面向轻量化的高强度SMC保险杠碰撞性能研究

MechanicalScienceandTechnologyforAerospaceEngineeringMayVol．302011No．5

面向轻量化的高强度SMC保险杠碰撞性能研究

刘海江，刘

刘海江

娜，肖丽芳

（同济大学机械工程学院，上海201804）

要：以国内某车型的保险杠为研究对象，以高强度片状模塑料复合材料（SMC）作为轻量化材

DYNA软件对保险杠进行低速碰撞性能料替代原保险杠零件的高强度钢材料，运用显示有限元LS-摘

分析，选定SMC替换部分的保险杠最优厚度，并进一步对选定厚度的SMC保险杠进行结构优化。

经碰撞仿真分析验证，新型保险杠能满足保险杠的低速碰撞标准要求，且其质量相对原高强度钢保险杠下降了29%，轻量化效果显著。

关键词：保险杠；轻量化；SMC；结构优化中图分类号：TP3917

文献标识码：A

8728（2011）05-0813-05文章编号：1003-

AStudyoftheImpactPerformanceofaHigh-strengthSheetMolding

Compound（SMC）BumperforLightweight

LiuHaijiang，LiuNa，XiaoLifang

（CollegeofMechanicalEngineering，TongjiUniversity，Shanghai201804）

Abstract：Thebumperisanimportantpartofacarbody．Inordertodecreasevehicleenergyconsumption，itisnecessarytocarryoutlightweightbumperresearch．Withadomesticcarbumperastheprototype，high-strengthsteeloftheoriginalbumperpartsissubstitutedbyhigh-strengthsheetmoldingcompound（SMC）．Withexplicitfi-niteelementanlysissoftwareLS-DYNA，theoptimalthicknessofSMCbumperpartsisselectedafterbumperper-formanceanalysisoflow-speedcollision．ThenthestructureoftheSMCbumperwithselectedthicknessisopti-mized．Theresultsofcrashworthinesssimulationshowthattheoptimizednewbumpersatisfiestherequirementsoflow-speedimpactstandard．Comparedtotheoriginalhigh-strengthsteelbumper，themassofthenewoneisde-creasedby29%anditslighteningeffectisobvious．

Keywords：bumper；lightweight；SMC；structureoptimization当前，节能、环保、安全、舒适和智能是汽车技术

发展的总趋势，尤其是节能和环保更是关系人类可持续发展的重大问题。为了提高汽车的节能性和环保性、降低燃油消耗及减少排放，汽车的轻量化问题受到了广泛重视。国内外研究机构对减轻汽车自重与降低燃油消耗之间的关系作了很多研究，研究表

明，轿车每减重10%，则油耗可以下降8%～

10%［1］。保险杠是车身的重要组成部分，在汽车整保险杠的轻量化也很有必要。体轻量化的大趋势下，

保险杠的主要作用是当轿车发生碰撞时能保护车身：轻微事故时保险杠能吸收冲击能量，撞后自动恢复原状；严重事故时冲击力经保险杠分散给整个车身，避免局部区域变形过大，保证乘客有足够的生存空间

［2］

03-12收稿日期：2010-基金项目：国家高科技研究发展计划（863计划）项目

（2008AA04Z105）资助

作者简介：刘海江（1967－），教授，博导，研究方向为数字化设计与

lhj@mail．tongji．制造、产品集成精度加工测试与控制，edu．cn

。因此碰撞性能是评价保险杠质量好坏

的重要指标，保险杠的轻量化首先要满足碰撞性能。汽车碰撞试验是汽车被动安全研究最直接和最可靠的方法，随着计算机仿真技术的发展，以有限元法为主要分析手段的模拟计算方法成为分析汽车碰撞性能的主流。车身轻量化主要有两大途径，一是通过

814机械科学与技术第30卷

结构的改进，缩小零部件尺寸，使部件薄壁化、中空化；二是采用轻量化的金属和非金属材料，进行材料替换

［3］

。目前对于保险杠的轻量化研究，主要都是

·

x式中：ρ为质量密度；·i为质点加速度；V为相对体

积；fi为单位质量体积力；σij为柯西应力。

上式实质上是虚功原理的一种表达，式中的各

从材料方面入手，依靠轻量化材料的替换并结合保

取得了一定的轻量化效果。险杠的碰撞性能分析，

将保险杠作为研究对象，采用SMC复合材料，并

结合保险杠的结构优化进行轻量化研究。基于保险杠的碰撞性数值仿真，验证轻量化方案的可行性。1

轻量化材料选取

个积分项分别表示单位时间内系统的惯性力、内力、

体积力和表面力所作的功。加上在参考构型上节点相连的有限单元网格和随时间变化的运动轨迹，将单元内任意点的坐标用单元节点坐标插值，可得

···

Mx（t）=P（x，t）－F（x，x）

（2）

·

x（t）是总体节点加速度式中：M是总体质量矩阵；·

矩阵；P是总体载荷矢量，由节点力、体力、面力等形

目前可用于减轻汽车自重的材料有两大类：一

类是高强度材料，如高强度钢；另一类是轻质材料，如铝合金、镁合金、复合材料等。选择的保险杠原型材料是高强度钢，铝合金成形工艺较复杂，而镁合金密度比铝和钢的都低，但存在化学性能活泼、连接工

制造成本较高等问题。复合材料是艺技术不成熟、

密度是钢铁增强材料与基体材料组合而成的材料，

材料的几分之一。利用复合材料制作车身零部件可以大大减轻车身重量；耐腐蚀且具有很好的吸收、衰减噪声能力；在变形时能吸收大量的碰撞能量，对撞击有缓冲作用。

SMC（sheetmouldingcompound）即片状模塑料复合材料，是把低粘度的热固性树脂化合物浸到玻璃纤维中而制成的连续的片状预成型材料。SMC材料为片状，有利于模压成型，可以提高生产效率。笔者采用的是50%玻璃纤维增强的高强度SMC（以下简称SMC），其与高强度钢材料的性能对比如表1所示。

表1

参数名称高强度钢SMC

高强度钢与SMC力学性能对比

拉伸屈服强度/MPa370207

ν0.280.33

［4］

成；F是单元应力场的等效节点力矢量（或称应力散

度）组集而成。

碰撞问题属于非线性动力问题。大多数非线性

［6］

动力问题一般多采用显示中心差分求解法。考虑一个非线性结构的动力相应问题，其动力学微分方程为

MU+CU+KU=F

··

·

（3）

式中：M是结构的质量矩阵；C是结构的阻尼矩阵；K是结构的刚度矩阵；F是外界作用力矢量；U是结构的位移矢量。

中心差分法对加速度、速度的导数采用中心差分代替，整理式（3）得到

^U^Mt+Δt=Rt

（4）

^为有效质量矩阵；R^为有效载荷向量；F，式中：MttM，C，K分别为结构载荷向量、质量阵、阻尼阵与刚度。

^=1M+1C；M2

2ΔtΔt

^=F－K－2MU－1M－1CURtttt－Δt22

2ΔtΔtΔt

中心差分法求解方程组通过迭代求解，直到满

弹性模量泊松比E/MPa

2150014000

密度ρ/（t·mm）7.85×10－91.83×10－9

－3

()()足计算结束条件。3

保险杠碰撞有限元模型的建立

2碰撞仿真基本理论

保险杠的碰撞过程中属于大位移、大转动、大应变的非线性问题，碰撞仿真模拟分析所利用的是有限元分析技术和动态显示求解技术。涉及几何非线性问题的有限元法通常都采用Lagrangian增量法

［5］

笔者的分析对象是国产某中型轿车开发前期所

采用的前保险杠，这里只取对保险杠碰撞性能影响较大的零件进行研究，主要包括4个部分，如图1所示。加强板1和齿状横梁2通过焊点相连接。2齿

3保险杠支架、4保险杠与前纵梁的连接板状横梁、

通过左右各4个螺栓相连接。应用汽车碰撞仿真分DYNA，析软件LS-建立保险杠有限元模型。保险杠采用四节点壳单元，高强度钢采用24号分段线性塑

性材料模型；焊点采用可变形梁单元模拟；螺栓孔上

。

采用拉格朗日描述增量法，并根据连续介质力学原理，得到得到如下平衡方程式，即

δπ=

v

∫

i

v

·

xρ·σijδxi，iδxidv+jdv－

v

∫

∫ρfδxdv－∫

i

b1

tiδxids=0

（1）

的所有节点可定义为节点刚体。

第5期刘海江等：面向轻量化的高强度SMC保险杠碰撞性能研究815

保险杠在碰撞过程中的最大变形量必须控制在一定的范围内才能保证保险杠所连接的车身不受损。笔者所采用的整车模型保险杠和车身零件之间的许可位移为45mm，鉴于碰撞模型中未考虑在内保险杠因此认面罩和内衬缓冲吸能元件也吸收一定的能力，

为将保险杠的许可位移取为50mm是符合标准的。从原保险杠的碰撞分析结果看，其最大变形量21.8mm，未超过许可位移50mm，没有发生失效。

图1

保险杠结构

4.2SMC保险杠碰撞性能分析

按照FMVSS581保险杠标准建立保险杠碰撞仿真中摆锤的

［7］

有限元模型，摆锤采用八节点的六面体实

20号刚体材料体单元，

模型，摆锤和保险杠之

间定义SurfacetoSur-face接触。建立的保

险杠对中碰撞有限元模型如图2所示。2保险杠对中碰撞有限元模型44.1

保险杠碰撞碰撞性能分析

原高强度钢保险杠碰撞性能分析

原高强度钢保险杠的纵梁加强板与纵梁通过焊

接连接，若将纵梁连接板材料替换为复合材料，它与金属纵梁的连接方式需改变，与之相应的结构也需要较大的变化。笔者只研究将保险杠前部加强板和齿状横梁材料替换为SMC后保险杠的碰撞性能，以保持保险杠总体外形不发生较大变化。

SMC复合材料是脆性材料，主要靠弹性变形和LS-DYNA其破坏机理较复杂，破坏吸收碰撞能量，

材料库尚且无法模拟这种模型。所以笔者拟通过合适的设计，使SMC材料保险杠在低速对中碰撞中仅发生弹性变形。在有限元模型中SMC材料用24号分段线性弹塑性材料模型模拟

，SMC材料的加强

板和齿状横梁的连接方式变为胶接，被胶接的两个

［8］

按照所建立的保险杠碰撞仿真模型，使摆锤

得到原高强度以4km/h的速度撞击保险杠前方，

钢保险杠4km/h低速对中碰撞仿真结果，如表2

所示。

表2

材料高强度钢

质量6.37kg

原保险杠低速对中碰撞仿真结果

最大变形量最大加速度碰撞时间吸能21.8mm

22450mm/s

2

面之间定义*CONTACT－TIED－SURFACE－TO－SURFACE。4.2.1

厚度对SMC保险杠碰撞性能的影响SMC材料的强度极限比高强度钢的低，在材料替

换后厚度需适当增加。原保险杠加强板和齿状横梁的

2.4mm、2.8mm、3mm、厚度为1mm，这里取2mm、3.2mm、3.6mm进行碰撞仿真，在不超过原保险杠质以碰撞性能最优为目标，找到最佳壁厚。量的条件下，

原高强度钢保险杠质量为6.37kg。对前部加强板和齿状横梁为不同厚度的SMC保险杠进行4km/h低速对中碰撞仿真，得到的碰撞性能参数结果如表3所示。

62ms300J

表3

厚度/mm2.02.42.83.03.23.6

质量/kg3.8574.2474.6374.8335.0295.423

质量下降比

/%39.433.327.224.121.114.9

最大变形量

/mm31.628.826.525.524.722.9

不同厚度高强度SMC保险杠仿真结果最大加速度碰撞时间/mm/s21481923319385198012024920274

/ms12011611010310095

吸能/J315.7314.9315.8316.8317.5319.4

加强板最大应力值

/MPa207178.3166.3157.8150.0140.1

齿状横梁最大应力值

/MPa207193.3185.2180.4174.8165.3

816机械科学与技术第30卷

从表3中可以看出，不同厚度的SMC保险杠最大变形量都比保险杠许可位移50mm小，能保证车保身其他零件不受损。从保险杠的碰撞性能来说，险杠变形越小，吸能越多，最大加速度越小且碰撞时保险杠的碰撞性能越好。与原保险杠相比，间越长，

不同厚度的SMC保险杠的最大变形量和吸能都有所增加，壁厚的增大使保险杠吸能增加但导致最大加速度增大、碰撞时间减少和质量增加，因此壁厚不宜过大。

根据不同厚度的SMC保险杠仿真结果并结合高强度钢材料应力-应变曲线分析，支架和纵梁连接板没有失效。根据表3中加强板和齿状横梁的最大

应力值，加强板和齿状横梁壁厚为2mm时两者的最大应力值达到了材料屈服极限；当壁厚大于2mm时，随着壁厚的增大，最大应力值逐渐减小且都小于屈服强度值。因此只有加强板和齿状横梁厚度为2mm的SMC保险杠失效，其余壁厚的保险杠都能满足要求。

综合以上厚度对保险杠碰撞性能的影响，同时为了最大程度地减轻保险杠重量，笔者选择加强板和齿状横梁最大应力为180MPa左右的厚度（安全系数n=207/180=1.15），即加强板、齿状横梁厚度分别为2.5mm、3mm，此时保险杠的质量为4.717kg，与原高强度钢保险杠相比，质量下降25.9%。

4.2.2选定厚度的SMC保险杠仿真分析

齿状横梁厚度3mm的对加强板厚度2.5mm、

SMC保险杠进行4km/h低速对中碰撞仿真。

只中可看出齿状横梁发生较大应力的地方较集中，

有红色区域应力值较大，其他地方应力值则较小。

图4摆锤加速度变化曲线

图5SMC保险杠变形量曲线

图6SMC保险杠碰撞过程能量变化图

图3SMC保险杠摆锤和汽车速度变化曲线

图7SMC保险杠50ms时加强板应力云图

SMC保险杠摆锤由图3所示的仿真结果可知，

和汽车的碰撞时间为105ms；由图4可知摆锤最大

2

加速度为199445mm/s；由图5可知保险杠最大变

形量为26.4mm；由图6可知保险杠所能吸收的最大能量为316.7J。图7、图8所示分别为50ms时加强板和齿状横梁应力云图，加强板、齿状横梁的最大应力值分别为165.7MPa和176.1MPa。虽然最大应力值小于SMC材料的屈服极限，但从应力云图

图8

SMC保险杠50ms时齿状横梁应力云图

第5期刘海江等：面向轻量化的高强度SMC保险杠碰撞性能研究817

通过以上对选定厚度的SMC保险杠进行4km/h低速对中碰撞仿真可以看出，SMC保险杠在除了最大变形量比原高强度碰撞过程中没有失效，钢稍大，但远小于汽车许可位移，从其余参数来看，碰撞性能较好。

4.3SMC保险杠结构优化

SMC保险杠采用模压成型的加工方法，最突出的优点是可以制作成较深凹槽的几何形状，壁厚可以任意选择。利用此特点可以将SMC保险杠前部加强板和齿状横梁的厚度进行合理的分配，在保证碰撞性能不降低的情况下将其质量减轻。根据前面选定厚度的SMC保险杠前部加强板和齿状横梁应力云图的应力分布情况，对板厚进行重新分布，把应力较大区域的厚度适当加大，而应力很小的区域厚度适当减薄。

对于前部加强板厚度作如下改变：在从对称中

板厚为3mm，再往外心轴往两边100mm的面内，

100mm的面内，板厚由3mm逐渐过渡到2.2mm，然后由2.2mm逐渐过渡到1.5mm，到加强板的两个末端时最终过渡到1mm。

齿状横梁形状较复杂，将齿状横梁各面的分布情况加以说明，如图9所示。

优化前的质量为布后SMC保险杠的质量为4.521kg，

4.717kg，质量下降了4．16%。将前部加强板和齿状横梁厚度重新分布后的SMC保险杠进行4km/h低速对中碰撞仿真。仿真结果分析如下：碰撞时间为110ms；摆锤最大加

2

速度为19151mm/s；保险杠最大变形量为26.8mm，所能吸收的最大能量为315.7J。在保险杠碰撞过程中支架最大应力为965.3MPa，纵梁连接板最大应力为365.3MPa，未发生失效。在保险杠变形的最大时刻SMC材料的前部加强板和齿状横梁应力最大，如图11、图12所示，加强板、齿状横梁的最大应力值分别为170MPa、159.7MPa。对比结构优化前的SMC保险杠，改进后的保险杠整体强度更加合理。

图1155ms时前部加强板应力云图

图1255ms时齿状横梁应力云图

4.4

图9

齿状横梁面的分布

保险杠减重效果对比评价

现将新型保险杠和原高强度钢保险杠的碰撞性能进行比较，如表4所示，可以看出：经过替换SMC材料和合理改进结构后，新型保险杠在碰撞中的最大碰撞力、碰撞时间和吸能性能均有明显改善，而且质量相比原保险杠减少了1.849kg。

表4

新型保险杠与原高强度钢保险杠碰撞性能比较质量最大变形量最大碰撞力碰撞时间吸能/kg

/mm26.821.8

/N2106624695

/ms11062

/J315.7300

新型SMC保险杠原高强度钢保险杠

图10齿状横梁齿厚度分布4.5216.37

从图8可看出，齿状横梁的最大应力集中在两齿前面中部区域，将两齿前面中部加厚，应力很小的地方厚度适当减薄，齿后面的厚度通过两齿侧面之间过渡。齿状横梁厚度重新分布后如图10所示。厚度重新分

（下转第822页）

822机械科学与技术第30卷

行维护：实施发布新型密封方案，删除淘汰密封方案等。总的来讲，该系统关键在于实例库产品模型表密封性能计算等技术的研究。示以及数据检索、

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（上接第817页）5

结论

以保险杠为研究对象，从保险杠的碰撞性能角

度出发，采用SMC复合材料进行轻量化研究。利用LS-DYNA软件建立保险杠碰撞有限元模型，基于保

图4

基于实例推理机械密封方案设计系统框架

险杠的碰撞性数值仿真，从变形量、加速度、最大应力和最大塑性应变值以及保险杠吸能等方面进行分析评价，并结合保险杠的结构优化。通过对改进后的SMC保险杠的碰撞仿真分析，新型保险杠能满足保险杠碰撞标准。除了其最大变但远未达到许可位形量比原高强度钢保险杠的大，

移50mm，从其余参数来评价，新型SMC保险杠的碰撞性能都优于原保险杠，而质量相对原高强度钢保险杠下降了29%，轻量化效果很明显。这对于车身保险杠的轻量化研究以及复合材料的应用都具有一定的指导意义。

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5结束语

在分析研究机械密封方案设计内容和传统设计

流程的基础上，提出了基于实例推理的机械密封方案设计方法。结合机械密封特点，采用分层实例库的表示方式在实例检索过程中根据用户要求检索密

XML语封方案库，这提高了检索效率；采用Express-言来表示实例，为密封知识在网络传输提供了解决

途径。

基于实例推理机械密封方案设计系统为密封研究人员提供了大量实例和设计经验，在运行过程中研究人员通过人机交流得到问题解决方法，这不仅提高了工作效率，而且促进了机械密封技术交流与发展。

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