Abaqus刚性分析在乘用车保险杠轻量化上的应用

轻量化技术有助于节能减排、提高发动机效率、降低尾气排放、降低油耗、降低整车成本，是各车企对零部件供应商的迫切要求。



本文来自：达索系统SIMULIA用户大会优秀论文

摘要：为降低保险杠产品重量，基于ABAQUS建立轻量化结构保险杠产品的刚性实验模型，验证轻量化乘用车保险杠产品的刚性实验性能，从而为进一步优化产品重量，改善产品结构提供参考指标。
关键词：ABAQUS、刚性分析、保险杠、轻量化

近期，随着雾霾等空气环境污染的加剧，我国汽车工业的发展面临着环保问题的巨大压力，而轻量化技术有助于节能减排、提高发动机效率、降低尾气排放、降低油耗、降低整车成本，是各车企对零部件供应商的迫切要求。今天的乘用车保险杠，是由PP（聚丙烯）材料注射成型，再经涂装、装配等工序生产完成的塑料蒙皮制品，其壁厚决定了产品的重量。传统保险杠蒙皮壁厚一般为3mm左右，总重量在8kg左右。进入21世纪，日本汽车制造商为降低整车重量和成本，率先研究塑料保险杠薄壁化技术，经过多年努力，平均壁厚降低至2.5mm以下，较传统设计的保险杠蒙皮减重16%，成果斐然。总体来说，薄壁化保险杠较传统保险杠有以下优势：
（1）重量轻；
（2）成型生产节拍降低，从而降低生产成本；
（3）壁厚方向收缩率较小。
但到现在为止，国内尚未普及这种技术，这是因为存在以下风险和难度：保险杠不仅仅起到装饰作用，它也是吸收和缓和外界冲击力、保护车身及行人安全的保护装置。国家标准和各主机厂对保险杠的刚性、回弹性能、低速碰撞性能、行人保护、震动性能、模态等指标都有严格的标准。其中，刚性是非常重要的力学标准。如何在降低壁厚和产品重量的同时，保证刚性指标在标准允许的范围内？本文探讨基于ABAQUS软件，建立轻量化结构的保险杠产品刚性实验仿真模型，验证轻量化保险杠的刚性实验性能，从而为进一步优化产品重量，为改善产品结构提供参考指标。

不同的车企，对保险杠表面刚性的要求不尽相同。以某车企对保险杠表面刚性为例，要求如下：



表1 某车企对后保险杠产品表面刚性的标准要求

计算模型包括后保险杠面罩本体、两侧侧翼支架。整个模型总成包含壳单元网格99726个，平均网格尺寸4mm。



图1 计算模型

保险杠模型的壁厚，可在ABAQUS软件中，分别设置不同的集合定义不同区域的壁厚。以下为本次验证的轻量化壁厚设置方案，不同的受力位置，设置为不同的壁厚，以求降低保险杠的总体重量：



图2 某产品轻量化保险杠壁厚分布图

保险杠面罩采用PP材质，密度1.09E-09 t/mm3，泊松比：0.35，弯曲弹性模量1640MPa；左/右侧支架采用POM 材质，密度1.40-09 t/mm3，泊松比：0.39，弯曲弹性模量2773 MPa。材料应力-应变曲线采用三点弯曲试验机应力-应变曲线：



图3 PP材料三点弯曲实验数据

刚性仿真采用Standard求解器，进行模拟接触分析。要注意的是，实验位置需要通过三坐标测量仪和仿真位置进行校准。



图4 仿真结果与实验结果进行的对比

根据刚性实验和仿真的结果可以看出，如图2所示的轻量化壁厚设置方案，可以满足刚性实验标准。但是，保险杠产品需要满足的标准不只是刚性实验，还包括回弹性能、低速碰撞性能、行人保护、震动、模态等指标的要求，因此需要进行多个种类的实验和仿真。我们可以利用实验数据对CAE分析结果进行校核，反过来又不断提升了CAE分析的准确性，逐步建立起结构设计-CAE仿真-实验验证-改善的良性循环，降低验证时间与成本，提升研发能力。