管窥显式动力学中转向柱优化设计

1材料的性能参数

材料采用目前汽车车身最常采用的低碳钢［11］，其密度为7．8g/cm3，弹性模量为210GPa，泊松比为0．3，屈服点为170MPa。

2边界条件确定

根据方向盘的碰撞性能要求，定义刚性墙质量为36kg，初始速度为25km/h［4］。约束刚性墙y和z两个方向的所有自由度以及转向柱底部端面节点的所有自由度(即x，y，z方向的所有平动和转动自由度)。

3数值模拟及分析

四边形、六边形和圆形截面的转向柱在碰撞过程中变形形态分别如图2～图4。从图2～图4可以看出，圆形截面转向柱的屈曲形态优于四边形和六边形截面转向柱，而六边形截面转向柱的屈曲形态优于四边形截面的转向柱。仿真结果表明，对转向柱的截面进行优化有利于其碰撞性能的提高。为进一步深入研究截面形状优化对转向柱碰撞性能的影响，对转向柱的运动位移、速度以及吸能量进行了对比分析(图5)。图5(a)显示了截面形状优化对转向柱在碰撞过程中的运动位移的影响。从图5(a)可以看出，在11ms之前，3种不同截面形状转向柱对应的刚性墙的位移变化基本一致。但在11ms之后，它们之间的差异逐渐增大，其中四边形截面的位移量变化最大，六边形截面次之，圆形截面最小。在转向柱碰撞完成之后，四边形截面转向柱对应的刚性墙的位移量最大，六边形截面的位移量次之，圆形截面的位移量最小。结果表明，圆形截面转向柱在相同碰撞速度下，变形最小。说明圆形截面转向柱的碰撞性能优于四边形和六边形截面。

截面形状优化对转向柱在碰撞过程中的运动速度的影响如图5(b)。从图5(b)可以看出，四边形截面转向柱完成碰撞所需时间最长，六边形截面次之，圆形截面最短。在碰撞过程中，四边形截面速度波动较大，圆形截面次之，六边形截面波动相对较小。图5(c)为截面形状优化对转向柱在碰撞过程中的吸能量的影响。从图5(c)可以看出，在7ms之前，3种不同截面形状的转向柱的吸能量相差较小。但是，在7ms之后，它们之间的差异逐渐增大，其中，圆形截面转向柱在碰撞过程中的吸能量大于其他两种截面形状，而四边形截面的吸能量最小。图6为壁厚优化对圆形截面转向柱在碰撞过程中运动位移，速度和吸能量的影响。由图6可见，壁厚为2．0mm的转向柱的运动位移最小，碰撞时间最短。虽然1．2mm壁厚的转向柱的吸能量略大于2．0mm和1．6mm，但是其变形量和碰撞时间的值较大。结果显示，壁厚为2．0mm的转向柱的碰撞性能较好。图7和图8分别为1．6mm和2．0mm壁厚时截面形状对转向柱碰撞性能的影响。通过对转向柱碰撞过程的运动位移、碰撞速度以及吸能量等因素的综合进行对比，结果显示，在2．0mm壁厚时，虽然六边形截面的转向柱碰撞时间完成最短，但其吸能量较小。而四边形截面的转向柱的碰撞时间较长。因此，在1．6mm和2．0mm壁厚的情况下，圆形截面转向柱的碰撞效果仍然较好。

4结论

通过建立转向柱碰撞有限元模型，采用显式动力学有限元方法，并应用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA研究了截面形状和壁厚优化对转向柱碰撞性能的影响，得到如下结论:1)与四边形和六边形截面的转向柱相比，圆形截面的转向柱能在较短时间内吸收更多能量，变形更小，碰撞性能最好。2)适当增加转向管柱的壁厚有利于其碰撞性能的提高。3)对于转向柱的碰撞性能问题，有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA是一种十分有效的工具。

作者：宋晓华 单位：重庆交通大学 机电与汽车工程学院