基于HyperWorks的汽车后保险杠刚度分析

摘要：应用弹塑性理论和非线性有限元分析方法，运用了Altair的HyperMesh软件建立了某乘用车后保险杠总成的有限元模型，详细介绍了总成之间的螺钉、螺栓、卡扣等各种连接方式的模拟方法，并用RADIOSS求解器进行保险杠系统的刚度分析。最后在HyperView和HyperGraph软件中分别获得到保险杠总成的变形分布云图以及刚度特性曲线，校核了保险杠表面的抗压刚度，并为结构的改进设计提供了依据。
关键词：保险杠系统，刚度分析，有限元，HyperMesh，RADIOSS，HyperGraph

0 引言

汽车保险杠是吸收缓和外界冲击力，防护车身前后部的安全装置。目前轿车的前后保险杠主要以塑料为主，被称为塑料保险杠，这缘于除了拥有原有金属保险杠的保护功能外，还追求与车体造型的和谐统一与轻量化以及装饰作用[1]。

汽车塑料保险杠作为汽车前保系统中重要的零件，在设计过程中除了需要考虑缓冲吸能效果、不同温度下的热性能，还要考虑其自重下沉、抗压、抗拉等刚度性能。由于该零件结构复杂，在刚度的过程中需要考虑材料非线性、几何非线性及复杂的接触特性，传统的计算方法已经无法解决，运用有限元方法则能很好的解决上述问题。

RADIOSS 是功能强大的有限元仿真软件，在隐式求解模块对大应变和大位移等非线性问题具有良好的处理能力。本文采用HyperMesh11.0建模，RADIOSS 作为求解器，HyperView与HyperGraph进行后处理，对某乘用车后保险杠总成表面的抗压刚度进行研究，以探索一种计算代价小、精度较高的有限元建模方法。

1 后保总成的刚度目标

根据客户提供的塑料保险杠技术标准，在整车状态，要求使用直径为50mm的刚性圆柱压头，沿着压头与保险杠蒙皮接触面法线的方向施加250N载荷，如图1所示，要求压头最大侵入量不能大于12mm。

2 汽车后保系统的抗压刚度仿真分析

2.1 汽车塑料保险杠材料模型[2]

弹塑性是常见的材料非线性行为，热塑性性材料的弹塑性力学模型采用材料屈服面、弹性势力和流动定律来建立，且材料满足Von Mises屈服准则和等向强化的弹塑性模式。其弹性和弹塑性变形阶段的增量本构关系为

式中[D]e为弹性矩阵；[D]ep弹塑性矩阵；为弹塑性矩阵；为应力矩阵；为弹性应变矩阵；为塑性应变矩阵。该保险杠使用的材料为PP+EPDM+T10,弹性模量为1447MPa,泊松比为0.39。根据单轴拉伸试验得出工程应力应变数据，应依据RADIOSS定义塑性材料的特点，将工程应力应变数据转化为真实应力和塑性应变数据[3],图2和图3分别为该材料工程应力应变曲线与真实应力和塑性应变曲线。

式中：为真实应变；为工程应变；为真实应力，为工程应力；为塑性应变；为弹性应变

2.2 网格离散

网格离散是有限元建模最基本、最耗费时间的环节。静态有限元分析和动态有限元分析对网格离散要求是有差异的，但考虑时间成本，后保总成的所有网格都直接采用基于RADIOSS高速碰撞模型的网格，网格基本尺寸为8mm,局部进行细化，并通过单元质量控制来保证模型的网格质量。

同一零件的二维三角形单元数量所占比例小于5％，单元翘曲小于15 度；严格进行单元质量检查和控制单元质量参数，检查是否有自由一维连接单元，重复节点、重复单元或缺少单元，以及高度畸变的单元，网格质量检查标准参照企业内部标准，确保模型质量和计算精度。

2.3连接的定义

整个后保系统中存在着大量的连接，这些连接方式的模拟是否合理直接影响着计算结果的精度。

2.3.1 螺钉与焊点的定义

螺钉连接和塑料件的焊点连接是将两个零件刚性的连接在一起，连接位置无相对运动，在模拟此类连接关系时用RBE2单元进行模拟较为合理；

2.3.2 螺栓的定义

一个典型的螺栓连接是通过螺栓将螺栓孔连接在一起，和螺钉连接不同，螺栓连接并不能限制两螺栓孔绕螺栓轴线旋转方向的自由度，如下图4所示。在模拟此类连接时，分别在两个螺栓孔定义一个RBE2单元模拟螺栓的两端，在两个RBE2单元主控点之间分别建立五个Equation，见图5与图6,用于定义两个螺栓孔之间的运动关系，以近似的模拟螺栓连接。

2.3.3 卡扣的定义

卡扣连接是利用塑料或金属的弹性变形，实现两种零件快装和速拆的一种连接方法[4]，该连接大量存在于汽车保险杠总成零件中，汽车后保险杠系统中一种典型的卡扣连接如下图7所示。关于卡扣的连接，在碰撞模拟分析中常用刚性单元（Rigidbody）模拟，但在静态分析中，由于卡扣连接本身就是一种柔性连接，用刚性单元模拟卡扣不准确，本文尝试使用另外一种模拟方法，如图8所示，卡舌与卡槽分别定义一个RBE2单元，在两个单元的主控点之间定义Spring单元，该单元的刚度方向（如X方向）通过弹簧控制，其余方向运动可以通过Equation定义，刚度值的大小通过物理试验进行测量。

2.4 接触定义

为了模拟后保总成各零件之间存在的接触问题，分别在接触面上加一层摩擦接触单元。在HyperMesh11.0中定义了三种标注的接触类型：滑动（SLIDE）,粘结(STICK)和固连（FREEZE）。在分析的过程中，软件会自动计算接触对之间的接触刚度和摩擦系数以利于计算结果的收敛。根据后保系统各零件间的实际工况，选取标准接触SLIDE作为接触类型。

2.5约束和加载

由于本试验主要考虑后保系统保险杠蒙皮的抗压刚度，远离保险杠系统的车身可以定义成刚性体，并进行全约束。

按照试验要求，使用直径为50mm的刚性圆柱压头，沿着压头与保险杠蒙皮接触面法线的方向施加250N载荷。根据经验，如果直接在压头上直接施加垂直载荷，计算会因为收敛问题而终止，原因是模型存在几何非线性、材料非线性及大量的接触非线性等。本文的处理方法是在先将压头定义成由一个节点控制的RBE2单元，然后在该节点上施加约束载荷，通过局部坐标系限制约束载荷X方向，大小为设置为20mm，如图9所示，在计算完成后输出该节点的反力，进而求出压头的反力与侵入位移的曲线，从曲线上求得载荷为250N作用下的侵入位移的大小。

2.6 仿真结果

在HyperMesh中完成汽车后保总成有限元相关设置后，利用RADIOSS Block模块求解器进行保险杠刚度的非线性分析。计算完成后，在HyperView输出保险杠系统的变形分布云图，如图10所示。在HyperGraph中分别输出压头RBE2单元主空点的时间位移曲线与时间载荷曲线，然后进行合成，进而得到保险杠位于该点的刚度特性曲线，如图11所示。从图中可以看到，250N载荷对应的侵入位移为12.5mm。

3 结论

基于Altair的HyperWorks软件平台，完成了保险杠系统的刚度仿真分析，并得到了变形分布云图与刚度特性曲线，结果显示，当压头在250N的作用下，最大侵入位移为12.5mm,不满足客户的要求，需要对后保总成相关零件进行结构改进。

RADIOSS求解器能够同时考虑有限元模型的几何非线性、材料非线性及接触非线性等复杂的非线性行为，为复杂有限元模型的计算提供了便利。计算完成后，通过HyperView和HyperGraph模块能够很方便的进行结果后处理，获得到保险杠总成的位移分布云图以及刚度特性曲线，并为结构的改进设计提供了依据。

4 参考文献
[1] 王绍春. 汽车保险杠设计[ J] .汽车技术，1998.
[2] 罗建成，徐明欣. 某工程车辆驾驶室侧向极限承载力的分析[M ] . 汽车工程，2012 .
[3] 徐佩弦. 塑料制品设计指南 [M].北京：化学工业出版社，2006.