基于LS-DYNA的复合材料防撞梁正碰刚性墙仿真

背景：

       实验表明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%—8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。而在驾驶方面，汽车轻量化后其加速性能也将得到提高，而在碰撞时由于惯性小，制动距离也将减少。此外，车辆每减轻100公斤，二氧化碳排放可减少约5克/公里。这些数据显示出轻量化设计具备这样三个优点：节油、减排、提升驾驶乐趣。轻量化材料主要包括碳纤维、铝合金、镁合金、钛合金、工程塑料、复合材料和高强度钢等，主要用来改造和替代车身材料。

目标：

     本项目采用热塑性玻纤/PP复合材料对车辆防撞梁进行轻量化，保证前防撞梁总成（不含安装螺栓）重量在5Kg以内，达到降重目的。

结构方案：

     吸能盒及连接件等仍采用传统金属材料（铝合金6060），将防撞梁改为GF/PP复合材料，材料属性如下：

方案一：防撞梁完全采用复合材料。复合材料抗冲击性能较差，完全采用复合材料风险较大。

方案二：防撞梁采用复合材料及铝合金结合。外侧框架采用铝合金，内侧采用波纹状复合材料，增强其抗剪能力。

碰撞方式：

针对方案进行正碰等效刚性墙试验：将除防撞梁与吸能盒之外的车体简化为一长1.2m宽0.5m的方形刚性板，配重1.5t，其中间位置放置加速度计，并以10 km/h速度撞向固定的刚性墙，

方案一结果：

由于复合材料抗冲击性能较差，针对复合材料防撞梁进行刚性墙碰撞仿真，其结果如下图：

可以看出，防撞梁碰撞后损伤比较严重，在预料之中。此方案不予以考虑。

方案二结果：

 由图可看出前防撞梁碰撞总能量578KJ，473KJ的能量转化为内能，82%的能量被吸收。

 吸能盒吸收能量334JK，吸能盒变形39mm，变形量为63.5%。

 

        纤维复合材料密度较小，单向力学性能较好，在轻量化方向有着非常好的前景。但纤维复合材料压缩，抗冲击等性能较差，本项目主要想通过复合材料防撞梁来探讨纤维复合材料在冲击工况下的应用，寻找到一种可行的应用方式，为汽车轻量化提供一种新的应用方向。

        通过本次仿真结果可看出，单纯使用纤维复合材料作为防撞梁主体，碰撞过程中很容易产生损坏，可实施性不高。通过金属与纤维复合材料结合的方式，发挥金属与纤维复合材料各自的优势，可达到很好的使用效果。