郭啟濤，周云波，佘 磊，王顯會，魏 然
（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094）
摘 要：汽車發生低速碰撞時前保險杠能夠吸收沖擊能量，因此研究保險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杠的三維模型，保險杠橫梁采用CFS003/LTM25碳纖維增強環氧樹脂復合材料，運用LS—DYNA軟件對保險杠在低速碰撞(4km/h)過程中的動力響應特性進行仿真，并對該保險杠系統應力云圖，能量變化曲線，橫梁變形情況以及加速度時間歷程曲線結果進行分析。結果表明：該有限元模型仿真結果正確且復合材料橫梁和右吸能盒吸能性能良好而左側吸能盒吸能效果不佳，為后續保險杠的優化奠定了基礎。
關鍵詞：前保險杠；復合材料；LS-DYNA；低速碰撞
Low-velocity collision simulation and analysis of composite front bumper
GUO Qi-tao ZHOU Yun-bo SHE Lei WANG Xian-hui WEI Ran
(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science & Technology，
Jiangsu Nanjing, 210094, China)
Abstract: The front bumper is able to absorb impact energy when occurring low-velocity collision, so it’s necessary to study collision characteristics and energy absorption characteristics of the bumper. In this paper, three-dimensional model of front bumper is created , the material of the bumper beam is CFS003 / LTM25 carbon fiber reinforced epoxy resin matrix composite, using LS-DYNA software to simulate dynamic response characteristics of bumper in low-speed collision(4km/h), then the stress graph, energy, beam deformation and acceleration time history curve are analyzed。The result shows that the simulation is correct , the composite bumper beam and right absorbing box have strong energy absorption while the left absorbing box has weak energy absorption, it will lay the foundation for bumper optimization.
Keywords: front bumper; composite; LS-DYNA; low-velocity collision
正面碰撞問題一直是汽車被動安全性研究的重點和熱點[1]。保險杠系統是轎車車身的重要組成部分，其作用為當轎車與其他車輛或障礙物發生碰撞時首先接觸的部件，應該能起到保護車身和附件，具體說就是保護翼子板、散熱器、發動機罩和燈具等部件的作用。輕微事故時保險杠系統能吸收沖擊能量，撞后自動恢復原狀，有效地降低了轎車的修理費用。遇上嚴重的撞車事故時，沖擊力經保險橫杠被合理導向分散給整個車身，以避免局部區域變形過大，保證乘客有足夠的生存空間。由于保險杠在低速碰撞中的重要性，世界各國針對保險杠的耐撞性都制定了具體、詳細的法規和試驗要求，此外，研究汽車保險杠的碰撞特性和碰撞過程中的吸能特性，對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車輛前保險杠系統進行了耐撞性能研究與改進，并將該方法應用到白車身的設計中[2]。Marcus REdhe使用LS-OPT對汽車吸能盒進行的形狀改進，使用神經網絡方法來優化吸能盒的幾何形狀，在減少保險杠橫梁的侵入量、剛性墻侵入量和降低縱梁應變的約束條件下來提高車輛的低速碰撞性能，改進后的模型降低了系統的質量，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法規要求，建立保險杠有限元仿真模型，并對其進行非線性模擬分析，得出增強保險桿耐撞性的規律[4]。楊永生將整車模型簡化為臺車模型，根據經驗值和仿真結果，設計某一款進口車吸能盒誘導槽的位置和數量，降低了碰撞力的峰值，增加了吸能盒吸收的能量[5]。
本文以汽車前保險杠為研究對象，橫梁采用CFS003/LTM25碳纖維增強環氧樹脂復合材料，利用LS-DYNA軟件對汽車低速碰撞條件下的耐撞性進行仿真分析研究，并在此基礎上提出了改進保險杠耐撞性的途徑。
１ 損傷分析模型
總體來講，復合材料層合板的低速沖擊損傷模式可分為層內損傷（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 層內損傷模型
層內損傷的分析采用基于傳統應力強度理論的預測模型。該模型是以材料內部某點處的應力水平或一定區域的平均應力水平作為失效準則來判定損傷的產生。這就需要建立一套準確合理的損傷失效判定準則，如金屬材料常用的Ｍｉｓｅｓ強度準則與剪切強度準則，復合材料的失效準則是在均勻各向同性和均勻各向異性材料強度理論的基礎上結合復合材料自身的特點，通過大量實驗研究和理論研究逐步發展起來的。由于復合材料損傷破壞機理十分復雜，失效準則往往不具有普遍適用性，因此出現了許多失效準則，如Ｔｓａｉ-Ｈｉｌｌ失效準則、Ｔｓａｉ-ｗｕ失效準則、Ｈａｓｈｉｎ失效準則、Ｃｈａｎｇ-Ｃｈａｎｇ失效準則等。對于出現損傷的區域其材料力學性能下降，需要使用適當的材料剛度 退化方式，對損傷區域的材料性能進行調整。
1.2 分層損傷模型
大量研究結果表明，復合材料層合板的分層損傷僅在纖維鋪設角度不同的兩相鄰子層之間的界面處產生、擴展。因此，在可能發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，可以真實有效地模擬預測分層損傷的產生，及其擴展過程。
如１圖所示為一典型三維界面單元，它由連接對應的上下子層的兩個表面構成[7]。由于界面層非常薄，初始界面單元的上表面和下表面對應節點間的距離非常小。其中局部坐標系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相關聯；ｅ2，ｅ3為界面單元的兩個面內相互垂直方向，其界面力p2，p3分別與開裂模式ＩＩ，ＩＩＩ相關聯。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測模型越來越多地被應用于分析不同物體在粘結面處的開裂過程。該模型建立了發生層間裂紋處的界面力
與界面上下表面間相對位移
之間的聯系。如圖３為目前廣泛應用的界面力一界面相對位移雙線性簡化模型。可表示為
（i=1，2，3） （1）
式（1）中，為三個方向的界面力，為相應的界面相對位移。
圖2 三種開裂模式示意圖
（a）剪切模式 （b）法向模式
圖3 界面力-界面相對位移模型
當界面處作用力達到界面強度時，界面出現損傷，可用下式來判定損傷的產生。
（2）
式（2）中，
（i=1，2，3）為界面強度，判定準則
隨著損傷的發展，界面將產生宏觀裂紋，這類似于斷裂力學中研究裂紋的擴展狀況。因此，可以采用斷裂力學中應變能釋放率準則來分析界面裂紋的擴展，即
（3）
式（3）中，
（i=1，2，3）為界面上因出現初始損傷而耗散的能量率，根據線性斷裂力學理論，可知
（4）
一般采用如下的線性耦合或二次耦合準則來作為裂紋擴展判斷依據。
（5）
或 
（6）
式中，
（i=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）分別為界面產生模式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂紋時的臨界能量釋放率。
2 有限元模型建立
碰撞是一個瞬態的復雜物理過程，屬非線性動力問題，本文采用有限元軟件LS-DYNA對保險杠碰撞進行動態仿真分析。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間域，無需構造剛度矩陣即可求解節點的運動方程，有效回避了因非線性問題引起的收斂問題,顯式算法的缺點在于解的穩定性是有條件的，即積分時間步長很小。
2.1 三維模型的建立
常見的保險杠總成主要由橫梁，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。為對保險杠的低速碰撞響應進行研究，通常獨立對以上幾個部件建立簡化模型進行碰撞仿真研究。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，將其導入HYPERMESH中進行前處理。使用HYPERMESH進行前處理時，采用平均20mm的網格。整個保險杠總成連接關系可直接采用點焊連接，在仿真模型中采用SPOTWELD一維單元模擬。為符合法規要求，需要在簡化車體上均勻分布質量單元，在每個節點上賦予300g的質量，則其總體質量等于整車整備質量為1600kg。保險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。其中有限元網格（不含剛性墻）結點數量為13483個，單元數量為13122個。
圖4 前保險杠有限元模型
2.2 材料的定義
大多數轎車車身所使用的材料為鋼材。在車輛前端對車身安全起重要作用的結構，尤其是以保險杠骨架為主的包括與縱梁相聯接的汽車吸能盒部分，在低速正面碰撞中，對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。
汽車吸能結構的設計工作是車輛設計的重要環節，盡管金屬材料吸能結構被廣泛使用，但樹脂基復合材料管件因比剛度高，比吸能大，而且可根據使用要求對其材料組分及結構參數進行逆向設計等優點，故本文橫梁材料采用CFS003/LTM25碳纖維增強環氧樹脂復合材料，厚度為1.2mm。保險杠系統橫梁以及其他組件材料參數分別如表1、表2所示：
表1 CFS003/LTM25碳纖維增強環氧樹脂復合材料
名稱 | 數值 |
密度ρf/（t/mm3） | 1.45e-9 |
沿纖維方向楊氏模量E1/MPa | 53600 |
垂直纖維方向楊氏模量E2/MPa | 55200 |
剪切模量G12/MPa | 28500 |
泊松比 | 0.042 |
沿纖維方向拉伸強度S1t/MPa | 6180 |
沿纖維方向壓縮強度S1c/MPa | 6420 |
垂直纖維方向拉伸強度S2t/MPa | 6520 |
垂直纖維方向壓縮強度S2c/MPa | 5560 |
剪切強度S12/MPa | 84 |
名稱 | 密度[Rho] t/mm3 | 彈性模量E MPa | 泊松比Nu | 材料號 | 厚度 mm |
剛性墻 | 7.8e-9 | 210000 | 0.3 | MATL20 | 3 |
吸能盒 | 7.89e-9 | 210000 | 0.3 | MATL24 | 1.9 |
車體模型 | 7.8e-9 | 210000 | 0.3 | MATL20 | 3 |
表2 其他關鍵組件的材料參數
保險杠吸能盒所用材料為LS-DYNA中24號材料，即其關鍵字為：*MAT_PIECEWISE_ LINEAR_PLASTICITY(分段線性塑性材料模型)，保險杠吸能盒為低強度鋼，其具有較低的屈服極限，比較容易產生屈服變形，因而能在碰撞過程中迅速進入屈服階段，依靠屈服變形來吸收碰撞動能。簡化的車體模型所用材料與剛性墻一致，都使用LS-DYNA中20號材料，其關鍵字為：*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號材料（*MAT_ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE）。該材料本構能很好的模擬正交各向異性復合材料，通過材料主軸設置可方便的定義不同纖維鋪設角度，且含有多種失效準則作為各種層內損傷的判定依據[9]。其失效準則及其相應的剛度退化方式是基于Chang-Chang準則擴展補充得到，如表3所示：
表3 Chang-Chang失效準則
失效模式 | 失效準則 | 剛度退化方式 |
基體開裂 |
|
|
基體擠壓破壞 |
|
|
纖維斷裂 |
|
|
纖維壓縮破壞 |
|
|
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度，
和
分別是橫向拉伸和壓縮強度，
是橫向面間的剪切強度。
2.3 接觸面的創建
為了防止邊對邊的滲透及初始滲透，接觸厚度盡量采用實際的外殼厚度，有充分的網格密度來正確處理接觸的壓力分步和防止初始滲透。在保險杠系統與剛性墻之間定義關鍵字為*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE接觸，保險杠系統自身定義關鍵字為*CONTACT_SINGLE_SURFACE接觸。
2.4 邊界條件
按照GBl7354．1998的要求，試驗車輛低速對中的試驗速度為4km／h。
在碰撞模擬過程中，為正確地模擬車體與保險杠的約束關系，在低速碰撞過程中，剛性墻六個自由度(三個軸向移動，三個繞軸旋轉)全部被約束，即其固定不動。
2.5 連接方式
現代汽車的車身結構通常由構件通過焊接、螺栓聯接、鉚釘聯接等方式連接組成。本模型選用實體的SPOTWELD來模擬焊點連接。
2.6 沙漏的控制
顯式算法的一個重要優點便是其計算效率高，而計算的高效率很大一部分來源于單元應力散度計算的單點高斯積分。但單點高斯積分將導致沙漏模態的產生。在進行結構動力學分析時，若不對沙漏模態進行控制，計算將產生數值振蕩，如何控制沙漏模態以保證仿真計算的可靠性便成為顯式動力分析程序的一個重要課題。控制沙漏模態的主要思想是在單元局部計算時將沙漏粘性應力加到物理應力上。由于車身構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關鍵字對能量進行控制，其中的HGEN選項，將其值置為1。使用LS-DYNA中的CONTROL_HOURGLASS關鍵字進行沙漏控制，本文采用LS-DYNA標準的控制選擇，該關鍵字選項卡的IHQ置為1，表示為LS-DYNA默認沙漏能控制。
2.7 時間步長的定義
顯式有限元的中心差分法是條件穩定的，只有時間步長小于臨界時間步長才能保證計算結果的正確,經過計算，本文的計算時間定為0.08s，計算步長設為10-6s。
3 仿真結果分析
本文對汽車保險杠系統進行仿真分析，在HyperMesh中已建立汽車保險杠系統低速碰撞有限元模型，且導出了LS-DYNA格式的KEY文件，接下來使用LS-DYNA軟件對有限元模型的計算求解，得到后處理所需結果文件，在LS-PrePost中對計算結果進行后處理仿真分析。
3.1 應力云圖分析
圖5和圖6為汽車保險杠系統有限元模型0.03s和0.05s時刻的應力云圖。
圖5 0.03s時刻的應力云圖 圖6 0.05s時刻的應力云圖
由圖可以看出，保險杠系統最大應力出現在0.03s時刻且位置為橫梁最先接觸剛性墻部位，由于剛性墻不動，應力會不斷從中間部位分布到橫梁其他部位，此過程中應力不斷衰減，在0.05s時刻最大應力值明顯小于0.03s時刻，且發生位置為橫梁兩側位置。
3.2 能量曲線分析
碰撞過程中汽車各部件的動力響應是一個涉及幾何非線性、材料非線性和復雜的接觸摩擦問題的大變形力學過程。在碰撞過程中，碰撞能量的主要傳遞途徑是：(1)通過結構的彈塑性變形吸收一部分能量(內能)；(2)通過碰撞車輛之間的速度再分配保留一部分碰撞動能。
汽車碰撞過程表征了一個能量守恒、動量交換的瞬態過程，其動能大部分快速轉變為變形能(內能)，小部分以聲能等其它能量耗散掉。能量變化清楚地表現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，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降低，但這是由于有限元的能量計算算法所致，不影響仿真的準確性。保險杠變形量最大的時刻是0.03s處，系統內能最大，保險杠吸能比較充分，沙漏能的變化由圖看出幾乎與橫坐標軸相重合沙漏能很小，仿真結果有效。
圖8 各組件內能曲線
由圖8可以得出左吸能盒幾乎不吸收能量，碰撞產生的動能幾乎都是由右吸能盒內部和橫梁吸收，橫梁最大吸能量為0.175*106MPa大約占總吸能量的87.5%，右吸能盒隨著時間的增加吸收的能量逐漸增加。這說明該吸能盒結構需要進一步改善，從而使左右吸能盒都能夠發揮作用，從而減小在碰撞過程中右吸能盒的變形。
3.3 加速度分析
加速度分析結果曲線如圖9所示，由結果可知，在0.03s時刻加速度達到最大，同時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，所以保險杠系統的位移變化主要在X方向上，Y方向和Z方向上位移變化很小。保險杠系統正面撞擊剛性墻后，X方向上的位移最大響應如圖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時達到峰值為25mm。按照保險杠碰撞標準，要求它在碰撞中的變形量必須小于保險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構變形量小于保險杠橫梁與車體間的距離，說明該保險杠的耐撞性能較好。
4 結 論
本文保險杠橫梁采用CFS003/LTM25碳纖維增強環氧樹脂復合材料，以保險杠低速碰撞有關法規為依據，建立了保險杠低速碰撞的有限元模型，并對保險杠各組件低速碰撞動力響應特性進行仿真分析，得出以下結論：
（1）有限元法可以精確再現低速碰撞過程中，保險杠系統的變形及受力情況，從而評判其性能。
（2）低速碰撞產生的動能幾乎都是由右吸能盒內部和橫梁吸收，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環氧樹脂復合材料是十分有意義的。此外，右吸能盒內部隨著時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。因此吸能盒結構需要進一步改善，從而使左右吸能盒都能夠發揮作用，從而減小在碰撞過程中橫梁和右吸能盒的變形。
（3）保險杠在低速碰撞條件下具有良好的耐撞性，為保險杠的設計改進提供參考依據。建議在保險杠系統設計中對保險杠和支架的剛度進行匹配以充分發揮整個保險杠系統對碰撞能量的吸收效果。
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