冯 博，周 滨，吴展彬，卜继玲、黄友剑
株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007
摘要：汽车保险杠多为塑料制品，为降低材料和模具成本，从结构方面对某车型保险杠进行轻量化改型设计，使其质量减少20%。采用Abaqus 对改型后的保险杠进行刚度和模态分析，结合分析结果为设计方案提供优化建议，得到满足要求的保险杠结构。 关键词：保险杠；轻量化；结构设计；有限元法 中图分类号：U463.82 文献标识码：A
Light Design and Simulation of Energy-absorbing bumper
Feng Bo, Zhou Bin, Wu Zhanbin, Bu Jiling
(Zhuzhou Times New Material Technology Co. , Ltd. Hunan Zhuzhou 412007)
焦化废水Abstract: Most automotive bumpers are plastic products. A bumper was redesigned in terms of structure to reduce material and mold cost. Weight of the bumper was reduced 20% at last. The stiffne全自动文具盒
ss and modal of modified bumper were analyzed based on Abaqus. The optimize suggestion was proposed for design program. The bumper structure which meet requirements was got. Key words: Bumper, Lightweight, Structure design ,FEA
1 前言
汽车保险杠是吸收缓和外界冲击力、防护车身前后部位的安全装置。早期的保险杠为金属制品，与车身有很大间隙。随着汽车工业的发展，保险杠多选用塑料材质，并与车身之间装有塑料吸能块，除了具有美观的视觉效应外，车辆碰撞时，吸能块能够更好地保护乘员、行人或车体[1]日益严重的能源危机要求汽车保险杠最大限度的轻量化。目前汽车保险杠的轻量化主要考虑材料选择和结构改进两方面，从材料角度进行轻量化设计需要考虑材料价格问题，材质轻的材料往往成本较高；而在法规允许的前提下改进保险杠结构，减少材料使用量，能够有效降低成本，因此这种保险杠被称为吸能式保险杠。
[2-6]论文以某车型保险杠为例，对其进行轻量化改型设计，并进行刚度和模态分析，提出优化方案。
。
2 产品结构分析
保险杠系统通常包括以下零部件：本体、散热器格栅、进气格栅、雾灯格栅、拖钩堵盖、安装支架等，如图1所示。
图 1保险杠系统
论文研究的保险杠优化前的结构特点是：本体壁厚3.5mm ，进气格栅和本体独立成型。
装配时，先将进气格栅和安装支架固定在车身上，再将保险杠本体卡接在安装支架上。为实现产品降本增效的目的，这样的保险杠结构可从两方面进行优化：
1.减少保险杠本体壁厚，降低材料成本；
2.将进气格栅和保险杠本体做成一体，减少模具数量，降低产品开发费用。
3轻量化改型方案
保险杠整体厚度约3.5mm。参考对标车型，多数小型乘用车保险杠分布在2.8mm-3.5mm 范围内，可见整体厚度具有减薄的余地。
该保险杠的进气格栅格栅是独立的，装车时先将格栅固定在车身上，再装配保险杠本体。这种结构使得单独制造模具的成本非常高，可考虑将保险杠本体与格栅做成一体，只用一副模具注塑成型。
下图所示为改型前后保险杠断面对比图。图中红为改型前本体，绿为改型前格栅，蓝为改型后保险杠总成。从图中可见改型后保险杠厚度减薄0.5mm，为了保证进气面积，将格栅厚度减薄0.2mm。
图2改型前后保险杠断面图
进气格栅与保险杠本体做成一体后，为了简化装配工序，将格栅上与车身连接的两个安装点去掉，下图所示为改型前后格栅与车身连接点位置的变更。
(a) (b)
图3格栅与车身连接点结构
注：(a)为改型前的结构，(b)为改型后的结构
4仿真校核
保险杠材料为PP+EPDM，通过注塑成型，减薄后容易导致变形过大影响装配，采用刚
度分析检验改型方案对装配工艺的影响。
另外，理论上产品减重减薄后将影响固有频率，保险杠与车身少了两个安装点，也可能由于刚度分布变化导致自身固有频率发生变化，为了避免这种变化带来的不利影响，对保险杠进行模态分析，提前评估改型可行性。
4.1刚度分析
在Abaqus中采用S4单元划分网格，边界条件如下表所示：
表1边界条件
边界条件施加位置自由度限制
阳光下可视液晶屏
Fix 装配时手抓保险杠位置全部节点
X、Y、Z方向平动
Gravity 全部单元Z向-9800N/t
查看保险杠受重力后的变形结果。
图4保险杠改型前变形结果图5保险杠改型后变形结果
从变形云图中可见改型后，保险杠在装配时因重力引起的整体变形量由0.6196mm增至0.7223mm，变化量为0.1027mm，而保险杠装配间隙公差一般为0.2mm-0.5mm，因此改型前后保险杠因重力引起的变形不会增加装配工艺的难度。
4.2模态分析
进行模态分析的目的是检验保险杠结构改变后的固有频率是否满足要求。
自由系统发生振动时的运动方程简记为
（1）其中
－系统的质量矩阵；
－系统的刚度矩阵；
－激励矩阵。
设方程的解为
（2）其中为振动系统的振幅，
代入原运动方程有
（3）
为非零解的条件是
（4） 行列式展开得到
（5）
求解方程得到系统的固有频率[7]由振动方程可见影响固有频率的因素主要是系统的刚度和质量。保险杠进行改型设计后，刚度和质量都发生了变化，这种变化给固有频率带来的影响需要进行模态分析。
fsad。
由于改型前格栅与本体通过10个金属螺栓连接，连接刚度较大，近似于将格栅与本体做成一体的刚度，因此，用于模态分析的改型前后的前保险杠网格模型相同。
施加边界条件时，将保险杠与车身连接点位置的相关节点全约束。改型后，由于去掉了格栅与车身连接点，故此处节点不需约束自由度。
保险杠材料密度为
，弹性模量为700MPa ，泊松比为0.4。
汽车在正常路面上以低于150
的速度行驶时，路面对汽车的激励频率低于21Hz ，
所以汽车的一阶固有频率应高于21Hz ，以不低于25Hz 为好
[8]。汽车在怠速正常行驶和加速行驶时，由于转速不同，激励频率也不同。当怠速转速为750
时，则激励频率
；当最高转速为6000时，则激励频率。一般
保险杠固有频率不会达到200Hz ，但需避开25Hz （偏差10%）。
通过仿真分析得到的保险杠固有频率如下表所示。
表 2固有频率结果
通过对比分析发现，改型后保险杠一阶固有频率低于参考值，在发动机转速由低到高逐渐达到750时，在短时间内可能会引起共振，影响保险杠的疲劳寿命，结构需要二次
广告伞制作优化。
5 结构优化
保险杠改型前后的结构变更主要表现在本体厚度和格栅结构，刚度和质量的变化都影响
固有频率，为了到改型后固有频率过低的原因，按表3四种优化方案进行模态分析。
表3四种优化方案
模型本体壁厚FEA模型质量格栅是否与车身连接
模型1 3.5mm 4.9kg 是
模型2 3mm 3.9kg 否
模型3 3.5mm 4.9kg 否
模型4 3mm 3.9kg 是
将模态分析结果进行对比，如表4所示。
表4优化方案结果对比
单位（Hz）一阶二阶三阶模型1 29.262 30.812 46.49
模型2 17.318 28.106 32.962
模型3 18.272 29.718 35.11
模型4 28.268 29.038 43.257
参考值alo
从模态结果分析表中可见保险杠固有频率随壁厚增加而增大，但厚度对固有频率的改善不明显；而保留格栅与车身连接点使得保险杠局部刚度增加，固有频率明显提高，能有效避开参考值。
分析结果显示只有模型4的固有频率是满足要求的，一、二阶振型如图6所示。
图6前保险杠一、二阶振型
改型后产品质量由4.9kg降为3.9kg，减少材料使用量达20%，成本降低幅度非常显著。
上述分析表明：
1.通过降低保险杠本体厚度实现轻量化的目标是可行的，不会影响装配工艺，也能保证固有频率在许可范围内。
2.保险杠的安装点位置和数量的定义非常重要，不但影响静态牢固性，还影响动态可靠性。去掉格栅和车身连接点虽然能够简化装配工序和生产节拍，但不能保证产品可靠性，综合权衡必须保留这个连接点。
快速样件装车结果显示：保险杠未出现装配可行性问题，装配间隙满足设计要求，外观质量满足视觉要求，保险杠轻量化设计方案合理可行。样车如图7所示。
图7 快速件样车
6结论
结合有限元仿真，对保险杠进行轻量化设计，得到以下结论：
1. 通过减薄壁厚实现轻量化，保险杠质量减少20%，显著降低材料使用成本。进气格栅与保险杠本体做成一体，减少模具数量，有效降低模具成本。该改型方案为相关汽车内外饰轻量化设计提供参考。
2. 采用Abaqus对保险杠进行刚度分析和模态分析，对改型方案提出优化建议。分析结果表明保险杠本体壁厚可减薄，同时保留进气格栅与车身连接点，以保证刚度。快速件样车表明设计和分析结果合理可行。
3. 在保险杠设计过程中，有限元分析提前评估了结构设计可行性，减少了实验次数，缩短了产品开发周期，提高了工作效率。
参考文献
[1]曹渡主编.汽车内外饰设计与实战.北京：机械工业出版社，2011.
[2]刘海江，张夏，肖丽芳.基于LS—DYNA的7075铝合金汽车保险杠碰撞仿真分析.机械设计.2010,28（2）:18-22.
[3]肖宏伟，陆善彬，武栎楠.基于行人腿部保护的保险杠造型优化设计.汽车技术.2010(10):30-33.
[4]葛如海，王山，杨建，苗强.分层吸能式保险杠优化设计.汽车技术.2010(10):30-33.
[5]程秀生，刘维海，郝玉敏，马志良，唐洪斌.某轿车保险杠横梁结构抗撞性优化.汽车技术.2011（10）：5-9.
[6]蒋造云.汽车保险杠的轻量化设计.材料开发与应用.2008（10）:56-59.
[7]闻邦椿等编委．机械振动理论及应用．北京：高等教育出版社，2009．
[8]张小虞等编委．汽车工程手册·设计篇．北京：人民交通出版社，2001．
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议