來源：Altair論文集    作者：孫正峰  徐靜      

關(guān)鍵字：Radioss  玻纖材料  進(jìn)氣格柵  行人保護(hù)  頭部碰撞  

本文通過分解研究分析進(jìn)氣格柵對(duì)行人保護(hù)頭部碰撞的影響，以碰撞力-潰縮量曲線作為結(jié)果輸出，為行人保護(hù)頭部碰撞結(jié)果HIC值提供參考。

1 概述

    我國《汽車對(duì)行人的碰撞保護(hù)》于2010年9月開始實(shí)施。行人保護(hù)中除了腿部是第一碰撞部位外，頭部則是第二次發(fā)生碰撞的部位，且影響最大，后果最嚴(yán)重，因此，我國對(duì)行人保護(hù)頭碰碰撞有明確的規(guī)定，通過HIC值進(jìn)行評(píng)判汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。

    當(dāng)行人保護(hù)頭部碰撞發(fā)生時(shí)，頭部首先接觸到的是發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板或者擋風(fēng)玻璃，進(jìn)而將載荷傳遞至進(jìn)氣格柵，最后傳遞至白車身等相關(guān)部件。由此可見，每一關(guān)相關(guān)部件都會(huì)影響對(duì)頭部碰撞到結(jié)果。

    本文通過分解研究分析進(jìn)氣格柵對(duì)行人保護(hù)頭部碰撞的影響，以碰撞力-潰縮量(F-S)曲線作為結(jié)果輸出，為行人保護(hù)頭部碰撞結(jié)果HIC值提供參考。利用有限元軟件HyperMesh前處理，Radioss求解計(jì)算，最后在HyperView中查看結(jié)果。首先，在Moldflow模擬玻纖流動(dòng)方向，其次，采用插值計(jì)算出該玻纖方向下不同應(yīng)變率的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，最后，與實(shí)驗(yàn)對(duì)標(biāo)并優(yōu)化仿真精度。合適的玻纖方向性能及準(zhǔn)確的模型可將與試驗(yàn)結(jié)果誤差控制在10%以內(nèi)。

2 有限元模型的建立

    2.1 材料

    所有材料均采用不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中含玻纖材料的進(jìn)氣格柵有三個(gè)玻纖方向不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示：

 

圖1 GFRPP-30不同玻纖方向且不同應(yīng)變率下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

    2.2 邊界條件及載荷工況

    與白車身連接部位固定約束。頭型采用與試驗(yàn)一致且對(duì)標(biāo)過的兒童頭型，通過換算及實(shí)車裝配關(guān)系，碰撞初速度=26.5km/h，初始碰撞角度=90°，初始碰撞動(dòng)能=94.8J，兒童頭型重量=3.5kg，頭碰初始位置如圖2所示，仿真頭型如圖3所示，實(shí)驗(yàn)頭型如圖4所示。

 

圖2 頭碰初始位置

 

圖3 仿真兒童頭型

 

圖4 實(shí)驗(yàn)兒童頭型

    2.3 仿真模型

    仿真模型及工裝如圖5所示。

 

圖5 仿真模型及工裝

3 模流分析

    3.1 模流分析結(jié)果

    針對(duì)含玻纖材料的進(jìn)氣格柵采用3點(diǎn)順序閥進(jìn)膠方式，玻纖分布結(jié)果如圖6所示：

 

圖6 進(jìn)氣格柵玻纖分布云圖

    根據(jù)頭型碰撞位置及力的傳遞路徑，從上圖可以看出，玻纖取向=0.65。

    3.2 玻纖材料插值擬合

    根據(jù)GFRPP-30材料三個(gè)玻纖方向不同拉伸速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以得出玻纖取向=0.65下的最大拉伸強(qiáng)度，如圖7所示：

 

圖7 玻纖取向=0.65下的最大拉伸強(qiáng)度

    根據(jù)圖7及三個(gè)玻纖方向不同拉伸速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率及斷裂伸長率可以得出玻纖取向=0.65不同拉伸速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖8所示：

 

圖8 玻纖取向=0.65不同拉伸速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4 仿真分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    4.1 仿真分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    碰撞點(diǎn)位置選擇白車身+Y方向0mm處，考慮斷裂模式，仿真分析結(jié)果如圖9所示：

 

圖9 行人保護(hù)頭碰仿真分析結(jié)果

    若不考慮GFRPP-30材料玻纖方向，選取玻纖0°方向不同拉伸速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，結(jié)果如圖10所示：

 

圖10 GFRPP-30材料玻纖0°方向下行人保護(hù)頭碰仿真分析結(jié)果

    由圖9和圖10可以看出，GFRPP-30材料玻纖0°方向下的結(jié)果與其實(shí)際玻纖流動(dòng)方向下的結(jié)果不僅曲線趨勢(shì)不一致，且二者平均偏差達(dá)42%。

    實(shí)驗(yàn)采用與仿真分析一樣的方法，結(jié)果如圖11所示，由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出的是頭型加速度與傾入量的關(guān)系曲線，因此，需要對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到碰撞力與傾入量的關(guān)系曲線，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果比對(duì)，得到二者關(guān)系圖，如圖12所示。

 

圖11 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

 

圖12 實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換結(jié)果與仿真結(jié)果曲線

    從圖12可以看出，考慮玻纖流動(dòng)方向，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果在碰撞力峰值上的誤差為8.6%，碰撞力平均偏差為18.7%，且二者曲線的趨勢(shì)基本一致。

    4.2 仿真分析模型優(yōu)化

    進(jìn)氣格柵弱化槽為“V”型結(jié)構(gòu)，開口寬度=4.0mm，根部厚度=1.0mm，而仿真模型該處單元=4mm，厚度=1.0mm，因此，對(duì)該弱化單元進(jìn)行細(xì)化，厚度梯度為1.0mm、1.4mm、1.8mm、2.2mm，同時(shí)檢測實(shí)際樣件與仿真3D模型，發(fā)現(xiàn)樣件實(shí)際厚度=2.2mm，弱化槽根部厚度=1.2mm，而仿真模型中厚度=2.3mm。將仿真模型按照實(shí)際樣件進(jìn)行調(diào)整，得到碰撞力與傾入量的關(guān)系曲線，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)，如圖13所示，斷裂位置如圖14所示。

 

圖13 實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換結(jié)果與仿真結(jié)果曲線

 

圖14 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果斷裂位置

    由圖13可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果在碰撞力峰值上的誤差為3.5%，碰撞力平均偏差為9.4%，且二者的斷裂位置一致。

5 結(jié)論

    運(yùn)用Altair HyperWorks軟件中的HyperMesh前處理模型，Radioss求解器對(duì)進(jìn)氣格柵進(jìn)行行人保護(hù)頭碰仿真，以碰撞力-潰縮量（F-S）曲線作為結(jié)果輸出，為行人保護(hù)頭部碰撞結(jié)果HIC值提供參考。不僅可以指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，而且還可以縮短研發(fā)周期，提升產(chǎn)品在市場中的競爭力。分析結(jié)論表明：

    （1）不考慮玻纖取向，其結(jié)果曲線與玻纖實(shí)際流動(dòng)方向下的結(jié)果曲線，二者平均偏差達(dá)42%；

    （2）考慮玻纖實(shí)際流動(dòng)方向，其結(jié)果曲線趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致；

    （3）通過優(yōu)化仿真模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果在碰撞力峰值上的誤差為3.5%，碰撞力平均偏差為9.4%，且二者的斷裂位置一致。

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