汽車作為目前陸地上的主要交通工具，汽車交通事故造成的人員死亡占各類事故死亡人數的首位。汽車碰撞安全問題越來越引起人們的關注，在汽車碰撞過程中，發生幾率最高的是汽車前部的碰撞，首先涉及到前部保險杠的碰撞，但許多國產車的保險杠吸能性能較差，因此，研究汽車保險杠的碰撞特性和碰撞過程中的吸能特性，對于提高汽車的碰撞安全性具有重要的意義。由于保險杠在低速碰撞中的重要性，世界各國對保險杠的耐撞性都制定了具體的法規和試驗要求。

　　1 汽車保險杠低速碰撞仿真與試驗

　　我國對汽車保險杠的研究較少，特別是對適用于汽車保險杠的緩沖材料和緩沖結構的研究非常有限。本文中對某型汽車保險杠和加裝格柵緩沖裝置內襯的緩沖吸能式保險杠參照試驗規范利用臺車進行了低速碰撞試驗和仿真。由于保險杠外飾面罩的抗沖擊強度與鋼材料相比很小，因而在試驗和有限元建模中未考慮。

　　1.1 保險杠系統碰撞有限元模型

　　本文的仿真研究采用了碰撞模擬顯式非線性動力分析有限元程序LS-DYNA3D，其主要算法為拉格朗日描述增量法。本文中這兩種保險杠都采用三維參數化造型軟件UG建立了保險杠系統實體模型，通過ICES數據文件轉換格式，輸人大型非線性動力分析有限元軟件LS-DYNA3D建立保險杠系統的有限元模型，某型轎車保險杠有限元模型由內襯金屬橫梁、支架、車體、圓柱型剛性壁構成，共有4552個單元，5280個節點。緩沖吸能式保險杠有限元模型由金屬橫梁、支架、內襯緩沖吸能結構、車體、圓柱型剛性壁構成，共有8461個單元，10162個節點。保險杠及支架采用BT殼單元模擬，并采用沙漏控制，部件的厚度采用碰撞前的厚度，不考慮碰撞時板厚的變化。

　　為分析保險杠本身的特性及與試驗相驗證，假設與保險杠聯結部分不發生塑性變形，臺車未發生塑性變形，車體采用8節點體單元，臺車車身材料采用剛體材料，剛體材料參數使用真實的材料的值，如楊氏模量、泊松比和密度，臺車作為剛體內部所有節點自由度都耦合到剛體的質心上，程序通過組成剛體的的單元體積和密度自動計算出質量、質心和慣量特性。建立的有限元模型中臺車的質量為900kgo根據臺車的試驗實際工況，對臺車剛體的約束通過材料定義中的相關參數來設置Y與Z方向的平動約束和三個轉動約束。圓柱型障礙壁采用四節點殼單元在空間離散，圓柱型障礙壁在碰撞時未發生變形所以也采用剛體材料，因其在實際試驗中是固定的，模擬時對障礙壁剛體的約束通過材料定義中的相關參數來設置X、Y與Z方向的平動約束和三個轉動約束。保險杠橫梁和支架全部采用四邊形殼單元離散。保險杠支架與臺車的連接在模擬時選擇連接部位處支架上的一系列節點，把它定義成臺車剛體上的特殊節點集，生成節點剛體，這樣支架就被約束在臺車上跟隨其一起運動，保險杠橫梁，支架及內襯緩沖吸能結構在連接部位節點根據試驗情況可以定義成一個節點剛體，該節點剛體可以任意運動，保險杠橫梁，支架及內襯緩沖吸能結構通過組成節點剛體的約束而傳遞力和位移，保險杠系統通過節點約束作為一個整體而一起運動。對保險杠有限元模型所有的節點施加X方向速度邊界條件，碰撞速度為8km/h。

　　在模擬分析保險杠低速碰撞過程中，接觸問題的處理是非常重要，為了保證保險杠橫梁和圓柱型剛性障礙壁之間在動態接觸時不發生“穿透”，分析中采用主從接觸搜尋算法來進行接觸界面的搜尋，在計算之前將保險杠橫梁和障礙壁表面之間及橫梁與內襯緩沖吸能結構之間所有可能發生接觸的部位定義成“接觸主面”和“接觸從面”。在計算過程中不斷的對這些可能接觸的“接觸面”進行接觸搜索。一旦確定某處出現接觸界面，先檢查從節點是否穿透主表面，沒有穿透則不對該從節點做任何處理。如果穿透，采用對稱罰函數法，在該從節點與主表面間、主節點與從表面引入一個較大的界面接觸力，大小與穿透深度、接觸剛度成正比。

　　接觸力按下面公式計算：

　　F=Kδ

　　式中：F——接觸力

　　K——接觸界面剛度（由單元尺寸和材料特性確定）

　　δ——穿透量

　　保險杠橫梁、保險杠支架及內襯緩沖吸能結構中所用的材料均為彈塑性材料，在仿真計算時，選用了指數硬化彈塑性材料本構模型，材料達到屈服后按指數關系塑性硬化，軟件分析中定義的材料、密度、彈性模量、泊松比、屈服應力、硬化強度及硬化指數等參數。

　　對于彈塑性材料，應變的快慢會影響到材料、的塑性行為，高應變率會導致材料的動力硬化行為，如在高速（V≥20km/h）碰撞仿真必須考慮應變率對‘材料的影響。但在低速（V≤20km/h）碰撞仿真時，材料模型可選用不計應變率效應的彈塑性材料。

　　材料失效的現象比較復雜，但強度不足引起的失效現象主要還是屈服和斷裂兩種現象，對于保險杠系統所用材料為鋼彈塑性材料，通常以屈服形式失效，仿真是選擇第四強度理論來判斷材料失效。第四強度理論：形狀改變比能理論（Von Mises應力）

　　許用應力[σ]=屈服極限σs二/安全系數，σ1、σ2、σ3為三個主應力。LS-DYNA程序里在結果文件包含了三個主應力、最大剪應力和Von Mises應力數值。

　　1.2 保險杠系統碰撞試驗

　　試驗條件：臺車碰撞速度為8km/h，碰撞壁障為圓柱型剛性障礙壁，臺車質量為900kg，保險杠支架采用結構強度較高的直支架。

　　某型汽車保險杠承載能力比較弱，在20ms時臺車加速度達到一個峰值，在持續到160ms時保險杠杠體被壓潰，保險杠系統失效，臺車車身與障礙壁相撞。緩沖吸能式保險杠，利用杠體內襯金屬結構的塑性變形來吸收碰撞能量，通過試驗臺車低速碰撞試驗加速度曲線可知，臺車平均加速度比不裝格柵緩沖裝置時有一定提高，但加速度峰值增加并不大。此時借助格柵緩沖裝置塑性變形緩沖作用幾，使臺車的速度變化在相對較長的時間內進行，從而減弱了或避免了撞擊剛性壁時的沖擊作用，試驗后照片也顯示盡管此時保險杠系統在8km/h的低速碰撞下產生了較大的塑性變形，保險杠支架也有明顯的塑性變形、但此時保險杠系統尚未失效，表明緩沖吸能式保險杠的承載能力較強，吸能效果較好，具有較好的耐撞性。   

　　保險杠的支架強度必須要與保險杠匹配，本文中試驗和仿真都顯示保險杠杠體產生一定的塑性性變形的同時，保險杠支架也開始形成塑性區，合理的加強支架強度有利于提高保險杠系統對碰撞能量的吸收。

　　1.3 仿真計算結果及分析

　　保險杠在低速碰撞下的動力響應特性是指碰撞過程中，碰撞體的位移（或變形）、速度、加速度等的時間響應歷程。由于保險杠上各點的參數特性各不相同，不利于評估分析，而車體是剛性體，所以取車體為分析對象，試驗和仿真計算得到碰撞過程中的加速度變化的時間歷程曲線對比。   

　　從仿真和試驗結果上看在低速碰撞過程中，被撞車的速度變化較小，最大加速度值也比較小。由此可見，在設計中仍有提高保險杠系統總體剛度的余地。因為從提高保險杠系統對碰撞能量吸收的角度來說，增加剛度是有利的。通過計算機仿真計算可知，在相同的碰撞初始速度條件下，相對于某型轎車保險杠而言，吸能式保險杠內能增加比較明顯，通過圖8可知某型轎車保險杠在沒有失效時吸收能量大約為1500)，而此時系統的總動能為2200J，這表明此時保險杠未能吸收足夠的碰撞動能。而緩沖吸能式保險杠吸收能量大約在2000J以上，幾乎所有的碰撞前試驗臺車動能都被保險杠杠體和支架吸收。采用緩沖吸能式保險杠可以明顯提高保險杠系統的剛度，這對于吸收碰撞能量，減小碰撞時車體的加速度，增強汽車耐撞性是有利的。

　　（1）利用臺車碰撞試驗取代實車的碰撞試驗，有效的簡化了試驗操作，降低試驗成本。臺車碰撞試驗也驗證了仿真的有效性和可靠性。

　　（2）試驗和仿真都表明某型汽車保險杠在正面低速碰撞圓柱型障礙壁時保險杠橫梁變形過大，車身已開始撞擊剛性壁柱，此時保險杠系統不能對車身提供有效的保護。緩沖吸能式保險杠增強了保險杠的吸能能力，在碰撞過程中很好地控制了加速度和速度的變化，保險杠的橫梁和支架沒有發生壓潰失效，其耐撞性較好。

　　（3）有限元模擬計算的結果與試驗結果基本一致，因此利用仿真計算優化緩沖吸能式保險杠結構是切實可行的。