基于反推设计理论的逐级吸能方法及其应用研究

论文摘要

微型客车由于具有经济、适用、小巧、灵活等特点,在国内有广阔的市场。然而,微型客车受整车尺寸限制,需要用尽量短的前部吸能结构来吸收碰撞能,从而达到满足正面碰撞法规实验的目的。通常,汽车前部的吸能结构主要为方形纵梁,碰撞时通过纵梁的褶皱变形来达到理想的吸能效果。然而,微型客车纵梁尺寸的改变会受到结构布置的限制,壁厚增加会导致纵梁产生褶皱变形困难,碰撞加速度峰值增加,整车质量增加。因此,对于要求缩短吸能长度的车型,仅仅采用改变纵梁结构尺寸及壁厚的方法难以达到好的效果,研究开发一种新的吸能结构具有重要意义。本文创新性地提出了一种基于反推设计理论的逐级吸能方法。该方法按照造型及法规实验的要求反推微型客车前部吸能结构的长度,从而确定其理想的碰撞加速度范围。适当控制吸能梁壁厚,在吸能梁内部不同长度的合适位置上设置加强板,使其逐级参与吸能,从而达到控制加速度波形的目的。基于该逐级吸能方法,本文以国内某微型客车为研究对象,根据该车的纵梁尺寸设计了一个逐级吸能薄壁结构,并建立和验证了其有限元模型。通过运用基于代理模型的优化方法对验证后的逐级吸能结构的有限元模型进行了耐撞性的优化研究,对吸能结构的壁厚、加强板的位置及焊点的间距等参数进行了优化,达到了较理想的吸能效果。将优化后的结构应用到整车中,并调整部分相关部件的刚度,使得碰撞过程中客车前部的变形量明显减少,并且保证了法规规定的乘员损伤值。论文研究表明:在汽车前碰撞安全性的改进设计中,本文提出的基于反推设计理论的逐级吸能方法是切实可行的,按照该方法设计的逐级吸能结构能够在较短的吸能长度内吸收掉车辆的碰撞能量从而有效提高车辆的前碰撞安全性,有利于增大车内乘坐空间,提高乘坐舒适性进而提高产品的市场竞争力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 汽车前碰撞安全性的研究内容和方法
• 1.1.1 汽车前碰撞安全性研究的内容
• 1.1.2 汽车前碰撞安全性研究的方法
• 1.2 汽车车身结构耐撞性研究的国内外现状
• 1.2.1 国外车身结构耐撞性研究现状
• 1.2.2 国内汽车碰撞吸能结构研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 基于反推设计理论的前碰撞逐级吸能方法
• 2.1 微型客车的整车碰撞特性
• 2.2 微型客车的前碰撞安全性改进设计方法
• 2.3 基于反推设计理论的微型客车前碰撞逐级吸能方法
• 2.3.1 汽车碰撞安全性的反推设计理论
• 2.3.2 微型客车的前碰撞逐级吸能方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 微型客车整车结构的有限元建模与仿真
• 3.1 汽车碰撞仿真中的有限元基本理论
• 3.1.1 显式有限元理论
• 3.1.2 LS-DYNA 软件介绍
• 3.2 微型客车整车有限元模型的建立
• 3.2.1 整车有限元建模的步骤
• 3.2.2 车身结构的有限元模型
• 3.2.3 动力总成的有限元模型
• 3.2.4 整车有限元模型
• 3.3 微型客车整车有限元仿真结果分析
• 3.4 整车100%正面碰撞的实验研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 微型客车前碰撞的多刚体建模与仿真
• 4.1 多刚体动力学的基本理论
• 4.2 MADYMO 软件介绍
• 4.3 前碰撞的多刚体建模与仿真研究
• 4.3.1 模型的构成
• 4.3.2 车体模型
• 4.3.3 假人模型
• 4.3.4 约束系统模型
• 4.3.5 接触的定义
• 4.3.6 模型的输入与输出
• 4.3.7 仿真与实验结果对比分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于代理模型的微型客车逐级吸能前纵梁耐撞性优化设计
• 5.1 基于代理模型的优化理论
• 5.1.1 实验设计理论
• 5.1.2 近似方法
• 5.2 逐级吸能梁的有限元建模方法与实验验证
• 5.3 逐级吸能梁有限元模型的建立
• 5.4 吸能梁的耐撞性优化
• 5.4.1 优化问题的数学模型
• 5.4.2 优化流程
• 5.4.3 筛选因子的L12 正交实验设计
• 5.4.4 基于代理模型的数值优化
• 5.5 本章小结
• 第6章 微型客车的前碰撞安全性改进
• 6.1 CMVDR294 对车身结构的耐撞性要求
• 6.2 原车型仿真结果分析
• 6.2.1 整车变形分析
• 6.2.2 前纵梁的应力分析
• 6.2.3 驾驶室地板应力分析
• 6.3 对原车型的结构改进
• 6.4 改进前后部分结构变形对比分析
• 6.5 改进前后整车的加速度曲线对比
• 6.6 结构改进前后乘员损伤对比
• 6.7 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