摘要：為了研究焊接誤差對汽車前縱梁碰撞性能的影響，建立了前縱梁有限元模型，并設(shè)置不同的焊接誤差，利用有限元仿真軟件模擬汽車前縱梁100%正面碰撞，得到前縱梁吸能曲線。仿真結(jié)果顯示，焊點橫向誤差在[-2,1] mm區(qū)間外時，前縱梁吸能特性衰減幅度較大；焊點縱向誤差在[-1,1] mm區(qū)間外時，前縱梁吸能特性也會大幅衰減；縱向誤差對汽車前縱梁吸能特性的影響較大；前縱梁的壁厚也會影響汽車前縱梁的吸能效果。
關(guān)鍵詞：正面碰撞；汽車前縱梁；焊接誤差；有限元模型；仿真
在汽車正面碰撞過程中，車身前部最為關(guān)鍵的作用是將碰撞產(chǎn)生的巨大能量有效地吸收掉，而汽車前縱梁在碰撞過程中表現(xiàn)出來的特性在很大程度上影響整車正面碰撞安全性。近年來，很多研究人員對前縱梁碰撞時的特性進(jìn)行了研究，張君媛等[1]對汽車正面25%重疊率碰撞進(jìn)行了研究，鄭何妍等[2]對汽車正面耐碰撞性進(jìn)行了有限元仿真分析，王麗萍等[3]對汽車正面碰撞前縱梁變形問題進(jìn)行了仿真分析，姚宙等[4]基于能量管理對汽車前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計研究，蘭鳳崇等[5]基于連續(xù)變截面板(TRB板)對汽車前縱梁的特性進(jìn)行了研究，陳更等[6]基于膠接、點焊和膠焊連接方式對前縱梁耐撞性進(jìn)行了研究。然而,關(guān)于焊點誤差對前縱梁正面碰撞性能影響的研究較少。
影響縱梁吸能特性的因素是多方面的，不同汽車的前縱梁的形狀、結(jié)構(gòu)、材料等都不同，但它們也有著共同的特征：都是由相應(yīng)材料焊接成的，點焊是汽車前縱梁的主要連接方式，焊接過程中必然會產(chǎn)生誤差。制造環(huán)節(jié)中誤差參數(shù)對汽車碰撞性能的影響程度尚不清楚，基于這樣的事實，本文通過定義材料性能參數(shù)，建立前縱梁有限元模型，設(shè)置不同的誤差參數(shù)，對前縱梁碰撞特性進(jìn)行仿真研究。
1、 碰撞仿真試驗
首先根據(jù)實際情況確定材料屬性和單元類型，并在前處理軟件中建立前縱梁簡化模型，再對建好的模型施加必要的載荷和約束，然后設(shè)置不同的誤差參數(shù)進(jìn)行試驗，通過LS-DYNA有限元仿真軟件輸出計算結(jié)果，并繪出相應(yīng)的碰撞特性曲線，最后分析仿真數(shù)據(jù)，討論焊接誤差等因素對試驗結(jié)果的影響。
1.1 前縱梁材料性能參數(shù)
薄壁金屬構(gòu)件受到撞擊時產(chǎn)生的褶皺形變越大，吸能效果越好，也更適用于轎車的前縱梁。模擬碰撞試驗選用的是正四邊形截面形狀的直薄壁梁構(gòu)件[7]，長度為140 mm，壁厚為1.75 mm，材料為分段線性彈塑性鋼材，其性能參數(shù)見表1，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。
圖1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線
表1 薄壁梁材料性能參數(shù)
1.2 有限元模型
1)幾何模型。
汽車前縱梁由金屬板沖壓而成，模擬中采用殼單元描述效果最好。首先在UG中處理碰撞結(jié)構(gòu)，得到簡化的前縱梁模型，如圖2所示，然后將簡化模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行幾何處理，得到幾何模型。
圖2 前縱梁簡化模型
2)網(wǎng)格單元劃分。
有限元分析法的思想是以曲代直、以塊逼近[8]，因此在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格單元的大小、疏密程度、結(jié)構(gòu)離散程度都會對最后的結(jié)果產(chǎn)生影響。網(wǎng)格密度的選擇要平衡計算效率和計算精度兩個方面，所以在對網(wǎng)格進(jìn)行劃分時主要考慮：①網(wǎng)格單元形狀盡量分割成比較規(guī)則的正多面體。②網(wǎng)格單元大小適中，太小計算時間過長，會出現(xiàn)計算失真、失誤；太大會導(dǎo)致網(wǎng)格精度誤差增大，影響計算結(jié)果?；谝陨蟽牲c，在HyperMesh中將前縱梁幾何模型分割成邊長為5 mm的正四邊形，得到前縱梁的網(wǎng)格單元模型，如圖3所示。
圖3 前縱梁網(wǎng)格單元模型
3)焊點處理。
在進(jìn)行前縱梁有限元碰撞仿真時，焊點處理是非常重要的一個環(huán)節(jié)，焊點處理不好將直接影響計算結(jié)果的精度。首先建立梁單元焊點模型(一個梁單元連接兩個殼單元)，然后在軟件中直接定義連接殼單元和梁單元，通過模型模擬焊點的應(yīng)力特性，進(jìn)而實現(xiàn)梁單元和殼單元的模擬連接。
4)設(shè)置載荷和約束。
模型建好后，定義碰撞載荷并設(shè)定約束。定義碰撞載荷：仿真時用移動的剛性壁去碰撞前縱梁，剛性壁的質(zhì)量設(shè)為1 t，碰撞速度設(shè)為60 km/h。汽車前縱梁只能作軸向移動，其他方向的運動被約束；后端固定不動，6個自由度全被約束。剛性壁只能軸向移動，其他方向的5個自由度被約束。
有限元模型建好以后，先通過功能接口定義材料的屬性并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，然后進(jìn)行模擬碰撞試驗。
準(zhǔn)備工作做好以后，進(jìn)行100%正面仿真模擬碰撞，前縱梁與剛性壁的碰撞過程如圖4所示，由圖可以看出，接觸時間為10 ms時前縱梁已經(jīng)被壓潰變形；在30 ms時前縱梁幾乎被壓縮到了極限，剩余的碰撞能量就會繼續(xù)向后傳遞到車內(nèi)駕乘人員的身體上[9]，由此可見，設(shè)置合格的前縱梁對車內(nèi)駕乘人員生命安全的保障是十分必要的。
圖4 前縱梁的碰撞變形過程
模擬碰撞過程中，得到碰撞力曲線如圖5所示，由圖可知，在0 s和0.03 s時曲線的波峰比其他時間要高，這是因為碰撞開始時碰撞力最大，所以波峰最高，在0—0.03 s前縱梁被壓潰產(chǎn)生形變，這些形變會吸收相應(yīng)的能量，碰撞能量逐漸減少，但在0.03 s時由于前縱梁被壓縮到極限，不能繼續(xù)產(chǎn)生形變吸收能量，故曲線波峰突然劇增。
圖5 碰撞力曲線
吸能曲線如圖6所示。由圖可以看出，前縱梁在0—0.03 s產(chǎn)生了連續(xù)折疊形變，把這種形變定義為褶皺形變，每產(chǎn)生一個褶皺形變都要消耗相應(yīng)的能量，因此該階段被消耗的能量逐漸增多。但是前縱梁的壓縮空間是有限的，當(dāng)前縱梁沒有繼續(xù)被壓縮的空間時其剛性迅速增強，碰撞力急劇上升，之后能量吸收為零，故在0.03 s消耗的能量迅速增大，之后能量不再被吸收。
圖6 碰撞過程前縱梁吸能曲線
2、 焊接誤差對仿真結(jié)果的影響
本文選取焊接過程中產(chǎn)生的焊點誤差、厚度差等因素，分析各個誤差對碰撞力和前縱梁吸能特性的影響。
橫向誤差分別取-3.0,-2.0,-1.0,1.0,2.0,3.0 mm，通過有限元仿真繪出橫向誤差-前縱梁吸能關(guān)系圖，如圖7所示。由圖可知，在-2.0～1.0 mm時前縱梁的吸能特性變化不大，超出這個區(qū)間前縱梁的吸能性能明顯下降，顯然會影響汽車的碰撞安全性。
圖7 橫向誤差-縱梁吸能特性曲線
縱向誤差分別取-3.0,-2.0,-1.0,1.0,2.0,3.0 mm，通過有限元仿真繪出縱向誤差-前縱梁吸能關(guān)系曲線圖，如圖8所示。由圖可知，縱向誤差在-1.0～1.0 mm時前縱梁的吸能效果較好，并且在誤差為1.0 mm時達(dá)到最好。
圖8 縱向誤差-縱梁吸能特性曲線
由于制造前縱梁的材料不是全部相同的，取同一種材料不同批次、不同厚度來進(jìn)行仿真分析，厚度誤差分別取值為-0.15,-0.10,-0.05,0.05,0.10,0.15 mm。通過有限元仿真繪出厚度差-前縱梁吸能關(guān)系曲線圖，如圖9所示。由圖可知，同一材料的板厚誤差不大于0.05 mm時，縱梁吸能特性波動較小，板厚誤差超過0.05 mm以后吸能特性明顯增加，隨著厚度的增加吸能效果顯著增加，但是考慮到汽車的輕量化，因此板的厚度不能太大。
圖9 厚度誤差-縱梁吸能特性曲線
3、 結(jié)束語
為了全面客觀地分析焊點間距、厚度等材料特性偏差對汽車前縱梁碰撞能量吸收特性造成的影響，建立了前縱梁有限元模型，借助有限元軟件LS-DYNA[10]仿真分析焊接誤差等因素在碰撞過程中對前縱梁吸能特性產(chǎn)生的影響。通過仿真試驗發(fā)現(xiàn)，板厚對汽車縱梁吸能特性的影響較大，事實情況就是板越厚，變形區(qū)域越大，吸能效果越好。但是汽車的前縱梁不宜太厚， 否則將不利于汽車的輕量化，板厚應(yīng)該保持在一定范圍內(nèi)，這樣既保證了縱梁的吸能特性，又保證了汽車的輕量化[10]。關(guān)于板厚對吸能特性影響的研究是在仿真試驗條件下進(jìn)行的，并沒有全面地去考慮板厚的上限和下限，因此后期仍然需要結(jié)合實車試驗做進(jìn)一步研究。
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來源：期刊（機械設(shè)計與制造）
作者：祝學(xué)亮(延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院）
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