(gòu)造剛度矩陣即可求解節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程，有效回避了因非線性問題引起的收斂問題,顯式算法的缺點(diǎn)在于解的穩(wěn)定性是有條件的，即積分時(shí)間步長(zhǎng)很小。

2.1三維模型的建立

常見的保險(xiǎn)杠總成主要由橫梁，吸能盒，連接板等部分組成。其中橫梁和吸能盒都可作為緩沖吸能元件。其吸能效果的好壞將直接影響其安全性能。為對(duì)保險(xiǎn)杠的低速碰撞響應(yīng)進(jìn)行研究，通常獨(dú)立對(duì)以上幾個(gè)部件建立簡(jiǎn)化模型進(jìn)行碰撞仿真研究。建立模型的主要的步驟如下：假定汽車以4km/h的速度碰撞到前方固定的剛性墻。先利用pro/e軟件建立三維模型，將其導(dǎo)入HYPERMESH中進(jìn)行前處理。使用HYPERMESH進(jìn)行前處理時(shí)，采用平均20mm的網(wǎng)格。整個(gè)保險(xiǎn)杠總成連接關(guān)系可直接采用點(diǎn)焊連接，在仿真模型中采用SPOTWELD一維單元模擬。為符合法規(guī)要求，需要在簡(jiǎn)化車體上均勻分布質(zhì)量單元，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上賦予300g的質(zhì)量，則其總體質(zhì)量等于整車整備質(zhì)量為1600kg。保險(xiǎn)杠總成有限元模型以及碰撞仿真所用到的剛性墻有限元模型如圖4所示。其中有限元網(wǎng)格（不含剛性墻）結(jié)點(diǎn)數(shù)量為13483個(gè)，單元數(shù)量為13122個(gè)。

圖4 前保險(xiǎn)杠有限元模型

2.2材料的定義

大多數(shù)轎車車身所使用的材料為鋼材。在車輛前端對(duì)車身安全起重要作用的結(jié)構(gòu)，尤其是以保險(xiǎn)杠骨架為主的包括與縱梁相聯(lián)接的汽車吸能盒部分，在低速正面碰撞中，對(duì)載荷傳遞和能量吸收具有重要作用，直接影響到乘員艙的侵入和車輛維修性等方面。汽車吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作是車輛設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，盡管金屬材料吸能結(jié)構(gòu)被廣泛使用，但樹脂基復(fù)合材料管件因比剛度高，比吸能大，而且可根據(jù)使用要求對(duì)其材料組分及結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，故本文橫梁材料采用CFS003/LTM25碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，厚度為1.2mm。保險(xiǎn)杠系統(tǒng)橫梁以及其他組件材料參數(shù)分別如表1、表2所示：

表1 CFS003/LTM25碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料

表2 其他關(guān)鍵組件的材料參數(shù)

保險(xiǎn)杠吸能盒所用材料為L(zhǎng)S-DYNA中24號(hào)材料，即其關(guān)鍵字為：*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY(分段線性塑性材料模型)，保險(xiǎn)杠吸能盒為低強(qiáng)度鋼，其具有較低的屈服極限，比較容易產(chǎn)生屈服變形，因而能在碰撞過程中迅速進(jìn)入屈服階段，依靠屈服變形來吸收碰撞動(dòng)能。簡(jiǎn)化的車體模型所用材料與剛性墻一致，都使用LS-DYNA中20號(hào)材料，其關(guān)鍵字為：*MAT_RIGID，即為RIGID剛性材料[8]。橫梁所用材料選用LS-DYNA材料模型中的54號(hào)材料（*MAT_ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE）。該材料本構(gòu)能很好的模擬正交各向異性復(fù)合材料，通過材料主軸設(shè)置可方便的定義不同纖維鋪設(shè)角度，且含有多種失效準(zhǔn)則作為各種層內(nèi)損傷的判定依據(jù)[9]。其失效準(zhǔn)則及其相應(yīng)的剛度退化方式是基于Chang-Chang準(zhǔn)則擴(kuò)展補(bǔ)充得到，如表3所示：

表3 Chang-Chang失效準(zhǔn)則

式中，1代表纖維方向，2表示垂直于纖維的橫向，3表示厚度方向；和分別是纖維方向的拉伸和強(qiáng)度，和分別是橫向拉伸和壓縮強(qiáng)度，是橫向面間的剪切強(qiáng)度。

2.3接觸面的創(chuàng)建

為了防止邊對(duì)邊的滲透及初始滲透，接觸厚度盡量采用實(shí)際的外殼厚度，有充分的網(wǎng)格密度來正確處理接觸的壓力分步和防止初始滲透。在保險(xiǎn)杠系統(tǒng)與剛性墻之間定義關(guān)鍵字為*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE接觸，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)自身定義關(guān)鍵字為*CONTACT_SINGLE_SURFACE接觸。

2.4邊界條件

按照GBl7354．1998的要求，試驗(yàn)車輛低速對(duì)中的試驗(yàn)速度為4km／h。在碰撞模擬過程中，為正確地模擬車體與保險(xiǎn)杠的約束關(guān)系，在低速碰撞過程中，剛性墻六個(gè)自由度(三個(gè)軸向移動(dòng)，三個(gè)繞軸旋轉(zhuǎn))全部被約束，即其固定不動(dòng)。

2.5連接方式

現(xiàn)代汽車的車身結(jié)構(gòu)通常由構(gòu)件通過焊接、螺栓聯(lián)接、鉚釘聯(lián)接等方式連接組成。本模型選用實(shí)體的SPOTWELD來模擬焊點(diǎn)連接。

2.6沙漏的控制

顯式算法的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)便是其計(jì)算效率高，而計(jì)算的高效率很大一部分來源于單元應(yīng)力散度計(jì)算的單點(diǎn)高斯積分。但單點(diǎn)高斯積分將導(dǎo)致沙漏模態(tài)的產(chǎn)生。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，若不對(duì)沙漏模態(tài)進(jìn)行控制，計(jì)算將產(chǎn)生數(shù)值振蕩，如何控制沙漏模態(tài)以保證仿真計(jì)算的可靠性便成為顯式動(dòng)力分析程序的一個(gè)重要課題?？刂粕陈┠B(tài)的主要思想是在單元局部計(jì)算時(shí)將沙漏粘性應(yīng)力加到物理應(yīng)力上。由于車身構(gòu)件及碰撞變形部件主要是薄殼單元，因此這里僅討論薄殼單元的沙漏控制算法。使用LS-DYNA中的CONTROL_ENERGY關(guān)鍵字對(duì)能量進(jìn)行控制，其中的HGEN選項(xiàng)，將其值置為1。使用LS-DYNA中的CONTROL_HOURGLASS關(guān)鍵字進(jìn)行沙漏控制，本文采用LS-DYNA標(biāo)準(zhǔn)的控制選擇，該關(guān)鍵字選項(xiàng)卡的IHQ置為1，表示為L(zhǎng)S-DYNA默認(rèn)沙漏能控制。

2.7時(shí)間步長(zhǎng)的定義

顯式有限元的中心差分法是條件穩(wěn)定的，只有時(shí)間步長(zhǎng)小于臨界時(shí)間步長(zhǎng)才能保證計(jì)算結(jié)果的正確,經(jīng)過計(jì)算，本文的計(jì)算時(shí)間定為0.08s，計(jì)算步長(zhǎng)設(shè)為10-6s。
 

3、仿真結(jié)果分析

本文對(duì)汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，在HyperMesh中已建立汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)低速碰撞有限元模型，且導(dǎo)出了LS-DYNA格式的KEY文件，接下來使用LS-DYNA軟件對(duì)有限元模型的計(jì)算求解，得到后處理所需結(jié)果文件，在LS-PrePost中對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理仿真分析。

3.1應(yīng)力云圖分析

圖5和圖6為汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)有限元模型0.03s和0.05s時(shí)刻的應(yīng)力云圖。

圖5 0.03s時(shí)刻的應(yīng)力云圖

圖6 0.05s時(shí)刻的應(yīng)力云圖

由圖可以看出，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)最大應(yīng)力出現(xiàn)在0.03s時(shí)刻且位置為橫梁最先接觸剛性墻部位，由于剛性墻不動(dòng)，應(yīng)力會(huì)不斷從中間部位分布到橫梁其他部位，此過程中應(yīng)力不斷衰減，在0.05s時(shí)刻最大應(yīng)力值明顯小于0.03s時(shí)刻，且發(fā)生位置為橫梁兩側(cè)位置。

3.2能量曲線分析

碰撞過程中汽車各部件的動(dòng)力響應(yīng)是一個(gè)涉及幾何非線性、材料非線性和復(fù)雜的接觸摩擦問題的大變形力學(xué)過程。在碰撞過程中，碰撞能量的主要傳遞途徑是：(1)通過結(jié)構(gòu)的彈塑性變形吸收一部分能量(內(nèi)能)；(2)通過碰撞車輛之間的速度再分配保留一部分碰撞動(dòng)能。汽車碰撞過程表征了一個(gè)能量守恒、動(dòng)量交換的瞬態(tài)過程，其動(dòng)能大部分快速轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃文?內(nèi)能)，小部分以聲能等其它能量耗散掉。能量變化清楚地表現(xiàn)在汽車的碰撞過程中。汽車碰撞開始是撞擊體與被撞擊體接觸、變形由小到大，至最大，而后兩體回彈分離，本文中剛性墻不動(dòng)，汽車將被彈回分離。圖7為模型碰撞過程中的能量曲線。

圖7 系統(tǒng)能量變化曲線
 

可以看出，在碰撞過程中，總能量是基本上保持不變的，雖然總能量略微有點(diǎn)降低，但這是由于有限元的能量計(jì)算算法所致，不影響仿真的準(zhǔn)確性。保險(xiǎn)杠變形量最大的時(shí)刻是0.03s處，系統(tǒng)內(nèi)能最大，保險(xiǎn)杠吸能比較充分，沙漏能的變化由圖看出幾乎與橫坐標(biāo)軸相重合沙漏能很小，仿真結(jié)果有效。

圖8 各組件內(nèi)能曲線

由圖8可以得出左吸能盒幾乎不吸收能量，碰撞產(chǎn)生的動(dòng)能幾乎都是由右吸能盒內(nèi)部和橫梁吸收，橫梁最大吸能量為0.175*106MPa大約占總吸能量的87.5%，右吸能盒隨著時(shí)間的增加吸收的能量逐漸增加。這說明該吸能盒結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步改善，從而使左右吸能盒都能夠發(fā)揮作用，從而減小在碰撞過程中右吸能盒的變形。3.3加速度分析加速度分析結(jié)果曲線如圖9所示，由結(jié)果可知，在0.03s時(shí)刻加速度達(dá)到最大，同時(shí)也證明了該仿真有效。

圖9 加速度曲線

3.4橫梁變形分析

由于車體的撞擊方向是沿X方向的，速度為4km/h，Y方向和Z方向上的速度為0，所以保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的位移變化主要在X方向上，Y方向和Z方向上位移變化很小。保險(xiǎn)杠系統(tǒng)正面撞擊剛性墻后，X方向上的位移最大響應(yīng)如圖10所示。

圖10 橫梁X方向位移

由圖可以看出，橫梁最大變形量在0.03s時(shí)達(dá)到峰值為25mm。按照保險(xiǎn)杠碰撞標(biāo)準(zhǔn)，要求它在碰撞中的變形量必須小于保險(xiǎn)杠橫梁與車體間的距離。由橫梁變形曲線圖可知，碰撞方向的最大的結(jié)構(gòu)變形量小于保險(xiǎn)杠橫梁與車體間的距離，說明該保險(xiǎn)杠的耐撞性能較好。

4、結(jié)論

本文保險(xiǎn)杠橫梁采用CFS003/LTM25碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，以保險(xiǎn)杠低速碰撞有關(guān)法規(guī)為依據(jù)，建立了保險(xiǎn)杠低速碰撞的有限元模型，并對(duì)保險(xiǎn)杠各組件低速碰撞動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析，得出以下結(jié)論：

（1）有限元法可以精確再現(xiàn)低速碰撞過程中，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的變形及受力情況，從而評(píng)判其性能。

（2）低速碰撞產(chǎn)生的動(dòng)能幾乎都是由右吸能盒內(nèi)部和橫梁吸收，橫梁最大吸能量大約占總吸能量的87.5%，說明采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料是十分有意義的。此外，右吸能盒內(nèi)部隨著時(shí)間的增加吸收的能量逐漸增加，而右吸能盒外部以及左吸能盒幾乎不吸收能量。因此吸能盒結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步改善，從而使左右吸能盒都能夠發(fā)揮作用，從而減小在碰撞過程中橫梁和右吸能盒的變形。

（3）保險(xiǎn)杠在低速碰撞條件下具有良好的耐撞性，為保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考依據(jù)。建議在保險(xiǎn)杠系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)保險(xiǎn)杠和支架的剛度進(jìn)行匹配以充分發(fā)揮整個(gè)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)對(duì)碰撞能量的吸收效果。

參考文獻(xiàn)

[1]李亦文,徐濤,徐天爽,李強(qiáng),郝亮.車身低速碰撞吸能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010.

[2]J．Hilmann，M．Pass，A．Haenschke，T．Vietor．Automatic concept model generation for optimization and robust design of passenger cars[J]．Advances in Engineering Software．2007，(38):795-801．

[3]Marcus REdhe．Shape Optimization of a Vehicle Crash—box using LS-OPT[C]．5th European Ls-DYNA Users’Conference．2003：65-70．

[4]章正偉．保險(xiǎn)杠低速碰撞性能仿真研究[J]．振動(dòng)與噪聲控制，2007，(4)：78-81.

[5]楊永生．汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)低速碰撞性能研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009:54-76.

[6]劉玄，張曉晴.基于LS-DYNA的復(fù)合材料層合板低速?zèng)_擊損傷研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12（12）：2888-2892.

[7]張彥.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)沖擊損傷預(yù)測(cè)研究[D].上海：上海交通大學(xué),2007.

[8]白金澤.LS-DYNA3D理論基礎(chǔ)與實(shí)例分析［M］.北京科學(xué)出版社，2005

[9]李喆，孫凌玉.復(fù)合材料薄壁管沖擊斷裂分析與吸能特性優(yōu)化[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2011，28（4）：212-218.

作者：郭啟濤，周云波，佘磊，王顯會(huì)，魏然