吳忠軍

摘要：新型保險(xiǎn)杠使用的材料是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料這種新型的復(fù)合材料具有較強(qiáng)的性能，不僅質(zhì)量輕而且強(qiáng)度比較高，適用于汽車構(gòu)件。在針對(duì)汽車保險(xiǎn)杠進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，選擇碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可以使得保險(xiǎn)杠的使用穩(wěn)定性得到明顯的提升。文章在針對(duì)汽車保險(xiǎn)杠橫梁進(jìn)行研究時(shí)，重點(diǎn)探討碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以及橡膠制成的橫梁，在碰撞時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)，并且經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐研究以及分析之后，對(duì)比它與傳統(tǒng)鋼制保險(xiǎn)杠和梁之間的差異。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，可發(fā)現(xiàn)有橡膠層保險(xiǎn)杠橫梁變形比較小，在發(fā)生碰撞之后可以保證汽車的變形情況，在可控范圍之內(nèi)，整體性能比較優(yōu)越，滿足各項(xiàng)要求和指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;橡膠;保險(xiǎn)杠;碰撞;仿真

一、碳纖維復(fù)合材料層合板力學(xué)基礎(chǔ)

假設(shè)碳纖維復(fù)合材料層合板中，變形前垂直于直線的直線段，在變形之后。直線仍然垂直中面該線段的長(zhǎng)度不變。層合板是由兩層或兩層以上單層疊合在一起的層合形式的結(jié)構(gòu)。各單層可以是纖維方向不同而材質(zhì)相同，也可以是材質(zhì)不同，因此層合板沿厚度方向具有彈性性能的非均勻性。

二、新型汽車保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)模型

1.保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模型

我們?cè)谶M(jìn)行課題研究時(shí)，有某型號(hào)的汽車作為研究樣本，對(duì)其汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行研究，并且以三維參數(shù)化造型作為基礎(chǔ)，建立保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的實(shí)體模型，通過(guò)輸入非線性有限元分析軟件的相關(guān)數(shù)據(jù)之后，建立有限元模型。因?yàn)樵谶M(jìn)行實(shí)踐操作以及試驗(yàn)的過(guò)程當(dāng)中，正面低速碰撞的過(guò)程，會(huì)有車體全部吸收碰撞能量的情況，所以在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，我們需要降低求解的時(shí)間，從而建立車體半倉(cāng)的模型，保證在研究期間整個(gè)性能和結(jié)構(gòu)以及保險(xiǎn)杠橫梁成為考核的重點(diǎn)對(duì)象。車體的其他部分需考慮為剛性體，并以此作為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。該汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)有限元模型由4542個(gè)單元組成部件的厚度，使用碰撞前厚度不考慮板厚的變化。保險(xiǎn)杠的橫梁，支架均用彈塑性材料。

進(jìn)行低速碰撞實(shí)驗(yàn)，材料出現(xiàn)明顯的變形情況，碰撞速度快慢會(huì)影響到材料的塑性行為。而且應(yīng)變率過(guò)高會(huì)使得材料出現(xiàn)動(dòng)力硬化的情況，所以在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，低速時(shí)可以選擇不計(jì)算應(yīng)變率，影響彈性材料的情況。

2.正面低速碰撞試驗(yàn)

為了更好的了解保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的特性，并且準(zhǔn)確的分析相關(guān)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，我們假設(shè)保險(xiǎn)杠連接部分不出現(xiàn)塑性變形的情況，車體也沒(méi)有出現(xiàn)塑性變形的情況，而材料則是選擇剛性材料，車體所有的節(jié)點(diǎn)都是通過(guò)自由度耦合的方式進(jìn)行連接。以此作為基礎(chǔ)，建立有限元模型系統(tǒng)，系統(tǒng)的總質(zhì)量為1.6噸。正面低速碰撞實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，需要將車體的速度控制在每小時(shí)7.2千米。將所有的數(shù)據(jù)以及信息輸入到有限元模型當(dāng)中，并且創(chuàng)建邊界條件。為了將計(jì)算精度進(jìn)行整體的提高，減小單元畸變的影響，在進(jìn)行單元屬性的分析，是通過(guò)沙漏控制的方式對(duì)其獸性變形的模型進(jìn)行分析。

三、低速碰撞模擬及改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

1.低速碰撞分析

以保險(xiǎn)杠低速碰撞有限元模型作為基礎(chǔ)使用求解器，對(duì)該模型進(jìn)行計(jì)算以及模擬。碰撞的過(guò)程，其時(shí)間在0.1秒之內(nèi)。沙漏可以控制在5%以下，從這些數(shù)據(jù)以及信息當(dāng)中可證實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，具有較高的可信度。而且在這一過(guò)程當(dāng)中，我們也可以看出隨著碰撞的進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)能會(huì)不斷的減小，系統(tǒng)的內(nèi)能在不斷的增大，但是總能量保持不變。而這個(gè)數(shù)據(jù)也正說(shuō)明了保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)會(huì)通過(guò)變形吸能的方式，保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以我們也可以認(rèn)為，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)是在低速碰撞工作當(dāng)中最能吸能的零部件。

從研究期間獲得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性分析，可以發(fā)現(xiàn)本次課題研究的型號(hào)的保險(xiǎn)杠，在進(jìn)入到低速碰撞的過(guò)程當(dāng)中，其變形的時(shí)間是0.1秒，而0.03秒時(shí)保險(xiǎn)杠的衡量發(fā)生了最為明顯的變形情況，在0.0 7秒左右，保險(xiǎn)杠的變形達(dá)到最大，經(jīng)過(guò)測(cè)量保險(xiǎn)杠的衡量峰值侵入位移達(dá)到130厘米。從這一數(shù)據(jù)當(dāng)中，我們可以初步判斷改良之后的保險(xiǎn)杠橫梁結(jié)構(gòu)抗彎性能不足，在低速碰撞工作當(dāng)中，仍然會(huì)導(dǎo)致車體出現(xiàn)較為明顯的損害。

2.橫梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

以上文分析的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，對(duì)原保險(xiǎn)杠橫梁的截面特性進(jìn)行綜合性分析，可以發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)杠的橫梁縱向抗彎性能相對(duì)降低，因此在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，我們需要重點(diǎn)針對(duì)截面形狀進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。這同時(shí)還需要將乘客的安全以及車體保護(hù)作為考慮的重點(diǎn)內(nèi)容。針對(duì)不同的需求，提出了兩個(gè)不同的改進(jìn)方案。改進(jìn)方案一：保持原有衡量的形狀，但是在保險(xiǎn)杠衡量的內(nèi)部，通過(guò)添加縱向支撐板的方式，將它的抗彎性能進(jìn)行提升，該方案可以繼續(xù)選擇使用外板，沖壓模具可以有效的控制改進(jìn)的成本。

四、改進(jìn)方案計(jì)算及有效性分析

與原方案相比，改進(jìn)方案一以及改進(jìn)方案二的碰撞變形圖。受損的位置并不明顯，橫梁結(jié)構(gòu)只是產(chǎn)生了彎折，對(duì)于車體可以產(chǎn)生較好的保護(hù)作用，所以方案一和方案二都有較好的抗彎性能，可以有效的減小車體的受損，他們?nèi)肭治灰频姆逯刀伎梢钥刂圃?0厘米之內(nèi)。

五、結(jié)果分析

新型保險(xiǎn)杠在進(jìn)行制作的過(guò)程當(dāng)中，選用的材料是碳纖維橫梁粘有橡膠材料。這種材料在實(shí)際使用的過(guò)程當(dāng)中，與傳統(tǒng)的鋼制保險(xiǎn)杠材料相比具有較高的穩(wěn)定性，使得他們?cè)谂鲎驳倪^(guò)程當(dāng)中更加平穩(wěn)，而且性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于無(wú)橡膠層的保險(xiǎn)杠。汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，需要與汽車的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行配合，才可以保證汽車設(shè)計(jì)的完整性以及合理性。上文針對(duì)汽車保險(xiǎn)杠衡量的研究以及改進(jìn)進(jìn)行了深入的探討。從碳纖維復(fù)合材料成合板力學(xué)基礎(chǔ)新型汽車保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)模型，低速碰撞模擬器，改進(jìn)方案改進(jìn)方案，計(jì)算機(jī)有效性分析等多個(gè)角度進(jìn)行了綜合性探討。并且對(duì)不同衡量結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行了碰撞性能的研究。經(jīng)過(guò)研究試驗(yàn)之后，可得出如下結(jié)果。①使用有限元法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，可以精確到在線低速碰撞過(guò)程當(dāng)中的實(shí)際情況，而保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的變形以及受益情況可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)。②在針對(duì)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該綜合汽車的系統(tǒng)進(jìn)行改良，并重點(diǎn)針對(duì)碰撞特性進(jìn)行研究，可以通過(guò)有線云法證實(shí)方案的有效性，從而保證設(shè)計(jì)方案的理論基礎(chǔ)。

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