【文章內(nèi)容簡介】 性能，Scania 公司在整個(gè)開發(fā)過程中，正在推廣設(shè)計(jì)師、分析師和檢驗(yàn)部門更加緊密地協(xié)同工作方式。這種協(xié)調(diào)工作方式可使 Scania 公司更具市場應(yīng)變能力，同時(shí)又能從物理樣機(jī)和虛擬數(shù)字化樣機(jī)中不斷積累產(chǎn)品知識(shí)。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10 車頭 3D 數(shù)模圖 21 車頭 3D 模型 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11第三章 碰撞過程中各吸能區(qū)的劃分及作用 車身的概述車身是汽車的“上層建筑” ，是整車的四大組成部分之一。汽車的更新?lián)Q代很大程度上取決于汽車車身技術(shù)的發(fā)展。汽車車身涉及美學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、環(huán)境學(xué)、計(jì)算機(jī)、機(jī)械工程學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、材料和化工等。車身一般由白車身、內(nèi)飾、外件、附件組成。 白車身白車身：英文 body in white,是指車身本件及覆蓋件的總成，包括車身焊接本體、翼子板、四門兩蓋（五門一蓋） ，不含附件及裝飾件的未涂漆的車身。如下圖：圖 白車身結(jié)構(gòu) 車身的作用1)實(shí)現(xiàn)整車功能的作用2)為乘員提供舒適的乘坐環(huán)境3)為乘員提供安全保護(hù)措施本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）124)減少空氣阻力5)增強(qiáng)汽車的美觀性其中，為乘員提供安全保護(hù)措施是本課題研究的主要內(nèi)容，即車頭碰撞安全性的研究。 車頭結(jié)構(gòu)下圖為本課題研究的電動(dòng)車的整車效果圖圖 整車效果圖車頭主要由前保險(xiǎn)杠、車頭頂蓋、翼子板和車頭內(nèi)部骨架組成。由于該純電動(dòng)車車頭較短，在碰撞過程中起主要作用的是車頭內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)，如下圖所示：圖 車頭骨架結(jié)構(gòu)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13 車頭骨架設(shè)計(jì)要求要有足夠的空間安裝汽車懸架，動(dòng)力總成以及其他附件。1)最大變形量的控制，這一許可變形區(qū)的實(shí)現(xiàn)是密切相關(guān)的。車體結(jié)構(gòu)侵入乘員空間造成的接觸傷害是主要的傷害成因之一，在汽車碰撞中應(yīng)盡量避免對乘員的接觸傷害，絕對保證乘員艙結(jié)構(gòu)的整體剛度，避免自身塌陷或其他結(jié)構(gòu)的侵入造成乘員傷害。因此，必須控制最大變形量，將碰撞變形限制在一定區(qū)域之內(nèi)。2)控制結(jié)構(gòu)變形模式，不同結(jié)構(gòu)的碰撞變形模式主要包括以下幾種，褶皺，彎曲，斷裂，其中斷裂包括焊點(diǎn)等連接 的破壞失效和結(jié)構(gòu)本身的破壞失效。不同的變形形式，能量吸收能力有很大的差異，對于汽車碰撞安全往往有決定意義，前縱梁在彎曲失效的情況下吸能能力將降低約 40%。汽車前部耐碰撞結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能針對多種碰撞邊界條件設(shè)計(jì)，使得耐撞結(jié)構(gòu)在碰撞中發(fā)生穩(wěn)定的變形，充分發(fā)揮變形吸能作用。3)結(jié)構(gòu)變形次序的控制。合理的變形次序不僅能夠使結(jié)構(gòu)有效發(fā)揮變形吸能作用，同時(shí)也能夠在一定程度上引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定變形模式。汽車前縱梁的后端在碰撞時(shí)先發(fā)生屈曲變形，則很容易引導(dǎo)整個(gè)前縱梁未變形區(qū)域相對轉(zhuǎn)動(dòng)，形成彎曲失效，而如果按照由前向后的次序變形，則不會(huì)發(fā)生這種不利于乘員保護(hù)的危險(xiǎn)情況。4) 汽車結(jié)構(gòu)大都是由沖壓件連接構(gòu)成承載結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)連接有效、可靠是保證汽車結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用的關(guān)鍵。在正面碰撞中，前縱梁是具有一定截面形狀的承載管件，它的變形過程具有較強(qiáng)的吸能能力，而當(dāng)前縱梁失去截面形狀時(shí)，就無法發(fā)揮原有的吸能能力。 碰撞過程中吸能區(qū)的劃分為了在碰撞過程中能夠充分緩沖吸收由加速度劇變產(chǎn)生的巨大能量，車頭骨架在設(shè)計(jì)時(shí)做了如個(gè)幾個(gè)吸能區(qū)：1）本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14圖 前防撞梁前防撞梁，其中三根橫梁中的中梁為主要的吸能梁，在碰撞第一時(shí)間產(chǎn)生變形，下梁為輔助吸能梁，上梁的吸能作用最小。2）圖 主吸能梁中防撞梁連接梁，在車頭碰撞過程中伴隨著前防撞梁一同變形，為主要的吸能區(qū)域。3）圖 輔助吸能梁本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15輔助吸能區(qū)，主要起二次吸能的作用。 各吸能區(qū)的作用1)前防撞梁。在正面碰撞的過程中，汽車的受力部位可能是汽車正面的任何部位，多數(shù)情況下不是吸能縱梁的所在位置，所以需要前橫梁將受到的力傳遞給吸能縱梁，同時(shí)自身吸收一定的能量。2)主吸能縱梁。根據(jù)《GB 173541998 汽車前、后端保護(hù)裝置》中的規(guī)定?；鶞?zhǔn)高度為 445mm，所以主吸能縱梁的高度設(shè)計(jì)在這一高度，吸收大部分能量。對車輛的緩沖減速起關(guān)鍵作用，同時(shí)保證車輛在減速的過程中的減速度要在合理范圍內(nèi)，保證車內(nèi)乘員的安全。3)輔助吸能縱梁。除了在基準(zhǔn)高度上要設(shè)置主吸能縱梁外，還要在其他高度設(shè)置輔助吸能縱梁，來分擔(dān)主吸能縱梁的沖擊，分擔(dān)主吸能縱梁的能量，輔助控制碰撞過程中的減速度，降低主吸能縱梁的設(shè)計(jì)剛度，從而降低設(shè)計(jì)制造成本。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16第四章 各吸能區(qū)斷面結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算 各吸能區(qū)的斷面結(jié)構(gòu)在截面位置處獲得斷面結(jié)構(gòu)：1)前防撞橫梁上梁：圖 前防撞橫梁上梁斷面結(jié)構(gòu)：圖 斷面圖截面面積 抗拉強(qiáng)度 6061 T6:310彈性模量 70GPa 慣性矩 IX=108 m4 IY=107 m4WX=IX/YMax=IX/=106 m3WY=IY/XMax=IY/=106 m3 2)前防撞橫梁中梁本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）17圖 前防撞橫梁中梁斷面結(jié)構(gòu)：圖 斷面圖截面面積 抗拉強(qiáng)度 6061 T6:310彈性模量 70GPa慣性矩 IX=107 m4 IY=107 m4WX=IX/YMax=IX/=106 m3WY=IY/XMax=IY/=105 m3截面圖形3)前防撞橫梁下梁圖 前防撞橫梁下梁本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18斷面結(jié)構(gòu)：圖 斷面圖截面面積 抗拉強(qiáng)度 6061T6:310彈性模量 70GPa慣性矩 IX=107 m4 IY=107 m4WX=IX/YMax=IX/=106 m3WY=IY/XMax=IY/=105 m34)防撞縱梁上梁圖 防撞縱梁上梁斷面結(jié)構(gòu)圖 斷面圖截面面積 抗拉強(qiáng)度 6063 T6:241本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）19彈性模量 70GPa 慣性矩 IX=106 m4 IY=106 m4WX=IX/YMax=IX/=104 m3WY=IY/XMax=IY/=104 m35)防撞縱梁中梁圖 防撞縱梁中梁斷面結(jié)構(gòu)圖 斷面圖截面面積 m2 抗拉強(qiáng)度 6063 T6:241彈性模量 70GPa慣性矩 IX=106 m4 IY=106 m4WX=IX/YMax=IX/=106 m3WY=IY/XMax=IY/= 106 m36)防撞縱梁下梁本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）20圖 防撞縱梁下梁斷面結(jié)構(gòu)圖 斷面圖截面面積 抗拉強(qiáng)度 6063 T6:241彈性模量 70GPa慣性矩 IX=106 m4 IY=106 m4WX=IX/YMax=IX/=106 m3WY=IY/XMax=IY/= 106 m3 斷面結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算我們以 100100 的截面為例，例舉以下幾種截面形狀方案來比較：本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）21我們以改變截面尺寸，例舉以下幾種截面形狀方案來比較：分析結(jié)果：加大截面尺寸是最直接，效果最好的，尺寸增加 倍，重量增加約 倍，慣性矩可以增加 倍有多，即抗彎剛度可提高 倍?？紤]到實(shí)際情況，管梁尺寸的增加幅度有限制，那么可以綜合兩種方案在增加截面尺寸的同時(shí)優(yōu)化截面形狀來滿足使用要求。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）22第五章 電動(dòng)汽車車頭結(jié)構(gòu)仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 汽車碰撞汽車碰撞是個(gè)瞬態(tài)的大位移和大變形的過程，系統(tǒng)具有幾何非線性、材料非線性和接觸非線性等多重非線性特征，它涉及在動(dòng)載下的本構(gòu)關(guān)系、非線性問題算法等問題。目前，動(dòng)態(tài)非線性有限元方法成為了汽車碰撞模擬計(jì)算的主要研究手段。 概要本流程為乘用車整車正面 100%重疊沖擊剛性壁障試驗(yàn)的通用仿真分析流程。在試驗(yàn)條件下，首先給定車輛向前方向上的初速度，然后撞向前部固定的剛性壁障。壁障面垂直于車輛行進(jìn)方向，并與車輛前部 100%重疊。仿真按照以下標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行：1)正面 48km/h 壁障沖擊仿真是執(zhí)行美國聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全標(biāo)準(zhǔn) FMVSS 208：乘員碰撞保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。2)正面 56km/h 壁障沖擊仿真是執(zhí)行美國高速公路安全協(xié)會(huì)（NHTSA）新車評價(jià)體系（NCAP 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)） 。3)低速仿真一般用在具有安全氣囊的碰撞測試中。分析主要用于評價(jià)整車在正面碰撞試驗(yàn)中的結(jié)構(gòu)性能，同時(shí)通過加入乘員系統(tǒng)來計(jì)算乘員傷害值。在整個(gè)仿真分析流程中使用到的軟件如下：1)前處理軟件： HyperMesh2)求解程序： LS_DYNA3)后處理軟件： LS_Post汽車碰撞過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的大位移和大變形過程，接觸和高速?zèng)_擊載荷影響著碰撞全過程，系統(tǒng)具有幾何非線性和材料非線性等多重非線性。汽車上的各零部件所發(fā)生的變形可以是線性彈性變形、非線性彈性變形、塑性變形、粘塑性變形及其組合等。碰撞速度與撞壓變形：汽車碰撞前方障礙物后，車體撞壓變形量隨碰撞速本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）23度的增大而增加，當(dāng)碰撞速度小于 65Km/h 時(shí)，二者成線性關(guān)系，其相對誤差小于 2% ；當(dāng)碰撞速度大于 65Km/h 時(shí)，二者成非線性，且隨碰撞速度的增大非線性也在增加。時(shí)間變化：汽車碰撞持續(xù)變形時(shí)間：40~80ms；隨碰撞相對速度增加，碰撞持續(xù)時(shí)間逐漸減少. 汽車與汽車碰撞持續(xù)時(shí)間略長于汽車碰撞剛性障礙壁的持續(xù)時(shí)間. 汽車與汽車碰撞時(shí)，碰撞持續(xù)時(shí)間隨汽車剛度不同而略有差別。汽車碰撞剛性障礙壁中速度損耗：經(jīng)過大量的計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)汽車碰撞剛性障礙壁時(shí)，速度損耗量為碰撞前的 30%左右，當(dāng)汽車與汽車碰撞時(shí)，碰撞過程中速度的損耗量低于汽車碰撞剛性障礙壁的損耗量，為 20%~25%。能量變化：汽車碰撞剛性障礙壁時(shí)，碰撞過程中損失的能量為總能量的55%左右，當(dāng)汽車與汽車發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞過程中損失的能量低于汽車碰撞剛性障礙壁時(shí)損失的能量。 HyperMesh 軟件介紹及功能Hypermesh 軟件是美國 Altair 公司的產(chǎn)品，是世界領(lǐng)先的、功能強(qiáng)大的CAE 應(yīng)用軟件包，也是一個(gè)創(chuàng)新、開放的企業(yè)級 CAE 平臺(tái)，它集成了設(shè)計(jì)與分析所需的各種工具，具有無與倫比的性能以及高度的開放性、靈活性和友好的用戶界面。在 CAE 領(lǐng)域, Hypermesh 最著名的特點(diǎn)是它所具有的強(qiáng)大的有限元網(wǎng)格前處理功能和后處理功能。一般來說，CAE 分析工程師 80％的時(shí)間都花費(fèi)在了有限元模型的建立和修改上，而真正的分析求解時(shí)間是消耗在計(jì)算機(jī)工組站上的，所以采用一個(gè)功能強(qiáng)大，使用方便靈活，并能夠與眾多 CAD 系統(tǒng)和有限元求解器進(jìn)行方便的數(shù)據(jù)交換的有限元前后處理工具，對于提高有限元分析工作的質(zhì)量和效率具有十分重要的意義。HyperMesh 是一個(gè)高性能的有限元前后處理器，它能讓 CAE 分析工程師在高度交互及可視化的環(huán)境下進(jìn)行仿真分析工作。與其他的有限元前后處理器比較，HyperMesh 的圖形用戶界面易于學(xué)習(xí)，特別是它支持直接輸入已有的三維CAD 幾何模型(UG,Pro/E,CATIA 等)已有的有限元模型，并且導(dǎo)入的效率和模型質(zhì)量都很高，可以大大減少很多重復(fù)性的工作，使得 CAE 分析工程師能夠投入更多的精力和時(shí)間到分析計(jì)算工作上去。同樣，Hypermesh 也具有先進(jìn)的后處理功能，可以保證形象地表現(xiàn)各種各樣的復(fù)雜的仿真結(jié)果，如云圖，曲線標(biāo)和本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）24動(dòng)畫等。在處理幾何模型和有限元網(wǎng)格的效率和質(zhì)量方面，HyperMesh 具有很好的速度，適應(yīng)性和可定制性，并且模型規(guī)模沒有軟件限制。其他很多有限元前處理軟件對于一些復(fù)雜的，大規(guī)模的模型在讀取數(shù)據(jù)時(shí)候，需要很長時(shí)間，而且很多情況下并不能夠成功導(dǎo)入模型，這樣后續(xù)的 CAE 分析工作就無法進(jìn)行；而如果采用 Hypermesh，其強(qiáng)大的幾何處理能力使得 Hypermesh 可以很快的讀取那些結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，規(guī)模非常大的模型數(shù)據(jù)，從而大大提高了 CAE 分析工程師的工作效率，也使得很多應(yīng)用其他前后處理軟件很難或者不能解決的問題變得迎刃而解。 LSDyna 軟件介紹及功能 是一個(gè)以顯式為主，隱式為輔的通用非線性動(dòng)力分析有限元程序，可以求解各種二維、三維非線性的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性問題。 概況DYNA 程序系列最初是 1976 年在美國 Lawrence Livermore National Laboratory 由 J．0．HaUquist 主持開發(fā)完成的，主要目的是為武器設(shè)計(jì)提供分析工具，后經(jīng) 1971981981981981988 年版的功能擴(kuò)充和改進(jìn)，成為國際著名的非線性動(dòng)力分析軟件。LS—DYNA 程序 950 版是功能齊全的幾何非線性(大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變)、材料非線性(100 多種材料模型)和接觸非線性(30 多種)程序。它以 Lagrange 算法為主，兼有 ALE 和 Euler 算法；以顯式求解為主，兼有隱式求解功能：以結(jié)構(gòu)分析為主，兼有熱分析等功能；以非線性動(dòng)力分析為主，兼有靜力分析功能(如動(dòng)力分析前的預(yù)應(yīng)力計(jì)算和薄板沖壓成型后的回彈計(jì)算)的通用結(jié)構(gòu)分析非線性有限元程序。ANSYS／LS— 版是采用 版前處理生成 顯式積分部分的輸入數(shù)據(jù)文件，ALSDYNA950 版求解器求解，生成圖形文件和時(shí)間歷程文件，在用 版后處理顯示和分析計(jì)算結(jié)果。需要隱式積分法求解時(shí)可采用 版隱式求解器。它與 版顯式求解器之間配有數(shù)據(jù)接口。 程序功能1）單元類型本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）25 程序的單元類型眾多，