商用車(chē)前下部防護(hù)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(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

1 概述

隨著汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展,汽車(chē)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(lái)了巨大災(zāi)難,已成為世界性的社會(huì)問(wèn)題。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì),自汽車(chē)問(wèn)世以來(lái),全世界死于交通事故的人數(shù)已達(dá)數(shù)千萬(wàn),并且還在以每年百萬(wàn)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(guó)家地區(qū)道路交通事故發(fā)生統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)1為例,在美國(guó)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(lái),如美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家由于汽車(chē)造成的人員死亡率有了一定程度的下降趨勢(shì),但是多數(shù)發(fā)展中國(guó)家,例如中國(guó),雖然只占世界汽車(chē)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(guó)家之一。我國(guó)每年發(fā)生道路交通事故大于30萬(wàn)起,而且連續(xù)幾年死亡人數(shù)均超過(guò)10萬(wàn)人,相當(dāng)于平均每5分鐘就有1人死于車(chē)禍,汽車(chē)交通事故已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全,成為了人類生存面臨的一個(gè)不容忽視的安全問(wèn)題。因此,提高汽車(chē)的碰撞性能已經(jīng)越來(lái)越重要。

為提高汽車(chē)的安全性,歐美發(fā)達(dá)國(guó)冢先后制定和實(shí)施了相應(yīng)的法律和技術(shù)法規(guī)。目前,我國(guó)已開(kāi)始實(shí)施部分強(qiáng)制性碰撞安全法則,使得大部分乘用車(chē)汽車(chē)必須通過(guò)相關(guān)的碰撞法規(guī)檢驗(yàn)才能上市銷(xiāo)售。對(duì)于商用車(chē)領(lǐng)域,國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)也發(fā)布了GB26511標(biāo)準(zhǔn),其中強(qiáng)制規(guī)定了商用車(chē)前下部防護(hù)裝置的碰撞性能要求。為了滿足GB26511標(biāo)準(zhǔn)的要求,本文對(duì)新開(kāi)發(fā)車(chē)型的前下部防護(hù)裝置,借助CAE的仿真手段進(jìn)行虛擬碰撞驗(yàn)證分析。通過(guò)HyperMesh前處理軟件,建立碰撞有限元模型,并采用RADIOSS求解器計(jì)算,通過(guò)分析碰撞模擬結(jié)果及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn),盡可能避免通過(guò)實(shí)物樣件碰撞不合格后再進(jìn)行改進(jìn)的弊端,降低開(kāi)發(fā)成本,縮短開(kāi)發(fā)周期。

2 前下部防護(hù)裝置介紹及有限元模型建立

2.1商用車(chē)前下部防護(hù)裝置介紹

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

商用車(chē)前下部防護(hù)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(hù)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(chē)輛上的下部防護(hù)裝置,本法規(guī)的目的是對(duì)M1或N1類車(chē)輛提供在發(fā)生前部碰撞時(shí)的車(chē)輛前下部的有效保護(hù)。GB26511法規(guī)規(guī)定了商用車(chē)前下防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)要求和碰撞試驗(yàn)方法,主要對(duì)于卡車(chē)前下防護(hù)裝置進(jìn)行以下三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行碰撞測(cè)試。具體碰撞試驗(yàn)要求如下:

第一、各P1點(diǎn)與切向前軸上的輪胎的最外側(cè)點(diǎn)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(diǎn)與相互距離為700-1200mm(包括)的車(chē)輛的中間縱向平面相對(duì)稱。P3點(diǎn)位于車(chē)輛的垂直縱向中間平面上。如果與前下部防護(hù)相關(guān)的車(chē)輛的結(jié)構(gòu)和部件位于完全與其縱向中間平面對(duì)稱的位置,則在各P1和P2點(diǎn)上的試驗(yàn)應(yīng)在一邊上進(jìn)行。

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

2.3前下防護(hù)碰撞有限元模型建立

按照碰撞分析網(wǎng)格建模要求,嚴(yán)格控制網(wǎng)格質(zhì)量,建立的有限元分析模型中,車(chē)架縱梁,車(chē)架橫梁,圓管梁,保險(xiǎn)杠和前防護(hù)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(jìn)行模擬。保險(xiǎn)杠支架的材料牌號(hào)為Q235,其余結(jié)構(gòu)材料為610L,有限元模型如下所示:

商用車(chē)前下部防護(hù)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(hù)有限元模型

2.4邊界條件

約束:為了考慮車(chē)架總成第一橫梁及側(cè)支撐管梁對(duì)前下部防護(hù)裝置的貢獻(xiàn),將約束施加在車(chē)架總成第一橫梁后端部的縱梁截?cái)嗝嫔?約束其六個(gè)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(guò)接觸力輸出判斷結(jié)果。

商用車(chē)前下部防護(hù)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(diǎn)

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(jì)人員初步設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,其結(jié)果如下圖4:

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圖4 P1點(diǎn)碰撞接觸力及應(yīng)力云圖

P1點(diǎn)工況下:碰撞器和保險(xiǎn)杠的相互作用力是2.75噸;

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圖5P2點(diǎn)碰撞接觸力及應(yīng)力云圖

P2點(diǎn)工況下:碰撞器和保險(xiǎn)杠的相互作用力是小于6噸;

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圖6 P3點(diǎn)碰撞接觸力及應(yīng)力云圖

P3點(diǎn)工況下:碰撞器和保險(xiǎn)杠的相互作用力是<5噸;

通過(guò)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(jìn)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,增加了車(chē)架橫梁與碰撞橫梁支架的過(guò)渡支架,并進(jìn)行了局部結(jié)構(gòu)的加強(qiáng),優(yōu)化后仿真計(jì)算結(jié)果如下:

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圖7 優(yōu)化后 P1點(diǎn)碰撞接觸力及應(yīng)力圖

P1點(diǎn)工況下:碰撞器和保險(xiǎn)杠的相互作用力是10噸。

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圖8 優(yōu)化后 P2點(diǎn)碰撞接觸力及應(yīng)力圖

P2點(diǎn)工況下:碰撞器和保險(xiǎn)杠的相互作用力是小于16噸。

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圖9 優(yōu)化后 P3點(diǎn) 碰撞接觸力及應(yīng)力圖

P3點(diǎn)工況下:碰撞器和保險(xiǎn)杠的相互作用力是小于15噸。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)前下部防護(hù)裝置初始結(jié)構(gòu)的低速碰撞仿真分析及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不滿足GB26511法規(guī)要求,并針對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。對(duì)改進(jìn)后結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行碰撞仿真分析,其結(jié)果顯示,改進(jìn)后結(jié)構(gòu)基本滿足法規(guī)要求。通過(guò)使用HyperMesh建模,RADIOSS求解器進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)分析,可以為實(shí)物樣件實(shí)驗(yàn)提供有效的模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。以此為基礎(chǔ)對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn),,用來(lái)提高真實(shí)碰撞試驗(yàn)中模型的通過(guò)率,可以一定程度上降低研發(fā)周期和成本。

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