Abaqus剛性分析在乘用車保險(xiǎn)杠輕量化上的應(yīng)用

輕量化技術(shù)有助于節(jié)能減排、提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、降低尾氣排放、降低油耗、降低整車成本，是各車企對(duì)零部件供應(yīng)商的迫切要求。



本文來自：達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA用戶大會(huì)優(yōu)秀論文

摘要：為降低保險(xiǎn)杠產(chǎn)品重量，基于ABAQUS建立輕量化結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)杠產(chǎn)品的剛性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?yàn)證輕量化乘用車保險(xiǎn)杠產(chǎn)品的剛性實(shí)驗(yàn)性能，從而為進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品重量，改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提供參考指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：ABAQUS、剛性分析、保險(xiǎn)杠、輕量化

近期，隨著霧霾等空氣環(huán)境污染的加劇，我國汽車工業(yè)的發(fā)展面臨著環(huán)保問題的巨大壓力，而輕量化技術(shù)有助于節(jié)能減排、提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、降低尾氣排放、降低油耗、降低整車成本，是各車企對(duì)零部件供應(yīng)商的迫切要求。今天的乘用車保險(xiǎn)杠，是由PP（聚丙烯）材料注射成型，再經(jīng)涂裝、裝配等工序生產(chǎn)完成的塑料蒙皮制品，其壁厚決定了產(chǎn)品的重量。傳統(tǒng)保險(xiǎn)杠蒙皮壁厚一般為3mm左右，總重量在8kg左右。進(jìn)入21世紀(jì)，日本汽車制造商為降低整車重量和成本，率先研究塑料保險(xiǎn)杠薄壁化技術(shù)，經(jīng)過多年努力，平均壁厚降低至2.5mm以下，較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的保險(xiǎn)杠蒙皮減重16%，成果斐然?？傮w來說，薄壁化保險(xiǎn)杠較傳統(tǒng)保險(xiǎn)杠有以下優(yōu)勢：
（1）重量輕；
（2）成型生產(chǎn)節(jié)拍降低，從而降低生產(chǎn)成本；
（3）壁厚方向收縮率較小。
但到現(xiàn)在為止，國內(nèi)尚未普及這種技術(shù)，這是因?yàn)榇嬖谝韵嘛L(fēng)險(xiǎn)和難度：保險(xiǎn)杠不僅僅起到裝飾作用，它也是吸收和緩和外界沖擊力、保護(hù)車身及行人安全的保護(hù)裝置。國家標(biāo)準(zhǔn)和各主機(jī)廠對(duì)保險(xiǎn)杠的剛性、回彈性能、低速碰撞性能、行人保護(hù)、震動(dòng)性能、模態(tài)等指標(biāo)都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。其中，剛性是非常重要的力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。如何在降低壁厚和產(chǎn)品重量的同時(shí)，保證剛性指標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)？本文探討基于ABAQUS軟件，建立輕量化結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)杠產(chǎn)品剛性實(shí)驗(yàn)仿真模型，驗(yàn)證輕量化保險(xiǎn)杠的剛性實(shí)驗(yàn)性能，從而為進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品重量，為改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提供參考指標(biāo)。

不同的車企，對(duì)保險(xiǎn)杠表面剛性的要求不盡相同。以某車企對(duì)保險(xiǎn)杠表面剛性為例，要求如下：



表1 某車企對(duì)后保險(xiǎn)杠產(chǎn)品表面剛性的標(biāo)準(zhǔn)要求

計(jì)算模型包括后保險(xiǎn)杠面罩本體、兩側(cè)側(cè)翼支架。整個(gè)模型總成包含殼單元網(wǎng)格99726個(gè)，平均網(wǎng)格尺寸4mm。



圖1 計(jì)算模型

保險(xiǎn)杠模型的壁厚，可在ABAQUS軟件中，分別設(shè)置不同的集合定義不同區(qū)域的壁厚。以下為本次驗(yàn)證的輕量化壁厚設(shè)置方案，不同的受力位置，設(shè)置為不同的壁厚，以求降低保險(xiǎn)杠的總體重量：



圖2 某產(chǎn)品輕量化保險(xiǎn)杠壁厚分布圖

保險(xiǎn)杠面罩采用PP材質(zhì)，密度1.09E-09 t/mm3，泊松比：0.35，彎曲彈性模量1640MPa；左/右側(cè)支架采用POM 材質(zhì)，密度1.40-09 t/mm3，泊松比：0.39，彎曲彈性模量2773 MPa。材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力-應(yīng)變曲線：



圖3 PP材料三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

剛性仿真采用Standard求解器，進(jìn)行模擬接觸分析。要注意的是，實(shí)驗(yàn)位置需要通過三坐標(biāo)測量儀和仿真位置進(jìn)行校準(zhǔn)。



圖4 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行的對(duì)比

根據(jù)剛性實(shí)驗(yàn)和仿真的結(jié)果可以看出，如圖2所示的輕量化壁厚設(shè)置方案，可以滿足剛性實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。但是，保險(xiǎn)杠產(chǎn)品需要滿足的標(biāo)準(zhǔn)不只是剛性實(shí)驗(yàn)，還包括回彈性能、低速碰撞性能、行人保護(hù)、震動(dòng)、模態(tài)等指標(biāo)的要求，因此需要進(jìn)行多個(gè)種類的實(shí)驗(yàn)和仿真。我們可以利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)CAE分析結(jié)果進(jìn)行校核，反過來又不斷提升了CAE分析的準(zhǔn)確性，逐步建立起結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-CAE仿真-實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證-改善的良性循環(huán)，降低驗(yàn)證時(shí)間與成本，提升研發(fā)能力。