保險杠安全性能仿真分析與試驗研究*

徐中明，徐小飛，張志飛，萬鑫銘，趙清江

(1.重慶大學，機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030； 2.重慶大學機械工程學院，重慶 400030; 3.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400030)

前言

降低油耗、減少排放、提高安全性是當今全球汽車工業都必須面對的問題。汽車輕量化是解決上述問題的有效手段。研究顯示，典型鋁質零件一次減質量效果可達30%～40%，二次減質量則可提高到50%，而汽車每減質量10%可實現節油6%～8%[1-2]。

保險杠系統是汽車低速碰撞時最主要的承載和吸能構件，對保護汽車其它零部件和乘員安全起著至關重要的作用。在滿足功能要求的基礎上，開發質量更輕的鋁合金保險杠正越來越受到汽車生產商和研究人員的關注[3-4]。文獻[5]中根據SAE J2319標準建立了用于研究轎車保險杠低速碰撞性能的擺錘碰撞試驗裝置和仿真分析模型，通過計算機仿真分析和試驗研究，驗證了擺錘低速碰撞試驗的有效性。文獻[6]中將7075鋁合金應用于汽車保險杠，運用LS-DYNA對不同厚度保險杠模型的對中碰撞進行仿真分析，在實現輕量化的同時滿足了安全性要求。

本文中以某乘用車原鋼制保險杠和新開發的鋁合金保險杠為研究對象，對其強度性能和耐撞性進行了仿真分析與試驗研究。為保險杠正向開發過程中對其碰撞安全性能的研究提供參考依據。

1 有限元建模

1.1 研究對象

某款乘用車原鋼制保險杠如圖1所示，它由12個薄板沖壓件經點焊而成；圖2則示出新開發鋁合金保險杠的結構分解圖，它由前防撞橫梁a、吸能盒b和安裝法蘭c組成，其中防撞橫梁由5個擠壓件經氬弧焊連接而成。對比發現，鋁合金保險杠零件數比鋼制保險杠減少58%，質量減輕31%，在實現輕量化的同時有效降低了工藝復雜度，有利于節約成本。

1.2 有限元建模

將兩款保險杠的CATIA三維模型分別導入Hypermesh，進行有限元網格劃分。保險杠屬薄壁結構，采用Belytschko-Lin-Tsay殼單元劃分網格，平均網格大小為5mm。建立的鋼制保險杠模型如圖3所示，包含27 246個殼單元，其中三角形殼單元833個，約占3.1%；鋁合金保險杠有限元模型含18 362個殼單元，其中三角形殼單元70個。

鋼制保險杠所用材料以LS-DYNA的24號分段線性塑性材料模擬，密度為7.8×103kg/m3，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，屈服強度為207MPa。鋁合金保險杠材質為6061-T6狀態鋁合金，為真實反映應變速率對該鋁合金材料力學性能的影響，以98號材料*MAT_Simplified_Johnson_Cook模型構建6061-T6狀態的本構關系，該模型流變應力σ為

(1)

(2)

圖4為6061-T6狀態鋁合金應變速率為0.001s-1和342s-1時，采用Johnson Cook本構模型得到的模擬曲線與試驗曲線的對比。由圖可知，本構模型的計算結果與試驗結果吻合較好。運用Johnson Cook材料本構模型能較好地表征6061-T6狀態鋁合金的力學性能，有助于提高仿真分析的精度。

對上述保險杠模型進行連接，鋼制保險杠實物樣件以點焊連接，仿真時用Beam單元模擬，并以*CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE設置焊點和殼單元之間的接觸。鋁合金保險杠實物樣件采用縫焊，仿真時以節點耦合方式模擬該處連接。

2 保險杠強度分析

保險杠的一個重要作用在于，無論在正面碰撞或偏置碰撞條件下，碰撞力都能盡可能均勻地沿左右吸能盒向后傳遞。據此分析，保險杠防撞梁須滿足一定的強度指標[7]。本文中通過三點靜壓仿真分析和試驗對防撞梁強度進行了分析，三點靜壓分析示意圖如圖5所示。

仿真分析前須設定邊界條件，在Hypermesh中對保險杠左右安裝法蘭盤施加全約束，在橫梁正上方建立直徑152mm的剛性圓柱體作為壓頭，釋放壓頭X方向(加載方向)移動自由度，壓頭以1m/s的速度加載，即強制使保險杠支架做向下位移100mm，以模擬準靜態過程。壓頭與防撞橫梁之間采用自動面面接觸，保險杠自身采用自動單面接觸，靜摩擦因數為0.15，動摩擦因數為0.1。將上述建好的模型以key文件格式保存，并提交LS-DYNA計算。

三點靜壓試驗在常溫、常壓下進行，試驗設備包括PLS-L50B4電液伺服構件試驗系統和YE2539高速靜態應變儀，試驗時壓頭加載速度為0.001m/s，圖6為鋁合金保險杠三點靜壓試驗現場照片。

以防撞梁靜壓支反力作為評價保險杠強度性能的指標，仿真和試驗所得的支反力-位移曲線如圖7所示。由圖可知：鋼制保險杠試驗靜壓力峰值為6.1kN，仿真靜壓力峰值為6.4kN，兩者誤差為4.9%；鋁合金保險杠試驗靜壓力峰值為8.6kN，仿真靜壓力峰值為9.4kN，兩者誤差為9.3%。其誤差均小于10%，從而驗證了有限元模型的準確性。

結合圖7曲線，對仿真和試驗數據進行對比分析：鋁合金保險杠靜壓力峰值及其平均值均大于鋼制保險杠，可知鋁合金保險杠前防撞梁在實際工況下能承受更大的載荷；在變形量相同的條件下，鋁合金保險杠吸能也比鋼制的多?？梢娦麻_發的鋁合金保險杠強度性能優于原鋼制保險杠。

3 保險杠碰撞性能分析

國內外對保險杠低速碰撞都有嚴格的法規要求。本文中參照美國IIHS-TEST試驗規范，對兩款保險杠分別進行了臺車正面100%重疊碰撞和40%偏置碰撞仿真分析與試驗[8]。

IIHS-TEST法規要求被測車輛以8km/h的速度撞擊固定安裝的碰撞器。文中只對單獨的保險杠零件進行碰撞分析，結合實際試驗條件，以臺車碰撞試驗來研究兩款保險杠的耐撞性能。試驗用臺車質量為1t，考慮到與法規規定的試驗工況能量等效，試驗時將臺車加速到9km/h撞擊固定安裝的保險杠，通過高速攝像儀記錄碰撞過程，用加速度傳感器測取臺車縱梁處的減速度值，鋁合金保險杠正面100%重疊碰撞試驗如圖8所示。

仿真分析時，建立移動臺車模型，臺車輪胎與地面為滾動摩擦，摩擦因數取0.015，模型整體設為自動單面接觸，模型整體施加Z向重力場，在與碰撞試驗對應位置處設置加速度傳感器提取碰撞仿真過程中的加速度曲線，鋁合金保險杠正面碰撞分析模型如圖9所示[9-10]。

IIHS-TEST法規規定，在低速碰撞中，永久變形和損壞僅局限于保險杠零部件，車身不能受損。結合該車空間布置關系，文中將兩款保險杠的失效定義為防撞梁最大變形量超過它與散熱器之間的極限位移值110mm。

圖10和圖11為兩款保險杠正面100%重疊碰撞仿真與試驗變形對比；圖12和圖13則為兩款保險杠40%偏置碰撞仿真與試驗變形對比；仿真和試驗的數據如表1所示。由表1可見，正面100%重疊碰撞時，鋼制保險杠最大變形量為180.5mm，已超過極限位移值，因而會導致汽車后部結構產生嚴重損壞；鋁合金保險杠最大變形量為103.0mm,小于110mm，能起到較好的保護作用。此外，鋁合金保險杠對應的臺車左側減速度峰值比鋼制保險杠減小23.9%，可知鋁合金保險杠同時擁有更好的緩沖性能，有利于加強乘員保護；正面40%偏置碰撞時，兩款保險杠最大變形量均小于極限位移值，都能對汽車后部結構起到良好的保護作用。鋁合金保險杠對應的臺車左側減速度值仍小于鋼制保險杠，可知鋁合金保險杠具有更好的緩沖性能。

表1 碰撞仿真與試驗結果

結合仿真結果，對保險杠耐撞性進行定量研究，表2列出了鋼制和鋁合金保險杠各部件的吸能情況：正面碰撞工況下，鋁合金保險杠總吸能為2.84kJ，比鋼制保險杠增加7.2%；40%偏置碰撞工況下，兩款保險杠吸能總量基本相同，但鋁合金保險杠前防撞梁吸收了更多的碰撞能量，充分發揮了前防撞梁的吸能潛力，有利于保護汽車后部結構；從單位質量吸能來看，鋁合金保險杠單位質量吸能明顯大于鋼制保險杠，充分發揮了鋁合金材料比吸能大的特點，達到了輕量化開發的目的。

表2 兩種碰撞工況下保險杠各部件吸能

原鋼制保險杠的質量為4.5kg，新的鋁合金保險杠質量為3.1kg。通過對新開發的鋁合金保險杠和原鋼制保險杠的低速碰撞分析，可知鋁合金保險杠在減質量31%的同時，擁有比原鋼制保險杠更好的碰撞吸能性。

4 結論

(1) 通過高速拉伸試驗數據擬合得到了Johnson Cook材料本構模型，更好地表征了6061-T6狀態鋁合金的力學性能，提高了仿真精度。

(2) 通過三點靜壓仿真與試驗，對比分析了兩款保險杠的強度性能。結果表明，鋁合金保險杠靜壓力峰值為9.4kN，大于鋼制保險杠的6.4kN?？梢娦麻_發的鋁合金保險杠前防撞梁能夠承受更大的靜載荷，強度性能優于鋼制保險杠。

(3) 通過臺車碰撞仿真與試驗對比，結果表明，正面100%重疊碰撞下鋁合金保險杠總吸能比鋼制保險杠增加7.2%，鋁合金保險杠單位質量吸能明顯大于鋼制保險杠，且前防撞梁變形量和臺車減速度值均小于鋼制保險杠，新開發的鋁合金保險杠耐撞性能優于鋼制保險杠。

[1] 王智文.汽車輕量化技術發展現狀初探[J].汽車工藝與材料,2009(2):1-6.

[2] 陳長年.需要關注的汽車先進制造技術[J].現代零部件,2010(1):38-41.

[3] 馬鳴圖,馬露霞.鋁合金在汽車輕量化中的應用及其前瞻技術[J].新材料產業,2008(9):43-50.

[4] 蔣造云.汽車保險杠的輕量化設計[J].材料開發與應用,2008(10):56-59.

[5] 顧力強,林忠欽,趙亦希,等.轎車保險杠低速碰撞試驗研究[J].上海交通大學學報,2003,37(1):137-140.

[6] 劉海江,張夏,肖麗芳.基于LS-DYNA的7075鋁合金汽車保險杠碰撞仿真分析[J].機械設計,2011,28(2):18-22.

[7] Kim Sang-Ha, Hoon Myung, Ha Sung Kyu. Design and Structural Analysis of Bumper for Automobiles[C]. SAE Paper 980114.

[8] Kim Soo-Sang, Lee Kang-Wook, Lee Dong-Hyun, et al. Bumper System Development to Meet New IIHS Bumper Test Using CAE and Optimization[C]. SAE Paper 2009-01-0962.

[9] 葛如海,王群山.緩沖吸能式保險杠的低速碰撞試驗和仿真[J].農業機械學報,2006,37(2):29-32.

[10] 程秀生,劉維海,郝玉敏,等.某轎車保險杠橫梁結構抗撞性優化[J].汽車技術,2011(10):5-9.