轿车前纵梁耐撞性仿真和结构优化的研究

论文摘要

前纵梁是汽车前碰撞中的主要吸能部件,其吸能特性和变形模式决定着碰撞过程中车身加速度响应和力的传递路径,对汽车结构耐撞性有显著影响。计算机仿真分析是结构耐撞性研究的重要方法,提高碰撞仿真分析水平对于准确、高效地进行结构耐撞性分析和优化有着十分重要的意义。本文旨在研究前纵梁碰撞仿真分析中的关键技术和影响因素,并探讨基于产品质量工程的稳健优化设计方法在前纵梁耐撞性分析中的应用。首先,本文应用LS-DYNA有限元分析软件建立了一种焊点模型,用壳单元模拟母材,用单个实体单元模拟焊核和热影响区；并将该焊点模型和现有的梁单元焊点模型应用到前纵梁台车碰撞的有限元算例中,通过相应的试验对其进行对比验证。然后以应用实体单元焊点模型的算例作为基础模型,研究了材料应变率效应对前纵梁碰撞仿真结果的影响。此外,本文还对影响碰撞仿真结果的其他因素如单元尺寸、焊点尺度、板材冲压成形效应和接触摩擦进行了研究。最后本文将试验设计、响应表面法和蒙特卡罗模拟技术相结合,构造了基于产品质量工程的6σ稳健性优化设计方法,对该前纵梁的耐撞性进行了优化设计。研究结果表明：本文的实体单元焊点模型不需要细化母材网格,建模方式简便,较现有的梁单元焊点模型有更高的模拟精度。材料应变率效应对前纵梁碰撞仿真结果有显著影响,而静态和动态的材料拉伸试验表明：不同材料对应变率效应的敏感程度不同,材料愈软,其应变率效应愈明显。单元尺寸、焊点尺度、板材冲压成形效应和接触摩擦都对前纵梁碰撞仿真结果有影响；前纵梁板材单元尺寸并不是越小越好,而应该根据部件的截面尺寸和厚度来确定最佳单元尺寸,对于本文的前纵梁,单元尺寸为5×5 mm时的模拟效果最好；车身结构上的焊点尺度不能设置相同的数值,而应根据板材不同的材料和厚度来设定不同的值；碰撞仿真中应考虑板材冲压成形效应才能够更准确地反映前纵梁的耐撞性；部件和刚性墙之间、部件和部件之间以及部件自身的接触摩擦会影响碰撞仿真的结果,在模拟计算中要通过设定合适的接触摩擦系数来准确地反映接触摩擦的影响。基于产品质量工程的稳健性优化设计方法能够有效提高前纵梁结构优化结果的可靠性和稳健性。本文的研究对提高前纵梁碰撞仿真分析水平有一定的指导意义,还为结构优化提供了一种具有工程应用价值的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 汽车前碰撞的试验法规和新车评价计划
• 1.2.1 各国前碰撞的试验法规
• 1.2.2 新车评价计划——NCAP
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 薄壁构件的研究现状
• 1.3.2 有限元仿真分析的研究现状
• 1.3.3 耐撞性优化设计的研究现状
• 1.4 课题的来源
• 1.5 本文研究目的和主要内容
• 第2章 汽车碰撞有限元基本理论和算法
• 2.1 引言
• 2.2 基本理论
• 2.2.1 控制方程推导
• 2.2.2 中心差分法
• 2.2.3 时间步长控制与质量缩放
• 2.3 有关算法
• 2.3.1 Belytschko-Tsay薄壳单元
• 2.3.2 接触—碰撞界面处理
• 2.3.3 沙漏控制
• 2.4 本章小结
• 第3章 实体单元焊点模型在前纵梁碰撞仿真中的应用研究
• 3.1 引言
• 3.2 方法
• 3.2.1 焊点连接关系的模拟
• 3.2.2 焊点失效的模拟
• 3.3 母材网格偏置对焊点内力的影响
• 3.4 仿真算例
• 3.4.1 仿真算例描述
• 3.4.2 参数设定
• 3.5 台车试验验证
• 3.5.1 焊点失效情况对比分析
• 3.5.2 前纵梁变形对比分析
• 3.5.3 台车加速度曲线对比分析
• 3.6 讨论
• 3.7 本章小结
• 第4章 材料应变率效应对前纵梁碰撞仿真结果影响的研究
• 4.1 引言
• 4.2 应变率效应简介
• 4.3 不同应变率的板材拉伸试验
• 4.3.1 静态拉伸试验
• 4.3.2 动态拉伸试验
• 4.3.3 试验结果
• 4.4 有限元算例结果分析
• 4.4.1 变形模式对比
• 4.4.2 台车加速度曲线对比
• 4.4.3 吸能情况对比
• 4.5 本章小结
• 第5章 影响前纵梁碰撞仿真结果的其他因素研究
• 5.1 引言
• 5.2 单元尺寸的影响
• 5.2.1 单元尺寸确定的方法
• 5.2.2 结果分析
• 5.3 焊点尺度的影响
• 5.4 冲压成形的影响
• 5.4.1 冲压成形效应
• 5.4.2 结果分析
• 5.5 接触摩擦的影响
• 5.5.1 接触摩擦问题
• 5.5.2 边界摩擦的影响
• 5.5.3 内部摩擦的影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 前纵梁耐撞性的6-Sigma稳健优化设计
• 6.1 引言
• 6.2 均匀试验设计
• 6.3 响应表面法
• 6.4 基于蒙特卡罗模拟技术的6-Sigma稳健优化设计
• 6.4.1 蒙特卡罗模拟技术
• 6.4.2 6-Sigma概念
• 6.4.3 6-Sigma稳健性优化设计
• 6.5 前纵梁耐撞性优化设计
• 6.5.1 优化问题描述
• 6.5.2 优化过程和结果
• 6.6 本章小结
• 总结和展望
• 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