汽车吸能转向机构的设计与碰撞仿真

论文摘要

随着汽车保有量的不断增加和车速的提高,汽车安全问题日益突出,成为汽车研究的主题之一。而交通事故统计资料表明转向机构是正面碰撞时造成驾驶员伤害的主要部件。本文分析了汽车碰撞安全的相关措施,重点研究了吸能防伤转向机构在汽车碰撞安全中的作用及其工作原理和结构型式。在此基础上,本文通过对世界上著名的发明问题解决理论——TRIZ进行系统研究,将其应用于吸能防伤转向机构的设计,一方面针对传统的机械式转向机构提出新型的吸能防伤方案;另一方面,通过分析国内某企业生产的电动助力转向机构（EPS）在吸能防伤方面的存在问题,利用TRIZ理论中的发明原理对其进行改进设计。同时,为了验证改进的EPS转向机构相比于原来设计方案的在吸能防伤方面的优势,本文在非线性有限元理论的基础上,按照GB11557-1998《防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定》的要求,利用著名的显式动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA分别对原EPS转向机构和改进的EPS转向机构与人体模块进行碰撞仿真。为保证仿真的可靠性,首先,本文对用于碰撞仿真的人体模块模型进行了验证校核,使其满足GB11557中关于碰撞试验中人体模块的质量、变形刚度等的要求。第二,仔细研究了汽车碰撞仿真中在单元类型、材料模型选取以及网格划分、运算控制等方面的处理原则。第三,对于原EPS结构与改进结构中相同的结构本文采用一致的模型和网格处理方法,以保证仿真结果的可比较性,同时,两者采用一样的边界条件和初始条件,以及相同的分析参数。最后,本文对原EPS转向机构和改进的EPS转向机构的碰撞结果进行比较分析;并对碰撞仿真在转向机构设计中可能发挥的作用提出了自己的看法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 论文选题的背景和意义
• 1.1.1 汽车安全问题
• 1.1.2 汽车碰撞安全措施
• 1.1.3 研究安全转向机构的意义
• 1.2 本课题的国内外研究现状
• 1.2.1 汽车转向系设计的吸能防伤要求
• 1.2.2 安全转向机构的诞生和发展
• 1.2.3 国内外防止转向机构对驾驶员伤害的规定
• 1.2.4 吸能防伤转向机构的工作原理和结构型式
• 1.3 本文研究内容
• 1.4 小结
• 第2章 TRIZ理论及其在机械产品设计中的应用
• 2.1 TRIZ理论综述
• 2.2 TRIZ基本理论体系构架
• 2.2.1 技术系统进化法则
• 2.2.2 最终理想解（IFR，ideal final result）
• 2.2.3 设计中的冲突与解决
• 2.2.4 物─场模型分析
• 2.2.5 发明问题的标准解法
• 2.2.6 发明问题解决算法ARIZ
• 2.2.7 科学效应和现象
• 2.3 应用TRIZ理论解决问题的方法和步骤
• 2.4 TRIZ理论在机械产品设计中的应用
• 2.5 TRIZ理论发展趋势
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于TRIZ理论的防伤转向机构设计
• 3.1 传统机械式转向机构的创新设计
• 3.1.1 问题的定义和功能分析
• 3.1.2 确定最终理想解
• 3.1.3 基于理想解的初步设计方案及其分析
• 3.1.4 基于物─场模型分析的吸能转向管柱设计
• 3.2 电动助力转向机构（EPS）转向机构的改进设计
• 3.2.1 EPS简介
• 3.2.2 原设计方案分析
• 3.2.3 EPS转向机构的改进
• 3.2.4 最终的方案及校核
• 3.3 小结
• 第4章 转向机构碰撞仿真基本理论
• 4.1 概述
• 4.2 非线性有限元与显式有限元理论
• 4.2.1 非线性有限元
• 4.2.2 显式有限元理论与方法
• 4.3 基本力学模型
• 4.4 材料非线性
• 4.4.1 材料非线性概述
• 4.4.2 非线性弹性
• 4.4.3 弹塑性
• 4.5 接触-碰撞理论
• 4.5.1 接触界面条件
• 4.5.2 接触算法
• 4.5.3 接触类型和接触搜索方法
• 4.6 汽车转向机构碰撞系统有限元建模的技术要点
• 4.6.1 几何模型的建立
• 4.6.2 单元划分
• 4.6.3 材料模型
• 4.6.4 接触界面定义
• 4.6.5 结构联接
• 4.6.6 其他问题
• 4.7 人体模块与转向机构碰撞的控制方程
• 4.7.1 基本控制方程
• 4.7.2 有限元离散后的运动微分方程
• 4.8 小结
• 第5章 EPS转向机构的碰撞仿真
• 5.1 仿真环境ANSYS/LS-DYNA简介
• 5.2 EPS转向机构与人体模块碰撞仿真问题规划
• 5.2.1 问题描述与仿真系统简化
• 5.2.2 单元选择
• 5.2.3 计算分析过程采用的单位制
• 5.3 人体模块有限元模型的建立
• 5.3.1 GB11557-1998相关规定
• 5.3.2 人体模块有限元模型
• 5.4 EPS转向机构有限元模型的建立
• 5.4.1 实体模型和单元算法选择
• 5.4.2 材料模型选择
• 5.4.3 有限元模型参数
• 5.5 仿真过程控制
• 5.5.1 初始条件和边界条件
• 5.5.2 仿真参数与运算控制
• 5.6 仿真结果分析
• 5.7 改进的EPS转向机构碰撞仿真
• 5.7.1 仿真系统建模分析
• 5.7.2 仿真结果
• 5.7.3 原EPS转向机构与改进EPS转向机构碰撞仿真结果比较
• 5.8 小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文