保险杠吸能盒轻量化设计

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保险杠吸能盒轻量化设计＊

刘美刚

（西安航空学院，陕西 西安 710077）

摘 要：在汽车发生低速碰撞时，保险杠吸能盒通过褶皱变形，从而有效吸收碰撞能量，以此减小乘员受到的伤害和保护车辆。首先以现有保险杠吸能盒尺寸为依据，然后利用正交试验法，以碰撞过程中最大的加速度为考核指标，对吸能盒截面进行尺寸优化。最后，对正交试验优化前后的吸能盒进行多工况有限元仿真分析，仿真结果表明：通过优化后的吸能盒较优化前缓冲性能更优，能更好地保护乘员安全。

关键词：保险杠吸能盒；有限元；正交试验

汽车工业的发展在为人类带来便利的同时也带来了很多弊端，比如资源的短缺、污染环境等问题。在未来，节能环保将成为汽车发展的趋势。而车辆轻量化是实现节能环保目标的重要措施[1]。保险杠是汽车被动安全的一个重要部件，主要适用于汽车在发生低速碰撞时，靠自身变形吸收能量，从而起到保护车辆和乘员的作用[2]。谭继锦等[3]选取已有车型的保险杠为研究对象，将铝合金作为轻量化材料，以原保险杠低速碰撞性能为目标，建立响应面模型，对保险杠厚度进行优化，结果表明，优化后质量减少许多。刘海江等[4]在现有保险杠的基础上，用新材料替代传统钢材对保险杠进行轻量化设计。为了得到高性价比的保险杠，应该在传统材料的基础上对吸能盒尺寸进行优化。

1 保险杠仿真模型的建立1.1 保险杠仿真模型的建立

计算机仿真相比较于实车试验，可以大大节约成本且周期短，因此碰撞仿真技术广泛应用在研究汽车耐撞性、乘员保护系统及人体碰撞损伤机理[5]。

本论文采用UG建立保险杠吸能盒碰撞简化模型，利用Hypermesh软件完成材料和属性的赋予，对模型进行网格的划分、接触、约束的设置及计算卡片参数的设置。最终，得到保险杠吸能盒和刚性墙壁的CAE 模型，如图1 所示。在DYNA中进行计算分析，在LS-PREPOST程序环境下提取后处理结果，得到保险杠吸能盒—刚性墙壁的动力响应。

图1 保险杠有限元模型

1.2 低速碰撞工况

针对汽车低速碰撞安全性，许多国家制定了不同的乘用车保险杠低速碰撞法规，虽然不同法规的评价标准和要求不一样，但是都是以真实汽车碰撞事故为基础制定的，都是为了保障汽车低速碰撞安全性能。本文参照欧洲ECE-R42 法规、美国Part81 法规、加拿大CFVSS215，将它们设计成4种工况，如表1、图2所示，该碰撞过程简化为在不同的工况下保险杠吸能盒受到质量为500 kg 的刚性平面墙以速度为18 km/h撞击。

图2 碰撞工况

表1 保险杠低速碰撞分析工况

2 正交试验设计

正交试验法是一种科学的优化方法，主要是利用正交表科学合理地搭配各因素水平，从而在不影响试验质量的情况下，减少实验数量，得到最优的水平组合[6-7]。

2.1 因素和水平的选取

保险杠吸能盒的尺寸如图3 所示，主要为吸能盒厚度A、吸能盒直径B、吸能盒长度C。3个因素中的任意一个改变都会影响试验结果，因此作为正交试验的3个因素。

图3 保险杠吸能盒尺寸

根据现有保险杠吸能盒尺寸确定优化前初始的尺寸，约为厚度A=2 mm、直径B=120 mm、长度C=120 mm。根据单因素分析法，确定因素水平的上下限，因素水平如表2所示。

表2 正交试验各因素水平表

2.2 试验结果分析

根据正交表L16(43)将各水平因素进行组合，然后完成仿真试验，正交试验取值标准选取刚性墙壁质心处x、y、z三个方向的最大加速度，得到如表3所示的试验结果。

表3 正交优化试验结果

为了更加简洁明了地比较各水平因素的好坏，对表中的各因素的水平计算平均偏差和K值以及极差R，列于表4中。

极差的大小可以评价因素水平变化对试验结果影响的大小，其数值越大，说明该因素对试验结果影响越大。表4数据说明3 个因素对试验的影响大小排序为A ＞C ＞B，得到本实验最佳组合：A1B4C1，即吸能盒厚度A=1 mm、直径B=110 mm、长度C=80 mm。

表4 正交试验极差分析结果

3 优化前后对比及最优组合验证的仿真分析

通过仿真软件LS-DNYA 进行数据运算，Ls-prepost 软件进行后处理显示，得到刚性墙以5 m/s 碰撞保险杠吸能盒的正面碰撞动态动画图，分别截取不同工况碰撞过程的变化，如图4所示。

图4 优化后保险杠吸能盒碰撞仿真过程

如图4 所示，在碰撞过程中，保险杠吸能盒发生了较大的变形，承担了减轻冲击和吸收能量的主要作用，可以很好地保护车辆和乘员。

车辆发生碰撞时一般选用加速度来衡量事故的严重性。如果碰撞时所产生加速度越大，乘员受到的危害就越大，因此，减小碰撞加速度对保险杠吸能盒的研究是很有意义的。为了进一步观察保险杠吸能盒的吸能效果，将优化前与优化后吸能盒加速度峰值进行对比，优化前后4种工况加速度峰值数据如表5所示。

表5 模型加速度比较

从表5和图5可以看出加速度峰值的对比结果：正面碰撞时，优化后模型的加速度峰值比优化前的加速度减少了60.2%；30°夹角碰撞时，优化后比优化前的加速度峰值减少了9.4%；偏置40%碰撞时，优化后比优化前的加速度峰值减少了 9.1%；偏置60%碰撞时，优化后比优化前的加速度峰值减少23.7%。从数据分析中可以看出优化后的保险杠吸能盒每个工况的加速度峰值比优化前的都小，从而降低了低速碰撞时对乘员身体的伤害，同时也减少了对车辆的破坏性，更能保障车辆的安全性。

图5 优化前后加速度峰值对比

4 结论

本文参考相关碰撞法规建立保险杠吸能盒—刚性墙壁的碰撞仿真模型，并结合正交试验设计方法对吸能盒进行尺寸优化设计，可以得到以下结论：

1）结合正交试验设计对保险杠吸能盒进行优化设计，得到优化后的尺寸最优组合，即吸能盒厚度A=1 mm，吸能盒直径B=110 mm，吸能盒长度C=80 mm。

2）对保险杠吸能盒进行了多工况仿真分析，结果表明优化后的保险杠吸能盒与优化前比较，各碰撞工况的最大加速度较小，能较好地减小碰撞损伤，有效保护车辆和人员。

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