CAE技术在保险杠总成设计制造中的应用

常见车型的保险杠总成的结构如下：

前保险杠结构图                                    后保险杠结构图

    保险杠属于安全件。汽车保险杠不仅是吸收缓和外界冲击力保护车身安全的装置，而且也是车身外部的装饰品。它在车辆碰撞时起到吸收碰撞能量，降低对人体的伤害程度的作用。其主要功能有：

1. 保护功能：在汽车发生纵向及角部碰撞时，保险杠应能吸收部分能量，以保护车身，整车照明系统，冷却系统，发动机盖，行礼箱盖等；行人保护功能，在保险杠下部加装有缓冲块，更好的保护行人碰撞时小腿的伤害值。

2.  装置功能：在保险杠上，有的装置着灯具、牌照架及牌照等件，要给予足够的空间和装置条件；

3.  为车辆冷却系统提供换气通道

4. 外观装饰功能

5. 提高空气动力特性，降低风阻系数

    通过前些时间到武汉燎原公司参与学习神龙X7前保险杠的设计评审过程，已经初步了解到保险杠设计的基本流程。

保险杠的设计要满足以下要求：

1.法规要求：

碰撞性能要求：2.5MPH BUMPER（ECE R42）；行人保护性能要求：EEC70/156；外部突出物要求：ECE R26.01，EEC 79/488；

2.满足冷却系统的有效进风面积，通常要求散热器进气口面积应大于冷凝器面积的1/3。

3.符合造型要求，整体外观的流畅、协调性

4.成本低,自重轻, 材料可回收利用。关键在于保险杠材料和壁厚的确定。

5.工艺可行，拆装方便。 关键在于保险杠的安装方式的设计。

保险杠设计需要进行CAE分析的内容如下：

1.横梁强度.

保险杠横梁强度，是保险杠设计中需要关注的焦点。设计规范的保险杠总成，是由较高强度的主横梁和左右两个吸能元件组成。主横梁的作用是将任何形式的偏置碰撞产生的能量，尽可能均匀地分布到两个吸能元件上，使能量最大限度均匀地被吸能元件吸收，并将碰撞力均匀传递到两个纵梁。显而易见，高强度的横梁更有利于碰撞能量的均匀分布。但在设计中，不可能通过无增加钢材厚度达到增加强度的目的。出于节油考虑，目前各个汽车生产厂商对整车重量控制越来越严格。一般情况下，前保险杠横梁的分配重量占整车重量的0.3％左右。

如何找到这个平衡点，就要通过CAE计算来决定了。根据模拟速度为4km/h沿着中间平面撞柱的计算结果，对比评价不同钢材及不同截面形状在规定碰撞试验中产生的变形量，从而得出优化设计的截面形状，使其可以既能满足碰撞要求，又能节约钢材用量，这就是CAE模拟分析的作用和价值之所在。

在欧洲，横梁的钢材普遍使用抗拉强度高达1200"1300MPa的钢材。例如波罗、途安前横梁用的是热成型的1300MPa高强度钢，后保险杠为1200MPa冷成形高强度钢，根据CAE计算结果，如果用420MPa的中等强度钢等效替代厚度至少要达到6mm，其重量可想而知了。可见，为了解决强度和重量的矛盾，CAE分析在保险杠横梁中的应用具有非常积极的意义。

2.落斧试验.

保险杠骨架在高速碰撞发生时，必需保证自身不断裂并能有效连结车身的两根纵梁，把碰撞的大量动能传递给两根纵梁。由纵梁将碰撞能量分成若干小的能量流被各钣金件吸收，从而确保乘客的生存空间。落斧试验是在试制样品上的模拟试验，但是对于供应商和主机厂来说，不可能把零件做出来后发现无法拖过落斧实验，再去修改产品设计，那将会导致花费更多的资金和时间。而通过CAE进行落斧实验的模拟仿真分析，则可以事先就分析预测可能的结果，从而避免后面出现大的变动和浪费。

3.ECE-R42摆锤打击试验.

ECE-R42摆锤打击试验的目的是考察轻微碰撞(4km/h)对整车的损伤。因为这种情况在日常使用中经常出现(泊车时两车间的轻微碰撞、轻微撞墙、撞柱等)，所以很有实际意义。要求保险杠系统始终在弹性变型范围内，不允许有任何可见的塑性变形或表面损伤，更不允许出现影响整车功能的损伤。用真正的零件和整车进行破坏性的真实实验必然会带来很大的浪费，一旦实验失败就必须重新更改设计，这必将带来费用浪费和周期的耽误。而CAE模拟分析可以模拟出相应情况下的破坏情况，提前找到问题点所在，从而优化设计，避免后期的失败风险。

4. 行人保护功能.

汽车对行人碰撞保护的法规在欧洲已经实行多年。在中国，行人保规也已经在起草中。预计2008年前后，机动车对行人保护要求的法规会以法律的形式加以要求。事实上行人保护对大家已经不太陌生，表面平坦的车身、吸能型保险杠、夹层玻璃前窗、可折叠车外后视镜、圆形车门把手、“嵌入式”前窗玻璃刮水器，这些只是轿车的行人保护技术中的一小部分。其目的是尽量防止车辆与行人发生碰撞，或者大幅度降低碰撞速度。在保险杠设计中主要涉及到保险杠横梁前的泡沫缓冲块和行人保护横梁。通过CAE分析，可以模拟行人被撞期间的汽车零件变形和破坏情况，为满足法规要求而优化设计方案。

综上所述，汽车保险杠是一个复杂的系统，其设计是否规范，会直接影响到乘客及行人的安全。在开发设计过程中必须通过科学有效的手段加以控制。而CAE分析软件可以为我们提供模拟分析结果，使我们提前直观地看到相应的设计方案是否能够满足各种法规要求，从而避免了后续的诸多风险。

   在汽车零件制造过程中，CAE分析也能发挥巨大的作用，比如moldflow模流分析，以及钣金件冲压过程的模拟仿真，都能为制造过程保证质量提供分析结果，达到优质高效的制造出合格的产品。在设计注塑模具的时候，模板的厚度通常也是依靠经验来确定，这就经常造成为了追求强度和刚度的保险起见而把模板设计得偏厚，导致模具费用增加。现在有了CAE力学强度和刚度分析，就可以分析出模板的最小厚度，从而降低模具费用。在零件的包装和运输过程中，经常会出现纸箱从高处跌落，造成里面的零件摔坏。如果能用CAE模拟运输颠簸状态和跌落过程，就能找出最经济的包装方式，避免零件在运输过程中出现大批量的损坏。

目前我司的产品工程师可以胜任保险杠的基本结构设计，但是对于CAE分析的内容就需要专业的CAE分析工程师来进行。力学方面的CAE分析内容主要是力学强度和刚度分析以及碰撞分析，这些都可以通过Abaqus软件来完成，模流分析方面可以用MOLDFLOW软件来完成。