车身碰撞安全的若干关键技术研究

论文摘要

随着我国汽车工业的快速发展，我国民用汽车保有量也大幅增加，与此同时，全国每年发生的交通安全事故也在不断增多，甚至数项恶性交通事故引起了全国人民的强烈关注。但在我国目前的国情下，造成汽车事故频繁发生的根本性原因在可以预见的未来必然还将长期存在，也因此，对我国而言，道路交通事故实际上已经危害到了国家安全，进行汽车安全性研究，以提高司乘人员以及道路行人的安全指标就显得极为必要而且极为迫切。本文结合国家自然基金重点项目“冲压成形与模具设计的基础理论、计算方法和关键技术”、国家杰出青年基金项目“基于KBE的冲压模具CAD专家系统理论以及聚合物板成形理论与计算方法研究”和国家汽车电子产业化重大专项（批准号：No.2004-2563）研究项目，针对当前汽车碰撞安全领域中的被动安全技术和行人安全保障技术的部分关键技术开展了研究，主要内容及成果有：1)提出了一种双向参数化的设计优化过程，能够有效发挥CAD参数化和CAE参数化设计方法的优势，将每一次CAE分析结果实时反馈至覆盖件的CAD过程中，并实时动态显示车身零件的结构优化结果，可完成仿真分析对前期结构设计的方向驱动。这种方法不但可以用于车身的局部覆盖件设计，对其整体设计也有很好的效果，能够有效减少车身零件的设计周期，是未来车身设计领域的一种发展趋势。为了较好的展示双向参数化方法的使用，本章以某自主品牌汽车某车型的前横梁覆盖件的耐撞性优化设计为例，对整车车身骨架结构建立了参数化的有限元模型：以车身骨架结构的关键参数为设计变量，以覆盖件的轻量化设计为目标，以满足覆盖件的正面抗撞性为约束条件，建立整车的有限元优化模型；通过求解该优化模型，获得满足安全性要求，同时达到轻量化目的的设计参数。然后，根据优化得到的设计参数，建立整车碰撞模型，进行安全性和轻量化的实验验证。2)结合某车型的保险杠实际设计过程，对行人小腿保护技术进行了深入研究。首先根据当前保险杠的实际使用，提出了一种新型的保险杠结构，即：在保险杠前端用一个吸能缓冲板替换填充泡沫，让其充分吸收小腿碰撞能量；其次基于响应表面模型，提出了一种符合Euro-NCAP法规的保险杠与腿部冲击器的碰撞有限元模型，并进行了碰撞仿真与试验的验证；再次，对保险杠吸能板的设计，采用全因子试验设计方法对不同材料性能和板料厚度组合进行仿真计算，并对计算结果进行分析总结，得到优化的设计方案；最后结合基于行人小腿保护的保险杠吸能板开发过程，提出一种有效的保险杠设计优化流程，为汽车行业保险杠的优化设计形成有价值的参考。3)针对行人头部保护的发动机罩开发技术进行了研究。首先结合多刚体动力学的理论，分析了行人运动特性对自身保护的影响，给出了基于中国人特征的行人参数，从碰撞事例研究了汽车与行人碰撞过程中行人产生损伤的特征，获取了在此过程中各项影响元素的分布规律；通过分析发动机罩结构特点以及大量的碰撞仿真结果，总结了发动机罩区域中所有潜在碰撞点处的HIC值规律，证明了头部碰撞伤害值和发动机罩碰撞点与头部潜在二次碰撞点的距离、二次碰撞点处的材料屈服强度具有高度相关性，并总结出了相关性经验公式，为汽车车身设计者快速预测发动机罩板上各碰撞子分区的危险点提供了有力依据；根据该相关性公式，可在进行碰撞仿真计算和实车碰撞试验之前，根据发动机罩及其下部结构计算出HIC相对值大小的分布趋势图，找出各子区域内的“最危险点”，从而为仿真计算和实车试验提供有用参考。最后本文还通过实车试验验证，表明了该方法寻找危险点的可靠性。4)B柱零件是保障汽车侧面耐撞性的重要部件，在保证B柱零件轻量化的前提下，B柱零件仍需具有较好的耐撞性，基于此本文提出了基于轻量化的B柱零件满足耐撞性的优化设计方法，该设计方法对于目前的汽车轻量化设计过程具有一定的指导作用；本文建立了以整车碰撞过程为边界条件的局部子模型，并将子模型与整车模型进行了对比分析，使其可以作为整车模型优化计算的代理模型，从而大大减少仿真计算时间；提出了在子模型中采用热成形B柱外板对原始外板进行替换、去掉B柱加强内板的方案，并通过Optimus建立了B柱外板和内板厚度的优化流程，最终获取了符合工程实际需求的板材厚度匹配，可实现侧面结构减重4.64kg左右；将子模型的优化结果返回到整车模型中进行了优化结果验证，结果证明本文的优化设计方案是可行的。

论文目录

• 前言
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的依据和意义
• 1.2 常见碰撞安全法规介绍
• 1.3 汽车被动安全技术国内外研究现状
• 1.3.1 企业界的相关研究现状
• 1.3.2 被动安全性的理论研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 覆盖件耐撞性的双向参数化优化设计方法研究
• 2.1 前言
• 2.2 参数化的碰撞仿真分析与优化
• 2.2.1 基于 CAD 参数化的 CAE 分析
• 2.2.2 基于 CAE 参数化的 CAE 分析
• 2.2.3 双向参数化覆盖件耐撞性优化设计
• 2.3 双向参数化的结构优化分析过程
• 2.3.1 车型概述
• 2.3.2 CAD 参数化模型及优化
• 2.3.3 CAE 参数化模型及优化
• 2.4 结果分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于小腿碰撞的保险杠吸能板研究
• 3.1 前言
• 3.2 碰撞模拟中的响应面模型及其优化算法
• 3.2.1 响应表面法 RSM
• 3.2.2 优化算法
• 3.3 保险杠吸能板研究
• 3.4 有限元模型的建立及验证
• 3.4.1 小腿有限元模型
• 3.4.2 汽车前部有限元模型
• 3.4.3 小腿碰撞模型验证
• 3.5 保险杠吸能板设计
• 3.5.1 保险杠吸能板模型
• 3.5.2 试验设计方案
• 3.5.3 响应面模型
• 3.5.4 优化设计方案
• 3.6 保险杠优化设计方法与流程
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于头部碰撞的发动机罩危险点研究
• 4.1 前言
• 4.2 基于行人的多刚体动力学理论
• 4.2.1 多刚体动力学的结构特点
• 4.2.2 多刚体运动学理论
• 4.3 行人运动特性对自身保护的影响
• 4.3.1 人体运动特征及参数分析
• 4.3.2 人体碰撞过程特征分析
• 4.3.3 人体损伤部位特征分析
• 4.4 行人保护头部碰撞仿真
• 4.4.1 头部碰撞仿真过程
• 4.4.2 头部碰撞区域的划分
• 4.4.3 结果分析
• 4.5 碰撞危险点研究
• 4.5.1 碰撞危险点分析
• 4.5.2 碰撞危险点预测
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于轻量化的 B 柱零件耐撞性研究
• 5.1 前言
• 5.2 汽车轻量化技术
• 5.3 汽车碰撞问题的有限元计算方法
• 5.3.1 结构形变的空间描述
• 5.3.2 汽车碰撞问题的有限元计算方法
• 5.4 侧面碰撞子模型
• 5.4.1 整车及侧面子模型建立
• 5.4.2 子模型验证
• 5.5 B 柱零件的初步设计
• 5.6 B 柱零件的设计优化
• 5.7 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 未来展望
• 参考文献
• 博士工作期间发表的学术论文及取得的成果
• 致谢