ABAQUS剛性分析在乘用車保險杠輕量化上的應用

付赫濤

摘要：為降低保險杠產品重量，基于ABAQUS建立輕量化結構保險杠產品的剛性實驗模型，驗證輕量化乘用車保險杠產品的剛性實驗性能，從而為進一步優化產品重量，改善產品結構提供參考指標。

Abstract： In order to reduce the weight of bumper products， a rigid experimental model of lightweight structural bumper products was established based on ABAQUS to verify the rigid experimental performance of lightweight passenger car bumper products， so as to provide reference indicators for further optimizing product weight and improving product structure.

關鍵詞：ABAQUS;剛性分析;保險杠;輕量化

Key words： ABAQUS;rigidity analysis;bumper;lightweight

中圖分類號：U462? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0039-02

0? 引言

近期，隨著霧霾等空氣環境污染的加劇，我國汽車工業的發展面臨著環保問題的巨大壓力，而輕量化技術有助于節能減排、提高發動機效率、降低尾氣排放、降低油耗、降低整車成本，是各車企對零部件供應商的迫切要求。今天的乘用車保險杠，是由PP（聚丙烯）材料注射成型，再經涂裝、裝配等工序生產完成的塑料蒙皮制品，其壁厚決定了產品的重量。傳統保險杠蒙皮壁厚一般為3mm左右，總重量在8kg左右。進入21世紀，日本汽車制造商為降低整車重量和成本，率先研究塑料保險杠薄壁化技術，經過多年努力，平均壁厚降低至2.5mm以下，較傳統設計的保險杠蒙皮減重16%，成果斐然?？傮w來說，薄壁化保險杠較傳統保險杠有以下優勢：

①重量輕;

②成型生產節拍降低，從而降低生產成本;

③壁厚方向收縮率較小。

但到現在為止，國內尚未普及這種技術，這是因為存在以下風險和難度：保險杠不僅僅起到裝飾作用，它也是吸收和緩和外界沖擊力、保護車身及行人安全的保護裝置。國家標準和各主機廠對保險杠的剛性、回彈性能、低速碰撞性能、行人保護、震動性能、模態等指標都有嚴格的標準。其中，剛性是非常重要的力學標準。如何在降低壁厚和產品重量的同時，保證剛性指標在標準允許的范圍內？本文探討基于ABAQUS軟件，建立輕量化結構的保險杠產品剛性實驗仿真模型，驗證輕量化保險杠的剛性實驗性能，從而為進一步優化產品重量，改善產品結構提供參考指標。

1? 客戶剛性標準

不同的車企，對保險杠表面剛性的要求不盡相同。以某車企對保險杠表面剛性為例，要求如表1所示。

2? ABAQUS靜力接觸分析模型

計算模型包括后保險杠面罩本體、兩側側翼支架。整個模型總成包含殼單元網格99726個，平均網格尺寸4mm。

保險杠模型的壁厚，可在ABAQUS軟件中，分別設置不同的集合定義不同區域的壁厚。以下為本次驗證的輕量化壁厚設置方案，不同的受力位置，設置為不同的壁厚，以求降低保險杠的總體重量。

3? 材料參數

保險杠面罩采用PP材質，密度1.09E-09 t/mm3，泊松比：0.35，彎曲彈性模量1640MPa;左/右側支架采用POM 材質，密度1.40-09t/mm3，泊松比：0.39，彎曲彈性模量2773MPa。材料應力-應變曲線采用三點彎曲試驗機應力-應變曲線。（圖3）

4? 剛性實驗仿真及其結果

剛性仿真采用Standard求解器，進行模擬接觸分析。要注意的是，實驗位置需要通過三坐標測量儀和仿真位置進行校準。（表2）

5? 結論

根據剛性實驗和仿真的結果可以看出，如圖2所示的輕量化壁厚設置方案，可以滿足剛性實驗標準。但是，保險杠產品需要滿足的標準不只是剛性實驗，還包括回彈性能、低速碰撞性能、行人保護、震動、模態等指標的要求，因此需要進行多個種類的實驗和仿真。我們可以利用實驗數據對CAE分析結果進行校核，反過來又不斷提升了CAE分析的準確性，逐步建立起結構設計-CAE仿真-實驗驗證-改善的良性循環，降低驗證時間與成本，提升研發能力。

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