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考虑行人大腿碰撞保护的纯电动汽车保险杠分析
摘 要： 全球汽车向着智能化、电动化发展,而且新能源汽车对行人的碰撞伤害不亚于普通燃油汽车,研究考虑行人大腿碰撞保护的纯电动汽车保险杠分析势在必行,并对微型纯电动汽车及其保险杠进行建模,利用Hypermesh 对两种材料保险杠三维模型进行前处理,包括网格划分,定义材料及属性,以及约束和各种参数设置,最后得到三种对比图,对两种材料碰撞仿真之后的能量变化、速度变化、应力变化进行对比,得到结论：PLA 材料在事故发生时能更加有效的保护行人腿部.
关键词：电动汽车；行人保护；保险杠；分析
1 引言
近年来,世界各地都在积极开发新能源汽车,全球汽车产业正加速向智能化、电动化方向转变.为抢占新一轮制高点,把握产业发展趋势和机遇,中国已启动传统能源车停产停售时间表研究,最迟到2040 年,中国将禁售燃油汽车,这不仅起因于环保问题,更重要的是全球石油资源分布不均,我国的机动车的保有量巨大,且作为世界上最大的石油进口国,这势必直接影响了整个国家的综合生产力,因此禁售燃油车势在必行.即便对中国而言,也非常具有现实的必要性.纵观2017 年,中国新能源汽车总销量为55.8万辆,微型电动车占据半壁江山[1-2].
电动汽车作为目前越来越重要的交通工具,它的安全问题得到了越来越多的重视.因此,电动汽车碰撞安全问题越来越引起人们的关注,在电动汽车碰撞过程中,发生几率最高的是电动汽车前部的碰撞,首先涉及到前部保险杠的碰撞,其次微型纯电动汽车有时会行至非机动车道,碰撞行人的时候首先碰行人大腿,因此研究电动汽车保险杠的碰撞特性,提高电动汽车的碰撞安全性具有重要的意义.
2 纯电动汽车整车及保险杠建模
选取微型纯电动汽车车长3160mm,车宽1380mm,车高1490mm,轴距2000mm,最小离地间隙120mm,前轴距1145mm,后轴距1120mm,驾驶座头部有效空间850mm,副驾驶座头部有效空间890mm.在车辆的外形、外廓尺寸、主要布置参数基本完成之后,通过建立三维模型以及有限元模拟确定基本参数.利用光栅图像在UG 中进行正向建模,为了减少计算量,采取1：10 的半模型进行分析,同时为了节省计算时间,对车辆模型进行了如下简化：忽略后视镜、门把手等车身附件；忽略车轮的影响；对底盘做平整处理.简化后的车辆三维模型如图1 所示.
在2010 年,欧洲对于发展行人下肢安全保护系统提出了有效的设计准则.其中包括有保险杠结构应该更宽大来支撑大面积的膝盖区域并且减少膝盖位移.还有就是保险杠应该更接近后面的零件来支撑高和低的部分下肢撞击器.这将减少弯曲角.有效减轻行人损伤.另外,保险杠上边缘应成片状使保险杠和阀盖前缘的组合配置更加平滑.保险杠的厚度也应该有下限,这样就可以避免膝盖碰到保险杠后对保险杠之后部件的影响.对纯电动汽车保险杠的建模如图2 所示.
3 保险杠三维模型的前处理有限元分析软件Hypermesh 有诸多求解器功能,本文主要进行碰撞仿真分析,因此选择Dyna-key 解算器.将UG 曲面重构得到的保险杠三维模型导入Hypermesh 中并对其进行网格划分.在Hypermesh 中定义保险杠材料的泊松比、弹性模量、密度,并对保
险杠材料的厚度进行设置,具体材料属性如下：24# 钢： 密度7.85e-6kg/mm, 弹性模量210Gpa,泊松比0.3,屈服强度210Mpa；材料PLA：密度1.26g/cm3,弹性模量3.7Gpa,泊松比0.5, 屈服强度98Mpa.设置T1 为2mm,然后对保险杠进行配重设置在每个节点设置300g 重量.
对保险杠进行定义,调出刚性墙.对保险杠和墙面之间的接触定义进行修改,保存为面面接触类型.为了模拟保险杠在汽车上的真实情况,设置约束刚性墙和自由度.约束刚性墙6 个自由度.约束保险杠3 个旋转自由度.
定义保险杠速度VX 为16km/h,VY 方向速度为0.选取保险杠输出点.选取中间和两边的点,进行沙漏控制.进行时间步长的控制.输出K 文件,设置结束,前处理处理完之后点击export 将文件输出为K 文件,使之能在LS-DYNA 中运行.
4 保险杠分析
将K 文件导入LS-DYNA 进行处理.运算结束后,使用Hyperwork 中的Hyper-draph对运算结果后处理,最后可以得到普通钢保险杠的能量变化曲线、速度变化曲线、应力变化曲线图.PLA 材料保险杠的能量、速度、应力变化曲线图.再使用Hyper-view 可以得出汽车保险杠模型的受力云图,之后进行普通钢材料和PLA 材料保险杠的碰撞结果对比分析.
从两种材料对应的变化曲线图,如图3（左）对比能够得出以下结论：PLA 材料的保险杠吸收能量的能力要强于刚材料保险杠.在图中可以看到钢材料保险杠模型在撞击之后的0.03 秒能量才减少到最低处,但PLA 材料保险杠模型只在撞击之后的0.02 秒能量就减少到最低处.并且因为PLA 材料的刚度比普通钢的小的非常多,同时塑形强度比普通钢材料大,所以普通钢材料抗撞击的缓冲能力比PLA 材料差的多.
从两种材料的速度变化曲线图,如图3对比能够得到以下结论：PLA 材料制成的保险杠在吸收能量的速度要快于普通钢材料.在图中我们可以看到普通钢材料保险杠在撞击之后的0.03 秒速度才达到零,速度的变化非常缓慢,而PLA 材料保险杠则是在撞击之后速度立即发生锐减,在0.028 秒即减为零.因此,可以预见,在安全事故中,PLA 制成的保险杠可以更快的吸收撞击能量,更好的保护事故受害者的腿部,减少行人损害.
从两种材料的受力应力曲线图,如图3（右）对比中能够得到以下结论：普通钢材料制成的保险杠在吸收应力受力方面明显优于普通钢材料.从图中可以看出普通钢材料在撞击之后的0.042 秒之后应力减少为零,且变化较为平滑缓慢,变化速度较慢,而PLA材料保险杠在撞击之后的0.038 秒应力才减少为零,并且曲线较陡,说明在更短的时间内将应力减少到更低的程度.因此在现实中,可以预知PLA 材料制成的保险杠可以在事故发生后更快的降低应力,更好的保护行人,减轻事故造成的影响.
5 结语
通过利用Hypermesh 对两种材料保险杠三维模型进行前处理,包括网格划分,定义材料及属性,以及约束和各种参数设置,最后得到三种对比图,对两种材料碰撞仿真之后的能量变化、速度变化、应力变化进行对比,得到结论：PLA 材料在事故发生时能更加有效的保护行人腿部.
参考文献：
[1] 肖振. 基于E-NCAP 行人大腿保护的车辆前端模块的设计优化[D]. 山东： 山东理工大学,2015.
[2] 任鹏飞. 基于多目标优化的汽车保险杠轻量化设计[D]. 吉林：长春工业大学,2014.
[3] Chen Hao, Yang Yanli,et al. Study onthe effect of beam parameters on automobileb u m p e r c r a s h p e r f o r m a n c e [ J ] . E n e r g yEducation Science and Technology Part A：Energy Science and Research,2014,32（5）：4373~4380.
[4] 任鹏飞. 基于多目标优化的汽车保险杠轻量化设计[D]. 吉林：长春工业大学,2014.
电动汽车论文范文结:
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