关于汽车前纵梁碰撞仿真的讨论

关于汽车前纵梁碰撞仿真的讨论卢鸣飞（西模发特信息科技(上海)有限公司；上海 200336）摘要：汽车的碰撞安全性是汽车工业发展中的关键技术。本文对汽车前纵梁建立了简化的三维有限元计算模型，计算得到了前纵梁焊接留下的残余应力，并在该初始应力场作用下进行碰撞仿真，得到能量吸收曲线。将其结果与不考虑焊接留下的残余应力的碰撞仿真结果进行对比，分析并总结工艺链仿真的必要性。关键词：Simufact.welding；Simufact.forming；焊接残余应力；汽车碰撞仿真；前纵梁Abstract: Crash safety is the key technology in the 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 necessary of process chain simulation is to be considered.Key words: Simufact.welding; Simufact.forming; welding residual stress; automotive crash simulation; front longeron汽车的碰撞安全性研究是其非常重要的基本属性，已经成为世界各国汽车工业发展中的关键技术。在发生汽车正面碰撞的事故（正面撞击或后部追尾）中，担负主要吸能作用的是前后纵梁，通过纵梁的压溃变形和弯曲变形来吸收碰撞的能量。有数据表明，前纵梁担负了碰撞总能量的60%。所以，纵梁构件的设计思路就是尽其可能地沿着轴向压溃变形，控制弯曲变形量，获得满意的能量吸收效果。另一方面，随着计算机技术的提高和数值计算方法的不断完善，在汽车碰撞安全性的数值仿真研究领域也已经硕果累累，例如显示有限元碰撞仿真的计算效率和稳定性已经达到了相当的计算水平。然而，对计算精度以及算法的改善和发展仍然大有余地，对于更多的材料本构方程，以及更精确的数值求解的研究还有待深入。本文从工艺链仿真的角度切入，对比无初始应力的情况和考虑焊后残余应力分布的情况，对纵梁简化模型进行碰撞仿真，得出两者碰撞所吸收的能量曲线。以此来研究在实际工业中，工艺链仿真对提高仿真计算精度的必要性。1 前纵梁简介1.1 汽车前纵梁简介汽车的前纵梁，相当于是车的骨架，由两根位于两边的纵梁组合而成，如图1所示。多采用低合金钢板冲压而成，其断面多为槽形或工字形。前纵梁的前端属于吸能区，一旦发生碰撞就会产生溃缩，即使修复后也很容易看出来，正因如此检查前纵梁也是车辆碰撞事故的重要查看区域。图1 汽车前纵梁位置2 焊接及碰撞仿真2.1 模型建立参考汽车纵梁的几种基本剖面形状，如图2所示。我们选取形状e，来进行简化模型的建立，如图3，尺寸为200mm150mm400mm。图2 汽车纵梁的剖面形状图3 本文建立的前纵梁简化模型在Simufact.welding中建立三维有限元计算模型，总体网格尺寸为4mm，厚度方向为两层。总体网格节点数41310，单元数26880。在焊接计算中，开启网格的自动细化和粗化功能，如图4所示。图4 有限元计算模型2.2 焊后残余应力计算完成，冷却至室温后，去掉夹具工装，可以查看工件在自由状态下的残余应力分布，如图5所示。当然，也包括了焊接引起的结构变形和各相组织成分的变化，在这里仅列出了与后续碰撞仿真息息相关的残余应力分布。图5 焊后残余应力2.3 碰撞仿真将Simufact.welding中的焊接计算结果，导入到Simufact.forming中，进行初始条件及边界条件的设置，并提交计算。查看纵梁被压缩200mm后的变形情况，如图6所示。图6 碰撞压缩后的残余应力3 方案对比3.1 定性对比在不考虑焊接的情况下，即将纵梁简化模型认为是无初始应力的情况下，进行碰撞仿真，得到的结果与上述结果，进行定性对比，如图7所示，左图7(a)为考虑焊接残余应力的结果，右图7(b)是不考虑焊接残余应力的结果。图7(a) 考虑焊接残余应力图7(b) 不考虑焊接残余应力图7 两种情况下得到的仿真结果定性对比可以初步得出，焊接造成的残余应力，完全影响了碰撞压缩后纵梁的整体变形趋势。3.2 定量对比将两种方案下的碰撞能量吸收曲线提取出来，进行对比，如图8所示。图8 两种情况下得到的能量吸收曲线对比考虑焊接残余应力的情况，其碰撞压缩200mm吸收的能量为91.12kJ；不考虑焊接残余应力的情况，其碰撞压缩同样距离吸收的能量为119.44kJ。两者的结果相差了约31%。4 结论与展望本文在SIMUFACT软件平台上，利用Simufact.welding进行焊接仿真，利用Simufact.forming进行碰撞压缩仿真，得到了考虑和不考虑焊接残余应力下的碰撞结果，对比两者的能量吸收曲线，获得了定量的对比结论，两者相差了约31%。随着工业化进程的加速，在数值计算领域对仿真计算结果的精度要求一定是越来越高的。因此，采用工艺链仿真，来对产品加工过程的每一个环节进行虚拟再现，充分考虑到每一步加工工艺引起的结构变形、应力及成分变化等对下一步工艺带来的影响，是目前能够实现的用以提高仿真精度的一种可行方案。正如本文所举的例子，若再往前考虑一个工艺，即纵梁上下片的冲压及折弯工艺，得到纵梁成形的残余应力，在此基础上进行焊接及碰撞的仿真，其结果应更符合实际。