搜索螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置的应用研究
2013-06-16 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
目前,汽车被动安全防护措施卞要有安全气囊、侧气帘、安全带、防撞减振(活塞式)保险杠和侧防撞横梁等,这些措施的本质都是对碰撞瞬间驾、乘人员的安全进行保护,而忽略了对车的保护。在碰撞过程中,车体大都受到不同程度的损坏。因此,车辆与人身双保险、碰撞吸能系统智能化应是汽车碰撞防护装置的重要研究方向。本文使用有限儿方法对螺纹剪切过程进行仿真,为螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置的设计提供参考。
1 螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置介绍
螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置包括螺纹导杆、螺纹管、电机和保险杠组件。螺纹导杆一端以螺纹联按套装在螺纹管内,另一端仲出管外井与电机相连;保险杠组件与螺纹导杆仲出端或螺纹管的底端相接。在汽车发生碰撞事故前,该装置能根据车速的大小自动伸缩;在汽车发生碰撞事故时,能通过螺纹的剪切变形吸收巨大的碰撞能量,确保碰撞过程具有平稳的力一变形特性,同时避免车体遭受破坏;在汽车碰撞事故发生后,只需更换该装置即可。从而达到既保护车内乘员安全又保护汽车本身的目的。该装置的核心是通过螺纹的剪切来吸收碰撞时的汽车动能。
2 螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置的安装
螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置配合保险杠安装在汽车前纵梁上,在平头卡车上安装非常方便,在轿车上的安装如图1所示。在汽车碰撞试验中,副车架主要用作大变形缓冲吸能装置,利用安装副车架的螺钉孔与保险杠安装孔,可将螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置安装在汽车车身上,用来代林传统的副车架。碰撞事故发生后,更换该装置即可。为了尽量降低成本.可以将该装置设计成通用件。因为大部分轿车质量都在1~1.5t,大部分都有安装孔位,只是孔位大小及结构不一,可以使用不同的螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置后安装座进行连按处理,核心的吸能部分完全可以通用。良好的车型适应性能使该装置具有广阔的应用前景。
3 螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置的有限元仿真
3.1模型的建立
选用ANSYS/LS-DYNA中的二维显式实体单元SOLID164建立仿真模刑。该模型由2部分组成:一是螺纹管(内螺纹)一是螺纹杆(相当于碰撞过程中的固定刚性墙)。模型采用弹塑性材料,50#。单片剪切模型共有30180个SOLID164单元、53 309个节点(见图2)。
3.2定义按触
螺纹间的按触采用LS-DYNA的AutomaticContact,Surface to Surface按触模型。在螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置中,螺纹单元按触时会发生材料失效剪切问题,并且按触是在剩余的螺纹中发生,所以必须选择侵蚀按触。在定义侵蚀按触时,指定发生材料失效时保持边界条件对称,允许发生实体内部侵蚀,自由表面发生侵蚀时包括实体单元的表面。
3.3边界条件和载荷的设置
LS-DYNA程序中,所有载荷必须与时间相关,对模刑进行加载时,刚性墙的所有自由度都被约束。螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置与刚性墙碰撞时的速度为14m/s。
3.4 计算结果及分析
3.4.1螺纹剪切过程中的变形与破坏
图3是螺纹剪切过程中不同时刻的变形图,整个过程历时0.04s。随着时间的增加,螺纹逐渐被剪切,但剪切力(碰撞力)基本保持不变。由动画演示观察可知,碰撞过程中产生了螺纹铁屑的散落,如果散落位置不合理,可能导致铁屑的重复剪切或摩擦,对模拟仿真结果带来一定干扰。
3.4.2碰撞时的速度、加速度及碰撞能量吸收曲线
由图4~6可见,在碰撞运动开始时,速度最大,碰撞力和位移最小;随着碰撞的进行,碰撞力迅速增大,当螺纹开始被剪切时,碰撞力基本维持在一定范围内变化,碰撞速度迅速下降,螺纹的剪切吸收了碰撞过程中的能量。
由图4可知,加速度曲线先直线上升,然后转平,最后直线下降。符合理想加速度曲线要求;中段曲线有一定波动,原因是冲击导杆在截面上单侧受力,在双螺纹剪切吸能试验中可消除。
由图5可知.速度曲线平滑.在中段基本呈直线.说明速度变化平稳。
4 结语
螺纹剪切吸能作为一种全新的吸能形式,其吸能效果、对加速度和速度的控制效果相对于同类方法均有大幅度提高,其吸能密度大、控制加速度的能力较好,其加速度曲线类似于几理想加速度曲线,因此,该吸能方式值得推广。
根据螺纹剪切吸能原理设计的螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置可用于重刑汽车、平头客车等车型在碰撞过程中,该装置可充分吸收碰撞能量,使驾驶室不发生严重变形,保证车内乘员的安全。应用在现有轿车上,用来代林传统的波纹管副车架,也是一种有效提高汽车碰撞能力的方法。
该吸能技术具有很强的先进性,也符合我国有关法律和相关政策,全面实施重型货车正面碰撞乘员保护是我国重刑货车发展的大势所趋;努力提高民族自主汽车工业,适应欧盟越来越严格的汽车碰撞安全法规是我国汽车工业走向世界的必要条件。因此,该技术的实施将具有广阔的市场前景。
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