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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，人們也逐漸認識到汽車所帶來的負面影響，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。汽車的后下部防護是汽車被動安全的一個重要指標，它是指專門的后下部防護裝置或者依靠自身的外形與特性能夠具有后下部防護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要求》(以下簡稱要求》對汽車的后防護距離地面的高度及強度做了強制性要求。
以國內(nèi)重型車輛常用的后防護裝置為研究對象，借助有限元分析手段對該裝置進行分析、改進，使其強度達到法規(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)要求的較佳設計方案，為設計改進提供了重要參考依據(jù)。強度分析結(jié)果表明，利用CAE軟件進行汽車碰撞研究可以改善結(jié)構(gòu)設計，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)費用，提高市場競爭力。
《要求》針對后防護裝置的強度設計了一個靜態(tài)加載試驗。1)車輛應處于空載狀態(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)輪胎應充氣到車輛制造商所推薦的壓力。4)為了達到加載方式(兩點加載100kN，三點加載25kN)所規(guī)定的試驗力，應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)負載自動平衡的裝置的車輛應處于車輛制造商規(guī)定的正常運行狀態(tài)下。在后下部防護裝置橫梁結(jié)構(gòu)的中心平面上截取5個載荷作用點，編號從1-5。5個載荷作用點位于同一水平面上，并且其離地面的高度為：對于后下部防護裝置的狀態(tài)可以調(diào)節(jié)的車輛，加載點的中心距離地面的高度不能超過500mm；對于后下部防護裝置的狀態(tài)不能調(diào)節(jié)的車輛，加載點的中心距離地面的高度不能超過600mm。加載試驗有兩點加載和三點加載之分，兩點加載時在橫梁中間點往外各350-500mm之間的兩點(即點2和點4)加載荷大小為100kN靜態(tài)力；三點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(點1)或右側(cè)作用點(點5)上，然后持續(xù)作用在車輛縱向中心平面上的加載點(點3)。
所討論的后防護裝置分析流程為：在CATIA中建立后防護裝置的3D模型，將其導入到專業(yè)前處理軟件HyperMesh中進行幾何清理、網(wǎng)格劃分、部件連接等工作，最后將有限元模型導入到ANSYS中進行計算〕扣。如圖為常用后防護裝置CATIA裝配模型。它由左右支撐總成、左右加強板、槽型橫梁組成。左右支撐總成通過鉚釘鉚接在車架縱梁上、左右加強板與槽型橫梁以及加強板與左右支撐總成均通過螺栓連接。將三維實體模型導入有限元前處理軟件HyperMesh中。由于該結(jié)構(gòu)厚度遠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2和點4加載板上各施加100kN的靜態(tài)力；對于三點加載方式，先后將25kN的靜態(tài)載荷加載到點1、點5、點3加載板上。因點1與點5對稱，因此對于三點加載方式，筆者只討論加載點1和點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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