汽车简易保险杠碰撞特性分析于学兵栗荫帅(大连理工大学能源与动力学院,大连116023Crashworthinessanalysisofasimple-structuredbumperYUXue-bing,LIYin-shuai(DalianUniversityofTechnology,Dalian116023,China!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!"【摘要】有限元法已经广泛应用于车身结构设计中,这里利用非线性有限元软件LS-DY-NA对某一简易保险杠进行了正面刚性墙碰撞分析,得出一重要结论;同时,对该保险杠进行了试验法规模拟,并对结构进行修改,在满足法规要求前提下,减小了结构质量。关键词:保险杠;抗撞性;有限元法【Abstract】Finiteelementmethod(FEMhasbeenwidelyusedinvehiclestructuredesign,thefrontalrigid-wallcrashworthinessofasimple-structuredbumperisanalyzedbythenonlinearFEMsoft-wareLS-DYNA,andanimportantconclusionisreached;Meanwhile,analysesbasedonthecrashlawarealsolaunched,includingsomechangesofthestructure;Finallythebumper'sweightisreducedwhileinaccordancewiththecrashlaw.Keywords:Bumper;Crashworthiness;Finiteelementmethod(FEM中图分类号:TH12,V46文献标识码:A*来稿日期:2007-04-21文章编号:1001-3997(200802-0010-03在车辆碰撞安全事故中,绝大多数都涉及到保险杠系统,因此国内外对汽车保险杠的研究越来越多。目前,研究主要集中在合理选用缓冲材料和合理设计缓冲结构方面。利用原有材料对保险杠的结构进行改进,增强了保险杠吸能能力;同时按照GB17354-1998《汽车前、后端保护装置》法规对其进行了碰撞模拟。计算中采用ANSYS作为前处理器进行建模和加载,然后用LS-DYNA作为求解器进行求解,最后用LS-PREPOST进行后处理。1碰撞问题计算方法1.1碰撞接触算法最常用和有效的碰撞接触算法是罚函数法,它在每一个时间步首先检查各从节点是否穿透主面,如没有穿透不作任何处理;如果穿透,则在该从节点与被穿透主面间引入一个较大的界面接触力,其大小与穿透深度、主面的刚度成正比。这在物理上相当于在两者之间放置一法向弹簧,以限制从节点对主面的穿透。在罚函数法中"对称罚函数法"则是同时对每个主节点也作类似上述处理,它由于具有对称性、动量守恒准确,不需要碰撞和释放条件,因此很少引起沙漏效应,噪声小。此外,对称罚函数法在每一个时间步对从节点和主节点循环处理一遍,算法相同。下面以从节点为例详细描述该算法的基本步骤:(1搜索所有从动点,确定从动点是否穿透主面。(2如否不作处理,搜索结束;如是则在从节点与主面上的接触点间附加一法向接触力Fn。(3处理摩擦力。(4将接触力Fn和摩擦力投影到总体坐标,组集到总体载荷向量中。1.2显式动力分析的特点碰撞问题采用显式差分算法,用中心差分法在时间t求加速度,此时加速度表达式如下:{at}=[M]-1([Ftext]-[Ftint](1式中:[Ftext]—施加外力和体力矢量;[Ftint]—内力矢量,其表达式为:Fint=#!$BT"nd!+Fh%&g+Fcomtact(2式中:Fhg—沙漏阻力;Fcomtact—常量力。速度与位移用下式得到:{vt+△t/2}={vt-△t/2}+{at}△tt(3{ut+△t/2}={ut}+{ut+△t/2}△tt+△t/2(4式中:△tt+△t/2=12(△tt+△tt+△t新的几何构形由初始构形加上{xo}获得:{xt+△t}={xo}+{ut+△t}(52保险杠正面刚性墙碰撞分析模拟中采用的简易保险杠由横梁、连接板和支架三部分组成。其中横梁长1200mm,宽60mm,高100mm。此外为了连接方便,横梁边缘多出10mm的凸边;连接板为边长120mm的方形平板;支架为横截面边长65mm,长400mm的方形梁。2.1单元、材料选取和实常数确定在结构碰撞性模拟中一般采用显式薄壳单元shell163来对梁结构进行模拟,薄壳单元算法选用Belytschko-Wong-Chiang,其特点是适合大变形和屈曲分析;模拟中保险杠材料全部选用双线性应变率相关塑性材料,密度7850kg/m3,弹性模量2E11Pa,屈服强度2.35E8Pa,剪切模量9.5E8Pa,泊松比为0.3,应变率系第2期-10-2008年2月MachineryDesign&Manufacture机械设计与制造数C取40,P取5;横梁壁厚选为3mm,连接板壁厚为2mm,支架壁厚为1.5mm。2.2几何模型建立和有限元网格划分在ANSYS中建立保险杠几何模型,然后对其进行映射...
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