汽車作為目前陸地上的主要交通工具，汽車交通事故造成的人員死亡占各類事故死亡人數(shù)的首位。汽車碰撞安全問題越來越引起人們的關(guān)注，在汽車碰撞過程中，發(fā)生幾率最高的是汽車前部的碰撞，首先涉及到前部保險(xiǎn)杠的碰撞，但許多國產(chǎn)車的保險(xiǎn)杠吸能性能較差，因此，研究汽車保險(xiǎn)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。由于保險(xiǎn)杠在低速碰撞中的重要性，世界各國對保險(xiǎn)杠的耐撞性都制定了具體的法規(guī)和試驗(yàn)要求。

　　1 汽車保險(xiǎn)杠低速碰撞仿真與試驗(yàn)

　　我國對汽車保險(xiǎn)杠的研究較少，特別是對適用于汽車保險(xiǎn)杠的緩沖材料和緩沖結(jié)構(gòu)的研究非常有限。本文中對某型汽車保險(xiǎn)杠和加裝格柵緩沖裝置內(nèi)襯的緩沖吸能式保險(xiǎn)杠參照試驗(yàn)規(guī)范利用臺車進(jìn)行了低速碰撞試驗(yàn)和仿真。由于保險(xiǎn)杠外飾面罩的抗沖擊強(qiáng)度與鋼材料相比很小，因而在試驗(yàn)和有限元建模中未考慮。

　　1.1 保險(xiǎn)杠系統(tǒng)碰撞有限元模型

　　本文的仿真研究采用了碰撞模擬顯式非線性動力分析有限元程序LS-DYNA3D，其主要算法為拉格朗日描述增量法。本文中這兩種保險(xiǎn)杠都采用三維參數(shù)化造型軟件UG建立了保險(xiǎn)杠系統(tǒng)實(shí)體模型，通過ICES數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換格式，輸人大型非線性動力分析有限元軟件LS-DYNA3D建立保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的有限元模型，某型轎車保險(xiǎn)杠有限元模型由內(nèi)襯金屬橫梁、支架、車體、圓柱型剛性壁構(gòu)成，共有4552個(gè)單元，5280個(gè)節(jié)點(diǎn)。緩沖吸能式保險(xiǎn)杠有限元模型由金屬橫梁、支架、內(nèi)襯緩沖吸能結(jié)構(gòu)、車體、圓柱型剛性壁構(gòu)成，共有8461個(gè)單元，10162個(gè)節(jié)點(diǎn)。保險(xiǎn)杠及支架采用BT殼單元模擬，并采用沙漏控制，部件的厚度采用碰撞前的厚度，不考慮碰撞時(shí)板厚的變化。

　　為分析保險(xiǎn)杠本身的特性及與試驗(yàn)相驗(yàn)證，假設(shè)與保險(xiǎn)杠聯(lián)結(jié)部分不發(fā)生塑性變形，臺車未發(fā)生塑性變形，車體采用8節(jié)點(diǎn)體單元，臺車車身材料采用剛體材料，剛體材料參數(shù)使用真實(shí)的材料的值，如楊氏模量、泊松比和密度，臺車作為剛體內(nèi)部所有節(jié)點(diǎn)自由度都耦合到剛體的質(zhì)心上，程序通過組成剛體的的單元體積和密度自動計(jì)算出質(zhì)量、質(zhì)心和慣量特性。建立的有限元模型中臺車的質(zhì)量為900kgo根據(jù)臺車的試驗(yàn)實(shí)際工況，對臺車剛體的約束通過材料定義中的相關(guān)參數(shù)來設(shè)置Y與Z方向的平動約束和三個(gè)轉(zhuǎn)動約束。圓柱型障礙壁采用四節(jié)點(diǎn)殼單元在空間離散，圓柱型障礙壁在碰撞時(shí)未發(fā)生變形所以也采用剛體材料，因其在實(shí)際試驗(yàn)中是固定的，模擬時(shí)對障礙壁剛體的約束通過材料定義中的相關(guān)參數(shù)來設(shè)置X、Y與Z方向的平動約束和三個(gè)轉(zhuǎn)動約束。保險(xiǎn)杠橫梁和支架全部采用四邊形殼單元離散。保險(xiǎn)杠支架與臺車的連接在模擬時(shí)選擇連接部位處支架上的一系列節(jié)點(diǎn)，把它定義成臺車剛體上的特殊節(jié)點(diǎn)集，生成節(jié)點(diǎn)剛體，這樣支架就被約束在臺車上跟隨其一起運(yùn)動，保險(xiǎn)杠橫梁，支架及內(nèi)襯緩沖吸能結(jié)構(gòu)在連接部位節(jié)點(diǎn)根據(jù)試驗(yàn)情況可以定義成一個(gè)節(jié)點(diǎn)剛體，該節(jié)點(diǎn)剛體可以任意運(yùn)動，保險(xiǎn)杠橫梁，支架及內(nèi)襯緩沖吸能結(jié)構(gòu)通過組成節(jié)點(diǎn)剛體的約束而傳遞力和位移，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)通過節(jié)點(diǎn)約束作為一個(gè)整體而一起運(yùn)動。對保險(xiǎn)杠有限元模型所有的節(jié)點(diǎn)施加X方向速度邊界條件，碰撞速度為8km/h。

　　在模擬分析保險(xiǎn)杠低速碰撞過程中，接觸問題的處理是非常重要，為了保證保險(xiǎn)杠橫梁和圓柱型剛性障礙壁之間在動態(tài)接觸時(shí)不發(fā)生“穿透”，分析中采用主從接觸搜尋算法來進(jìn)行接觸界面的搜尋，在計(jì)算之前將保險(xiǎn)杠橫梁和障礙壁表面之間及橫梁與內(nèi)襯緩沖吸能結(jié)構(gòu)之間所有可能發(fā)生接觸的部位定義成“接觸主面”和“接觸從面”。在計(jì)算過程中不斷的對這些可能接觸的“接觸面”進(jìn)行接觸搜索。一旦確定某處出現(xiàn)接觸界面，先檢查從節(jié)點(diǎn)是否穿透主表面，沒有穿透則不對該從節(jié)點(diǎn)做任何處理。如果穿透，采用對稱罰函數(shù)法，在該從節(jié)點(diǎn)與主表面間、主節(jié)點(diǎn)與從表面引入一個(gè)較大的界面接觸力，大小與穿透深度、接觸剛度成正比。

　　接觸力按下面公式計(jì)算：

　　F=Kδ

　　式中：F——接觸力

　　K——接觸界面剛度（由單元尺寸和材料特性確定）

　　δ——穿透量

　　保險(xiǎn)杠橫梁、保險(xiǎn)杠支架及內(nèi)襯緩沖吸能結(jié)構(gòu)中所用的材料均為彈塑性材料，在仿真計(jì)算時(shí)，選用了指數(shù)硬化彈塑性材料本構(gòu)模型，材料達(dá)到屈服后按指數(shù)關(guān)系塑性硬化，軟件分析中定義的材料、密度、彈性模量、泊松比、屈服應(yīng)力、硬化強(qiáng)度及硬化指數(shù)等參數(shù)。

　　對于彈塑性材料，應(yīng)變的快慢會影響到材料、的塑性行為，高應(yīng)變率會導(dǎo)致材料的動力硬化行為，如在高速（V≥20km/h）碰撞仿真必須考慮應(yīng)變率對‘材料的影響。但在低速（V≤20km/h）碰撞仿真時(shí)，材料模型可選用不計(jì)應(yīng)變率效應(yīng)的彈塑性材料。

　　材料失效的現(xiàn)象比較復(fù)雜，但強(qiáng)度不足引起的失效現(xiàn)象主要還是屈服和斷裂兩種現(xiàn)象，對于保險(xiǎn)杠系統(tǒng)所用材料為鋼彈塑性材料，通常以屈服形式失效，仿真是選擇第四強(qiáng)度理論來判斷材料失效。第四強(qiáng)度理論：形狀改變比能理論（Von Mises應(yīng)力）

　　許用應(yīng)力[σ]=屈服極限σs二/安全系數(shù)，σ1、σ2、σ3為三個(gè)主應(yīng)力。LS-DYNA程序里在結(jié)果文件包含了三個(gè)主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和Von Mises應(yīng)力數(shù)值。

　　1.2 保險(xiǎn)杠系統(tǒng)碰撞試驗(yàn)

　　試驗(yàn)條件：臺車碰撞速度為8km/h，碰撞壁障為圓柱型剛性障礙壁，臺車質(zhì)量為900kg，保險(xiǎn)杠支架采用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高的直支架。

　　某型汽車保險(xiǎn)杠承載能力比較弱，在20ms時(shí)臺車加速度達(dá)到一個(gè)峰值，在持續(xù)到160ms時(shí)保險(xiǎn)杠杠體被壓潰，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)失效，臺車車身與障礙壁相撞。緩沖吸能式保險(xiǎn)杠，利用杠體內(nèi)襯金屬結(jié)構(gòu)的塑性變形來吸收碰撞能量，通過試驗(yàn)臺車低速碰撞試驗(yàn)加速度曲線可知，臺車平均加速度比不裝格柵緩沖裝置時(shí)有一定提高，但加速度峰值增加并不大。此時(shí)借助格柵緩沖裝置塑性變形緩沖作用幾，使臺車的速度變化在相對較長的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，從而減弱了或避免了撞擊剛性壁時(shí)的沖擊作用，試驗(yàn)后照片也顯示盡管此時(shí)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在8km/h的低速碰撞下產(chǎn)生了較大的塑性變形，保險(xiǎn)杠支架也有明顯的塑性變形、但此時(shí)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)尚未失效，表明緩沖吸能式保險(xiǎn)杠的承載能力較強(qiáng)，吸能效果較好，具有較好的耐撞性。   

　　保險(xiǎn)杠的支架強(qiáng)度必須要與保險(xiǎn)杠匹配，本文中試驗(yàn)和仿真都顯示保險(xiǎn)杠杠體產(chǎn)生一定的塑性性變形的同時(shí)，保險(xiǎn)杠支架也開始形成塑性區(qū)，合理的加強(qiáng)支架強(qiáng)度有利于提高保險(xiǎn)杠系統(tǒng)對碰撞能量的吸收。

　　1.3 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

　　保險(xiǎn)杠在低速碰撞下的動力響應(yīng)特性是指碰撞過程中，碰撞體的位移（或變形）、速度、加速度等的時(shí)間響應(yīng)歷程。由于保險(xiǎn)杠上各點(diǎn)的參數(shù)特性各不相同，不利于評估分析，而車體是剛性體，所以取車體為分析對象，試驗(yàn)和仿真計(jì)算得到碰撞過程中的加速度變化的時(shí)間歷程曲線對比。   

　　從仿真和試驗(yàn)結(jié)果上看在低速碰撞過程中，被撞車的速度變化較小，最大加速度值也比較小。由此可見，在設(shè)計(jì)中仍有提高保險(xiǎn)杠系統(tǒng)總體剛度的余地。因?yàn)閺奶岣弑ｋU(xiǎn)杠系統(tǒng)對碰撞能量吸收的角度來說，增加剛度是有利的。通過計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算可知，在相同的碰撞初始速度條件下，相對于某型轎車保險(xiǎn)杠而言，吸能式保險(xiǎn)杠內(nèi)能增加比較明顯，通過圖8可知某型轎車保險(xiǎn)杠在沒有失效時(shí)吸收能量大約為1500)，而此時(shí)系統(tǒng)的總動能為2200J，這表明此時(shí)保險(xiǎn)杠未能吸收足夠的碰撞動能。而緩沖吸能式保險(xiǎn)杠吸收能量大約在2000J以上，幾乎所有的碰撞前試驗(yàn)臺車動能都被保險(xiǎn)杠杠體和支架吸收。采用緩沖吸能式保險(xiǎn)杠可以明顯提高保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的剛度，這對于吸收碰撞能量，減小碰撞時(shí)車體的加速度，增強(qiáng)汽車耐撞性是有利的。

　�。�1）利用臺車碰撞試驗(yàn)取代實(shí)車的碰撞試驗(yàn)，有效的簡化了試驗(yàn)操作，降低試驗(yàn)成本。臺車碰撞試驗(yàn)也驗(yàn)證了仿真的有效性和可靠性。

　�。�2）試驗(yàn)和仿真都表明某型汽車保險(xiǎn)杠在正面低速碰撞圓柱型障礙壁時(shí)保險(xiǎn)杠橫梁變形過大，車身已開始撞擊剛性壁柱，此時(shí)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)不能對車身提供有效的保護(hù)。緩沖吸能式保險(xiǎn)杠增強(qiáng)了保險(xiǎn)杠的吸能能力，在碰撞過程中很好地控制了加速度和速度的變化，保險(xiǎn)杠的橫梁和支架沒有發(fā)生壓潰失效，其耐撞性較好。

　�。�3）有限元模擬計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，因此利用仿真計(jì)算優(yōu)化緩沖吸能式保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)是切實(shí)可行的。