前纵梁结构优化设计及其对整车前碰撞安全性能的影响

前纵梁结构优化设计及其对整车前碰撞安全性能的影响

论文摘要

随着中国车辆保有量的持续增长,国民人均车辆的数目也在稳步攀升;这个越来越普遍的交通工具,每天承载着数以亿计的生命穿梭在拥挤的街道上。随着居民安全意识的增强,大家将更多的视线放在了车辆的安全性上。在有数据统计的交通伤害事故中,正面碰撞造成的伤害数占到所有交通事伤害的40%左右。而在正面碰撞过程中,汽车前纵梁是主要的吸能和传力部件。如何改进前纵梁的变形模式,增加其在碰撞过程中的吸能量,减少其在碰撞过程中的载荷力峰值,是正面碰撞仿真分析研究中的重要课题之一。本文在阅读大量文献的基础上,了解汽车碰撞相关法规,以及薄壁直梁件、有限元仿真和结构优化设计等方面对的国内外研究现状;结合薄壁直梁件的轴向压溃特性,针对某一特定截面的薄壁直梁件,探讨与分析其诱导槽的形状、位置、深度和宽度对薄壁梁在碰撞过程中变形特点、能量吸收量、截面力载荷峰值的影响。研究结果表明:为了能使薄壁件在碰撞过程中发生轴向压溃变形,可考虑在薄壁梁上开设适当形式的诱导槽;当薄壁梁开设bead形式诱导槽时,可将诱导槽开设在薄壁梁的半波长位置处;诱导槽的深度和宽度对薄壁梁的变形和吸能情况有比较明显的影响,诱导槽的深度以薄壁梁截面的5%到10%为宜,诱导槽的宽度不应超过薄壁梁的半波长长度;当诱导槽过深或者诱导槽过窄时,薄壁梁在碰撞过程中将会直接发生弯折变形,大大减少其能量吸收量。本文中运用正交试验设计采取样本点,在这些样本点的基础上运用响应表面法,对薄壁梁诱导槽的位置、宽度和深度进行优化。优化结果表明,诱导槽的深度对薄壁梁的吸能量和载荷峰值的影响最为明显。运用正交试验设计方法对薄壁梁的双诱导槽的方向、位置、深度、宽度等关键参数进行分析,发现诱导槽的深度对薄壁梁的碰撞性能的影响比较明显;基于上述结论,对诱导槽的位置进行参数分析,发现诱导槽的之间的距离以半波长或者四分之一波长为宜。最后利用某一整车模型,分别利用上述的单诱导槽及双诱导槽的相关结论,分析改进后的前纵梁的变形情况及能量吸收量的变化情况,结果表明,运用上面的结论,可使前纵梁在碰撞过程中吸收的能量值有所提高,在碰撞中表现出更好的碰撞性能。本文从理论上证明了上述分析的有效性,能够为以后的汽车前碰撞和前纵梁的设计提供一定的依据。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 研究的背景及意义
  • 1.2 C-NCAP的发展与现状
  • 1.3 国内外研究现状
  • 1.3.1 薄壁直梁件的研究现状
  • 1.3.2 有限元仿真的研究现状
  • 1.4 结构优化设计方法
  • 1.5 本文研究的目的和主要内容
  • 第2章 汽车碰撞有限元分析的基本理论
  • 2.1 有限元分析的基本思路
  • 2.2 求解控制方程的推导
  • 2.3 时间积分和时间步长控制
  • 2.4 沙漏问题
  • 2.5 本章小结
  • 第3章 薄壁直梁件的仿真分析研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 薄壁直梁件轴向压溃特性综述
  • 3.2.1 失稳载荷
  • 3.2.2 弹性失稳
  • 3.2.3 非弹性失稳
  • max'>3.2.4 最大轴向载荷力Pmax
  • 2'>3.2.5 平均载荷P2
  • 3.3 薄壁梁碰撞性能的评价指标
  • 3.4 诱导槽对薄壁梁碰撞性能的影响
  • 3.4.1 引言
  • 3.4.2 薄壁梁有限元模拟及试验验证
  • 3.4.3 薄壁梁有限元模型的分析
  • 3.4.4 不同诱导形式之间的比较
  • 3.4.5 诱导槽位置的影响
  • 3.4.6 诱导槽深度的影响
  • 3.4.7 诱导槽宽度的影响
  • 3.4.8 结论
  • 3.5 本章小结
  • 第4章 基于响应表面法的薄壁件诱导槽的优化设计
  • 4.1 引言
  • 4.2 响应表面法
  • 4.2.1 优化的基础知识
  • 4.2.2 正交试验设计
  • 4.2.3 响应表面法
  • 4.3 优化问题的阐述
  • 4.4 优化参数对载荷峰值的影响
  • 4.5 优化参数对吸能量的影响
  • 4.6 优化结果分析
  • 4.7 本章小结
  • 第5章 薄壁梁双诱导槽的参数设计
  • 5.1 引言
  • 5.2 薄壁梁双诱导槽设计变量的选择
  • 5.3 双诱导槽的试验设计
  • 5.4 仿真结果的分析
  • 5.5 优化参数对载荷峰值的影响
  • 5.6 优化参数对吸能量的影响
  • 5.7 基于双诱导槽位置的优化研究
  • 5.8 本章小结
  • 第6章 前纵梁结构优化对整车前碰撞的影响
  • 6.1 引言
  • 6.2 整车有限元模型的建立及相关参数的选择
  • 6.2.1 整车有限元模型的建立
  • 6.2.2 计算中各主要参数的选择
  • 6.3 整车有限元模型有效性确认
  • 6.4 诱导槽优化对整车碰撞性能的影响
  • 6.4.1 前纵梁单诱导槽优化分析
  • 6.4.2 前纵梁双诱导槽优化分析
  • 6.5 本章小结
  • 结论与展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
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