（机械制造及其自动化专业论文）汽车车门防撞梁结构改进与优化.pdf

汽车车门防撞梁结构改进与优化捅斐随着我国经济的快速发展，国内汽车的保有量日益增多，汽车碰撞交通事故随之增加，在众多的碰撞事故中，汽车侧碰因其更容易伤及乘员而更加让人关注；同时，国际社会对汽车的安全性要求越来越高，国产汽车更加需要突破汽车安全技术瓶颈以拓展国际市场。因此，对汽车碰撞安全性能以及车内乘员保护的研究意义重大。本文以汽车车门重点防撞击部件( 防撞梁，又称防撞杆) 为研究对象。分析了改善防撞梁抗撞击性能的可能方式，结合美国联邦机动车安全碰撞标准( f m v s s2 1 4 ) 和相关汽车静态碰撞强度实验要求，建立了四种优化方案进行对比寻优，采用现代自动优化设计方法完善防撞梁结构。具体研究内容如下：首先，研究有限元仿真建模关键技术，基于f m v s s21 4 碰撞标准和汽车碰撞静态实验要求建立车门碰撞系统，利用现代主流碰撞仿真软件搭建高效可行的有限元仿真平台。通过对车门模型有效性验证，证明了搭建的有限元仿真平台是高效的，车门碰撞仿真系统是合理的。其次，基于车门仿真碰撞系统建立简化的防撞梁碰撞系统。以方形截面防撞梁为研究对象，提出防撞梁性能评价方法，探索了四种防撞梁优化设计方案，分别为壁厚增加方案、梁截面梯形方案、梁壁强化槽设计方案以及梁截面顶边与梁壁大圆角设计方案。重点从比吸能( s e a ，s p e c i f i ce n e r g ya b s o r p t i o n ) 、抗碰撞力和防撞梁轻量化的角度对四种设计方案进行对比筛选。最终选出梁截面梯形方案和截面项边与梁壁大圆角设计方案为较理想的设计方案。最后，结合两种优选出的设计方案，选用梯形截面梁。以圆角半径为优化因素，利用均分法进行单因素实验设计，获取圆角半径1 8 个样本点，采用移动最小二乘法建立圆角半径与比吸能之间的近似数学模型。并且借助可行方向法对所建立的近似数学模型进行迭代寻优，获取最优的圆角半径，并对优化结果进行仿真计算验证。最后将优化结果与初始模型进行数据对比分析。关键词：防撞梁；有限元仿真；数学模型；迭代寻优哈尔滨工程大学硕士学位论文a b s t r a c tw i t hc h i n a sr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h ed o m e s t i cc a ro w n e r s h i pi si n c r e a s i n g ，a tt h es a m et i m e ，i ns i d ei m p a c tc o l l i s i o no fc a r s ，t h ed r i v e ri sm o r ep r o n et oi n j u r y , s oi ts h o u l db eam a t t e ro fc o n c e r n e d m e a n w h i l e ，t h ei n t e r n a t i o n a lc o m m u n i t yh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yd e m a n d i n gf o ra u t o m o t i v es a f e t y t h e r e f o r e ，t h ed o m e s t i cc a rn e e dt ob r e a kt h r o u g ht h et e c h n i c a lb a r r i e ri na u t o m o t i v es a f e t yt e c h n o l o g yt oe x p a n dt h ei n t e r n a t i o n a lm a r k e t i t ，si m p o r t a n tt os t u d yt h ec a rc o l l i s i o ns a f e t yp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , f o c u s e do nt h ek e ya b s o r b i n ge n e r g yc o m p o n e n t ( d o o rb e a m ) i nt h ef r o n to ft h ec a rd o o rs y s t e ma st h eo b je c to fs t u d y ，p o s s i b l ew a y so fi m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fa n t i c o l l i s i o nb e a mw e r ea n a l y z e d w i t ht h eu s f e d e r a lm o t o rv e h i c l es a f e t ys t a n d a r d( f m v s s214 ) a n dt h e r e l a t e dc a rc r a s hs t a t i cs t r e n g t ht e s tr e q u i r e m e n t su s e d ，f o u ro p t i m i z a t i o nm e t h o d sw e r ee s t a b l i s h e df o rc o n t r a s t t h em o d e md e s i g nm e t h o do fo p t i m i z a t i o nw a su s e dt oi m p r o v ea n t i c o l l i s i o nb e a ms t r u c t u r e t h ef o l l o w i n gs p e c i f i c st h er e s e a r c hw o r k s ：f i r s t l y , k e yt e c h n o l o g i e so ft h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nw e r es t u d i e d ，b a s eo nf m v ss214 ，d o o rc o l l i s i o ns y s t e mw a sc r e a t e d ，t h em o d e mm a i n s t r e a mc r a s hs i m u l a t i o ns o f l w a r e sw e r eu s e dt ob u i l dt h ep l a t f o r mo ft h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n t h r o u g hv a l i d a t i o no ft h ed o o rc o l l i s i o ns y s t e m ，p r o v e dt h a tt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o np l a t f o r mi sh i g h l ye f f i c i e n ta n dt h ed o o rc r a s hs i m u l a t i o ns y s t e mi sr e a s o n a b l e s e c o n d l y , e s t a b l i s h e da n t i c o l l i s i o nb e a ms y s t e m m a d et h es q u a r ec r o s s s e c t i o nd o o rb e a ma st h es t u d y , t h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nm e t h o do ft h ea n t i c o l l i s i o nb e a mw a sp r o p o s e da n df o u rd e s i g no p t i m i z a t i o no ft h eb u m p e rb e a m sw e r ee x p l o r e d t h i c k n e s si n c r e a s i n g ，t r a p e z o i d a lc r o s s s e c t i o nb e a m ，s t r e n g t h e ng r o o v eo ft h eb e a m ，t h el a r g er o u n db e t w e e nt h eb e a m w a l la n dt h et o pe d g e f o c u sf r o mt h es e a ( s p e c i f i ce n e r g ya b s o r p t i o n ) ，a n t i - c o l l i s i o nf o r c ea n db e a ml i g h t w e i g h tf o rc o m p a r i n g f i n a l l y , t h et r a p e z o i d a lc r o s s s e c t i o nb e a ma n dt h el a r g er o u n db e t w e e nt h eb e a m w a l la n dt h et o pe d g ew e r ec h o s e nf i n a l l y , t h et w ok i n d so ft h eo p t i m i z a t i o nw e r ec o m b i n e d o nt h et r a p e z o i d a lc r o s s s e c t i o nb e a m ，r a d i u sw a sd e s i g n e d b a s e do n18s a m p l ep o i n t st h a to b t a i n e db ya v e r a g es e p a r a t i o no fs i n g l ef a c t o rd o e ，t h ep r o x i m a t em a t h e m a t i c a lm o d e lo fr e l a t i o n s h i pb e t w e e nr a d i u sa n ds e ap r o p e r t yi se s t a b l i s h e db ya d o p t i n gt h em o v i n gl e a s ts q u a r e sm e t h o d t h e n ，哈尔滨工程大学硕士学位论文u s i n gt h ep r o x i m a t em a t h e m a t i c a lm o d e lt oe x e c u t ei t e r a t i v eo p t i m i z a t i o nb yf e a s i b l ed i r e c t i o no p t i m i z a t i o na l g o r i t h mo b t a i n st h eo p t i m a lr a d i u sv a l u eo ft h eb e a m t h et e s tr e s u l t sv e r i f yt h a tt h eo p t i m i z a t i o nm e t h o db a s e do na p p r o x i m a t em a t h e m a t i c a lm o d e li sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e f i n a l l y , t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h ei n i t i a ld a t am o d e l p r o v e dt h a tt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sa r eg o o do b v i o u s l y k e y w o r d s ：b u m p e rb e a m ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；i t e r a t i v eo p t i m i z a t i o n第1 章绪论第1 章绪论1 1 车辆侧碰研究的背景和意义1 1 1 近年来我国车辆碰撞事故发展情况汽车安全、节能和环保问题是当今世界汽车工程领域三大热点i 口- j 题”3 。其中汽车安全性涉及到人的生命安全，财产安全，极其重要。从上个世纪八十年代末，伴随着改革开放，中国经济开始起飞，家用汽车保有量呈现逐年上升趋势，中国交通事故年死亡人数超过了五万余人。2 0 0 9 年，中国汽车保有量达到世界汽车保有量的百分之三，相比之下交通事故死亡人数却占到世界的百分之十六暖1 。根据公安部交通管理局近十年交通事故统计( 如图1 1 所示) 说明，虽然近十年我国的交通事故呈下降趋势，但是每年的人员伤亡及财产损失仍不容乐观。图1 1 我国近十年交通事故2 0 1 0 年，全国共计报到道路交通事故3 9 6 1 6 4 起，直接财产损失9 3 亿元，同往年比上升3 5 9 ，其中死亡6 5 2 2 5 人、受伤2 5 4 0 7 5 人。因此，在我国优化车辆安全系统，提高车辆乘员及行人保护能力，以及完善交通碰撞法规有着更加实际并且重大的意义。1 1 2 汽车交通事故的过程与形式汽车碰撞事故的主要形式是车与车、人或者其它障碍物碰撞。碰撞前、碰撞和碰撞后组成了碰撞事故的三大过程。碰撞前的运动，是指由人观察到碰撞物体或车辆而产生的本能反应采取转向或者紧急制动等回避事故的操作；碰撞是车辆之间或者车辆与其它物体之间在发生交通事故开始时相互接触的过程。研究表明，在所有碰撞事故中，哈尔滨工程大学硕士学位论文i i其持续时间大致为0 1 0 2 秒左右p 1 。碰撞过程中，车与其它物体进行能量转化，车辆吸能部件的塑性变形消耗碰撞大部分动能，一部分能量被碰撞物体吸收或者碰撞体与地面摩擦消耗掉，其余的能量转移到碰撞后，促使车与物体继续单独多方向运动。碰撞后剩余的动能被路面及空气摩擦等方式消耗掉，最终车与物体停止运动，相对路面静止。汽车主要碰撞事故类型如图1 2 所示。由图可知，汽车碰撞事故中，主要事故类型有正面碰撞、侧面碰撞、追尾事故和翻车，其中侧面碰撞大约占到3 2 ，在所有碰撞事故类型中所占的比例最高。图1 2 汽车各碰撞类型所占比例汽车碰撞是一个瞬态非线性的过程，同时由于车门的相对薄弱、车门与乘员空间狭小致使乘员受伤的概率增加”1 ，因此将汽车侧面碰撞作为本文研究和分析的重点内容。1 1 3 汽车侧碰类型及乘员损伤机理在实际碰撞事故中，车与其它障碍物的侧面碰撞比较少见，大多数的侧碰发生于车与车的侧碰。如图1 3 所示，车与车侧面碰撞的主要形式有如下三种：( a ) 车与车垂直运动方向的侧碰、( b ) 车与车速度方向成一角度的逆向侧碰、( c ) 车与车速度方向成一角度的同向侧碰。通过三角函数的运算可知，同种类型的车辆在相同的速度前提下，( a ) 类型的碰撞产生的碰撞力最大，( c ) 类型的碰撞产生的碰撞力最小。因此无论是国内外碰撞安全法规的制定，还是科研工作者的研究，大都是基于( a ) 类碰撞类型，最典型的是美国f m v s s 2 1 4 汽车侧面碰撞法规静态强度实验。在后续的章节中将会详细介绍该实验。汽车侧碰过程中，乘员的损伤主要来自于车门受到外力作用变形。由于车门离乘员较近，这也是为什么侧碰事故导致乘员死亡率较正碰和追尾要高的多的主要原因。汽车，第1 章绪论侧碰对乘员的损伤主要是机械损伤，即对乘员身体的直接损伤，同时也会产生生物损伤和心理损伤，生物损伤主要是大脑生物功能的损伤，心理损伤是指碰撞过程使乘员产生的心理上的恐惧或惊慌。有效避免汽车侧碰对乘员的损伤，同时也要考虑到汽车的主被动安全性的研究。回期一( a ) 垂直侧碰1 2 汽车安全性( b ) 成某一角度逆向侧碰( c ) 成某一角度同向侧碰图1 3 汽车侧碰三种不同形式汽车安全性包括碰撞事故发生前实施安全措施的主动安全性和碰撞发生时车辆本身减轻碰撞过程中人员受伤指数的被动安全性两大类。两种安全性的结合既可以预防和回避事故f 1 ，又可以减轻人员伤害和经济损失。其中，被动安全性又可分为减轻车内乘员受伤和货物受损的能力的车内部被动安全性和减轻对事故所涉及的其它乘员和车辆的损害的能力的外部被动安全性【6 。本文主要研究车辆碰撞过程中的被动安全性，针对主动安全性只进行简要介绍，重点介绍汽车被动安全性。1 2 1 汽车主动安全性现代车辆的安全系统越来越多，车辆的设计已经开始融合最先进的电子技术和计算机技术。较为普遍的传统主动安全系统主要有b a s ( 制动辅助系统) 、a b s ( 防抱死制动系统) 、a s r ( 驱动防滑装置) 等，较为前沿的智能交通主动安全系统有碰撞规避系统、车辆偏离警告系统、驾驶辅助系统、自动驾驶公路系统、监测系统等f 1 。应用于现代汽车主动安全的关键性技术主要有以下几种：机器视觉技术、传感器技术、车载通信技术、计算机综合控制技术。1 2 2 汽车被动安全性因为被动安全性是在碰撞后起到主要作用，因此，汽车被动安全性的重点是为了改进或优化汽车整体及内部的吸能部件的结构，提高汽车的抗碰撞能力，通过碰撞变形吸能来保护乘员。应用于汽车被动安全的新技术主要有以下几种：哈尔滨工程大学硕士学位论文1 、汽车t 黑匣子”。为了准确的分析事故发生的原因，在汽车碰撞过程中记录和检测碰撞瞬间汽车内部各个位置的传感器信号变化情况。2 、紧急门锁释放装置。该装置与碰撞传感器联合使用，传感器收到碰撞信号，系统释放信号促使车门迅速打开，方便乘员快速离开。3 、智能安全气囊。基于一般安全气囊保护作用，安装多级气体发生器和更多的传感系统，降低气囊打开时对乘员的击伤程度，从而达到最佳保护效果。4 、防撞型安全转向柱。转向柱的重要作用在于碰撞力达到一定值时可以通过自身的伸缩、弯曲或断裂，达到吸收碰撞动能从而隔绝一次碰撞影响的目的。5 、安全枕头。顾名思义，在追尾事故中，驾驶员由于惯性后仰容易损伤颈部，因此，安全枕头的作用就是要有效保护人的头部的作用。6 、防撞吸能车厢。现代汽车普遍采用高强度合金材料、在汽车安全设计的过程中，优化车厢材料尺寸和结构以及采用中间追加泡沫填充物的夹层钢板等方式，可以获得更优安全车身，并且可以防止多角度的撞击。尽管现在的主动安全技术已经很先进，但是道路交通事故在所难免，为了有效的保护发生事故时当事人的安全和减小财产损失，应该广泛应用汽车被动安全技术，当前汽车被动安全的发展趋势有h ：1 、为了在设计汽车安全性能时节约成本，计算机仿真得到广泛应用。计算机碰撞仿真分析技术发展的核心是提高仿真运算速度。建立健全法规标准，发展新的人体及车体模型模拟技术，运动高精度的优化算法等新技术可以有效地提高仿真性能。2 、当前汽车研究的热点是汽车的碰撞保护。通过建立整车车体内外的全面保护机制、引用前沿技术可以起到智能化保护作用。同时车身主要吸能组件的研究等措施使得汽车碰撞保护得到有效发展。由于车门离驾驶员比较近，发生碰撞事故时容易伤及驾驶员，所以提高车门的抗撞性进而提高汽车车门的被动安全性日趋重要，现阶段最有效，最经济的手段就是在车门内部安装防撞梁。图1 4 是2 0 1 0 北京车展上某品牌车型的车门防撞系统，可以清楚的看到车门内部斜置防撞梁。4一一第1 章绪论图1 42 0 1 0 年北京车展上国内某公司展出的车门防撞系统可以发现，车门防撞系统的关键部件即为防撞梁，又称防撞杆。该结构拆卸及更换都很方便、而且碰撞过程中能承受最多的撞击力，缓冲最多的碰撞动能，保证乘员在车内的生存空间，在受到撞击后，减小乘员在侧门受到直接撞击侵入时的受伤程度，将乘员受伤减d , n 最少，而且有效保护了汽车其它的关键部件，使得汽车碰撞后的维修成本大幅度降低。针对防撞梁的结构进行优化，使其承受的碰撞力和吸收的动能最大化即为本文研究的重点，同时保证汽车的轻量化。1 3 汽车侧面碰撞国内外研究现状目前，世界上知名的汽车厂家主要通过两种方式来防止车辆碰撞时对乘员的伤害，一种是采用安全带、安全气囊等乘员约束系统来保护乘员，另一种是采用结构缓冲与吸能措施来吸收碰撞动能从而减少碰撞过程中乘员承受的碰撞能量。其中，改善汽车车体结构缓冲撞击力以及优化汽车吸能部件的吸能特性是最经济有效的方法。而最通用的方法是设计具有液压或气压的车体缓冲装置，在碰撞时可以通过车体变形吸能达到碰撞动能吸收最大化的目的1 引。为了达到缓冲吸能的目的，当前汽车普遍应用薄壁吸能装置，通过折叠压缩式的塑性变形来消耗大量的碰撞动能”“1 9 1 。另外车辆本身可以通过自身的变形和零件松脱来吸收部分能量。1 3 1 国外研究现状，国外尤其是欧美日等发达国家对汽车安全性的研究起步较早且发展日趋完善，早在上世纪的三十年代，欧美等国已经开始从事汽车碰撞研究，八十年代开始利用计算机仿真运算进行c a e 分析。在不断的发展过程中，碰撞实验日益成熟，碰撞法规和实验方气哈尔滨工程大学硕士学位论文法逐渐被制定且已经提出了明确的评价指标和方法。1 9 6 6 年8 月3 1 日，美国政府通过了国家交通和汽车安全法。1 9 6 6 年9 月2 8 日，美国政府实施了1 7 项汽车安全法规，同时与后来追加的9 项安全法规编订为后来著名的f m v s s ( f e d e r a lm o t o rv e h i c l es t a n d a r d ) 系列安全法规川。目前收录在美国联邦法规集c f r 的f m v s s 法规共有5 9 项 2 1 2 2 。其中涉及被动安全的法规共有2 个系列，即共计2 8 项的2 0 0 系列和3 0 0 系列【2 “。在欧洲，e c e 法规系统和e e c 指令均对汽车被动安全性提出了要求( 7 4 2 9 7 e e c ) 、对乘员约束系统和对安全带的要求( 7 7 5 4 1 e e c ) 、安全带的固定要求( 7 6 1 1 e e c ) 、座椅及固定要求( 7 4 4 0 8 e e c ) 等。在国外市场，防撞梁的结构已经形成了两种结构体系，分别为钢管结构和冲压件结构，如图1 5 所示。其中，钢管结构防撞梁是由高强度钢管作为防撞梁主体，用冲压件支架实现与车门搭接。具有重量较轻，制造工艺好等优点。但同时具有布置方式局限大和价格高等缺点，主要常见于日韩系车。冲压件结构防撞梁由高强度钢板冲压而成，具有便于布置，结构简单，生产效率高等优点。但同时其成型工艺难度大，由于成型困难，有时被迫降低材料硬度，导致重量增大的等缺点，主要见于欧美系车。本文主要基于冲压件结构防撞梁进行研究，探索出一种重量较轻且抗冲击性能高的防撞梁结构。防撞梁图1 5 防撞梁结构形态在国外科研机构一些专家学者也作出了相关的研究：se r z c n ，zr e n 和ia n z e l 从汽车轻量化的角度出发，在汽车侧面防撞梁上，用玻璃纤维增强塑料代替普通的钢铁材料，通过有限元计算分析，发现在相同受力情况下的吸能增加了，最重要的是降低了1 0 的重量，达到了最初的目的。b y r o n b l o c h 提出五点关于增加车辆侧面耐撞性和保护侧面碰撞中乘员的安全性建议，包括：使用实心刚性泡沫材料来加强车身的刚度与强度，内饰使用能吸能的空心材料及使用侧面安全气囊。6第1 章绪论国外除了对于车门及内部防撞梁的结构研究之外，还扩展到了碰撞假人的研究，通过碰撞实验观察假人的损伤程度来评价车门安全结构设计的合理性。另外，通过仿真实验与真实实验对比研究，既减少了研究成本，又提高了效率。1 3 2 国内研究现状我国的汽车工业起步比较晚，发展比较缓慢，因此在法规制定以及汽车碰撞实验设施建设方面都比较不足。目前国内的碰撞标准大都在国外法规的基础上进行修改引用，这也符合目前国产汽车的需求，在汽车碰撞测试方面只出台了一个标准( g b11 5 5 l m2 0 0 3 ) ，虽然没有欧美安全法规完善，但我国已经逐渐起步并且完善符合中国国情的碰撞法规。2 0 0 0 年1 月1 日，我国相关部门审查并通过了针对汽车驾驶员保护的正面碰撞乘员保护法规( c m v d r 2 9 4 ) 体系。2 0 0 6 年7 月1 臼，我国依据欧洲e c e 法规体系制定和实施了汽车侧面碰撞安全法规。近年来，在计算机仿真和车辆实验台方面，我国的汽车安全性研究工作发展很快。为了与国际接轨，同时为了符合党中央提出的以人为本、构建和谐社会的原则，探索汽车碰撞研究方法不仅可以为企业和研究单位积累经验，更重要的是可以减少人员伤亡e “。江苏大学游国忠等人通过有限元模拟，证实车门内部的关键吸能部件( 防撞梁) 的结构设计以及材料优化都可以改善车门的防撞击特性。防撞梁的优化可以改善整个车门乃至整个汽车的抗撞击性能| 二。湖南大学王方等人通过车门防撞梁碰撞安全性的研究表明，在车门内加装防撞梁能行之有效地减小侧面结构的变形，降低乘员各部位尤其是胸腹部的损伤值瞄。中国汽车技术研究中心曾必强等专家通过对车门轻量化的大量的实验研究数据表明：为防止碰撞过程中车门对驾驶室的侵入量过大，在车门中设置的加强板不宜采用过强结构l 二“。大连理工大学张通等人通过改变车门内部防撞横梁的材料的方法进行数值计算表明材料的选择方式决定了梁的耐撞击性p 。目前国内大部分的大学主要通过计算机仿真实验来研究车门及防撞梁的结构，比较经济适用，这虽然较好的提高了车门抗碰撞性能，但缺乏实车碰撞实验依据。部分研究所及著名生产厂家已经开始使用实车碰撞来研究车辆抗撞击性能。清华大学汽车研究所、中国汽车技术中心、一汽、二汽、上海交通装卸厂等单位先后建成或引进了汽车碰撞试验台，进行了对汽车吸能部件实车碰撞实验。国内凌云工业已经开始将日韩系车中的钢管结构防撞梁进行国产化。7哈尔滨工程大学硕士学位论文总之，我国在汽车安全方面虽做了不少的研究工作，但车辆安全性设计依然是中国汽车行业的薄弱环节，还有很多的问题需要解决和完善。中国政府相关部门也开始逐渐制定和完善侧面碰撞及其他安全性的法规。随着信息技术和计算机技术的不段发展，以及其他信息技术的不断革新，在车门防撞梁优化方面还有很大空间，还可以做的更加完善，因此针对汽车防撞梁的优化研究方面还需进一步的深入工作。1 4 课题主要研究内容和研究目标1 4 1 问题的提出为了与国际汽车安全性研究设计接轨，国内汽车安全性研究也已经搞了很多年。最初是通过国际技术合作，引进国际先进汽车公司的生产技术来满足国内的市场需求，但是这并不利于国产汽车产业的发展。之后，国内相关部门开始研究和制定汽车安全碰撞法规，并且日趋完善。但总的来说，由于起步时间晚，相关的技术储备不足，以及配套件等相关行业发展缓慢的制约，汽车安全性的总体设计还有很大的发展空间。从本课题研究的角度讲，前人的研究已经提出了多种防撞梁的结构。汽车车门防撞梁的研究已在国内汽车安全性研究的大环境下进入友好发展阶段。由于防撞梁的研究还不成熟，通过阅读最近几年的文献资料以及观察汽车生产及交通安全事故可知，目前防撞梁研究的显见问题有：( 1 ) 研究防撞梁的性能是要提高其抗碰撞性能。目前国产汽车在提高抗撞击性能过程中，出现了为单纯提高抗撞击性能而忽略了防撞梁轻量化的问题。( 2 ) 防撞梁的研究探索过程中不注意加工的简易复杂程度。目前很多防撞梁的截面结构d h - r 较复杂，抗撞击性能较差等现象。增加了加工成本，未考虑到经济性要求。( 3 ) 由于国内汽车侧碰法规还不完善，需要更多的实车碰撞实验来完善国内的碰撞法规。目前国内对防撞梁的研究还局限于欧美日等国的法规。针对防撞梁的研究过程也是完善国内侧碰法规的过程。( 4 ) 过于追求防撞梁的经济性以节约成本。防撞梁的选材不同，造成了部分防撞梁的实际碰撞中易断裂等问题，未能达到抗撞击性能的要求。1 4 2 课题研究的主要内容本课题依据美国侧门强度试验安全法规f m v s s 2 1 4 的要求，设计出车门内部高吸能部件防撞梁的有限元模型，并对该模型进行验证。从模型各个参数入手，进行有限元仿真优化设计，最终给出满足法规要求的防撞梁结构，实现吸收能量最大化，和较高的缓r第1 章绪论冲撞击力的能力。本文主要研究内容如下：( 1 ) 基于f m v s s 2 1 4 汽车侧门碰撞标准，结合u g 建模软件和通用有限元处理软件h y p e r m e s h ，建立汽车前门碰撞系统整体有限元模型和防撞梁与刚性柱碰撞的简化有限元模型，并对模型进行验证计算。运用h y p e r g r a p h 进行数据采集。( 2 ) 在保证防撞梁总质量不增加的前提下，基于原防撞梁的基本截面结构，设计多个防撞梁设计方案并进行对比寻优，得到防撞梁最佳的设计方案和方法。( 3 ) 结合多个可行的设计方案或方法，寻找影响防撞梁抗撞击性能的主要因素，建立单因素优化设计方案。( 4 ) 应用h y p e r s t u d y 和l s d y n a 软件，基于移动最d - - 乘响应面近似模型理论构建圆角半径与比吸能的近似数学模型，进行模型优化计算，将最终得到的优化结果并进行仿真计算验证。( 5 ) 将优化模型计算数据与原模型计算数据对进行比分析，并对优化结果进行验证。1 4 3 课题的拟完成的研究目标本文研究的主要目的是在前人研究的基石出上，对方形防撞梁的结构进行改进，拟完成如下目标：首先，搭建有限元仿真平台，并通过数据验证仿真平台的可靠性。其次，对于防撞梁结构的研究提出多种改进方案，并通过仿真实验验证并对比各个方案的优化性能，选择出最理想的优化方案。再次，建立现代优化方法的优化平台，并通过误差分析验证优化平台的精度。最后，依据优化因素的多少选用的合适的优化方法，得到防撞梁的最优结构。1 5 论文的框架结构第一章主要介绍车辆侧碰安全研究的目的和意义以及近年来国内外研究的现状。在国际以及国内研究的大背景下，研究前人的研究成果，提出自己研究的问题、主要内容以及研究目标。第二章阐述涉及汽车碰撞有限元基本理论，简要介绍汽车碰撞过程中大变形理论和求解方法以及单元类型的选取原则，重点描述在碰撞过程中接触界面的处理方法。第三章基于普遍认可的现代建模技术建立汽车车门的有限元模型，搭建仿真平台，并且对模型的有效性进行验证。9；兰些至鍪耋壁丝丝圣一第四章提取防撞梁的碰撞系统，探索防撞梁性能提高方案，将各个方案进行对比寻优。第五章基于第四章的方案设计，采用现代优化方法建立优化问题，进行优化设计，筛选数据建立移动最小二乘数学模型。模型数据进行迭代寻优，得到最终的优化结果。1 0第2 章汽车侧碰过程计算机仿真基本理论与方法第2 章汽车侧碰过程计算机仿真基本理论与方法由于汽车碰撞是个复杂的瞬态过程，且汽车各个部件的变形属于弹塑性力学的研究范畴，因此这就涉及到显式非线性有限元基础理论。目前常用碰撞分析软件l s d y n a 算法与基础理论也应用了本章即将提到的内容。因此对于非线性有限元法的研究显得尤为重要，本章将系统介绍显式有限元法为后续章节做好理论基础。2 1 汽车侧碰过程中基本力学方程汽车碰撞问题实质上就是要研究从碰撞接触时刻t = 0 到碰撞完成时刻t o 这个时间范围内的碰撞过程的响应与分析，该碰撞过程主要受以下几大类方程的制约1 28 | 。1 运动方程接触系统的运动必须满足如下运动方程：式中，六、六和工分别为沿x 、y 、三方向单位体积的体积力，y 、z 方向的位移，p 为质量密度。( 2 一1 ) 可以写成如下形式：l o - + f = p 螽式中，三为微分算子，l =旦ooo 旦旦8 xb z谚。熹。委。芸两a z瓠00 旦旦旦0应力矢量仃、体积力矢量厂和位移矢量“分别可有下式表示：仃：矗，r k ，y仃2p x ，仃1 ，仃：，r ) = ，r j j ，f 习f ：心x j 7 飞”= ，y( 2 - 1 )“、v 和w 分别为沿x 、( 2 - 2 )( 2 - 3 )一肚一：=歹，7+生瑟蔓昆竺瑟生砂峨一砂一秒帆i i 眈百；鎏丝型堂型型鲨圣一2 j l d 可方程( 应变一位移关系)针对汽车零部件碰撞微小变形的过程，可以不考虑导数中的高次幂，以下为应变和位移矢量的关系式，：d “s j2 _o c t ua 1 ) ，：2 瓦+ 万0z铡洲s j2 _d vc 3 ua ) ，2 瓦+ 瓦o za x们vs = 0 2a 甜西y 掣2 面+ 瓦。钟c 工程上应变分量和应变张量分量是两个不同的定义，上式可以写成矩阵的形式加以完善为：s = r “( 2 - 4 )式中，应变矢量：f17 、s2p ，s j ，s ：，) ，f ，) ，。，y 妙j3 单塑性材料应力应变关系尽管汽车碰撞过程中汽车的零部件均会以多种方式参与能量吸收，但是通过前人的数据统计和实验可知，主要的吸能形式是吸能部件的塑形变形。因此，需要对弹塑形材料的应力应变关系较为系统的研究。弹性力学中的弹性关系是指应力与应变间的函数转换关系p 引，可以用矩阵表示为：仃= d s( 2 - 5 )对于各向同性材料，式( 2 5 ) 中的弹性矩阵d 的表示取决于弹性模量e 和柏松比u 。或d ：墨! ! 二竺!( 1 + u ) ( 1 2 v )1 旦旦1 一u1 一u1 旦01 一u1对称1 2 02 ( 1 一u 、1 2 u2 ( 1 一u 、1 2 v2 ( 1 一d )如果涉及到弹塑性变形计算时，通常可以将应变分成弹性和塑形两部分，即= e + p第2 章汽车侧碰过程计算机仿真基本理论与方法亡= ee - i - 亡p式中，s 和叠总应变和总应变率s 。和。弹性应变和弹性应变率s p 和童p 塑性应变和塑性应变率三维等向硬化弹塑性形模型，以v o n m i s s e s 屈服准则及其相应的协同流动准则为基础得到公式：6 - = c 印叠( 2 - 6 )c 印= k i i + 2 g 1 4 一，o1 3 一g non ( g + 西3 ) 】d o - 1 ，仃l ，2 2c i 口式中，厶表示4 阶单位张量k 体积模量，单位二阶张量玎垂直于屈服面的单位矢量o 张量积三维等向强化弹塑形模型虽然能较好地反映一些常用金属材料在加载过程中的变形特性，且计算相对简单，但不能反应反向加载时的b a u s c h i n g e r 效应，当变形模式较为复杂时，采用三维随动硬化弹塑性模型更为合理，公式如下：6 - = ( 1 印( 2 7 )c 印= k i o i + 2 g 1 4 一， 1 3 2 g n o n ( 2 g + c ) 式中，c 常数一个更能反映材料真实特性的弹塑形材料模型是介于等向硬化和随动硬化模型中间的综合硬化模型，公式如下：方= c 印( 2 8 )c 甲= k ，oi + 2 g i 。一i i 3 2 g non ( 2 g + 2 万r 3 + c ) 以上主要讨论了几种常用的弹塑性材料模型的基本理论和计算公式，其他类型的弹塑性材料模型计算方法也可参照上述方法建立。获得材料的应力率和应变率关系后，通过数值积分的方法计算不同时刻的应力增量，最终通过应力累积得出总应力。4 边界条件在汽车碰撞仿真中，刚性墙( 汽车碰撞刚性墙动态实验) 或者汽车( 刚性柱碰撞静13哈尔滨工程大学硕士学位论文止汽车的静态实验) 位移一般定义为0 ，而非接触边界上的外力也一般为0 。为了定义边界条件，现引入一组边界单位矢量。参见图2 1 ，以法向矢量m 为基础，定义两个相互垂直的切向单位矢量奶和饥，使它们的满足如下关系式：图2 1 边界单位矢量的定义n 1 = 7 n 2 7 3( 2 9 )于是位移和载荷边界条件可分别表示为：7 材= 7 万( 在边界上7 f d 上)7 仃。7 n l j = 。萄( 在边界上7 r f 上)式中，7 甜给定的边界位移7 玩给定的单位面积上的边界力虿的第，个分量。l ，7f f 上f 拘单位法向矢量7 ，的第个分量应当注意，当7 f d 上的位移给定后，r d 上的速度和加速度也随之而定，即r v ：亟( 在边界上，r d 上)d tu，口：丛望d l25 初始条件系统的初始位移和初始速度可用如下方式给定：u ( x ，o ) = 历v ( x ，0 ) = 可式中，万和f 初始位移和初始速度( 在边界上r d 上)( x oq )( x oq )第2 章汽车侧碰过程计算机仿真基本理论与方法2 2 显式有限元理论与基本方法2 2 1 物体的变形描述2 0 世纪7 0 年代，美国l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验室研究开发了比较成功的汽车被动安全理论，自此，有关计算机碰撞仿真的软件的开发基本都以该理论为核心并不断加强和改进。下面简要介绍该理论卜“。考虑空间物体如图2 2 所示，在初始时n t = 0 ，构型为风，其上任一点在固定坐标系中的坐标为x 。( 仅：1 ，2 ，3 ) ，在任一时刻t 移动到一个新的位置x i ( 浮1 , 2 ，3 ) ，应用拉格朗日物质描述的方法有：x 3对应时刻t = 0 ，有初始条件：式中，v ，初始速度对应不同的边界分别满足：( 1 ) 力边界条件a 6 。图2 2 空间物体变形前后构型x ，= _ ) ：，( x 。，f )( 2 1 0 )x ，( x 。，0 ) = x 。文，( x 。，0 ) = v i ( x 。)仃。，7 ，= ，( ，)15( 2 - 1 1 )哈尔滨工程大学硕士学位论文( 2 ) 位移边界条件动，x ，( x 。，f ) = d 以)( 2 1 2 )( 3 ) 接触内边界条件a 坟( 仃p q - 一o i ) 玎j = 0( x + = x - )( 2 1 3 )式中，仃j ，为应力张量，p 为物体的密度，为体积力，戈为加速度，一为边界外法向的单位向量。质量守恒定律可描述为p v = p o( 2 1 4 )式中，矿相对体积力j d 参考密度变形梯度矩阵f ，可表示为2 熹( 2 - 1 5 )能量方程为e = v s 叠v 一( p + q ) v( 2 1 6 )式中，s 。偏应力张量p 压力s 驴= 仃口+ ( p + q ) 5 口p2 一j 仃口6 一q2 一j 仃船一g式中，g 体积粘度驴 糍；叠；，应变率张量2 2 2 更新拉格朗日方程在汽车碰撞过程计算机仿真中广泛应用的是更新的拉格朗日方程，又称修正的拉格朗日法或者增量拉格朗日方程p ，。1 6在有限元求解过程中，可应用虚功原理将运动方程变成变分形式m 。假设时刻，有一虚位移场渤作用于接触体系，对应虚位移8 u 的虚应变& ，那么应力场7 仃做的虚功为6 2f _ q o - & 艘( 2 1 7 )给定外力做的虚功6 6 = f q7 6 ，渤，艘+ f ，玩渤，d f t( 2 1 8 )接触力做的虚功6 矾2 乒g ，渤：钌+ 乒7 9 ，渤三峦( 2 1 9 )惯性力做的虚功艿= 一土q7 幽，洗，孢( 2 2 0 )根据虚位移原理，质量守恒及虚功原理，得到6 骶一6 一6 一6 = 0( 2 2 1 )l ，如施一n b 以饱- ：j 。气渤f 艘( 2 2 2 )一i ，7 9 ，( 面2 一渤1 ) 7 ? 搬+ j q7 j d 日，阮，饱= oj q 硪艘一i n 6 渤艘一j 7 虿渤尥( 2 2 3 )一j 27 9 ，( 面2 一渤1 ) 7 ? 峦+ f q 。p7 口砸孢= o由于f 时刻系统位移为已知，所以7q 是已知的，c 也为已知，式( 2 2 3 ) 中的积分都是在已知区域上的积分。应用有限元法对积分域rq 和rc 进行离散可得s = b u( 2 2 4 )q 位移插值矩阵( 2 二2 4 ) 代入式( 2 2 3 ) 得p u ) 7 ( 。f 一7 e 一7 c + 。e ) = 0( 2 2 5 )哈尔滨工程大学硕士学位论文式中，1f = pt6 般c = 矽7 + q n q d s”qf f7 f c = i 鳞7 9 。d sr 乏c = f q m p a d f 2式中，艿u 虚位移7 f 内力矢量7 e 外力矢量7 f 接触力矢量7 c 惯性力矢量7 a 加速度场7 c 也可写成c = m ( 2 2 6 )式中，m 质量矩阵m = 归m p o q由于5 u 代表任意的虚位移场，式( 8 ) 得以成立的条件为f jfe jfc 0f8 = 0( 2 2 6 ) 代入( 2 2 7 ) 并整理得到更新拉格朗日方程m 么= 7 e + 7 c 一7 f2 3 薄壳理论与单元( 2 - 2 7 )( 2 - 2 8 )目前，在车辆碰撞仿真方面，最常用的是四节点四边形薄壳单元，其算法主要有两种：b e l y t s c h k o t s a y 算法和h u g h e s - l i u 算法。其中，b e l y t s c h k o t s a y 算法由经典薄壳理论m i n d l i n 假设导出，运算速度快。由于防撞梁碰撞系统的模型并不复杂，且为了计算方便，提高计算效率，本文将采用b e l y t s c h k o t s a y 薄壳单元算法进行有限元仿真分析。基于b e l r t s c h k o t s a v 算法的薄壳单元公式是许多著名软件如l s d y n a ，e t a ，a n s y s l s 。d y n a 中应用的单元公式。只要网格理想，单元翘曲不是特别严重，即可用该算1 8法公式。对于防撞梁碰撞系统，整体模型的单元为壳单元，而且单元的质量较高，因此b e l y t s c h k o - y s a y 算法是较理想的算法。b e l y t s c h k o 。t s a y 算法的基本理论如下，首先建立局部坐标系如图2 3 所示，图中a )为局部坐标系与总体坐标系的关系；b ) 为薄壳单元在局部坐标系- 1 d ；：平面内的投影m ，：e匕_ 心图2 3b e l y t s c h k o t s a y 薄壳单元的局部坐标系定义坐标中的矢量q 、p ：和e ，按如下方法构造：e 3 - = x 1 3 x 2 4 i x l 3 x 2 4q = ：- ( x l ：咳) e 3 x l ：一( x 。：匝，e ，p 22p 3 。p 1壳单元内任意一点在局部坐标系内的坐标可表示为：一一女一一k一