基于OptiStruct的保险杠大变形刚度分析

0 前言

    汽车塑料保险杠作为汽车前保系统中重要的零件，在设计过程中除了需要考虑缓冲吸能效果，还要考虑其自身的刚度特性，如表面刚度、下沉、热变形、以及抗压刚度等情况。汽车在超低速情况下撞击刚性柱的情况属于一种准静态的问题，若用显示计算会占用大量计算时间，或存在不合理的简化等效。使用隐式非线性的方法可以较准确的模拟这种大变形的非线性情况。

    OptiStruct求解器对大应变，大位移以及接触等非线性问题具有良好的处理能力。本文正是基于OptiStruct来实现上述大变形问题的模拟，将撞击过程等效为强制位移的工况。最终来考核保险杠结构的刚强度，与实验结果对比，结果吻合。

1 刚度实验

    1.1 实验方法和标准

    刚度实验方法如图1所示，刚性柱在100mm/min的水平推动速度下，压缩保险杠总成，加载行程在100mm-150mm范围内。刚性柱的尺寸为：直径100mm，高度300mm。刚度结果需满足曲线要求。

图1 前保险杠总成刚度实验方法

2 前保总成刚度仿真分析

    2.1 前保总成有限元模型

    前保总成模型包括保险杠本体，上格栅，下格栅，车灯，装饰条，以及车身环境件等。使用Hypermesh软件建立有限元模型，如图2所示，主要采用壳单元，单元尺寸为5mm，共13182个单元。螺钉、卡扣和安装固定点均使用Rbe2单元进行链接。其中刚性柱使用Rbe2单元进行链接。

图2 前保总成的有限元模型

    其中，保险杠的材料为PP，料弹性模量为1650MPa，密度为1.1e+3kg/m³，泊松比为0.35，材料使用非线性材料数据，使用MATS1卡片，材料的塑性段的曲线如图3所示。刚性柱的材料为钢材。

图3 PP材料应力-塑性应变曲线

    2.2 接触定义

    分析模型中需要定义接触，主要是刚性柱和前保各零件之间的接触。定义刚性柱为主接触，前保总成接触部分为从接触，如图4所示。使用Pcont属性来定义接触属性。在接触界面定义中对各个参数进行设置，因为分析要涉及到大变形，故需要激活接触参数中的Track选项，激活为FINITE或CONLSI，如图5所示。

图4 接触的定义

图5 接触对的参数

    2.3 边界条件

    约束：保险杠安装固定点进行123456固定约束。

    载荷：依据实验要求，限定刚性柱水平方向的自由度，施加水平方向的强制位移，位移大小为100mm。

    本次分析采用了非线性瞬态分析的分析工况，需要引用卡片如图6所示。由于分析为大变形问题，故需要激活大变形的分析卡片，以及接触专家卡片。控制输出卡片，输出应力，应变，接触力以及节点的反力，并设置输出请求卡片。

图6 loadstep及引用卡片关系

3 分析结果

    计算完成后，在HyperView和HyperGraph中分别查看可视结果和曲线结果。

    3.1 变形结果

    在HyperView中显示保险杠总成的变形分布云图，变形结果如图7所示。结果表明，分析过程中接触没有发生穿透，保险杠本体发生了预期的变形。保险杠本体下端部分变形超出弹性变形范围，发生屈服。

图7 变形结果

    3.2 应力结果

    应力及应变结果如图8所示。保险杠本体下端部分应力结果远超过材料屈服强度，发生屈服，塑性应变结果结合材料的应力应变曲线可知，该位置发生较大屈服，但仍未产生破坏。

图8 应力及应变结果

    3.3 刚度曲线结果

    在HyperGraph中分别输出刚性柱RBE2单元主点的位移-时间曲线与力-时间曲线，然后进行合成，进而得到刚度特性曲线，如图9所示。曲线结果导出后与实验结果进行对比，结果表明分析结果与实验结果非常吻合。

图9 力-位移曲线(分析结果与实验结果)

4 结论

    本文使用OptiStruct软件，对保险杠总成进行了大变形刚度分析。分析结果与试验结果相符，说明使用该分析方法可以正确的指导保险杠的前期开发，为保险杠成功的开发提供了保障，缩短开发周期，指导开发设计。

    OptiStruct作为一款先进的结构分析求解器，具有高精准的求解精度，同时其求解能力仍在不断的完善，比如几何大变形问题，接触非线性求解能力等。