【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 基于碰撞安全的前縱梁優(yōu)化分析 5 ② 汽車在碰撞的過(guò)程中，吸能結(jié)構(gòu)能在任意情況下以穩(wěn)定、均勻的模式吸收能量； ③ 吸能結(jié)構(gòu)件應(yīng)該有足夠的吸能空間，同時(shí)還應(yīng)保證汽車結(jié)構(gòu)的輕量化、占用較少的設(shè)計(jì)空間，同時(shí)吸能結(jié)構(gòu)變形后不能對(duì)駕乘人員造成二次傷害； ④ 吸能結(jié)構(gòu)應(yīng)該便于制造、替換，且生產(chǎn)成本較低。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外研究現(xiàn)狀 從汽車誕生以來(lái)，有關(guān)汽車安全問(wèn)題也隨之而來(lái)。在汽車安全領(lǐng)域，西方國(guó)家比我過(guò)發(fā)展要早。到現(xiàn)在，國(guó)外對(duì)汽車碰撞安全問(wèn)題已經(jīng)持續(xù)研究探討了近一個(gè)世紀(jì) [8]:從 20 世紀(jì) 30 年代，有關(guān)汽車簡(jiǎn)單的整車碰撞試驗(yàn)開始實(shí)行； 20 世紀(jì)50 年代，臺(tái)車碰撞試驗(yàn)已經(jīng)產(chǎn)生； 20 世紀(jì) 60 年代，關(guān)于汽車碰撞仿真技術(shù)的有限元軟件隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展也相應(yīng)產(chǎn)生 。 20 世紀(jì) 80 年代，基于碰撞的有限元理論 [9]、多體力學(xué)理論仿真分析 [10]、汽車碰撞仿真軟件的產(chǎn)生和發(fā)展，都極大地推動(dòng)了汽車碰撞安全的研究和發(fā)展?，F(xiàn)在，現(xiàn)在用于有限元分析的常用軟件有：PAMCRASH[11]、 LSDYNA 和 MSC/DYTRAN [12]。 作為汽車碰撞時(shí)最主要的吸能結(jié)構(gòu) — 前縱梁，它是通過(guò)有序的軸向壓潰產(chǎn)生的塑性變形吸收大量能量。通常情況下，縱梁發(fā)生軸向變形時(shí)所吸收的能量要比橫向塑性變形吸收的能量高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。所以，有關(guān)縱梁在汽車正面碰撞過(guò)程中吸能問(wèn)題吸引了國(guó)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注 [13， 14]。 Jones 和 Karagiozova[15]在研究金屬薄壁管的軸向壓潰特性時(shí) ,提出由于內(nèi)部應(yīng)力波擴(kuò)散形式不同 ,導(dǎo)致了方形薄壁金屬管比圓形金屬薄壁管有更好的漸進(jìn)壓潰模式 。Wang 和 Xiang 等 [16]分析和研究了焊點(diǎn)的空間分布和個(gè)數(shù)對(duì)帽型薄壁直梁結(jié)構(gòu)的影響； Han和 Yamazaki[17]等人在對(duì)正方形界面薄壁梁進(jìn)行碰撞安全性結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中，和圓形截面梁的碰撞特性進(jìn)行了對(duì)比研究； Li 和 Reid[18]以及 Abramowicz[19]認(rèn)為對(duì)于不同特性的材料，金屬薄壁梁在軸向壓潰形式上會(huì)有很大地不同； Recep[20]分析了凸起形式的誘導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)，對(duì)薄壁直梁壓潰形式的影響； Han 和 Yamazaki[21]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究分析了圓形截面薄壁直梁在受到軸向載荷沖擊時(shí)的壓潰形式和吸能情況，通過(guò)實(shí)重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 基于碰撞安全的前縱梁優(yōu)化分析 6 驗(yàn)分析了模型所模擬結(jié)果的可靠性； Meagan Gonzalez[22]研究分析了在相同截面面積的情況下八邊形和六邊形截面的碰撞安全性能； [23]針對(duì)有相同截面面積和截面厚度的八邊形、六邊形和四邊形薄壁直梁進(jìn)行研究； [24]利用實(shí)驗(yàn)方法和有限元軟件分析方法兩種研究方式，研究了帽型截面直梁的碰撞壓潰形式； Cho 和 Bae[25]以及 Redhe[]研究分析了帶有空洞和凹槽的薄壁矩形截面梁的碰撞安全性能；等等。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國(guó)國(guó)內(nèi)關(guān)于汽車安全的研究工作，無(wú)論是碰撞仿真還是汽車碰撞實(shí)驗(yàn) ,都比國(guó)外晚，但現(xiàn)在發(fā)展速度很快。我國(guó)于 20 世紀(jì) 90 年代開始了汽車安全的研究工作。之后，清華大學(xué)汽車研究院應(yīng)用實(shí)車碰撞試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了一些相關(guān)的汽車碰撞試驗(yàn)，并取得了較好的預(yù)期效果 [28]。至 1999 年后，國(guó)家陸續(xù)頒布出各種碰撞安全法規(guī)，在長(zhǎng)沙、重慶、上海等城市建立了汽車碰撞實(shí)驗(yàn)室，使我國(guó)的汽車碰撞安全研究得到進(jìn)一步發(fā)展 [29]。 1998 年，賈宏波 [30]等人及吉林長(zhǎng)春汽車研究所基于 LSDYNA 等有限元仿真軟件，共同開發(fā)的國(guó)最早的車身結(jié)構(gòu)碰撞仿 真模型 [3133]。因?yàn)榍翱v梁在汽車碰撞安全中重要作用，因此國(guó)內(nèi)針對(duì)汽車前縱梁的優(yōu)化研究也相繼展開。胡玉梅 [34]探索研究了誘導(dǎo)槽位置結(jié)構(gòu)、尺寸大小、形狀和載荷方向?qū)Ρ”谥绷旱呐鲎矇簼⑽艿挠绊?；?xiàng)玉江 [35]研究了不同塑性應(yīng)變率的材料、焊點(diǎn)力學(xué)特性和網(wǎng)格密度對(duì)縱梁碰撞仿真結(jié)果的影響；蘇慶 [36]從不同角度如：沙漏控制、主從面選擇、焊點(diǎn)布置等方面著手，研究分析了汽車縱梁的不同壓潰特性；葉映臺(tái) [37]研究了縱梁?jiǎn)卧叽?、焊點(diǎn)建模、接觸摩擦、材料應(yīng)變率硬化效應(yīng)等方面；白中浩 [38]用正交試驗(yàn)對(duì)八邊形縱梁的焊點(diǎn) 、材料和壁厚進(jìn)行了優(yōu)化分析；王海亮 [39]運(yùn)用遺傳算法和響應(yīng)面法，對(duì)方形縱梁的厚度和截面尺寸進(jìn)行了耐撞性優(yōu)化；吳廣發(fā)[40]優(yōu)化分析了汽車前縱梁的焊點(diǎn)直徑、焊點(diǎn)間距、截面尺寸及板厚；荊友錄 [41]對(duì)不同截面形狀的前縱梁做了耐撞性優(yōu)化；陳吉清 [42]分別研究了材料性能、連接方式、結(jié)構(gòu)形態(tài)、板厚以及材料性能等因素在汽車碰撞過(guò)程中在前縱梁吸能中的作用；等等。 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 基于碰撞安全的前縱梁優(yōu)化分析 7 本文研究的主要內(nèi)容 本文基于特定的金屬薄壁前縱梁，借助 Hyperworks、 LSDYNA 等有限元軟件作為主要的分析工具，通過(guò)模擬仿真技術(shù)，研究誘導(dǎo)槽 數(shù)目、誘導(dǎo)槽處的薄壁梁其他幾何特征、及誘導(dǎo)槽深度分別在前縱梁抗撞性中所起的作用。在研究金屬薄壁直梁的抗撞性時(shí)，本文主要分析薄壁直梁在碰撞時(shí)的壓潰形式、吸能特性以及加速度峰值的大小。 主要研究?jī)?nèi)容： I 建立前縱梁有限元模型：根據(jù)給定的 CATIA 三維幾何模型，應(yīng)用Hyperworks 中的 Hypermesh 軟件建立有限元模型； II 前縱梁的抗撞性仿真計(jì)算：有限元模型建立好后，利用 LSDYNA 對(duì)建立好的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，可以得到初步的抗撞性參數(shù)（包括吸能特性、碰撞力等）； III 金屬薄壁直梁優(yōu)化處理：首先對(duì)前縱梁誘導(dǎo)槽的數(shù)目進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)比較數(shù)目不同的誘導(dǎo)槽的抗撞性能得出最優(yōu)的誘導(dǎo)槽數(shù)目；然后優(yōu)化誘導(dǎo)槽處前縱梁的幾何特征；最后針對(duì)誘導(dǎo)槽深度對(duì)前縱梁碰撞性能的影響； 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)單介紹了汽車前縱梁的研究背景和意義，簡(jiǎn)介了前縱梁的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及國(guó)家頒布關(guān)于汽車碰撞的安全法規(guī)。 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 基于碰撞安全的前縱梁優(yōu)化分析 8 第二章 汽車前縱梁仿真的有限元理論 引言 汽車碰 撞時(shí)，在極短的時(shí)間內(nèi)，包含了各種大變形、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變 [43]，是一個(gè)非常復(fù)雜的物理動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，且在此過(guò)程中，還具有材料非線性、幾何非線性和接觸非線性等變化。就是因?yàn)槠囋谂鲎策^(guò)程中的這些復(fù)雜特性，使得求解這類問(wèn)題就變得異常困難 [44,45]，而此時(shí)一些動(dòng)力分析軟件的出現(xiàn)使這類問(wèn)題迎仍而解。目前最著名的 LSDYNA 是處理此類問(wèn)題的主要軟件 [46]。 汽車碰撞的 CAE方法 [47] 汽車的碰撞過(guò)程是對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行毀滅性的過(guò)程。汽車碰撞分析的 CAE 方法，是在計(jì)算機(jī)中對(duì)這一毀滅過(guò)程進(jìn)行模擬的一種高技術(shù)，利用這一高技術(shù)，可以在汽車產(chǎn)品早出樣品之前，就能夠預(yù)測(cè)器碰撞安全性能，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)圖紙進(jìn)行修改優(yōu)化。這對(duì)降低產(chǎn)品研究經(jīng)費(fèi)、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量是大有裨益的。同時(shí)，還可以在很少的資金投入和較短的時(shí)間內(nèi)，嘗試多種問(wèn)題解決的方案，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，該技術(shù)在工程上應(yīng)用得越來(lái)越廣泛。 汽車在碰撞過(guò)程中應(yīng)滿足虛功原理，如下式所示： ∫ ??????? ???????? ????+ ∫ ???????????????? ???? ?∫ ?????????????? ?????∫ ?????????????? ???? = 0 （ 21） 式中， ??ijCauchy 應(yīng)力分量； ????體積力分量； ρ質(zhì)量密度； ????? 加速度分量； ????速度分量； ????接觸力分量； V碰撞系統(tǒng)在當(dāng)前時(shí)間所占據(jù)的空間； ?s接觸應(yīng)力； ??????變形率張量之分量； 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 基于碰撞安全的前縱梁優(yōu)化分析 9 ?????? = ?????? = 12(????????????+ ????????????) (22) 其中， ????總坐標(biāo)系，且采用的是笛卡爾系坐標(biāo)。 將域 V 用有限元離散化，并引入虛位移場(chǎng)后，式（ 21）可化為二階常微分方程組： M??? = ???????? ? ???????? +???? （ 23） 式中， ???????? = ∑∫ ??????????????????=1???? ???????? = ∑∫ ??????????????????????=1???? ???? = ∫ ?????????????????? M質(zhì)量矩陣； ???節(jié)點(diǎn)加速度矢量； ????????節(jié)點(diǎn)內(nèi)力矢量； ????????節(jié)點(diǎn)外力矢量； ????接觸力及分布力矢量； ???e單元 e 的外部邊界； ????單元總述； 此外，式（ 23）還必須滿足如下初始條件、邊界條件及接觸約束條件： 在 t=0 時(shí)刻，假設(shè)個(gè)接觸截面的初始接觸力為零，汽車的初始位置及碰撞初速度已知，更一般地，有一些部件的運(yùn)動(dòng)速度曲線已知，則接觸碰撞系統(tǒng)的初始條件可表述為： u(x， 0) = u(0) ?? ∈ ?? (24) ???(??`,??) = ???(??) ?? ∈ ?? (25) 在汽車碰撞 CAE 分析中，經(jīng)常會(huì)遇到汽車撞擊剛性墻的問(wèn)題，剛性墻始終重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 基于碰撞安全的前縱梁優(yōu)化分析 10 是處于固定狀態(tài)的，更一般地，有一些部件在碰撞過(guò)程中已經(jīng)給定了位移，于是在給 定了位移 g(x,t)的邊界 ???1上，其邊界條件可表述為： u(???,??) = ??(??,??) ??? ∈ ?? (26) 此外，在有分布力作用的表面邊界 ???2上，其邊界條件可表述為： σ ?n = q (27) 式中， n表面邊界的單位法外矢； q表面分布力。 在進(jìn)行汽車碰撞仿真分析的過(guò)程中，不可避免的會(huì)涉及到接觸問(wèn)題。在用LSDYNA 進(jìn)行數(shù)字模擬時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題： ① 單位必須統(tǒng)一，不協(xié)調(diào)的單位會(huì)使得不能計(jì)算或者模型相應(yīng)異常； ② 不要出現(xiàn)單點(diǎn)的載荷，這可能引起沙漏的出現(xiàn)； ③ 在定義接觸類型時(shí)，應(yīng)使用自接觸； ④ 不能在相同的結(jié)構(gòu)處定義多重接觸； 金屬薄壁前縱梁抗撞性的評(píng)價(jià)指標(biāo) 作為汽車碰撞時(shí)最主要的吸能元件 —— 前縱梁，它的吸能主要 是依靠其自身塑性變形來(lái)完成的，其吸能效果并非單一地依靠某一因素起作用，而是多種因素共同作用。前縱梁多個(gè)抗撞性指標(biāo)既相互聯(lián)系也相互獨(dú)立。 金屬薄壁梁的主要抗撞性評(píng)價(jià)指標(biāo)如下 [48]，前縱梁可參考之 : ① 總吸能 E：汽車發(fā)生碰撞時(shí)，所吸收的總能量； ② 壓縮比吸能：在有效變形長(zhǎng)度內(nèi)，單位長(zhǎng)度所吸收的能量； ③ 比吸能 SEA：汽車發(fā)生碰撞時(shí)，縱梁?jiǎn)挝毁|(zhì)量所吸收的能量； ④ 壓潰距離 l:前縱梁碰撞時(shí)的最大 軸向壓潰量； ⑤ 體積比吸能 EV：在前縱梁有效變形長(zhǎng)度內(nèi)，單位體積吸收的能量； ⑥ 撞擊力峰值 Fp：汽車發(fā)生碰撞時(shí)，所產(chǎn)生的最大撞擊力； ⑦ 減速度峰值 G：汽車發(fā)生碰撞時(shí)，減速度的最大值； ⑧ 壓潰穩(wěn)定性：汽車發(fā)生碰撞時(shí)，前縱梁在軸向壓潰過(guò)程中，抵抗發(fā)生不穩(wěn)定屈曲變形的能力； 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 基于碰撞安全的前縱梁優(yōu)化分析 11 ⑨ 平均撞擊力 Fm：前縱梁碰撞時(shí)的平均值； 對(duì)金屬薄壁梁碰撞過(guò)程吸能特性的影響因素 通過(guò)國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)薄壁梁的研究探索，發(fā)現(xiàn)影響薄壁梁能量吸收的因素很多，例如：材料特性、速度、截面形狀、載荷方向、結(jié)構(gòu)尺寸、觸發(fā)方式、載荷施加形式等等。下面簡(jiǎn)單地從工藝、幾何因素、材料特性幾方面分析對(duì)前總量碰撞時(shí)對(duì)吸能的影響 [48]： ① 工藝形式 金屬前縱梁受到軸向撞擊時(shí)，它的變形模式即縱梁材料塑性變形的過(guò)程。這是通過(guò)控制褶皺的數(shù)量、間距和縱梁褶皺的穩(wěn)定性來(lái)控制總的吸能；事實(shí)上，通過(guò)合理地設(shè)計(jì)觸發(fā)方式、管內(nèi)連接板等工藝、合理地布置加強(qiáng)筋、正確地調(diào)整焊點(diǎn)數(shù)目和焊點(diǎn)間距，都可以控制 薄壁梁的變形吸能性能。 ② 幾何因素 不同尺寸參數(shù)和不同界面形狀的薄壁梁在碰撞時(shí)，能量的吸收能力、抗撞性和變形模式都不同。 ③ 材料屬性 同樣是塑性材料，在相同的應(yīng)力條件下，塑性變