高分子材料具有比强度高、韧性好、低成本、易成型等特点，在汽车中广泛应用[1-2]。随着汽车轻量化的发展，汽车内外饰零件逐渐采用塑料材料[3-4]。截至目前，汽车保险杠已基本采用塑料化设计方案[5]。汽车保险杠包括前保险杠和后保险杠，主要用于汽车的外部装饰和保护等[6]。改性聚丙烯(PP)由于成型性能好、原料广泛、相对成本降低等优势，广泛应用于汽车保险杠[7]。PP材料通过添加一定比例的滑石粉可以提高刚度和强度，通过添加一定比例的弹性体可以提高韧性[8]，可以适应不同保险杠的设计要求。并且通过不断设计优化和注塑验证，保险杠厚度越来越薄，质量也越来越轻[9]。汽车保险杠特定的工况条件决定了需要满足的设计指标要求，包括表面刚度、强度和碰撞性能等[10]。为了提高汽车保险杠的设计效率，大多采用计算机辅助技术和实验测试对其性能进行评估分析，指导保险杠的合理、高效设计[11-13]。蒋丽等[14]将应用于薄壁和常规壁厚蒙皮零件的PP材料分别制备成一系列不同厚度的样板，利用弯曲性能测试得到标准载荷-变形曲线，获取表观刚度进行评估。反映保险杠表面刚度的抗凹性能是其设计开发中重点考虑的指标。魏显坤等[15]采用LS-DYNA显示求解法对保险杠表面准静态压溃性能进行仿真分析，试验结果与仿真结果吻合较好，验证了有限元模型的正确性，为保险杠的结构优化奠定了基础。樊瑶雯等[16]使用计算机辅助仿真法，使用Tcl/Tk语言编写二次开发模型，开发了基于感知舒适度的保险杠表面刚度评价方法。张彦等[17]基于扁壳理论推导在集中载荷作用下，双曲扁壳的抗凹刚度的表达形式，实现了汽车保险杠轻量化目标，并通过仿真分析验证了其准确性。本研究基于ABAQUS/Standard隐式求解器及静态接触非线性法模拟了某汽车塑料保险杠总成在静态压力载荷作用下的下凹变形过程。分析计算得到的位移和等效应力结果，评估设计方案的合理性，为结构优化设计提供参考。1汽车保险杠总成结构图1为某车型的保险杠总成，主要由6种零件组成。该保险杠总成的上本体、下本体及下护板均采用含有一定比例的滑石粉和三元乙丙橡胶(EPDM)的PP材料，保证刚强度的同时又具有较好韧性。保险杠支架采用聚甲醛(POM)材料，连接支架采用30%短玻纤增强PP材料。该保险杠总成除盖子外，其余部分左右对称。各零件通过若干个卡扣进行连接。图1保险杠总成设计Fig.1Design of bumper assembly1-保险杠上体；2-保险杠下本体；3-下护板；4-盖子；5-保险杠支架；6-连接支架10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F1a1(a)正面10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F1a2(b)背面该保险杠总成要求表面具有一定的刚度，以防止外力侵入时产生较大的变形，即保险杠的抗凹性能，具体实验测试工况及指标为：常温状态下，保险杠总成安装固定后，采用直径10 mm的圆柱形压头，在指定的E、G、H三个位置法向施加50 N的力，压头位移量分别小于1.5、2.4及1.5 mm，且保险杠总成结构不发生失效断裂。图2为该保险杠总成壁厚分布。其中上本体、下本体及下护板的主要壁厚均为2.2 mm，保险杠支架的主要壁厚为3.0 mm，连接支架的主要壁厚为2.4 mm。图2壁厚分布Fig.2Distribution of wall thickness10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F2a1(a)正面10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F2a2(b)背面2仿真计算针对该保险杠总成进行有限元网格划分，由于零件基本为薄壁件，故除盖子外均采用二维Shell中性面网格，单元类型为S4R。盖子采用Solid四面体网格，单元类型为C3D4。为保证网格质量，中性面网格应以四边形网格为主，控制三角形网格数量占比在5%以下。同时，控制四边形最大角度、四边形最小角度、四边形翘曲量、长宽比、扭曲、最大尺寸、最小尺寸、雅可比、三角形最小角度等网格质量参数满足要求。并且，中性面网格模型中不得存在重复单元、连接错误单元及自由边，四面体网格控制单元最小尺寸及二面角，图3为最终生成的网格模型，单元基本尺寸采用行业常用值5 mm，单元总数为208 092，节点总数为226 207。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F003图3网格模型Fig.3Mesh model2.1力学模型该保险杠总成各零部件之间采用Kinematic Coupling耦合连接进行装配，局部采用刚性连接并不会对整体结构的刚度产生较大影响。各零件安装点处同样采用Kinematic Coupling耦合连接，将安装孔处的节点绑定到中间参考点处。图4为采用Kinematic Coupling耦合连接的位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F004图4动态耦合连接Fig.4Kinematic coupling connection图5为该保险杠总成的安装点位置及约束方式。各零部件安装点均采用ENCASTRE方式的全自由度约束，模拟在整车上的安装固定状态。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F005图5边界条件Fig.5Boundary condition图6为载荷。金属压头为直径10 mm的圆柱体，相比保险杠总成塑料件的刚度，压头可认为是刚体，从而减少仿真计算量。将压头所有节点与参考点自由度绑定，形成刚性体。压头参考点位移自由度约束除受力方向外的所有自由度。在需要测试的保险杠总成表面建立局部参考系，表面向外的法向为Z向。在压头参考点上施加50 N的载荷，方向为局部坐标系的-Z向。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F006图6载荷Fig.6Load图7为压头与保险杠接触区域创建surface-to-surface类型的隐式接触，主面选择刚度较强的压头下表面，从面选择刚性较弱的保险杠接触面。由于压头采用实体网格，默认向外为接触面法向方向，而保险杠接触面需选择朝向压头的那侧为法向方向。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F007图7接触Fig.7Contact该保险杠总成根据不同零件的工作状态及性能要求采用不同的塑料材料，表1为各材料的性能参数及应用的零部件。保险杠本体及底护板为直接承受压力载荷的部件，故采用弹性体EPDM改性的PP材料。保险杠支架为保证保险杠本体不发生较大变形的主要结构件，长期承受动态冲击载荷，故采用抗疲劳性能和耐磨性能较好且刚度较好的POM材料。连接支架作为支撑整个保险杠总成质量的主要结构件，故采用刚性更高、强度更大的玻纤(GF)增强PP材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.T001表1材料参数Tab.1Material parameters物性参数改性PP1改性PP2POMPP-GF30密度/（g·cm-3）1.031.021.41.14弹性模量/MPa2300110024004000泊松比0.310.320.400.34断裂强度/MPa22186472应用部件保险杠本体底护板保险杠支架连接支架2.2分析步与求解器保险杠表面受压过程的载荷是一恒定值，故该实验过程认为是准静态过程，采用Static, General静态分析步进行模拟，由于发生了压头和保险杠表面的接触行为，故需要启用接触非线性分析。分析步中输出Von Mises等效应力、位移云图结果，评估保险杠表面抗凹性能。该准静态分析步计算采用ABAQUS/Standard隐式求解器，以保证计算的精确度。初始增量步设为0.1，最小增量步设为1×10-5，最大增量步设为1，最大增量步数设为100。表2为计算过程收敛状态。从表2可以看出，单增量步时间逐渐增大，当计算到9个增量步时即完成分析，该准静态计算过程收敛情况良好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.T002表2收敛状态Tab.2Convergence states分析步增量步迭代次数总增量步时间单增量步时间1180.10.11200.1250.0251310.16250.03751410.218750.056251520.3031250.0843751630.4296880.1265631740.6195310.1898441820.9042970.28476619210.09570313结果分析完成以上准静态非线性力学模型计算后，查看位移和Von Mises等效应力结果。不同接触位置作为一个单独算例，总共包含E区域、G区域和H区域三个抗凹性能分析算例。3.1E区域图8为保险杠E区域实验测试时压头的位置。该测试点位于保险杠总成上本体一端边缘位置，测试时保险杠总成按照实车安装状态固定在夹具上，要求此位置在承受50 N稳定载荷情况下压头下压的位移量小于3.0 mm，且保险杠总成结构不出现失效断裂。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F008图8E位置Fig.8E position图9为该保险杠总成E区域抗凹分析的位移结果。从图9可以看出，该保险杠上本体受压位置发生最大位移，最大位移值为0.88 mm，小于3.0 mm，满足刚度设计指标要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F009图9位移Fig.9Displacement图10为对应的Von Mises等效应力结果。从图10可以看出，该保险杠总成上最大的Von Mises等效应力发生在压头与保险杠表面接触区域，最大Von Mises等效应力值为7.3 MPa。保险杠上本体材料的断裂强度为22 MPa，明显大于该工况条件下的最大Von Mises等效应力，故结构不会发生失效断裂，满足强度设计指标要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F010图10Von Mises等效应力Fig.10Von Mises equivalent stress3.2G区域图11为保险杠G区域实验测试时压头的位置。该测试点位于保险杠总成上本体中部位置，测试时保险杠总成按照实车安装状态固定在夹具上，要求此位置在承受50 N稳定载荷情况下压头下压的位移量小于2.4 mm，且保险杠总成结构不出现失效断裂。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F011图11G位置Fig.11G position图12为该保险杠总成G区域抗凹分析的位移结果。从图12可以看出，该保险杠上本体中部受压位置发生最大位移，最大位移值为4.1 mm，大于2.4 mm，超出位移指标70.8%，不满足刚度设计指标要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F012图12位移Fig.12Displacement图13为G区域工况对应的Von Mises等效应力结果。从图13可以看出，该保险杠总成上最大的Von Mises等效应力发生在压头与保险杠表面接触区域，最大Von Mises等效应力值为17.5 MPa。保险杠上本体材料的断裂强度为22 MPa，大于该工况条件下的最大Von Mises等效应力，故结构不会发生失效断裂，满足强度设计指标要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F013图13Von Mises等效应力Fig.13Von Mises equivalent stress3.3H区域图14为保险杠H区域实验测试时压头的位置。该测试点位于保险杠总成底护板上灯的上方位置，测试时保险杠总成按照实车安装状态固定在夹具上，要求此位置在承受50 N稳定载荷情况下压头下压的位移量小于1.5 mm，且保险杠总成结构不出现失效断裂。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F014图14H位置Fig.14H position图15为该保险杠总成H区域抗凹分析的位移结果。从图15可以看出，该保险杠底护板上受压位置并非发生最大位移的位置，最大位移值为3.0 mm。受压位置的位移为2.1 mm，大于位移指标要求的1.5 mm，超出位移指标40%，不满足刚度设计指标要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F015图15位移Fig.15Displacement图16为H区域工况对应的Von Mises等效应力结果。从图16可以看出，该保险杠总成上最大的Von Mises等效应力发生在压头与底护板表面接触区域，最大Von Mises等效应力值为19.0 MPa。该工况条件下的最大Von Mises等效应力大于保险杠底护板材料的断裂强度18 MPa，故结构会发生失效断裂，不满足强度设计指标要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F016图16Von Mises等效应力Fig.16Von Mises equivalent stress4结构优化该保险杠总成三个区域工况的抗凹性能仿真结果显示，E区域的刚度和强度均满足设计指标要求，G区域的刚度不满足设计指标要求，H区域的刚度和强度均不满足设计指标要求。针对以上仿真分析结果，对该保险杠总成进行结构优化调整。由于该保险杠总成整体结构设计方案已经固定，保险杠本体形状尺寸、底护板形状尺寸、安装孔位置、保险杠支架位置、连接支架位置等均无法进行设计更改，故只针对产品的壁面厚度进行优化调整。壁厚优化的区域为实验不合格的G区域和H区域，图17为优化位置。区域1为针对G区域刚度不足进行的局部壁厚优化，区域2为针对H区域刚强度不足进行的局部壁厚优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F017图17优化方案Fig.17Optimization scheme结构优化调整的要求为：壁面厚度增加的区域仅为平面区域，范围不超过任何凸起的结构。结构优化的整体思路为：以0.1 mm为梯度逐渐增加壁面厚度，结合仿真分析计算结果进行评估，包括位移结果及Von Mises等效应力结果，直到恰好满足设计指标要求，固化结构优化方案。表3为最终得到的结构优化方案。与初始设计方案进行对比。区域1和区域2的主壁面厚度分别增加0.5 mm和0.6 mm，增加率分别为22.7%和27.3%。区域1壁厚增加导致保险杠本体质量增加3%，区域2壁厚增加导致底护板质量增加4.5%。保险杠总成质量优化后相对于初始设计增加仅2.0%，导致的成本增加幅度较小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.T003表3设计方案对比Tab.3Comparison of design schemes项目原始设计优化方案变化率/%区域1厚度/mm2.22.722.7区域2厚度/mm2.22.827.3上本体质量/kg3.013.103.0底护板质量/kg0.660.694.5保险杠总成质量/kg6.076.192.04.1G区域图18为G区域壁厚增加后计算得到的位移结果。最大位移位置仍为压头与保险杠上本体的接触区域，最大位移值为2.3 mm，相比优化前位移下降了43.9%，小于刚度设计指标的2.4 mm，满足设计指标要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F018图18位移Fig.18Displacement图19为结构优化后G区域工况对应的Von Mises等效应力结果。从图19可以看出，该保险杠总成上最大的Von Mises等效应力仍发生在压头与保险杠上本体表面接触区域。最大Von Mises等效应力值为12.2 MPa，相比结构优化前最大Von Mises等效应力降低了30.3%，满足强度设计指标要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F019图19Von Mises等效应力Fig.19Von Mises equivalent stress4.2H区域图20为H区域壁厚增加后计算得到的位移结果。最大位移位置与结构优化前相同，最大位移值为1.4 mm，相比优化前位移下降了53.3%，小于刚度设计指标的1.5 mm，满足设计指标要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F020图20位移Fig.20Displacement图21为结构优化后H区域工况对应的Von Mises等效应力结果。从图21可以看出，该保险杠总成上最大的Von Mises等效应力仍发生在压头与底护板表面接触区域。最大Von Mises等效应力值为7.3 MPa，相比结构优化前最大Von Mises等效应力降低了61.6%，小于底护板材料的断裂强度18 MPa，满足强度设计指标要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.019.F021图21Von Mises等效应力Fig.21Von Mises equivalent stress5结论基于ABAQUS/Standard隐式求解器及静态接触非线性方法，分析计算模拟了某汽车保险杠总成在静态压力载荷作用下的变形过程。计算了该保险杠总成E区域、G区域和H区域三个位置的表面抗凹性能实验测试工况，分析计算得到的位移和Von Mises等效应力结果，评估了这三个区域的刚度和强度，得出以下结论：(1)压头与保险杠表面采用surface-to-surface类型的隐式接触算法，计算结果收敛情况较好，结果合理。(2)初始设计方案仿真计算结果显示，E区域刚度和强度均满足设计指标要求，G区域刚度不满足设计指标要求，H区域刚度和强度均不满足设计指标要求。(3)针对初始设计方案不满足设计指标要求的G区域和H区域，进行局部壁厚的增加，借助仿真计算，最终使G区域刚度提升43.9%，强度提升30.3%，满足刚度和强度设计指标要求。H区域刚度提升53.3%，强度提升61.6%，满足刚度和强度设计指标要求。该保险杠总成结构优化设计方案的质量相比初始设计方案只增加了2.0%，材料成本增加较小。