【文章內(nèi)容簡介】 結(jié)合的方法，針對某 SUV 車正面碰撞中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)吸能問題展開研究。本論文主要從以下幾個方面對某 SUV 車的正面碰撞 試驗和仿真進行了比較系統(tǒng)的研究： （ 1）以某 SUV 車的正面碰撞試驗為例，根據(jù)試驗結(jié)論，列出了該車在正面碰撞中存在的一些問題。 （ 2）對車輛碰撞分析的非線性動態(tài)有限元方法進行了比較系統(tǒng)的論述。闡述了有限元單元理論、結(jié)構(gòu)板殼單元等對碰撞模擬比較關(guān)鍵的理論，并以碰撞分析軟件 LSDYNA為例，介紹了顯式差分方法的具體算法 。 （ 3）建立了 SUV 車的整車有限元模型，并進行了仿真。根據(jù)仿真結(jié)果，結(jié)合試驗結(jié)論，找出了問題的根源，并提出了相應(yīng)的改進措施。 （ 4）針對 SUV 車正面碰撞中吸能的典型結(jié)構(gòu)件――前縱梁，分析了影 響其吸能效果的主要因素。 2 車身制造四大工藝 車身制造四大工藝包括：沖壓，焊裝，涂裝，總裝 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設(shè)計 SUV汽車正面碰撞以及行人保護加強方案設(shè)計 16 車身沖壓工藝性 盡量減少拉伸深度：淺拉伸深度可能避免使用高價的高性能材料，增加采用高強鋼材的可能性，減少廢料，減少工續(xù)，從而減少模具和生產(chǎn)成本。 盡量增大曲率半徑：比較大的 R 角可能減輕產(chǎn)品局部變形程度，減少縮頸、開裂幾率，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。見圖 , R R2 4T, R3 6T 圖 曲率半徑的選擇 在功能性允許的情況下盡量增大拔模斜度，以利于產(chǎn)品 成型和使拔模方便易行。減少卡模的可能性，也減少表面擦傷。具體說明見圖 。兩個 B 是推薦的方式，工藝性均優(yōu)于 A 方式。 圖 拔模角的選擇 造型不合理類 :在做產(chǎn)品造型時應(yīng)充分考慮到工藝的可行性，不能片面追R 2R 1R 3TA B拔模角6度0度A B度度上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設(shè)計 SUV汽車正面碰撞以及行人保護加強方案設(shè)計 17 求形狀而忽略工藝，如： 造型復雜模具壽命低 圖 造型不合理 車身焊裝工 藝性 1） 沖壓件的可移性 零件的形狀易于被抓起和移位，不割手，不變形，不超重。 A. 大型組件要求形成框架結(jié)構(gòu)，防止變形；如形狀 、 ，減少 U 型、 X 型及其它異型。 B. 盡量避免設(shè)計易變形的大型組件（如地板面版）， C. 易變形的大型組件上設(shè)計增加剛度的小結(jié)構(gòu)， D. 單個零件要便于存放、拿取、放件時不易扭曲變形。 E. 盡量避免設(shè)計需要兩個人搬運或機械搬運的大型零件。 2） 沖壓件的焊裝可 /易夾性 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設(shè)計 SUV汽車正面碰撞以及行人保護加強方案設(shè)計 18 盡量不夾在外表面上以及其反面，以減少損傷及打磨修理工作量。夾緊面應(yīng)該設(shè)計成平面，以利于簡化夾具。最好是單一平面，（ X 平面， Y平面，和 Z 平面）以利于夾具設(shè)計和尺寸控制。 3) 焊裝易定位性 以孔 /銷定位方式為首選，型面定位方式為次選，不得已情況下采用邊緣定位方式。 A. 定位孔盡可能在主平面上； B. 各定位孔盡可能互相平行； C. 定位型面盡可能要求在平面上，減少曲面定位，杜絕交接面定位。 定位點位置、數(shù)量及方向設(shè)計合理。定位順序設(shè)計合理，以保證定位的唯一性。 4) 焊裝可 /易焊性 所有焊點均可由公司的焊槍完成。（無焊點設(shè)在焊槍死角） A. 有足夠的焊鉗進出零件的空間； B. 能夠?qū)崿F(xiàn)點焊面與焊鉗極臂垂直； C. 有電極焊接時的運動空間； D. 有足夠的可視 空間，至少能看見一個極臂與板件的接觸點； E. 零件不能與焊鉗鉗身、懸掛鋼纜、焊鉗轉(zhuǎn)盤相干涉。 同一工位焊槍能達到所有預定焊點位置，不換或少換焊槍。 A. 零件形狀所構(gòu)成的焊接面能適合普通 X 型、 C 型焊鉗焊接； B. 同一焊接工位焊接實現(xiàn)使用盡可能少的焊鉗種類，以減少換焊槍的時間； 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設(shè)計 SUV汽車正面碰撞以及行人保護加強方案設(shè)計 19 C. 能夠使用同一型號焊鉗焊接的焊點，焊接料厚盡可能接近，以便于參數(shù)統(tǒng)一，以減少切換焊接參數(shù)的時間。 5) 結(jié)構(gòu)膠 /密封膠 可 /易加性 結(jié)構(gòu)膠簡單易加。加密封簡單易行?？p隙均勻密合適合涂膠。盡量減少需要人工填塞的老鼠孔。外觀件內(nèi)結(jié)構(gòu)支撐件與外觀件之間涂敷 膨脹結(jié)構(gòu)膠間隙要求為 3～ 5mm，最大 6mm。 表 點焊三層板搭接順序要求 6) 壓邊 可 /易 壓 性 壓邊簡單易行。符合模具包邊的要求。 7) 四門兩蓋、翼子板的可裝配性 裝配件的結(jié)構(gòu)便于裝配，平度和間隙易保證，安裝點位置和數(shù)量要合理。 車身涂裝工藝性 No. 搭接狀態(tài) 說明 料厚要求 1 薄板在中間，厚板在兩側(cè) 最薄料厚：最厚料厚≥ 1： 3 側(cè)邊最薄料厚：其余 `兩料厚之和≥ 1： 4 2 厚板在中間，薄板在兩側(cè) 3 薄板、厚板按順序疊加 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設(shè)計 SUV汽車正面碰撞以及行人保護加強方案設(shè)計 20 1) 與其他 車型的運載通融性（ 柔性生產(chǎn)的考慮） 此項檢查，其目的是本車型的柔性程度，如與本公司其他車共用定位點。下部定位是否符合柔性生產(chǎn)的要求（具有與現(xiàn)有車型相同的定位孔）吊具不同車型能混線生產(chǎn)（具有與現(xiàn)有車型相同的吊孔）掛吊的車身強度查核 ,重心核查。 2) 噴涂死區(qū) 盡量從設(shè)計上消除噴涂死區(qū)。避免增加 步驟。 3) 噴涂工藝器具和輔具簡單易行 需要的噴涂工藝器具少，輔具機構(gòu)簡單，易設(shè)計，易制造，易使用 車身總裝工藝性 總裝模塊安排的合理性： 。 的分塊要合理。 件數(shù)目最小化。 零部件安裝的分塊要遵循：安裝操作盡量簡單，易保證裝配質(zhì)量的原則。 3 本文選題研究的主要理論方法 有限元的基本思想和理論 在科學技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對許多力學問題和物理問題，人們已經(jīng)得到了它們應(yīng)遵循的基本方程 (常微分方程和偏微分方程 )和相應(yīng)的邊界條件。但能用解析法求出精確解的只是少數(shù)方程性質(zhì)比較簡單，且?guī)缀涡螤钕喈斠?guī)則的問題。對于大多數(shù)問題，由于方程的某些特征的非線性，或由于求解區(qū)域的幾何形狀比較復雜，則不能得到解析的答案。因此人們就要尋找另外上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設(shè)計 SUV汽車正面碰撞以及行人保護加強方案設(shè)計 21 的一種求解途徑和方法。有限元就是在這種背景 下提出的。特別是近三十年，隨著計算機的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，有限元已經(jīng)成為解決實際工程問題的主要方法 有限元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限、且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合體。由于單元能按不同的聯(lián)結(jié)方式進行組合，且單元本身又可以有不同的形狀，因此可以模型化集合形狀復雜的區(qū)域。有限元法作為數(shù)值分析方法的另一個重要特點是利用在每個單元內(nèi)假定的近似函數(shù)來分片地表示全求解域上代求的未知場函數(shù)。單元內(nèi)的近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)或及其導數(shù)在單元的各個節(jié)點的數(shù)值和其插值函數(shù)來表示。這樣一來，一個問題的有 限元分析中，未知場函數(shù)或及其導數(shù)在各個節(jié)點上的數(shù)值就成為新的未知量 (即自由度 )，從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。一經(jīng)求解出這些未知量，就可以通過插植函數(shù)計算出各個單元場函數(shù)的近似值，從而得到整個求解域上的近似解。顯然隨著單元數(shù)目的增加，也即單元尺寸的減少，或者隨著單元自由度的增加及插值函數(shù)精度的提高，解的精確程度將不斷提高。如果單元是滿足收斂要求的，近似解最后將收斂于精確解 碰撞模擬的非線性有限元基本理論 汽車碰撞是一個瞬態(tài)的復雜物理過程，它包含以大位移、大轉(zhuǎn)動和大應(yīng)變?yōu)樘?征的幾何非線性，以材料彈塑性變形為典型特征的材料非線性和以接觸摩擦為特征的邊界非線性，這些非線性物理現(xiàn)象的綜合作用使汽車碰撞過程的精確描述和求解十分困難。描述汽車碰撞過程的眾多變量不僅是空間坐標變量的復雜函數(shù)，同時一般也是時間變量的復雜函數(shù)。汽車碰上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設(shè)計 SUV汽車正面碰撞以及行人保護加強方案設(shè)計 22 撞過程的仿真一般是基于有限元方法的空間域離散技術(shù)和基于有限差分法的時間域離散技術(shù)。空間域離散有多種方法。這些方法對應(yīng)不同的有限元單元，如殼體單元、實體單元和梁單元。汽車中的大部分零件是采用金屬薄板沖壓而成，通常用殼體單元就能較好地描述其變形特征。 時間域的離散也可 以用不同形式的有限差分法，如中心差分法或牛曼法。采用中心差分法時，可通過將質(zhì)量矩陣對角化而避免求解聯(lián)立方程組，采用牛曼法時，由于未知變量的系數(shù)矩陣既包含質(zhì)量矩陣，也包含剛度矩陣，無法實現(xiàn)對角化，因此必須求解聯(lián)立方程組，這就是所謂的隱式仿真算法。顯式仿真算法的特點在于不求解聯(lián)立的方程組，從而不需存儲系數(shù)矩陣，占內(nèi)存小，且單項求解速度快，無收斂性問題，但顯式仿真算法存在數(shù)值穩(wěn)定性問題，即仿真時間步長不能超過其臨界值。隱式仿真算法的特點是要求解聯(lián)立的方程組，每步求解都需要迭代，且存在收斂性的問題 。但它是無條件穩(wěn)定 的，即仿真時間步長可以任意大而不會導致數(shù)值穩(wěn)定性問題。由于汽車碰撞過程是具有很強的非線形特征，且是一個瞬態(tài)過程，其物理本質(zhì)決定了它的仿真只能采用足夠小的時間步長，否則就會帶來收斂性問題后過大的計算誤差，再考慮到隱式仿真算法必須迭代求解，其無條件穩(wěn)定性特征在汽車碰撞仿真中并無太多優(yōu)勢。因此，在本課題中，采用顯式仿真算法。 汽車碰撞屬于高速碰撞現(xiàn)象，描述這類現(xiàn)象的主要方法有 Euler法、Lagrange法和 ALE(Arbitrary Langrangian一 ulerian)法 。 Euler法多 用于流體力學問題，在 固體力學中用的很少 。ALE法是處理流體 固體相互作用的較好方法，適用于高速碰撞現(xiàn)象描述，其理論與算法較復雜，在具體編上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設(shè)計 SUV汽車正面碰撞以及行人保護加強方案設(shè)計 23 程和工程中不易實 現(xiàn)； Lagrange法 是目前描述固體碰撞行為的最成熟最方便的方法。采用 Lagrange法描述的有限元法可以處理高速碰撞工程中復雜的邊界條件和復雜的材料本構(gòu)關(guān)系，并且對接觸滑移面描述非常方便。在汽車碰撞的計算機模擬中，應(yīng)用最為廣泛是 Lagrange法。 Lagrange法描述的基本方程主要包括連續(xù)介質(zhì)力學的質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒方程。 物體的構(gòu)形描述及質(zhì)量守恒 方程 在固定的直角坐標系中， B為物體的初始構(gòu)形，經(jīng)過一定時間 t后，其現(xiàn)時構(gòu)形為 b. B中任意一點 Xa (a =1,2,3)經(jīng)時間 t后成為現(xiàn)時構(gòu)形中的點 :(i = 1,2,3)口在連續(xù)介質(zhì)力學中，假設(shè)物體及其變形和運動都是連續(xù)的，它表明 B中每一個點 X。與且僅與 b中一個 質(zhì)點對 應(yīng)， 反之亦然 ,使 用Lagrange描述法，現(xiàn)時構(gòu)形以初始構(gòu)形表示 : ),( tXxx ij ?? )3,2,1( ?i ?? ????????????????? （ ） 令 t=0，即可求得初始條件為 ?? XXxi ?)0,( ???????????????????????? （ ） ?? VXx ?)0,( ???????????????????????? （ ） 質(zhì)量守恒可表示為 : oJ??? ??????????????????????????? （ ） 式中 ，ρ為當前質(zhì)量密度；ρ o為初始質(zhì)量密度； J為相對體積系數(shù)；即 Jacobi 矩陣jiy XxF ??? 的行列式值。 運動微分方程 設(shè)想在物體上取任意一閉合面 S, S面內(nèi)包圍的體積 V。如果 V內(nèi)單位體上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設(shè)計 SUV汽車正面碰撞以及行人保護加強方案設(shè)計 24 積的介質(zhì)受到體力 (如重力等 )為ρ為介質(zhì)密度， if 為單位質(zhì)量的介質(zhì)上受到的外力，則 V內(nèi)介質(zhì)所受的總的體力為iy fdV??。除體力外，閉和面內(nèi)的介質(zhì)還將受面力的作用。設(shè)在閉和面上的任意點選取一面元 ds，如果 ds上的總的應(yīng)力 (單位面積上的力 )分量為 ni? ，則 ds面上用力為 dsni??? 。因此，閉和面內(nèi)介質(zhì)所受的合力為 ?? ?? fdVdsni ?? 。如果介質(zhì)內(nèi)各點之間的相對位移忽略不計 (根據(jù)小變形假設(shè) )，且以 i? 表示 S面內(nèi)某點的位移矢量，則根據(jù)牛頓第二定律有 : dVtdVfds iini ??? ???? 22 ???? ???????????????? ?? () 將 jjini n?? ? 代入，得 dVtdVfdsn iijji ??? ???? 22 ???? ????????????????? （ ） 利用高斯定理可得 dVxAdsnA iiii ?? ??? ?????????????????????? （ ） 上式可化為 dVtdVfx iijji ?? ?????? 22)( ???? ?????????????????? （ ） 由于 S面是任意取的，可令它收縮為一點，此時有 jjix??? if?? = 22t i???? ????????