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1、關(guān)于汽車前縱梁碰撞仿真的討論 盧鳴飛 （西模發(fā)特信息科技(上海)有限公司；上海 200336） 摘要：汽車的碰撞安全性是汽車工業(yè)發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)。本文對(duì)汽車前縱梁建立了簡(jiǎn)化的三維有限元計(jì)算模型，計(jì)算得到了前縱梁焊接留下的殘余應(yīng)力，并在該初始應(yīng)力場(chǎng)作用下進(jìn)行碰撞仿真，得到能量吸收曲線。將其結(jié)果與不考慮焊接留下的殘余應(yīng)力的碰撞仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析并總結(jié)工藝鏈仿真的必要性。 關(guān)鍵詞：Simufact.welding；Simufact.forming；焊接殘余應(yīng)力；汽車碰撞仿真；前縱梁 Abstract: Crash safety is the key technology in th

2、e development of automotive industry. A simplified 3-D mechanical computing model of front longeron is established, for getting the residual stress after welding, and furthermore getting the energy absorption curve on crash. Compared with the simulation without the welding residual stress, the neces

3、sary of process chain simulation is to be considered. Key words: Simufact.welding; Simufact.forming; welding residual stress; automotive crash simulation; front longeron 汽車的碰撞安全性研究是其非常重要的基本屬性，已經(jīng)成為世界各國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)。在發(fā)生汽車正面碰撞的事故（正面撞擊或后部追尾）中，擔(dān)負(fù)主要吸能作用的是前后縱梁，通過縱梁的壓潰變形和彎曲變形來吸收碰撞的能量。有數(shù)據(jù)表明，前縱梁擔(dān)負(fù)了碰撞總能量的60

4、%。所以，縱梁構(gòu)件的設(shè)計(jì)思路就是盡其可能地沿著軸向壓潰變形，控制彎曲變形量，獲得滿意的能量吸收效果。 另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高和數(shù)值計(jì)算方法的不斷完善，在汽車碰撞安全性的數(shù)值仿真研究領(lǐng)域也已經(jīng)碩果累累，例如顯示有限元碰撞仿真的計(jì)算效率和穩(wěn)定性已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)?shù)挠?jì)算水平。然而，對(duì)計(jì)算精度以及算法的改善和發(fā)展仍然大有余地，對(duì)于更多的材料本構(gòu)方程，以及更精確的數(shù)值求解的研究還有待深入。 本文從工藝鏈仿真的角度切入，對(duì)比無初始應(yīng)力的情況和考慮焊后殘余應(yīng)力分布的情況，對(duì)縱梁簡(jiǎn)化模型進(jìn)行碰撞仿真，得出兩者碰撞所吸收的能量曲線。以此來研究在實(shí)際工業(yè)中，工藝鏈仿真對(duì)提高仿真計(jì)算精度的必要性。 1 前

5、縱梁簡(jiǎn)介 1.1 汽車前縱梁簡(jiǎn)介 汽車的前縱梁，相當(dāng)于是車的骨架，由兩根位于兩邊的縱梁組合而成，如圖1所示。多采用低合金鋼板沖壓而成，其斷面多為槽形或工字形。前縱梁的前端屬于吸能區(qū)，一旦發(fā)生碰撞就會(huì)產(chǎn)生潰縮，即使修復(fù)后也很容易看出來，正因如此檢查前縱梁也是車輛碰撞事故的重要查看區(qū)域。 圖1 汽車前縱梁位置 2 焊接及碰撞仿真 2.1 模型建立 參考汽車縱梁的幾種基本剖面形狀，如圖2所示。我們選取形狀e，來進(jìn)行簡(jiǎn)化模型的建立，如圖3，尺寸為200mm×150mm×400mm。 圖2 汽車縱梁的剖面形狀 圖3 本文建立的前縱梁簡(jiǎn)化模型 在Simufact.weldin

6、g中建立三維有限元計(jì)算模型，總體網(wǎng)格尺寸為4mm，厚度方向?yàn)閮蓪?。總體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)41310，單元數(shù)26880。在焊接計(jì)算中，開啟網(wǎng)格的自動(dòng)細(xì)化和粗化功能，如圖4所示。 圖4 有限元計(jì)算模型 2.2 焊后殘余應(yīng)力 計(jì)算完成，冷卻至室溫后，去掉夾具工裝，可以查看工件在自由狀態(tài)下的殘余應(yīng)力分布，如圖5所示。當(dāng)然，也包括了焊接引起的結(jié)構(gòu)變形和各相組織成分的變化，在這里僅列出了與后續(xù)碰撞仿真息息相關(guān)的殘余應(yīng)力分布。 圖5 焊后殘余應(yīng)力 2.3 碰撞仿真 將Simufact.welding中的焊接計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)入到Simufact.forming中，進(jìn)行初始條件及邊界條件的設(shè)置，并提交計(jì)

7、算。查看縱梁被壓縮200mm后的變形情況，如圖6所示。 圖6 碰撞壓縮后的殘余應(yīng)力 3 方案對(duì)比 3.1 定性對(duì)比 在不考慮焊接的情況下，即將縱梁簡(jiǎn)化模型認(rèn)為是無初始應(yīng)力的情況下，進(jìn)行碰撞仿真，得到的結(jié)果與上述結(jié)果，進(jìn)行定性對(duì)比，如圖7所示，左圖7(a)為考慮焊接殘余應(yīng)力的結(jié)果，右圖7(b)是不考慮焊接殘余應(yīng)力的結(jié)果。 圖7(a) 考慮焊接殘余應(yīng)力 圖7(b) 不考慮焊接殘余應(yīng)力 圖7 兩種情況下得到的仿真結(jié)果定性對(duì)比 可以初步得出，焊接造成的殘余應(yīng)力，完全影響了碰撞壓縮后縱梁的整體變形趨勢(shì)。 3.2 定量對(duì)比 將兩種方案下的碰撞能量吸收曲線提取出來，進(jìn)行對(duì)比，如圖

8、8所示。 圖8 兩種情況下得到的能量吸收曲線對(duì)比 考慮焊接殘余應(yīng)力的情況，其碰撞壓縮200mm吸收的能量為91.12kJ；不考慮焊接殘余應(yīng)力的情況，其碰撞壓縮同樣距離吸收的能量為119.44kJ。兩者的結(jié)果相差了約31%。 4 結(jié)論與展望 本文在SIMUFACT軟件平臺(tái)上，利用Simufact.welding進(jìn)行焊接仿真，利用Simufact.forming進(jìn)行碰撞壓縮仿真，得到了考慮和不考慮焊接殘余應(yīng)力下的碰撞結(jié)果，對(duì)比兩者的能量吸收曲線，獲得了定量的對(duì)比結(jié)論，兩者相差了約31%。 隨著工業(yè)化進(jìn)程的加速，在數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域?qū)Ψ抡嬗?jì)算結(jié)果的精度要求一定是越來越高的。因此，采用工藝鏈仿真，來對(duì)產(chǎn)品加工過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行虛擬再現(xiàn)，充分考慮到每一步加工工藝引起的結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力及成分變化等對(duì)下一步工藝帶來的影響，是目前能夠?qū)崿F(xiàn)的用以提高仿真精度的一種可行方案。正如本文所舉的例子，若再往前考慮一個(gè)工藝，即縱梁上下片的沖壓及折彎工藝，得到縱梁成形的殘余應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行焊接及碰撞的仿真，其結(jié)果應(yīng)更符合實(shí)際。