【導讀】有交通事故中的40%左右。因此，提高汽車正面碰撞性能迫在眉睫。又是汽車在正面碰撞中最主要吸能的部件。因此，如何研究縱梁使其改善在碰撞。潰特性、吸能情況、碰撞力載荷峰值的影響。合適數(shù)目的誘導槽可以有效地誘導前縱梁按較好的壓潰形式進行。壓潰，吸收更多的能量、降低碰撞力和減速度峰值。若是其他設(shè)計要求，必須添加幾何特征時，應把幾何特征放在誘導槽。而深度過深、過淺都會有相反的作用，是縱梁在碰撞中發(fā)生彎折，

　　

【正文】 整車碰撞中是主要的傳力和 吸能結(jié)構(gòu)，它的碰撞性能將影響整車碰撞時的發(fā)動機的侵入量和加速度的大小。縱梁碰撞時最理想的變形模式是漸進式壓潰，漸進式壓潰可以使金屬薄板更為充分地變形以吸收更多的能量，這種變形模式要比彎折式變形效果好得多。然而實際情況中，前縱梁在碰撞過程中很容易出現(xiàn)彎折現(xiàn)象。 為了是前縱梁變形時是漸進式變形，國內(nèi)外學者對此作出了諸多研究。實驗證明誘導槽及誘導槽的大小、形狀、深度、位置等都對前縱梁的壓潰形式有顯著的影響。 本文將對前縱梁的誘導槽數(shù)目、誘導槽處前縱梁的其他幾何特征、及誘導槽的深度展開優(yōu)化設(shè)計分析。首先采用 Hypermesh 和 LSDYNA 軟件對不同誘導槽數(shù)目的前縱梁在 50km/h 的條件下與剛性墻發(fā)生正面碰撞的抗撞特性就行仿真分析，將分別從吸能特性、前縱梁的壓潰形式、最大撞擊力進行優(yōu)化設(shè)計。 誘導槽數(shù)目對縱梁抗撞性的影響 誘導槽數(shù)目對前縱梁的吸能特性的影響 由于汽車碰撞時主要是前縱梁壓潰吸能，為了更方便的對比誘導槽數(shù)目對吸能效果的影響，本文只針對前誘導槽位置所在處的縱梁外板進行吸能情況作對比。如圖 所示為不同數(shù)目誘導槽的前縱梁外板。 重慶理工大學畢業(yè)論文 基于碰撞安全的前縱梁優(yōu)化分析 23 圖 不同數(shù)目誘導槽的前縱梁外板 計算后發(fā)現(xiàn)，誘導槽的數(shù)目確實對縱梁的碰撞吸能有一定的影響。如圖 展示了不同誘導槽數(shù)目對前縱梁吸能效果的影響。當沒有誘導槽時，縱梁外板吸能最少；當誘導槽數(shù)目為 4 時，縱梁外板的吸能效果最好。此曲線組說明了，誘導槽的存在對縱梁的吸能有較大的影響，且有誘導槽的縱梁比沒有誘導槽的縱梁碰撞時能吸收更多的能量。 在圖中可以看到，當誘導槽數(shù)目為 2 時，吸能效果最好，且非?？拷?。說明單單針對此縱梁，要使吸能效果最好，誘導槽的數(shù)目應選 1 或 2。然而前縱梁在碰撞過程中的吸能卻不是和誘導槽的數(shù)目成正相關(guān)，縱梁的吸能是隨 著誘導槽的數(shù)目增加先增加后下降。 重慶理工大學畢業(yè)論文 基于碰撞安全的前縱梁優(yōu)化分析 24 圖 不同數(shù)目的誘導槽的縱梁外板的吸能情況 誘導槽數(shù)目對前縱梁的壓潰形式的影響 作為碰撞中最主要的吸能結(jié)構(gòu)，我們希望前縱梁能吸收更多的能量，使撞擊過程中更少的能量和更小的力傳給駕乘人員。前縱梁外板擁有好的壓潰形式，可以使縱梁外板充分變形以吸收更多的能量。如下圖所示，為不同數(shù)目誘導槽前縱梁外板碰撞過程中的變形情況。 圖 0 個誘導槽縱梁外板的變形情況 +06+00+06+06+06+06+06+06+06+06+060 能量（J） 時間（ s） 0誘導槽 1誘導槽 2誘導槽 3誘導槽 4誘導槽 5誘導槽 重慶理工大學畢業(yè)論文 基于碰撞安全的前縱梁優(yōu)化分析 25 圖 1 個誘導槽縱梁外板的變形情況 圖 2 個誘導槽縱梁外板的變形情況圖 圖 3 個誘導槽縱梁外板的變形情況 重慶理工大學畢業(yè)論文 基于碰撞安全的前縱梁優(yōu)化分析 26 圖 4 個誘導槽縱梁外板的變形情況圖 圖 5 個誘導槽縱梁外板的變形情況圖 從圖中不同誘導槽數(shù)目前縱梁的壓潰形式可已看出，隨著誘導槽數(shù)目的增加，縱梁彎折現(xiàn)象越來越嚴重，這似乎與預期結(jié)果并不相符 （此問題將在 節(jié)得到解決）。 誘導槽數(shù)目對最大碰撞力的影響 評價碰撞對車內(nèi)駕乘人員造成傷害的程度主要是看碰撞過程中的力和加速度。為了保證乘員安全，我們希望汽車碰撞時的碰撞峰值力和峰值加速度越小越重慶理工大學畢業(yè)論文 基于碰撞安全的前縱梁優(yōu)化分析 27 好，這樣可以降低乘員傷亡。同時，也希望再碰撞后期 ，碰撞力保持平穩(wěn)降低，且時間越長越好，防止乘員造成多次碰撞，造成更嚴重的殺害傷害。力作用時間越長，也可保證減速度的降低，同時載荷也會越平穩(wěn)，是縱梁能夠在平穩(wěn)載荷下保持穩(wěn)定變形，吸收更多的能量。 由于時間限制和軟件原因?qū)λ俣惹€進行求導時產(chǎn)生錯誤，不能求出加速度，本文將用力代替加速度進行分析，但也有其科學依據(jù)。其原因如下： ① 求碰撞時的加速度主要是求 B 柱成員處的加速度； ② 本文并非研究整車碰撞，而只是研究前縱梁的抗撞安全特性，故用質(zhì)心點代替整車質(zhì)心。此質(zhì)心用剛性連接和縱梁后端（含 B 柱區(qū)域）相連。因此， B柱加速度相當于整車加速度； ③ 根據(jù)牛頓第二定律： F=ma 可知， a=F/m，其中 a 為整車加速度， F 為碰撞力， m為整車質(zhì)量。因為各縱梁質(zhì)量幾乎相等，因此 F 的變化即可反映 a 的變化，其中 m可看成系數(shù)。 本文將不同數(shù)目誘導槽的前縱梁以 50km/h 的速度與剛性墻進行碰撞仿真實驗。通過仿真實驗，如圖 可以知道： 當縱梁外板有 0 個誘導槽時，截面力峰值為 401KN； 1 個誘導槽時，截面力峰值為 508KN； 2 個誘導槽時，截面力峰值 696KN； 3 個誘導槽時，截面力峰值為 563KN； 4 個誘導槽時，截面力峰值為1015KN； 5 個誘導槽時，截面力峰值為 1008KN。 從圖中整體趨勢可以看出，似乎誘導槽的數(shù)目越多縱梁碰撞力更加了，當誘導槽數(shù)目為 4 時比誘導槽數(shù)目為 0 的縱梁碰撞力高出了兩倍還多，結(jié)果與經(jīng)驗不符，否定了誘導槽存在的價值。出現(xiàn)了跟上述壓潰形式同樣的問題。仔細觀察HyperViews 提供的碰撞動畫，可以清楚地看到誘導槽處縱梁外板上存在其他幾何特征，誘導了縱梁發(fā)生彎折，使得 誘導槽失去了其應有作用。下面本文將對誘導槽處縱梁外板上存在其他幾何特征是否對誘導槽的作用產(chǎn)生干擾作出優(yōu)化。 重慶理工大學畢業(yè)論文 基于碰撞安全的前縱梁優(yōu)化分析 28 圖 不同數(shù)目誘導槽縱梁截面力 誘導槽處縱梁的其他幾何特征對抗撞性能的影響 在模型的仿真分析時，發(fā)現(xiàn)所有模型在碰撞過程中縱梁都會發(fā)生彎折。通過 HyperView 對計算出的模型進行動畫模擬時，發(fā)現(xiàn)當碰撞進行到 左右時，縱梁開始發(fā)生彎折。在彎折的部位，有幾何特征?？赡苁沁@個幾何特征影響了縱梁的壓潰過程。先對其進行優(yōu)化分析，如圖 和圖 所示。通過對網(wǎng)格的修復優(yōu)化，去除了誘導槽處縱梁上的幾何特征，其他設(shè)置保持不變，然后再進行計算分析。 圖 有幾何特征 圖 無幾何特征 +05+00+05+05+05+05+06+060 碰撞力（N） 時間（ s） 5個誘導槽 4個誘導槽 3個誘導槽 2個誘導槽 1個誘導槽 無誘導槽 重慶理工大學畢業(yè)論文 基于碰撞安全的前縱梁優(yōu)化分析 29 誘導槽處的幾何特征對壓潰效果的影響 如圖 、圖 為去除幾何特征前后縱梁碰撞結(jié)果。 圖 有特征縱梁的碰撞情況 圖 無特征縱梁的碰撞情況 從圖中可以清楚地看到當誘導槽處縱梁 存在幾何特征時，縱梁碰撞是會出現(xiàn)彎折現(xiàn)象，這將嚴重影響縱梁的吸能；而去掉特征后的縱梁結(jié)構(gòu)其穩(wěn)定性要比前者好得多，且誘導槽處無特征的縱梁的壓潰變形更加有序，壓潰效果會更好。 根據(jù)給定的前縱梁，誘導槽處存在幾何特征。從上面的壓潰情況看，縱梁誘導槽處是不應該有幾何特征的。即使是其他因素必須的設(shè)計，這樣的幾何特征應該盡量避開誘導槽，不然會嚴重影響誘導槽所引起到的作用。 誘導槽處的幾何特征對能量吸收的影響 上述碰撞結(jié)果可以看到，誘導槽處有幾何特征的前縱梁比無特征的前縱梁壓潰特性好。下面可以從吸能的角度看誘導 槽處無特征的前縱梁的吸能情況是否依然較好。如圖 所示，為兩種梁碰撞時的吸能情況。 重慶理工大學畢業(yè)論文 基于碰撞安全的前縱梁優(yōu)化分析 30 圖 有、無幾何特征的前縱梁 上述研究可知 ,壓潰性能較好的縱梁理應具有較好的吸能效果，由圖 可以看出，事實確實如此。從上圖可知，誘導槽處無幾何特征的縱梁結(jié)構(gòu)在碰撞時能吸收 9484KJ 的能量，而有特征縱梁在碰撞吸能式吸收了 8453KJ 的能量，比無特征縱梁少吸收了 %的能量。 因此，從能量角度看，誘導槽處無特征的前縱梁有更好的吸能效果。 誘導槽處的幾何特征對碰撞力的影響 對有無特征的縱梁進行 仿真分析，得到縱梁碰撞力，如圖 所示，為誘導槽處有無幾何特征的前縱梁的碰撞力曲線。+06+00+06+06+06+06+070 能量（J） 時間（ S） 有幾何特征 沒有幾何特征 重慶理工大學畢業(yè)論文 基于碰撞安全的前縱梁優(yōu)化分析 31 圖 誘導槽處有無幾何特征的前縱梁的碰撞力曲線 從圖中可以明顯地看出，當誘導槽處無幾何特征時，其力變化較為平穩(wěn)，反映了誘導槽處無幾何特征的縱梁碰撞時按順序均勻壓潰的特性。此外，當誘導槽處有幾何特征時，碰撞峰值力為 696KN，比無特征的縱梁碰撞力 376KN 大了近一倍左右。這使得有特征縱梁在碰撞過程中，車內(nèi)成員承受更大的碰撞力和加速度，嚴重影響成員的安全。 綜上可以知道，誘導槽的作用是引導縱梁有序、穩(wěn)定地變形，讓縱梁更多地吸收碰撞產(chǎn)生的能量，減小碰撞力和加速度，使得乘員更加安全。因此，誘導槽處不應該出現(xiàn)其他的幾何特征以影響誘導槽的作用。當其他設(shè)計的需要，不得不在縱梁上添加幾何特征時，建議應盡量避開誘導槽區(qū)域，在誘導槽后部增添幾何特征。 誘導槽數(shù)目對無幾何特征縱梁的影響 由于誘導槽處的幾何特征對縱梁壓潰形式產(chǎn)生了極大的影響，上述對誘導槽數(shù)目的研究并不準確。下面去除誘導槽處的幾何特征后，從新對誘導槽數(shù)目進行分析。 +05+00+05+05+05+05+05+05+05+050 碰撞力（N） 時間（ S） 有特征 無特征 重慶理工大學畢業(yè)論文 基于碰撞安全的前縱梁優(yōu)化分析 32 無幾何特征各縱梁的壓潰形式 去掉幾何特征后，針對不同數(shù)目誘導槽的縱梁從新進行計算分析，其碰撞后整體壓潰形式如下： 圖 0 誘導槽的壓潰情況 圖 1 誘導槽的壓潰情況 圖 2 誘導槽的壓潰情況 重慶理工大學畢業(yè)論文 基于碰撞安全的前縱梁優(yōu)化分析 33 圖 3 誘導槽的壓潰情況 圖 4 誘導槽的壓潰情況 圖 5 誘導槽的壓潰情況 又上圖可以看出，去掉幾何特征后，縱梁的壓潰形式較好，基本不存在彎折現(xiàn)象，可以認為是由誘導槽數(shù)目引起的。上文介紹到，為了減小對乘客的傷害，C 區(qū)變形應盡量小。由圖可知，當誘導槽數(shù)目為 0， 3， 4， 5 時，縱梁 C 區(qū)變形較為嚴重，容易對乘客造成較大的傷害；當誘導槽數(shù)目為 1 時，盡管 C 區(qū)變形重慶理工大學畢業(yè)論文 基于碰撞安全的前縱梁優(yōu)化分析 34 較小，但縱梁出現(xiàn)了彎折，減小了碰撞能量吸收。因此，針對此縱梁，當誘導槽數(shù)目為 2 時，縱梁擁有較好的壓潰形式。 無幾何特征各縱梁的碰撞力 去掉誘導槽處幾何特征后，其不同誘導槽數(shù)目縱梁碰撞力如圖 所示， 圖 不同數(shù)目誘導槽縱梁的碰撞力 可以看出，當誘導槽數(shù)目為 0、 3 時，峰值力較大，分別為 385KN、 393KN、390KN；當誘導槽數(shù)目為 5 時，峰值力較小，分別為： 377KN、 341KN、353KN，其中誘導槽數(shù)目為 4 時峰值力最小。但當誘導槽數(shù)目為 4 時，碰撞力很不穩(wěn)定，容易造成乘客多次碰撞，加大對乘客的傷害。綜上，誘導槽數(shù)目為2 或 5 時，碰撞力較小。 無幾何特征各縱梁的能量吸收 去掉誘導槽處集合特征后，其不同誘導槽數(shù)目縱梁在碰撞中的能量吸收情況如下， +04+00+04+05+05+05+05+05+05+05+050 碰撞力（N） 時間（ S） 0誘導槽 1誘導槽 2誘導槽 3誘導槽 4誘導槽 5誘導槽 重慶理工大學畢業(yè)論