摘要：现阶段，随着社会的发展，我国的现代化建设水平也有了很大的提高。汽车保险杠是车身主要的安全防护部件，在汽车碰撞过程中，其对保护驾驶人员安全有重要作用。因此，汽车保险杠一直是汽车耐撞性设计的重点之一。汽车碰撞时，保险杠尽可能多地吸收碰撞能量，实现保险杠的轻量化是汽车保险杠优化设计的趋势。结合非线性拓扑优化方法和连续变厚度轧制技术对汽车保险杠横梁进行了耐撞性设计，并确定了保险杠的厚度分布。通过探索保险杠防撞横梁和吸能盒壁厚对其安全性能的影响，得到了两者的最佳组合方案，显著改善了保险杠性能。针对汽车保险杠轻量化设计的要求，设计了一种整体式碳纤维增强树脂基复合材料保险杠，并进行了优化求解。文献提出了一种利用铝合金吸能盒结构有限元模型优化其吸能特性的方法，并对该方法进行了实验验证。以上研究中，保险杠的仿真过程与实际情况相差较大，仿真结果误差较大，因此对其碰撞性能改善有一定影响。
关键词：汽车前保险杠；结构设计；优化
引言
汽车工业高速发展，市场需求渐趋多样化，车身改款升级速度随之日益加快。作为汽车的重要装饰件，保险杠的造型美观性和外观质量也受到越来越多的关注。可视面尽量不要出现飞边、缩痕、熔接线及分模线等明显的缺陷，尽量通过零件结构和成型工艺的优化设计达到减少产品外观缺陷、降低注塑成型难度和减少后处理投资的目的。因此，在产品设计与开发前期，结合产品特点和模具结构，进行汽车保险杠的结构优化设计具有重要的意义。
1保险杠分型线概念介绍
模具上用于取出塑件和（或）浇注系统冷凝料的可分离的接触表面称为分型面。分型面与塑件的接触线称为分型线。分型结构设计合理与否，将直接影响着塑件质量、模具结构复杂度及模具寿命等。其中，不影响塑件外观质量是分型面选择的基本原则之一。根据分型线是否外露于零件外观可视面，将它分为外分型线和内分型线。外分型模具结构简单，但是分模线外露和由于模具制造工艺导致的飞边等外观质量问题令很多主机厂和顾客不能接受；内分型模具无论是加工误差还是长期使用后产生的飞边都不会影响零件的外观，但是模具相对比较复杂，投资成本较高。如图1所示，A面为保险杠的外观可见面，B面为保险杠与翼子板结构配合的非可见面，PL1为外分型线，PL2为内分型线。通常，根据外观质量要求和零件结构特征选取适宜的分型面及分型线。
图1前保险杠侧部横截面
2保险杠低速碰撞仿真分析
2.1保险杠低速碰撞前处理设置
汽车前保险杠系统一般由3部分组成：迎撞面保险杠、车架以及吸能盒。其中迎撞面保险杠是与被撞物直接接触的第一道吸能构件，吸能盒是第二道吸能构件，其能够吸收的能量要大于保险杠吸收的能量。当吸能盒发挥作用时，碰撞物体将对车身及成员产生一定程度的危害。在《FMVSS581保险杠标准》（FederalMotorVehicleSafetyStanderds，联邦机动车辆安全标准）中规定了汽车保险杠摆锤碰撞试验标准，按照标准在HyperMesh软件中直接建立撞击质量块的模型。由于质量块模拟的是摆锤冲击试验的碰撞部位，该部位近似刚性，因此将质量块的材料设置为Matl20刚性体，并调整体积与密度，使模型质量为2t。为模拟低速碰撞过程将质量块移动速度设置为4km/h，并将质量块与保险杠的接触设置为单面接触。为防止出现碰撞过程中的穿透现象，增加单面接触的刚性设置。
2.2模型的变形分析
在低速碰撞过程中，保险杠系统变形过程在保险杠撞击质量块过程中，保险杠横梁的变形吸收了大部分质量块的能量，吸能盒变形很小。当质量块有足够大的能量时，碰撞过程中吸能盒会产生压缩变形，完全压缩后剩余能量会使车架产生变形，此时会对乘员的安全产生较大危害。
2.3保险杠位移分析
在碰撞过程中，设置质量块只沿Y轴方向移动，对车架末端固定约束，保证在碰撞过程中保险杠系统只沿Y轴方向移动。质量块在刚碰到保险杠及压入保险杠过程中，保险杠中部位处变形较严重，保险杠压缩完成后会有一定程度的回弹。保险杠与质量块碰撞后保险杠最大位移为181mm，碰撞对保险杠造成了不可逆的破坏。由图4可知，在质量块压入保险杠过程中位移先增加后减小，在t=0．16s时，质量块位移达到最大值，为118mm，此时曲线斜率为0，说明质量块处于静止状态，随后曲线下降，表明质量块开始回弹。
3铝合金保险杠厚度优化
汽车轻量化对于降低汽车油耗以及提高效率有较大的影响，现在较少采用传统钢材料作为保险杠材料，铝制材料由于密度小、强度高、材料特性成熟，因此被作为钢制保险杠的替换材料。对铝制保险杠厚度进行优化的目的是在保证车辆具有相同的吸能效果情况下，尽量降低保险杠的厚度。保险杠初始厚度取为3．5mm，优化厚度分别为2．0mm、2．3mm、2．6mm、2．9mm、3．2mm、3．5mm。质量为2t的质量块以4km/h的速度对汽车保险杠进行正面碰撞。将不同厚度保险杠的质量下降比、保险杠最大位移、质量块速度为0时的时间（吸能总时间）、碰撞过程中保险杠最大应力值、车架最大应力值以及吸能盒最大应力值作为铝合金厚度优选指标。在质量块撞击过程中，随着保险杠迎撞面厚度的减小，最大位移逐渐增大，吸能总时间先增加后减小，保险杠最大应力值逐渐减小，吸能盒最大应力值先减小后增加，车架最大应力值变化较小。当保险杠厚度大于2．3mm时，吸能总时间最大。根据汽车实车碰撞试验的经验，汽车吸能时间越长说明车辆吸能效果越好，对乘员的保护越充分。当保险杠厚度下降为2．0mm时，其最大应力值超过了材料的屈服应力值（572MPa），吸能盒的最大应力值也出现了突然增大的现象，吸能盒开始吸收能量，说明保险杠系统偏弱。当保险杠厚度大于2．3mm时，随着其厚度的增加，质量块在单位时间内下降的速度变大，说明保险杠刚性变大，吸收的能量减小。厚度为2．0mm时，质量块的速度曲线约在0．15s处曲率发生变化，在单位时间内下降的速度增大，此时速度为0mm/s。
结语
文通过CATIA软件建立典型小型车前保险杠及车架模型，利用LS－DYNA显示动力求解器对不同材料保险杠进行仿真，并对铝制保险杠进行优化分析以及碰撞性能分析后得到如下结论：1）在质量块压入保险杠的过程中位移先增加后减小，在曲线斜率为0处质量块处于静止状态，随后质量块开始回弹。钢制保险杠能够抵抗低速碰撞，但产生的变形较大。2）随着铝制保险杠迎撞面厚度的减小，最大位移逐渐增大，吸能总时间先增加后减小，保险杠最大应力值逐渐减小，吸能盒最大应力值先减小后增加，车架最大应力值变化较小。当铝制保险杠厚度大于某一值时，随着厚度的增加，保险杠刚性变大，吸收的能量减小。3）铝制保险杠、车架的应力最大值均小于其屈服应力值，且车架仅发生微小变形。铝合金保险杠与钢材料保险杠相比，铝制保险杠质量较小，变形较小。铝制保险杠及车架应力值均能满足要求，吸能充分，具有优异的缓冲防撞功能。
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论文作者:白静
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/15
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