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摘要：材料力学和弹性力学可以解决在实际工程中一些变形以及位移问题，但当物理模型相对复杂的情况下，求解过程比较难。随着计算机技术的发展，有限元分析成为力学学科中一门重要的分支，应用越来越广泛。目前大型通用有限元商业软件有很多：如ANSYS，ABAQUS等。汽车已经成了我们日常生活中不可或缺的交通工具。如何提高汽车碰撞过程中的安全性能已经成了汽车安全性领域研究的重要课题。
关键词：有限元分析；ABAQUS；汽车保险杠；碰撞
引言
有限元方法在现代工程中广泛应用，其分析思路是将求解域看成是由很多称为有限元的小的互相连接的子域组成，对每一单元假定一个近似解，然后求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。然而这个解不是准确解，而是近似解。由于力学中大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。目前大型通用有限元软件有很多：如ANSYS，ABAQUS等[1]，有限元软件可以分析多学科的问题如：机械、电磁、热力学等；用有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象离散化、有限元求解、计算结果后处理三大部分[2]。有限元分析软件的一个发展趋势是与通用三维建模软件进行造型设计后，将模型导入CAE软件进行有限元网格划分，并进行分析计算。
1 有限元方法的分析思路
有限元法是将一个几何形状进行离散，离散的单元通过节点来进行连接，有限元方法的分析步骤如下所示：
ABAQUS是一套基于有限元方法的工程模拟软件，它的功能非常强大。不仅仅可以解决线性问题，而且可以解决非常复杂的非线性问题，如复杂的冲击碰撞及许多接触问题[3-5]。ABAQUS软件主要由ABAQUS/CAE，ABAQUS/Standard，ABAQUS/Explicit，ABAQUS/Viewer等模块组成。ABAQUS有限元软件功能模块的介绍：
（1）ABAQU/CAE前处理：该模块主要是定义实际问题的物理模型，一个工程的实际问题的前处理模块主要由四部分即离算化的几何模型，材料的数据，加载和边界条件这四部分的内容组成通常在ABAQUS/CAE中以图形的方式来完成各个操作以图形的方式生成模型。
（2）ABAQUS/Standard或者ABAQUS/Explicit模拟计算：其中ABAQUS/Standard解决的是静力学问题，而ABAQUS/Explicit解决的是动力上的冲击碰撞问题。通常计算的过程以后台的方式运行，结果以应力或者位移的数据保存在文件中。
（3）ABAQUS/CAE后处理模块：ABAQUS/Explicit计算的结果保存的文件用于可视化后处理以图形的方式显示出来，如变形图，曲线图等等。
2 汽车保险杠模型的建立和分析
在科学技术日益发达的时代。汽车已经成了我们日常生活中必不可少的交通工具。然而如何提高汽车在碰撞过程中的安全性能成为了汽车安全性领域研究的重要课题。国外对整车碰撞模拟的研究经过了二十多年的发展从而积累了大量的经验。然而国内整车的碰撞模拟的研究才刚刚起步，相应的规范也没有建立起来，同时就目前的硬件条件、技术力量。并不足以完成整车的碰撞模拟。本文汽车保险杠碰撞过程中的变形进行了模拟，得到了其碰撞过程中的位移、速度、碰撞力关于时间的相关曲线。为整车的碰撞模拟提供一定的参考。
2.1 汽车保险杠模型的建立
在实际汽车行驶过程中，一般是一辆汽车的前保险杠和另一辆汽车的后保险杠的碰撞，因此前后保险杠的碰撞分析都是我们考虑的范畴，汽车前保险杠的研究相对比较多，本文研究汽车后保险杠的碰撞。我们把模型简化为保险杠和刚性墙的碰撞，考虑到保险杠的外形是曲面，在ABAQUS中不容易建立模型，因此选择在Pro/E软件中建立模型，再通过ABAQUS软件接口导入。导入ABAQUS的模型如下图所示：
（1）单元以及材料
保险杠由薄壁板制成，刚性墙也是平板，所以整个模型选用薄壳单元（SHELL163）进行网格划分，刚性墙也采用该单元。都选择软件默认的算法。以便提高分析计算的效率。
（2）实体模型的建立
模型由两部分组成，一个是保险杠，一个是刚性墙，考虑到保险杠外形是曲面，在ABAQUS中不易建立模型，所以选择在Pro/E软件中建立模型，再通过ABAQUS软件的接口导入。
（3）单元和材料
由于保险杠由薄壁板制成，刚性墙也是平板，所以整个模型选用薄壳单元（SHELL163）进行网格划分，刚性墙也采用该单元。都选择软件默认的算法。以便提高分析计算的效率。分析模型中各个部件的材料参数和网格，保险杠网格划分完成后的模型如图（2）所示，网格的粗细直接影响计算的时间。
（4）定义接触面
本次计算中保险杠与刚性墙的接触采用自接触模型[2]。
（5）载荷工况
在对模型进行加载的时候，刚性墙的所有自由度都约束住。保险杠与刚性墙碰撞时刻的时速为40m/s
3.计算结果
3.1保险杠的变形与破坏及计算结果
当保险杠与刚性面发生碰撞时，碰撞结果受很多因素影响。网格划分的粗细程度，碰撞点的位置，碰撞时保险杠的速度等。因此不同的工况对结果又一定的影响。由于碰撞问题的复杂性，我们只考虑简单的工况，在以上碰撞过程中得到碰撞后的应力云图以及动能曲线如下所示：
通过能量图可以看出在没有碰撞之前，保险杠以初始速度匀速运动。运动至0.1s时，保险杠与刚性墙发生碰撞速度降逐渐降低，当速度降到最低之后逐渐反向运动。在碰撞过程中，保险杠两个角有应力集中现象，应力图如上图所示。
4. 结束语
汽车整体是由很多零部件组成的非常复杂的整体，汽车保险杠也不是由一个零部件组成，它的结构也是由很多部件连接组成。本文把汽车保险杠简化成一个单一的零部件，导入ABAQUS对其碰撞进行一定的研究。对此类形状的结构碰撞分析问题提供一定的思路，同时对有限元在实际生活中的应用提供了一定的思路。
参考文献：
[1]庄茁，张帆，岑松.ABAQUS非线性有限元分析与实例[M].北京：科学出版社，2005：7-9.
[2]赵经文，王宏钰.结构有限元分析[M].北京：科学出版社，2001：75-81.
[3]杜顯赫.预应力LNG储罐在地震载荷作用下的流固耦合数值模拟[D].硕士论文，2010：11-13.
[4]孟永强.基于ABAQUS的风挡鸟撞有限元分析及实验研究[D].硕士论文，2008：42-45.
[5]王育桥鸡蛋跌落冲击特性研究[D].硕士论文，2007：5-11.
关键词：有限元分析；ABAQUS；汽车保险杠；碰撞
引言
有限元方法在现代工程中广泛应用，其分析思路是将求解域看成是由很多称为有限元的小的互相连接的子域组成，对每一单元假定一个近似解，然后求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。然而这个解不是准确解，而是近似解。由于力学中大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。目前大型通用有限元软件有很多：如ANSYS，ABAQUS等[1]，有限元软件可以分析多学科的问题如：机械、电磁、热力学等；用有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象离散化、有限元求解、计算结果后处理三大部分[2]。有限元分析软件的一个发展趋势是与通用三维建模软件进行造型设计后，将模型导入CAE软件进行有限元网格划分，并进行分析计算。
1 有限元方法的分析思路
有限元法是将一个几何形状进行离散，离散的单元通过节点来进行连接，有限元方法的分析步骤如下所示：
ABAQUS是一套基于有限元方法的工程模拟软件，它的功能非常强大。不仅仅可以解决线性问题，而且可以解决非常复杂的非线性问题，如复杂的冲击碰撞及许多接触问题[3-5]。ABAQUS软件主要由ABAQUS/CAE，ABAQUS/Standard，ABAQUS/Explicit，ABAQUS/Viewer等模块组成。ABAQUS有限元软件功能模块的介绍：
（1）ABAQU/CAE前处理：该模块主要是定义实际问题的物理模型，一个工程的实际问题的前处理模块主要由四部分即离算化的几何模型，材料的数据，加载和边界条件这四部分的内容组成通常在ABAQUS/CAE中以图形的方式来完成各个操作以图形的方式生成模型。
（2）ABAQUS/Standard或者ABAQUS/Explicit模拟计算：其中ABAQUS/Standard解决的是静力学问题，而ABAQUS/Explicit解决的是动力上的冲击碰撞问题。通常计算的过程以后台的方式运行，结果以应力或者位移的数据保存在文件中。
（3）ABAQUS/CAE后处理模块：ABAQUS/Explicit计算的结果保存的文件用于可视化后处理以图形的方式显示出来，如变形图，曲线图等等。
2 汽车保险杠模型的建立和分析
在科学技术日益发达的时代。汽车已经成了我们日常生活中必不可少的交通工具。然而如何提高汽车在碰撞过程中的安全性能成为了汽车安全性领域研究的重要课题。国外对整车碰撞模拟的研究经过了二十多年的发展从而积累了大量的经验。然而国内整车的碰撞模拟的研究才刚刚起步，相应的规范也没有建立起来，同时就目前的硬件条件、技术力量。并不足以完成整车的碰撞模拟。本文汽车保险杠碰撞过程中的变形进行了模拟，得到了其碰撞过程中的位移、速度、碰撞力关于时间的相关曲线。为整车的碰撞模拟提供一定的参考。
2.1 汽车保险杠模型的建立
在实际汽车行驶过程中，一般是一辆汽车的前保险杠和另一辆汽车的后保险杠的碰撞，因此前后保险杠的碰撞分析都是我们考虑的范畴，汽车前保险杠的研究相对比较多，本文研究汽车后保险杠的碰撞。我们把模型简化为保险杠和刚性墙的碰撞，考虑到保险杠的外形是曲面，在ABAQUS中不容易建立模型，因此选择在Pro/E软件中建立模型，再通过ABAQUS软件接口导入。导入ABAQUS的模型如下图所示：
（1）单元以及材料
保险杠由薄壁板制成，刚性墙也是平板，所以整个模型选用薄壳单元（SHELL163）进行网格划分，刚性墙也采用该单元。都选择软件默认的算法。以便提高分析计算的效率。
（2）实体模型的建立
模型由两部分组成，一个是保险杠，一个是刚性墙，考虑到保险杠外形是曲面，在ABAQUS中不易建立模型，所以选择在Pro/E软件中建立模型，再通过ABAQUS软件的接口导入。
（3）单元和材料
由于保险杠由薄壁板制成，刚性墙也是平板，所以整个模型选用薄壳单元（SHELL163）进行网格划分，刚性墙也采用该单元。都选择软件默认的算法。以便提高分析计算的效率。分析模型中各个部件的材料参数和网格，保险杠网格划分完成后的模型如图（2）所示，网格的粗细直接影响计算的时间。
（4）定义接触面
本次计算中保险杠与刚性墙的接触采用自接触模型[2]。
（5）载荷工况
在对模型进行加载的时候，刚性墙的所有自由度都约束住。保险杠与刚性墙碰撞时刻的时速为40m/s
3.计算结果
3.1保险杠的变形与破坏及计算结果
当保险杠与刚性面发生碰撞时，碰撞结果受很多因素影响。网格划分的粗细程度，碰撞点的位置，碰撞时保险杠的速度等。因此不同的工况对结果又一定的影响。由于碰撞问题的复杂性，我们只考虑简单的工况，在以上碰撞过程中得到碰撞后的应力云图以及动能曲线如下所示：
通过能量图可以看出在没有碰撞之前，保险杠以初始速度匀速运动。运动至0.1s时，保险杠与刚性墙发生碰撞速度降逐渐降低，当速度降到最低之后逐渐反向运动。在碰撞过程中，保险杠两个角有应力集中现象，应力图如上图所示。
4. 结束语
汽车整体是由很多零部件组成的非常复杂的整体，汽车保险杠也不是由一个零部件组成，它的结构也是由很多部件连接组成。本文把汽车保险杠简化成一个单一的零部件，导入ABAQUS对其碰撞进行一定的研究。对此类形状的结构碰撞分析问题提供一定的思路，同时对有限元在实际生活中的应用提供了一定的思路。
参考文献：
[1]庄茁，张帆，岑松.ABAQUS非线性有限元分析与实例[M].北京：科学出版社，2005：7-9.
[2]赵经文，王宏钰.结构有限元分析[M].北京：科学出版社，2001：75-81.
[3]杜顯赫.预应力LNG储罐在地震载荷作用下的流固耦合数值模拟[D].硕士论文，2010：11-13.
[4]孟永强.基于ABAQUS的风挡鸟撞有限元分析及实验研究[D].硕士论文，2008：42-45.
[5]王育桥鸡蛋跌落冲击特性研究[D].硕士论文，2007：5-11.