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隨著我國汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車保有量呈現(xiàn)指數(shù)形式的增長。汽車走進(jìn)千家萬戶，成為居民出行的首選。但在汽車數(shù)量急劇增長的同時，人們也逐漸認(rèn)識到汽車所帶來的負(fù)面影響，我國每年因交通事故死亡的人數(shù)逐年上升，汽車安全問題成為無法規(guī)避的現(xiàn)實。汽車的后下部防護(hù)是汽車被動安全的一個重要指標(biāo)，它是指專門的后下部防護(hù)裝置或者依靠自身的外形與特性能夠具有后下部防護(hù)裝置功能的車輛的車體、車架部件或其他部件。通常是有橫梁組成的安裝或連接在車架邊梁或車輛其他結(jié)構(gòu)上。GB11567.2-2001《汽車和掛車后下部防護(hù)要求》(以下簡稱要求》對汽車的后防護(hù)距離地面的高度及強(qiáng)度做了強(qiáng)制性要求。
以國內(nèi)重型車輛常用的后防護(hù)裝置為研究對象，借助有限元分析手段對該裝置進(jìn)行分析、改進(jìn)，使其強(qiáng)度達(dá)到法規(guī)要求。通過多種結(jié)構(gòu)方案的對比分析，提出了能夠滿足國家法規(guī)要求的較佳設(shè)計方案，為設(shè)計改進(jìn)提供了重要參考依據(jù)。強(qiáng)度分析結(jié)果表明，利用CAE軟件進(jìn)行汽車碰撞研究可以改善結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高汽車的被動安全性能，從而縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)費(fèi)用，提高市場競爭力。
《要求》針對后防護(hù)裝置的強(qiáng)度設(shè)計了一個靜態(tài)加載試驗。1)車輛應(yīng)處于空載狀態(tài)，固定在水平、平坦、剛性、平滑的平面上。2)前輪處于直線行駛位置。3)輪胎應(yīng)充氣到車輛制造商所推薦的壓力。4)為了達(dá)到加載方式(兩點(diǎn)加載100kN，三點(diǎn)加載25kN)所規(guī)定的試驗力，應(yīng)按照車輛制造商指定的方法制動車輛。5)裝備有液壓氣動、液壓或氣壓懸架或根據(jù)負(fù)載自動平衡的裝置的車輛應(yīng)處于車輛制造商規(guī)定的正常運(yùn)行狀態(tài)下。在后下部防護(hù)裝置橫梁結(jié)構(gòu)的中心平面上截取5個載荷作用點(diǎn)，編號從1-5。5個載荷作用點(diǎn)位于同一水平面上，并且其離地面的高度為：對于后下部防護(hù)裝置的狀態(tài)可以調(diào)節(jié)的車輛，加載點(diǎn)的中心距離地面的高度不能超過500mm；對于后下部防護(hù)裝置的狀態(tài)不能調(diào)節(jié)的車輛，加載點(diǎn)的中心距離地面的高度不能超過600mm。加載試驗有兩點(diǎn)加載和三點(diǎn)加載之分，兩點(diǎn)加載時在橫梁中間點(diǎn)往外各350-500mm之間的兩點(diǎn)(即點(diǎn)2和點(diǎn)4)加載荷大小為100kN靜態(tài)力；三點(diǎn)加載時以載荷大小為25kN的靜態(tài)力持續(xù)作用于圖中左側(cè)作用點(diǎn)(點(diǎn)1)或右側(cè)作用點(diǎn)(點(diǎn)5)上，然后持續(xù)作用在車輛縱向中心平面上的加載點(diǎn)(點(diǎn)3)。
所討論的后防護(hù)裝置分析流程為：在CATIA中建立后防護(hù)裝置的3D模型，將其導(dǎo)入到專業(yè)前處理軟件HyperMesh中進(jìn)行幾何清理、網(wǎng)格劃分、部件連接等工作，最后將有限元模型導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行計算〕扣。如圖為常用后防護(hù)裝置CATIA裝配模型。它由左右支撐總成、左右加強(qiáng)板、槽型橫梁組成。左右支撐總成通過鉚釘鉚接在車架縱梁上、左右加強(qiáng)板與槽型橫梁以及加強(qiáng)板與左右支撐總成均通過螺栓連接。將三維實體模型導(dǎo)入有限元前處理軟件HyperMesh中。由于該結(jié)構(gòu)厚度遠(yuǎn)小于其他方向的尺寸，為縮小計算規(guī)模，決定采用殼單元進(jìn)行分析。對各個部件抽取中面后劃分2D網(wǎng)格。在對每個零件劃分網(wǎng)格之后，按照實際裝配情況對有限元模型進(jìn)行連接。
軟件HyperMesh提供了多種連接方式，如螺栓連接、焊接等。螺栓連接是通過剛性單元與彈性梁單元的組合完成的，連接示意如圖。值得注意的是，采用這種方法后，孔邊緣的節(jié)點(diǎn)自由度完全被限制，與實際變形情況不符，因此計算后此處應(yīng)力不予評價。根據(jù)圣維南原理，去除孔周邊單元后其他單元的應(yīng)力值是可信的。經(jīng)過網(wǎng)格剖分，連接處理后可以得到完整的后防護(hù)裝置有限元模型，如圖40此總成共有9個零部件，模型全部采用殼單元，單元數(shù)135954。前處理完后，要按法規(guī)要求施加約束及載荷，對于兩點(diǎn)加載方式，有限元模擬的處理方式是：左右支架與車輛螺栓連接孔固定，限制全部6個自由度，在點(diǎn)2和點(diǎn)4加載板上各施加100kN的靜態(tài)力；對于三點(diǎn)加載方式，先后將25kN的靜態(tài)載荷加載到點(diǎn)1、點(diǎn)5、點(diǎn)3加載板上。因點(diǎn)1與點(diǎn)5對稱，因此對于三點(diǎn)加載方式，筆者只討論加載點(diǎn)1和點(diǎn)3時的受力情況。加載板是一塊長130mm、高140mm、厚度為10mm的厚平板。
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