Performance Analysis of Front Bumper under Frontal Low Speed Impact ()
1. 引言
二十一世纪以来，随着中国经济的高速发展，汽车产业也迎来了飞速发展。从2009年~2019年，中国汽车产销量已经连续十一年位居世界第一。随之而来，中国的汽车保有量也在不断攀升，近十年中国民用汽车市场保有量对比变化情况如图1所示。根据国家统计局发布的全国汽车市场保有量调查统计数据显示，截至2019年底，中国民用汽车保有量累计达到26,150万辆，而2010年仅为7801.83万辆 [1] 。然而在我国汽车产业取得迅猛发展的同时，所带来的安全隐患和环境污染问题也越发引人深思，尤其是汽车引发的交通事故已经逐渐成为严重危害公共安全的一个重要因素。据调查结果显示，在碰撞发生过程中平均发生碰撞概率最大的碰撞类型是正面碰撞，其发生概率约占所有碰撞类型比例的一半 [2] 。汽车安全问题已成为世界各国政府和社会普遍关注的重要问题，因此加强汽车安全研究，降低汽车碰撞事故伤害具有重要的意义。随着汽车保有量的逐年攀升造成了城市的拥堵问题，低速碰撞出现的概率也相应提高，而低速碰撞过程中首先发生接触的就是汽车保险杠。随着汽车工业的发展，对汽车保险杠力学性能的要求也随之增加，对低速碰撞中保险杠吸能特性和力学性能的研究意义重大。有限元法作为最有效的现代复杂数值计算方法之一，目前已广泛应用于大量的工程领域，该计算方法不仅具有很强的实际适用性，还可以有效计算并分析各种具有复杂几何形状和任意边界条件的结构，同时还可以求解各种连续复杂物理场和多物理场的耦合问题，能够有效模拟各种工程试验方案，在很大程度上节省了成本，缩短试验周期。因此本文采用有限元分析法，对正面低速碰撞下汽车前保险杠的性能进行分析。
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图 1. 近十年中国民用汽车保有量变化情况
2. 有限元模型的构建
2.1. 前保险杠有限元模型
本文以某款SUV为原车型，运用UG建立了前保险杠几何模型，如图2所示。模型包括保险杠横梁，左右吸能盒。其中几何模型参数为：保险杠横梁长1105 mm，宽102 mm，两端厚度28 mm，由厚度为1.8 mm的钢板焊接而成；吸能盒长130 mm，板材壁厚为2 mm。模型文件保存为STP格式，此格式是后处理软件的一种通用格式。另外，有限元软件中没有固定的单位制，本文定义的各物理量单位制如表1所示。
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图 2. 汽车前保险杠几何模型
2.2. 前保险杠有限元网格划分
对模型进行几何清理后得到特征清晰、结构完整的中面模型，以此为基础，采用四边形壳网格单元进行划分。在网格划分时，尽量将三角形单元的数量控制到最低，以提高仿真分析计算的准确性，因此网格单元尺寸最终确定为3 mm。为了使得划分的网格具有较高的质量，采用手动的方式对得到的较差的网格进行优化。本文得到的有限元网格模型的单元数为45,900，节点数为46,505，部件质量因数comp.QI值为0.01。本文模型网格检查标准规范如图3所示。
为了更准确的模拟真实情况下汽车碰撞时的状态，本文在吸能盒后方建立了代表车身的刚体，具体建模流程如下：选择HyperMesh中2D面板下的planes工具建立刚性单元，本模型中车体网格单元尺寸大小选择20 mm，命名为Car组件，并在这个组件下建立mass单元给模型加配重，模拟实际情况下整车的重量，Car组件作为质量部件，通过使用ELEMENT MASS PART工具，为模型赋予1.5t的质量，如图4所示。
2.3. 材料属性定义
为使模型仿真更加贴近实际，本文借鉴了某主机厂根据国家试验标准进行的拉伸和弯曲试验测试得到的材料应力?应变曲线，将其导入到HyperMesh软件，并显示在Curves部件中。模型具体材料如下：保险杠横梁以及吸能盒均为24号多线性弹塑性材料，其是LS-DYNA材料库针对保险杠模型的一种材料 [3] ，后方代表车身的刚体采用20号刚体材料，吸能盒材质为HC340/590DP冷轧双相钢，是汽车轻量化中用量最多的材质之一，是结构件、加强件、防撞件的首选材料 [4] 。保险杠横梁材质为HC550/980DP双相高强度冷轧钢，应力应变曲线如图5所示。HC340/590DP材料在Curves中用四条不同曲线表征在不同应变率下材料的应力应变的不同表现，如图6所示，其中，横坐标为应变，纵坐标为应力，单位为MPa。模型各材料的参数如表2所示。
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图 5. HC550/980DP材料应力应变曲线(比例为1:1)
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图 6. HC340/590DP材料应力应变曲线(Y方向缩放1250倍)
2.4. 边界条件的设定
本模型中，在HyperMesh软件中定义边界条件，定义的类型包括设置刚性墙以及赋予初始速度。刚性墙的创建通过Analysis面板下的rigid walls功能实现，刚性墙设在有限元模型运动方向的正前方，作用方向与汽车运动方向相反，且刚性墙设置为无限大，并与所有组件进行接触设置。赋予初始速度的作用是保证前保险杠模型能撞向刚性墙，本文参考ECE R42法规，设置初始速度为4 km/h，在HyperMesh中点击Load Collectors菜单，选中所有点的集合，在X方向设置初始速度为-1111 mm/s，如图7所示。
3. 有限元仿真分析
仿真分析的研究方法是以现代计算机模拟技术、系统技术、相似原理、以及仿真应用领域的有关技术作为基础，利用模型对真实系统进行仿真研究的一门多学科综合性技术 [5] 。有限元仿真分析的过程就是通过建立有限元模型来形成文件，并提交给求解器计算。
3.1. 碰撞变形分析
在低速碰撞过程中，前保险杠系统在0~0.1 s内的变形过程如图8所示。
在保险杠撞击刚性墙过程中，保险杠横梁发生明显变形，吸能盒几乎不变形，保险杠系统的碰撞安全性能较好。在0~0.06 s之间保险杠横梁中间的弧形突出部分首先与刚性墙接触，刚性墙阻碍其运动，横梁发生明显的弯曲变形，由弧形构造被压成平直形状，随着横梁与刚性墙进一步的接触，中间弧形部分因受到挤压，弯曲继续变大。在0.06~0.1 s之间，横梁存在一个极小的自动回弹修复的过程，这与横梁的多线性弹塑性材料相关。由于碰撞速度较低，吸能盒还未发生明显变形碰撞过程就已经结束，符合汽车发生正面碰撞过程的变形规律。
3.2. 碰撞能量分析
本模型中前保险杠能量随时间变化曲线和能量数值分别如图9和表3所示。在碰撞过程中前保险杠系统总能量保持不变，沙漏能维持在0附近，t = 0.1 s时，沙漏能与总能量的比值为0.17%，小于5%，说明模型是准确有效的，本次计算结果可靠。随着保险杠横梁与刚性墙接触，系统动能逐渐减少，内能逐渐增加，在0.068 s时动能达到最小，为13.832 J，内能达到最大，为922.631 J，之后保险杠横梁由于弹性作用慢慢恢复原状，动能开始增加，内能逐渐减少，碰撞过程结束，仿真结果与实际相符。
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图 9. 前保险杠能量随时间变化曲线
前保险杠横梁及吸能盒内能随时间变化曲线如图10所示。t = 0.068 s时，横梁内能达到峰值为677.230 J，吸能盒内能为245.464 J，此时，保险杠横梁和吸能盒的内能占系统总内能百分比分别为73.40%和26.60%。这表明在4 km/h的低速碰撞过程中，横梁将大部分的动能转变为了自身的变形能，横梁是前保险杠组成部件中的主要吸能构件，该工况下吸能盒的吸能作用还未充分发挥，该保险杠的碰撞性能较好。
3.3. 碰撞位移分析
汽车前保险杠与刚性墙碰撞过程中，保险杠位移云图以及车体位移、速度随时间变化曲线分别如图11、图12、图13所示。
由图12可知，系统碰撞过程较稳定，车体位移先随时间增大至最大值50.591 mm，此时对应的前保险杠(横梁及吸能盒)压缩量最大，且此时保险杠具有一个微小的反弹速度，之后横梁开始与刚性墙分离，保险杠内能转化为动能，位移开始减小。说明前保险杠后期产生了弹性变形，与保险杠系统的位移云图显示结果一致。
3.4. 碰撞加速度分析
速度在单位时间内变化的大小会引起加速度变化的快慢，加速度值越大，冲击能力越强，对乘员的伤害就越大，有效控制碰撞加速度大小是汽车安全所考虑的问题 [6] 。位移的求导为速度，本文在HperView中采用对位移曲线进行二次求导、滤波的方式得到加速度曲线，单位为g (g为重力加速度)，如图14所示。
仿真计算得出的加速度大小的峰值为3.37 g，约出现在0.067 s处，持续时间很短。汽车碰撞过程中加速度值越大，乘员越容易在碰撞过程中受伤。一般而言，加速度曲线峰值越低，持续时间越短，曲线越光滑，则该汽车对应的正碰结构耐撞性越好 [7] 。
4. 横梁厚度对碰撞性能的影响分析
保险杠横梁一般用作低速碰撞下的安全保护系统，其良好的结构能在很大程度上提高车辆的被动安全性，保护车辆与乘客安全。在保险杠碰撞安全性研究中，材料强度、厚度的合理匹配通常作为首要考虑的因素，为了进一步研究前保险杠系统的碰撞性能，本文通过改变横梁壁厚探讨保险杠横梁厚度对碰撞性能的影响。
4.1. 碰撞内能比较
前文分析中保险杠横梁的厚度为1.8 mm，在其它条件不变的情况下，分别取横梁厚度为2 mm和2.3 mm与原始厚度进行对比仿真分析，得出不同横梁厚度下的前保险杠系统内能曲线及内能数值对比，如图15、表4所示。
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图 15. 不同横梁厚度下的前保险杠系统内能曲线
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表 4. 最大内能及所需时间对比
由图15可知，横梁厚度为1.8 mm、2 mm和2.3 mm的前保险杠系统的内能曲线的总体趋势大致相同，横梁厚度为2 mm和2.3 mm的保险杠的内能峰值比厚度为1.8 mm的保险杠内能峰值大。该结果表明随着横梁厚度的增加，保险杠系统吸收的能量越多。然而横梁厚度并非越大越好，如表4所示，横梁厚度为1.8 mm与厚度为2 mm的内能相差不大，且达到内能最大值时间几乎相等，而厚度的增加在一定程度上会使车重增加，不符合汽车环保和经济的理念。
4.2. 碰撞变形比较
图16所示为不同横梁厚度的保险杠系统在内能曲线最高点时的变形图。由图可知，横梁厚度为1.8 mm、2 mm和2.3 mm的三种情况下保险杠的变形只存在细微的差别。
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(a) 横梁厚1.8 m ![]()
(b) 横梁厚2 mm ![]()
(c) 横梁厚2.3 mm
图 16. 不同横梁厚度下的前保险杠系统变形图
图17为不同横梁厚度下吸能盒的内能曲线图，由图可知，横梁厚度增加时，吸能盒吸收的能量也随之增加，出现这种情况的原因是：横梁厚度的增加使横梁刚度也随之增加，当碰撞发生时，刚度越大的横梁变形越小，吸收
碰撞过程中的能量便越少，横梁作为承载件将残余的冲击力传递到吸能盒上，吸能盒在力的作用下发生变形，吸收部分能量。在汽车设计的安全性能研究理论中，保险杠系统在碰撞过程中吸能盒的变形越大，可能会导致后端部件发生碰撞，不能很好的保护车体。
5. 结论
随着汽车保有量的持续增长，汽车道路交通事故成为了一个饱受关注的问题，以至于人们对汽车被动安全性的要求越来越高。据调查显示，汽车正面碰撞是所有碰撞类型中发生最频繁的类型之一 [8] 。汽车前保险杠作为汽车正面碰撞的重要吸能装置，对保护乘员安全起到至关重要的作用，其吸能效果也是评价汽车安全性能的重要参数之一。
在正面低速碰撞仿真中，保险杠横梁通过产生弯曲变形，吸收碰撞中很大一部分能量，保险杠横梁起主要吸能作用。保险杠横梁厚度并不是越大越好，保险杠的碰撞安全性能与横梁的厚度不成正比关系。横梁厚度需与整车匹配，才能实现最理想的保护效果。