1. 引言

汽車保險(xiǎn)杠是汽車上的重要部件，它的作用主要是吸收和緩沖外界沖擊，保護(hù)駕駛室前后部分的安全裝置。在節(jié)能、安全、環(huán)保為當(dāng)今汽車設(shè)計(jì)的主流前提下，保險(xiǎn)杠的動(dòng)態(tài)特性更是汽車前端布置和設(shè)計(jì)的重要任務(wù)之一。由于保險(xiǎn)杠支架與車架直接相連，且是金屬部件，

因此是整個(gè)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)中重點(diǎn)考察對(duì)象[1]。

 

本文利用采用數(shù)值模擬的手段，結(jié)合模擬分析的結(jié)果，利用有限元前處理軟件建立某輕型卡車前保險(xiǎn)杠總成 2 種方案的有限元模型，并利用 Abaqus 求解器進(jìn)行保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析；同時(shí)按照實(shí)際設(shè)計(jì)過程及要求，運(yùn)用材料線性分析考察支架的靜態(tài)強(qiáng)度，根據(jù)分析結(jié)果選定相對(duì)合理的方案[2-5]。

 

2. 保險(xiǎn)杠總成的有限元模型建立

利用設(shè)計(jì)人員提供的 CAD 數(shù)據(jù)模型，將其導(dǎo)入有限元前處理軟件中進(jìn)行前處理。保險(xiǎn)杠總成包括保險(xiǎn)杠面罩、保險(xiǎn)杠骨架和車架連接支架 3 個(gè)件；在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，根據(jù)零件的幾何特征，全部采用殼單元，單元類型為 S3 和 S4R，網(wǎng)格平均尺寸設(shè)置為 5mm；面罩和骨架、骨架與支架之間采用螺栓連接，在模型建立過程中采用KINCOUP 和 B31 一維單元模擬；汽車霧燈用質(zhì)量單元Mass 替代，與保險(xiǎn)杠支架用 KINCOUP 一維單元連接。方案 1 和方案 2 的有限元模型如圖 1、圖 2 所示。

 

 

 

圖 1. 方案 1 保險(xiǎn)杠有限元模型

 

圖 2. 方案 2 保險(xiǎn)杠有限元模型

 

3. 保險(xiǎn)杠總成的模態(tài)分析

3.1 模態(tài)理論

模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動(dòng)特性。線性系統(tǒng)的自由振動(dòng)被解耦合為 N 個(gè)正交的單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的 N 個(gè)模態(tài)。每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得，這樣一個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過程稱為模態(tài)分析。當(dāng)利用有限元方法求解結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程為：

 

 

 

其中，M 為質(zhì)量矩陣，C 為阻尼矩陣，K 為剛度矩陣，f(t)為激勵(lì)力。

 

在模態(tài)求解時(shí)，假定結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)，則取 f(t)=0，。同時(shí)因結(jié)構(gòu)阻尼 C 很小，對(duì)固有頻率和陣型的影響很小，可忽略不計(jì)，則上式成為無阻尼自由振動(dòng)方程：

 

 

 

得到特征方程：

 

 

 

ω為系統(tǒng)的固有系統(tǒng)，φ為相應(yīng)的振型，本次分析采用 Abaqus 求解器，使用 Lanczos 方法提取特征值[6]。

 

3.2 約束邊界條件

模型中添加剛性單元（rigid bar element）KINCOUP來定義剛性連接，在車架連接支架的安裝孔處，添加用于固定約束的 KINCOUP，如圖 3 所示，約束該安裝孔的1~6 自由度。

 

 

圖 3. 保險(xiǎn)杠總成約束邊界條件

 

3.3 載荷邊界條件

在 Abaqus 軟件中建立模態(tài)分析時(shí)，設(shè)定模態(tài)數(shù)為0～30，設(shè)定頻率范圍為 0～200Hz，針對(duì)該車型來說，這樣的設(shè)定從工程應(yīng)用角度來說足夠了。

 

3.4 材料設(shè)定

該保險(xiǎn)杠總成中，計(jì)算用到的材料屬性如表 1 所示。

 

表 1 保險(xiǎn)杠總成材料屬性

 

 

3.5 模態(tài)分析

將之前的模型設(shè)定好之后，提交 Abaqus 求解器進(jìn)行求解，得到 2 種方案模態(tài)頻率值如表 2 所示。圖 4～6 分別為保險(xiǎn)杠總成前 1～6 階的模態(tài)振型圖，其中上面為方

 

案 1 陣型圖，下面為方案 2 陣型圖。

表 2 2 種方案保險(xiǎn)杠總成的模態(tài)頻率

 

 

 

圖 4. 保險(xiǎn)杠總成 1～2 階振型圖

 

 

圖 5. 保險(xiǎn)杠總成 3～4 階振型圖

 

 

圖 6. 保險(xiǎn)杠總成 5～6 階振型圖

 

保險(xiǎn)杠是固結(jié)在車架上的，發(fā)動(dòng)機(jī)也是固定在車架上的，所以保險(xiǎn)杠受到的固定激勵(lì)頻率跟發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)。

 

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率存在某種關(guān)系。怠速工況和正常行駛工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率可以由發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率的計(jì)算公式獲取，由此就可以分析發(fā)動(dòng)機(jī)的主要振動(dòng)頻率范圍。該輕型卡車的發(fā)動(dòng)機(jī)為某 4 缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速轉(zhuǎn)速為 600rpm。

 

發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率=（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速×發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)×2）÷（60×發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)），通過計(jì)算可以得出其常用工況下發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率為 20Hz。

 

從分析數(shù)據(jù)來看，在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)頻率與保險(xiǎn)杠總成方案 1 的 1 階，2 階模態(tài)頻率接近，將有可能在該區(qū)間某一頻率發(fā)生共振；而發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率與方案 2的各階模態(tài)頻率沒有共振頻域，所以從模態(tài)方面考慮，方案 2 優(yōu)于方案 1。

 

4. 保險(xiǎn)杠總成的靜強(qiáng)度分析

4.1 力學(xué)理論

力學(xué)分析是結(jié)構(gòu)有限元分析的基礎(chǔ)和主要內(nèi)容，力學(xué)分析計(jì)算是在固定載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響。通過靜力分析，可以校核結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求。線性力結(jié)構(gòu)分析用來分析結(jié)構(gòu)在給定力載荷作用下的響應(yīng)。一般情況下，比較關(guān)注的往往是結(jié)構(gòu)的位移，約束反力，應(yīng)力以及應(yīng)變等參數(shù)。動(dòng)力學(xué)方程為：

 

 

 

其中：[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度系數(shù)矩陣；{x}為位移矢量；{F}為力矢量。線性力結(jié)構(gòu)分析中，所有與時(shí)間相關(guān)的選項(xiàng)都被忽略，于是上式簡(jiǎn)化為：

 

 

 

在分析過程中應(yīng)該滿足以下假設(shè)條件：[K]矩陣必須是連續(xù)的，相應(yīng)的材料需滿足線彈性和小變形理論。{F}矩陣為力載荷，同時(shí)不考慮隨時(shí)間變化的載荷，不考慮慣性（質(zhì)量、阻尼等）的影響。

 

4.2 靜強(qiáng)度分析

保險(xiǎn)杠總成在車輛行駛過程中，受到?jīng)_擊的典型工況為制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎和垂向，表 3 為三種工況下，作用在該輕型卡車型保險(xiǎn)杠總成的沖擊加速度，表 3 中的工況及加速度大小來源于整車廠對(duì)保險(xiǎn)杠總成的試驗(yàn)測(cè)試。

 

表 3 保險(xiǎn)杠總成工況及載荷

 

 

表 4 為三種工況下最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì)，圖 7～9 為 2 種保險(xiǎn)杠總成方案在三種工況下的應(yīng)力云圖。

 

表 4 2 種方案保險(xiǎn)杠總成的最大應(yīng)力

 

 

 

 

圖 7. 制動(dòng)工況應(yīng)力云圖

 

 

 

圖 8. 轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力云圖

 

 

圖 9. 垂向工況應(yīng)力云圖

 

從計(jì)算分析結(jié)果來看，在車輛制動(dòng)工況下，其方案 1最大應(yīng)力為 27.17Mpa，方案 2 最大應(yīng)力為 17.77Mpa，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在車架連接支架上；轉(zhuǎn)彎工況下，方案 1最大應(yīng)力為 20.56Mpa，方案 2 最大應(yīng)力為 26.29Mpa，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在車架連接支架上；垂向工況下，方案 1最大應(yīng)力為 32.60Mpa，方案 2 最大應(yīng)力為 33.09Mpa，最大應(yīng)力也均出現(xiàn)在車架連接支架上。

 

三種工況下，兩種方案的最大應(yīng)力都沒有超過其材料的屈服強(qiáng)度 350Mpa，且具有很高的安全系數(shù)，整體滿足設(shè)計(jì)要求。

 

5. 結(jié)論

本文以某輕型卡型 2 種保險(xiǎn)杠總成方案為研究對(duì)象，利用有限元前處理軟件建立了保險(xiǎn)杠總成的有限元模型，在此基礎(chǔ)上，用 Abaqus 求解器對(duì) 2 種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模態(tài)和靜強(qiáng)度對(duì)比分析，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化選擇。

 

本文對(duì) 2 種保險(xiǎn)杠總成方案進(jìn)行模態(tài)分析后，發(fā)現(xiàn)方案 1 與發(fā)動(dòng)機(jī)頻率之間有共振分析；對(duì) 2 種方案進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，兩種方案的最大應(yīng)力均沒有超過材料的屈服強(qiáng)度，所以建議選擇方案 2 作為其最終的設(shè)計(jì)方案。

 

資料來源：達(dá)索官方