螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置的應(yīng)用研究

2013-06-16 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

目前,汽車被動(dòng)安全防護(hù)措施卞要有安全氣囊、側(cè)氣簾、安全帶、防撞減振(活塞式)保險(xiǎn)杠和側(cè)防撞橫梁等,這些措施的本質(zhì)都是對(duì)碰撞瞬間駕、乘人員的安全進(jìn)行保護(hù),而忽略了對(duì)車的保護(hù)。在碰撞過程中,車體大都受到不同程度的損壞。因此,車輛與人身雙保險(xiǎn)、碰撞吸能系統(tǒng)智能化應(yīng)是汽車碰撞防護(hù)裝置的重要研究方向。本文使用有限兒方法對(duì)螺紋剪切過程進(jìn)行仿真,為螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

1 螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置介紹

螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置包括螺紋導(dǎo)桿、螺紋管、電機(jī)和保險(xiǎn)杠組件。螺紋導(dǎo)桿一端以螺紋聯(lián)按套裝在螺紋管內(nèi),另一端仲出管外井與電機(jī)相連;保險(xiǎn)杠組件與螺紋導(dǎo)桿仲出端或螺紋管的底端相接。在汽車發(fā)生碰撞事故前,該裝置能根據(jù)車速的大小自動(dòng)伸縮;在汽車發(fā)生碰撞事故時(shí),能通過螺紋的剪切變形吸收巨大的碰撞能量,確保碰撞過程具有平穩(wěn)的力一變形特性,同時(shí)避免車體遭受破壞;在汽車碰撞事故發(fā)生后,只需更換該裝置即可。從而達(dá)到既保護(hù)車內(nèi)乘員安全又保護(hù)汽車本身的目的。該裝置的核心是通過螺紋的剪切來吸收碰撞時(shí)的汽車動(dòng)能。

2 螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置的安裝

螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置配合保險(xiǎn)杠安裝在汽車前縱梁上,在平頭卡車上安裝非常方便,在轎車上的安裝如圖1所示。在汽車碰撞試驗(yàn)中,副車架主要用作大變形緩沖吸能裝置,利用安裝副車架的螺釘孔與保險(xiǎn)杠安裝孔,可將螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置安裝在汽車車身上,用來代林傳統(tǒng)的副車架。碰撞事故發(fā)生后,更換該裝置即可。為了盡量降低成本.可以將該裝置設(shè)計(jì)成通用件。因?yàn)榇蟛糠洲I車質(zhì)量都在1~1.5t,大部分都有安裝孔位,只是孔位大小及結(jié)構(gòu)不一,可以使用不同的螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置后安裝座進(jìn)行連按處理,核心的吸能部分完全可以通用。良好的車型適應(yīng)性能使該裝置具有廣闊的應(yīng)用前景。

螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置的應(yīng)用研究+有限元項(xiàng)目服務(wù)資料圖圖片1

3 螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置的有限元仿真

3.1模型的建立

選用ANSYS/LS-DYNA中的二維顯式實(shí)體單元SOLID164建立仿真模刑。該模型由2部分組成:一是螺紋管(內(nèi)螺紋)一是螺紋桿(相當(dāng)于碰撞過程中的固定剛性墻)。模型采用彈塑性材料,50#。單片剪切模型共有30180個(gè)SOLID164單元、53 309個(gè)節(jié)點(diǎn)(見圖2)。

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3.2定義按觸

螺紋間的按觸采用LS-DYNA的AutomaticContact,Surface to Surface按觸模型。在螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置中,螺紋單元按觸時(shí)會(huì)發(fā)生材料失效剪切問題,并且按觸是在剩余的螺紋中發(fā)生,所以必須選擇侵蝕按觸。在定義侵蝕按觸時(shí),指定發(fā)生材料失效時(shí)保持邊界條件對(duì)稱,允許發(fā)生實(shí)體內(nèi)部侵蝕,自由表面發(fā)生侵蝕時(shí)包括實(shí)體單元的表面。

3.3邊界條件和載荷的設(shè)置

LS-DYNA程序中,所有載荷必須與時(shí)間相關(guān),對(duì)模刑進(jìn)行加載時(shí),剛性墻的所有自由度都被約束。螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置與剛性墻碰撞時(shí)的速度為14m/s。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

3.4.1螺紋剪切過程中的變形與破壞

圖3是螺紋剪切過程中不同時(shí)刻的變形圖,整個(gè)過程歷時(shí)0.04s。隨著時(shí)間的增加,螺紋逐漸被剪切,但剪切力(碰撞力)基本保持不變。由動(dòng)畫演示觀察可知,碰撞過程中產(chǎn)生了螺紋鐵屑的散落,如果散落位置不合理,可能導(dǎo)致鐵屑的重復(fù)剪切或摩擦,對(duì)模擬仿真結(jié)果帶來一定干擾。

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3.4.2碰撞時(shí)的速度、加速度及碰撞能量吸收曲線

由圖4~6可見,在碰撞運(yùn)動(dòng)開始時(shí),速度最大,碰撞力和位移最小;隨著碰撞的進(jìn)行,碰撞力迅速增大,當(dāng)螺紋開始被剪切時(shí),碰撞力基本維持在一定范圍內(nèi)變化,碰撞速度迅速下降,螺紋的剪切吸收了碰撞過程中的能量。

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由圖4可知,加速度曲線先直線上升,然后轉(zhuǎn)平,最后直線下降。符合理想加速度曲線要求;中段曲線有一定波動(dòng),原因是沖擊導(dǎo)桿在截面上單側(cè)受力,在雙螺紋剪切吸能試驗(yàn)中可消除。

由圖5可知.速度曲線平滑.在中段基本呈直線.說明速度變化平穩(wěn)。

4 結(jié)語

螺紋剪切吸能作為一種全新的吸能形式,其吸能效果、對(duì)加速度和速度的控制效果相對(duì)于同類方法均有大幅度提高,其吸能密度大、控制加速度的能力較好,其加速度曲線類似于幾理想加速度曲線,因此,該吸能方式值得推廣。

根據(jù)螺紋剪切吸能原理設(shè)計(jì)的螺紋剪切式汽車碰撞吸能裝置可用于重刑汽車、平頭客車等車型在碰撞過程中,該裝置可充分吸收碰撞能量,使駕駛室不發(fā)生嚴(yán)重變形,保證車內(nèi)乘員的安全。應(yīng)用在現(xiàn)有轎車上,用來代林傳統(tǒng)的波紋管副車架,也是一種有效提高汽車碰撞能力的方法。

該吸能技術(shù)具有很強(qiáng)的先進(jìn)性,也符合我國有關(guān)法律和相關(guān)政策,全面實(shí)施重型貨車正面碰撞乘員保護(hù)是我國重刑貨車發(fā)展的大勢所趨;努力提高民族自主汽車工業(yè),適應(yīng)歐盟越來越嚴(yán)格的汽車碰撞安全法規(guī)是我國汽車工業(yè)走向世界的必要條件。因此,該技術(shù)的實(shí)施將具有廣闊的市場前景。

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