乘用车前部吸能结构的快速参数化建模方法研究

论文摘要

本文结合吉林省科技发展重大项目（项目编号：20096004）以及中国第一汽车集团技术中心科技项目（项目编号：093715）关于乘用车前部吸能结构快速参数化建模问题的研究成果，对乘用车车体耐撞性设计过程中车身前部吸能结构快速参数化建模的方法和流程进行了深入研究，并结合实际对标车身结构对所开发的模块进行功能验证。本文是围绕基于Altair HyperWorks平台的乘用车碰撞参数化建模技术展开研究，建立的参数化模型是面向乘用车车身设计前期的碰撞分析模型，模型基于某开发阶段的A级轿车而建立。故首先对涉及到的二次开发工具（Process Manager、Process Studio、Tcl/Tk语言）和开发流程进行简要说明；进而对本论文的核心内容-车身前部主要吸能结构的参数化建模方法进行了细致研究。车身前部主要吸能结构包括：保险杠结构（bumper beam）、碰撞缓冲器结构（crash box）、前纵梁结构（frontal rail）以及碰撞缓冲器与前纵梁之间的焊接板结构（welding plate）。这些部件各自的截面参数需要保证生成截面的唯一性，基于实用性，便捷性和可靠性的建模准则，为了实现车身前部碰撞吸能结构的参数化快速建模，确定参数化建模过程：首先依据部件的位置顺序（按车头到车尾方向）对部件建模顺序进行排序：①保险杠，②碰撞缓冲器，③前纵梁和焊板，④前处理。而后把整个建模过程分为若干子模块，各子模块实现相对独立的功能，最后可得到用于碰撞分析的车身前部结构有限元模型。由于保险杠、碰撞缓冲器、前纵梁和连接板等车身前部构件的参数化建模方法存在很大差异，因此本文针对每个构件的建模方法分别进行了说明，也对建模技术开发过程中遇到的难点进行了总结。基于所提出的乘用车碰撞参数化建模方法，选择了对标车身对应的部件尺寸进行了实例建模，在仅需要输入关键几何参数的情况下，快速地搭建了前部车身的主要吸能结构模型，并对该模型进行包括赋予材料属性、连接方式、网格划分等步骤的前处理，利用LS-DYNA进行了相应工况的碰撞仿真分析，包括变形分析、应力分析以及能量变化分析。变形分析说明所建立的模型的子结构刚度是渐变的，且由前至后是逐渐增强的，通过这种参数化建模方法建立的结构形式符合车身设计目标；应力分析验证了在碰撞发生时，车身前部结构的冲击力从前到后存在一定时间的延迟，数值上也发生显著衰减，这一规律符合实际碰撞规律；能量分析则是对碰撞过程中的动能、内能、沙漏能和总能量变化曲线进行描述，验证有限元模拟结果的准确性。为了判断车身局部子结构的刚度分布或变形模式是否合理，可将建立好的参数化模型与对标车型的整车碰撞历程及相关曲线进行对比。本文结合某开发阶段的A级轿车的整车前部碰撞实例，对比分析了前部主要吸能结构详细模型与参数化模型的几何准确性；分析了整车前部主要吸能结构详细模型的变形历程，进而总结出前部主要吸能结构详细模型与参数化模型变形历程的相同点，验证了本论文提出的参数化建模方法的可行性、准确性以及所开发的功能模块的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 汽车安全性选题依据和意义
• 1.2 汽车碰撞安全性问题的研究现状
• 1.3 乘用车参数化建模工具开发及应用的现状
• 1.4 本文研究主要内容
• 第2章 碰撞有限元基本理论和算法
• 2.1 引言
• 2.2 非线性动态有限元求解控制方程
• 2.2.1 物体运动方程
• 2.2.2 守恒方程
• 2.2.3 边界条件
• 2.2.4 有限元法的变分列式
• 2.3 空间有限元离散化
• 2.4 单元计算的单点高斯积分和沙漏控制
• 2.5 时间积分和时间步长控制
• 2.5.1 时间积分
• 2.5.2 时间步长控制
• 2.6 本章小结
• 第3章 乘用车碰撞参数化建模技术开发
• 3.1 参数化建模技术的开发基础
• 3.1.1 Process Manager
• 3.1.2 Process Studio
• 3.1.3 Tcl/Tk 语言
• 3.2 碰撞参数化建模的流程
• 3.3 保险杠横梁参数化建模研究
• 3.3.1 保险杠截面参数计算方法研究
• 3.3.2 保险杠截面拉伸方法研究
• 3.4 碰撞缓冲器参数化建模研究
• 3.5 前纵梁和焊接板参数化建模研究
• 3.6 其它部件的建模和程序设计
• 3.6.1 诱导槽的建模研究
• 3.6.2 连接板的建立
• 3.7 本章小结
• 第4章 前部吸能结构参数化模型耐撞性研究
• 4.1 前部吸能结构参数化建模具体实例
• 4.1.1 前部吸能结构快速参数化建模方法的界面设计与使用
• 4.1.2 前部吸能结构参数化建模实例
• 4.2 前部吸能结构快速参数化模型碰撞分析
• 4.2.1 材料属性的确定
• 4.2.2 划分网格
• 4.2.3 焊点的连结
• 4.2.4 碰撞分析
• 4.3 前部吸能结构的碰撞仿真分析
• 4.3.1 前部吸能结构正面碰撞的变形分析
• 4.3.2 前部吸能结构正面碰撞的应力分析
• 4.3.3 前部吸能结构正面碰撞的能量变化分析
• 4.4 实验分析与仿真对比
• 4.4.1 某开发阶段的 A 级轿车前部吸能结构的实验分析与仿真对比
• 4.4.2 前部主要吸能结构压溃历程对比
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果
• 后记和致谢