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轿车前纵梁耐掩性仿真和结构优化的研究 摘要 前纵梁是汽车前碰撞中的主要吸能部件，其吸能特性和变形模式决定着碰撞过 程中车身加速度响应和力的传递路径，对汽车结构耐撞性有显著影响。计算机仿真 分析是结构耐撞性研究的重要方法，提高碰撞仿真分析水平对于准确、高效地进行 结构耐撞性分析和优化有着十分重要的意义。 本文旨在研究前纵梁碰撞仿真分析中的关键技术和影响因素，并探讨基于产品 质量工程的稳健优化设计方法在前纵梁耐撞性分析中的应用。 首先，本文应用l s d y n a 有限元分析软件建立了一种焊点模型，用壳单元模 拟母材，用单个实体单元模拟焊核和热影响区；并将该焊点模型和现有的梁单元焊 点模型应用到前纵梁台车碰撞的有限元算例中，通过相应的试验对其进行对比验 证。然后以应用实体单元焊点模型的算例作为基础模型，研究了材料应变率效应对 前纵梁碰撞仿真结果的影响。此外，本文还对影响碰撞仿真结果的其他因素如单元 尺寸、焊点尺度、板材冲压成形效应和接触摩擦进行了研究。最后本文将试验设计、 响应表面法和蒙特卡罗模拟技术相结合，构造了基于产品质量工程的6 仃稳健性优 化设计方法，对该前纵梁的耐撞性进行了优化设计。 研究结果表明：本文的实体单元焊点模型不需要细化母材网格，建模方式简 便，较现有的梁单元焊点模型有更高的模拟精度。材料应变率效应对前纵梁碰撞 仿真结果有显著影响，而静态和动态的材料拉伸试验表明：不同材料对应变率效 应的敏感程度不同，材料愈软，其应变率效应愈明显。单元尺寸、焊点尺度、板 材冲压成形效应和接触摩擦都对前纵梁碰撞仿真结果有影响；前纵梁板材单元尺寸 并不是越小越好，而应该根据部件的截面尺寸和厚度来确定最佳单元尺寸，对于本 文的前纵梁，单元尺寸为5 5m m 时的模拟效果最好；车身结构上的焊点尺度不 能设置相同的数值，而应根据板材不同的材料和厚度来设定不同的值；碰撞仿真中 应考虑板材冲压成形效应才能够更准确地反映前纵梁的耐撞性；部件和刚性墙之 间、部件和部件之间以及部件自身的接触摩擦会影响碰撞仿真的结果，在模拟计 算中要通过设定合适的接触摩擦系数来准确地反映接触摩擦的影响。基于产品质 量工程的稳健性优化设计方法能够有效提高前纵梁结构优化结果的可靠性和稳健 性。 本文的研究对提高前纵梁碰撞仿真分析水平有一定的指导意义，还为结构优化 提供了一种具有工程应用价值的方法。 关键词：有限元仿真；前纵梁；耐撞性；焊点模型；应变率效应；结构优化 i i 硕一卜学位论文 a b s t r a c t t h ef t o n t a l l o n g i t u d i n a lb e a mi s ap r i m a r yp a nf b re n e r g ya b s o r b t i i o ni nt h e f t o n t a lc r a s ho fp a s s e n g e rc a r t h ee n e r g ya b s o r p t i o na b i l i t ya n dd e f b r m a t i o nm o d e0 f t h ef t o n t a ll o n g i t u d i n a lb e a mc a na f f e c tt h ev e h i c l ea c c e l e r a t i o nr e s p o n s ea n dt h ef b r c e t r a n s f c rr o u t ei nf r o n t a li m p a c t t h ev e h i c l ec r a s h w o r t h i n e s si s o b v i o u s l ya f f e c t e db y d e s i g no ft h ef r o n t a ll o n g i t u d i n a l b e a m t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o na n a l y s i si sa n i m p o n a n tm e a n st oi n v e s t i g a t et h es t r u c t u r ec r a s h w o r t h i n e s s i n0 r d e rt oi n c r e a s et h e a c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo fa n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no ft h es t r u c t u r ec r a s h w o r t h i n e s s ，i t i sg r e a t l ys i g n i f i c a n tt oi m p r o v et h es i m u l a t i o nt e c h n i q u e t h ea i m0 fp r e s e n ts t u d yi st oi n v e s t i g a t et h ek e yf a c t o r sw h i c hi n n u e n c et h e c r a s h w o r t h i n e s so ff r o n t a ll o n g i t u d i n a lb e a mj nt h ec r a s hs i m u l a t i o n s f u r t h e r m o r e ，t h i s s t u d y i st o e x p l o r et h er o b u s to p t i m i z a t i o nm e t h o da n d i t s a p p l i c a t i o n i nt h e c r a s h w o r t h i n e s sa n a l y s i so ft h ef t o n t a l1 0 n g j t u d i n a lb e a mb a s e do nt h ep r o d u c tq u a l j t y e n g i n e e r i n g f i r s t l y ，as p o tw e l dm o d e lw a sd e v e l o p e da n di m p l e m e n t e db yu s i n go n es i n g l e s o l i de l e m e n ti nt h el s d y n as o f t w a r e t h eb a s em e t a lo ft h es p o tw e l dm o d e lw a s f e p r e s e n t e db yu s i n gs h e l le l e m e n t s t h er e g i o no fw e l dn u g g e ta n dh e a ta f f e c t e dz o n e w a sr e p r e s e n t e db yo n es i n g l es o l i de l e m e n t t h et w ot y p e so fs p o tw e l dm o d e l su s i n g s o l i de l e m e n ta n db e a me l e m e n tw e f e a p p l i e d i nt h ef em o d e l i n go faf t o n t a l l o n g i t u d i n a lb e a mi ns l e dc r a s ht e s t t h ec o r r e s p o n d i n gs l e dt e s tw i t ht h ef t o n t a l 1 0 n g i t u d i n a lb e a mw a sc a r r i e do u tt 0v a l i d a t et h e s em o d e l s s e c o n d l y ，t h es t r a i nr a t e r e s p o n s eo fm e t a ls h e e t sw a ss t u d i e db a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ef r o n t a l 1 0 n g i t u d i n a lb e a m b e s i d e s ，i n f l u e n c e s0 fo t h e ri m p o r t a n tf a c t o r st 0t h eb e a mi m p a c t r e s p o n s e sw e r ea n a l y z e di nt e r m s0 ft h em e s hs i z e ，s p o tw e l ds i z e ，s t a m pf o r m i n g0 f m e t a ls h e e ta n df r i c j o nj nc o n t a c tj nt h es i m u l a t j o n so ft h ef t o n t a l1 0 n g j t u d i n a lb e a mi n f r o n t a lc r a s h f i n a l l y t h es i xs i g m ar o b u s to p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o db a s e do nt h e p r o d u c tq u a l i t ye n g i n e e r i n gw a su s e dt 0a n a l y z ea n d0 p t i m i z et h ec r a s h w o r t h i n e s s0 f t h ef r o n t a ll o n g i t u d i n a lb e a m ，i nc o m b i n a t i o nw i t he x p e r i m e n td e s i g n ，r e s p o n s es u r f a c e m e t h o da n dm o n t ec a f l os i m u l a t i o nt e c h n i q u e t h er e s u l t s0 ft h es t u d yi n d i c a t e dt h a tt h es p o tw e i dm o d e lw i t h o u tc o n s i d e r i n g m o r ed e t a i l e dm e s hs i z eo ft h es h e e tm e t a l i sm o r ee f f j c i e n tw “hr e l i a b i l i t y i th a sb e t t e r a c c u r a c yt h a nt h ee x s i t i n gs p o tw e l dm o d e lu s i n gb e a me l e m e n t t h ec r a s hs i m u l a t i o n o ft h ef b n t a ll o n g i t u d i n a lb e a mw a s0 b v i o u s l ya f f e c t e db yt h es t r a i nr a t er e s p o n s e0 f i i l 轿车前纵粱耐撞性仿真和结构优化的研究 m e t a ls h e e t s t h es t a t i ca n dd y n a m i ct e n s i l et e s t so fm e t a ls h e e t ss h o wt h a td i f f c r e n t m e t a ls h e e t sh a v ed i f f e r e n ts t r a i nr a t er e s p o n s e s t h ee f f e c to nt h es t r a i nr a t er e s p o n s e 0 ft h em e t a ls h e e tw i t hl o ws t i f f i l e s si sl a r g e rt h a nt h a tw i t ht h eh i g hs t i f f h e s s t h e s i m u l a t i o nw a sa l s oa f f e c t e db yt h em e s hs i z e ，s p o tw e l ds i z e ，s t a m pf o r m i n go ft h e s h e e tm e t a la n df r i c t i o ni nc o n t a c t t h es m a n e s tm e s hs i z eo ft h es h e e tm e t a lw a sn o t t h eb e s t ，a n dt h eb e s tm e s hs i z es h o u l db ed e f i n e db yt h eg e o m e t r yo fs e c t i o na n dt h e t h i c k n e s so ft h em e t a ls h e e t s t h ef r o n t a ll o n g i t u d i n a lb e a mh a dt h eb e s ts i m u l a t i o n r e s u l tw i t ht h em e s hs i z eo fs h e e tm e t a l so f5 5m m t h em e t a ls h e e t sw i t hd i f f e r e n t p r o p e r t y o rt h i c k n e s ss h o u l d c h 0 0 s ed i f f e r e n tv a l u e0 f s p o tw e l ds i z e i nc r a s h s i m u l a t i o n t h es t a m pf o 瑚i n gf e s p o n s eo ft h em e t a ls h e e ts h o u l db ec o n s j d e r e di nt h e c r a s hs i m u l a t i o n t h er i g h tf t i c t i o nc o e f f i c i e n ts h o u l db ed e f i n e di nt h ec r a s h s i m u l a t i o ni no r d e rt or e n e c tt h ee f f e c to ft h ef t i c t i o ni nc o n t a c t t h er o b u s t 0 p t i m i z a t i o nb a s e d0 nt h ep r o d u c tq u a l i t ye n g i n e e r i n gc a ni n l p r o v et h er e l i a b i l i t ya n d r o b u s t n e s so ft h e0 p t i m i z a t i o nr e s u l tf o rt h ec r a s h w o r t h i n e s so fi h ef r o n t a l l o n g i t u d i n a l b e a m t h er e s u l t sf r o mt h i ss t u d ya r eu s e f u lt oi m p f o v et h eq u a l i t yo fa n a l y s i so ft h e f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，w h i c hp r 0 v i d eag o o de n g i n e e r i n gm e t h o df o rt h es t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ；f r o n t a ll o n 酉t u d i n a lb e a m ；c r a s h w o r t h i n e s s ； s p o tw e l dm o d e l ；s t r a i nr a t er e s p o n s e ；s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n i v 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 我国是一个拥有1 3 亿多人口的发展中国家，也是全世界道路交通事故死亡人 数最多的国家之一。表1 1 是我国1 9 9 9 2 0 0 9 年间的交通事故概况n 1 。从表1 1 可以 看出，1 9 9 9 至2 0 0 3 年间，我国交通事故死亡的人数不断上升，由此造成的直接财 产损失呈上升趋势，2 0 0 3 年因交通事故造成的直接财产损失高达3 3 7 亿元人民币。 从2 0 0 4 年起，由于我国交通管理力度的加强，道路交通事故开始逐年下降。但是 相关研究表明，我国的交通事故在未来1 0 年到2 0 年间还会出现波动，甚至会出现 新的高峰，并且我国交通事故的绝对基数大，因此形势不容乐观乜1 。 表1 11 9 9 9 2 0 0 9 年道路交通事故概况 根据我国道路交通事故统计数据旧1 ，2 0 0 1 2 0 0 8 年我国发生的交通事故中的 前两大事故形态数据统计如表1 2 所示，表中数据表明近8 年来正面碰撞的事故数 和受伤人数是仅次于侧面碰撞的，而乘员死亡率是所有事故形态中最多的。因此， 如何减少汽车正面碰撞事故中乘员的伤亡是一个重要而严竣的问题。 而在汽车正面碰撞事故中，影响车辆前部正面碰撞吸能性能的主要是前纵梁、 吸能盒、翼子板、发动机罩等前部钣金部件，这些部件吸收的能量占车辆总吸收 能量的5 0 左右h 1 。汽车前纵梁的耐撞性能在前碰撞中尤其关键，其吸能特性和 变形模式决定着车身碰撞过程中的加速度响应和力的传递路径。前纵梁同样也是 汽车正面偏置碰撞和斜碰撞中主要吸能和受力部件，其性能直接影响汽车的耐撞 轿车前纵梁耐撞性仿真和结构优化的研究 性。因此前纵梁是汽车前部碰撞中的关键结构件，在设计和改进中要重点研究和 分析。 过去，研究汽车的被动安全性一直以试验为依据，改进或设计某种结构或零 件时，往往需要做多次重复性试验，花费大量的人力、物力并延缓整个设计和开 发周期。近年来，随着计算机软、硬件的发展以及现代设计方法在产品开发和试 验中的不断应用，国内外各大汽车厂商和设计公司纷纷采用计算机仿真技术进行 汽车被动安全性的研究。实践证明，该项技术的应用极大提升了汽车被动安全性 研究的水平，并成功替代了大部分的碰撞试验。 汽车碰撞计算机仿真技术是指在产品设计开发( 或改型) 阶段，借助有限元 分析技术与高性能的计算机真实模拟汽车的整个碰撞过程。与传统试验方法相比， 该方法的优点在于在设计阶段就可预先评估汽车结构的耐撞性，并可找出原设计 的薄弱环节，这对整个设计和优化过程具有重要的指导意义。据统计，采用这一 技术手段，汽车新产品的整个研制周期可缩短到2 年左右，试验次数和开发费用也 相应减少，而汽车的被动安全性却获得极大的提高。鉴于此，汽车碰撞计算机仿 真技术已成为代表当今汽车企业与研发机构水平的重要标志之一。而汽车前纵梁 碰撞仿真技术的研究及其结构改进是汽车前碰撞安全性研究和分析中的重点和难 点，对提高汽车前碰撞过程中的被动安全性有着十分重要的意义。 、 硕一 学位论文 1 2 汽车前碰撞的试验法规和新车评价计划 1 2 1 各国前碰撞的试验法规 为了减轻汽车碰撞事故对人类造成的危害，汽车工业发达国家先后针对汽车 碰撞事故中常见的人体损伤和和其它危害制定了相应的汽车碰撞安全法规。其中 最著名的是美国f m v s s 系列和欧洲e c e 系列碰撞安全法规，除此之外，日本、澳 大利亚和我国也都先后建立了自己的碰撞试验法规。 美国在1 9 6 8 年制订的f m v s s2 0 8 是第一个汽车碰撞安全法规，采用车速为 3 0m p h 的刚性墙固定壁障碰撞试验。要求在前方左、右3 0 。范围内发生的碰撞事 故都满足乘员保护要求。一般要使用0 。、左3 0 。和右3 0 。三个碰撞试验验证车辆 的正面碰撞安全性。美国在f m v s s2 0 8 法规中对汽车正面碰撞安全性能的评价比 较全面1 。 欧洲在研究汽车前碰撞安全法规时比较注重实际事故形态，提出了与实际交通 事故最接近的偏置变形壁障试验方法。但是由于偏置变形壁障碰撞试验方法对碰撞 试验条件的控制十分苛刻，当时的碰撞试验设备无法满足该试验要求，故在1 9 9 5 年颁布e c er 9 4 0 0 时采用了车速为5 0k m h 的3 0 。斜角碰撞试验方法作为过渡， 固定壁障分为刚性墙壁障和可变形壁障两种。但是欧洲专家认为，美国f m v s s2 0 8 中的3 0 。斜角碰撞试验中光滑的斜角壁障使碰撞车辆产生滑移而减轻了车辆碰撞 的激励程度，使试验结果和交通事故不符。为了防止斜角碰撞中车辆前端的滑动； 欧洲e c er 9 4 o o 中的3 0 。斜角壁障上装有标准的防滑块来阻止碰撞中试验车辆前 端的滑动。到1 9 9 8 年，e c er 9 4 0 1 中采用了车速为5 6k m h 的4 0 偏置可变形壁 障碰撞试验1 。 日本也已颁布实施正面碰撞的安全基准t r l a s l l 4 3 0 ，并于1 9 9 7 年进行了强 化修正，由开始适用的长头轿车扩大到平头型及多用途轿车和小型、微型货车上， 扩大了法规约束车型的范围，强化了安全性能要求。 我国于1 9 9 9 年1 0 月2 8 日由原国家机械工业局发布了汽车法规c m v d r2 9 4 汽车正面碰撞乘员保护的设计规则。2 0 0 0 年4 月1 日，国家将此项检验列入当 时汽车型式认证( 公告) 4 0 项强制检测项中。c m v d r2 9 4 汽车正面碰撞乘员保 护的设计规则虽具有国家强制性标准法律效力，但还不是国家强制性标准法规。 而2 0 0 3 年国家强制性标准g b l l 5 1 1 2 0 0 3 一一乘用车正面碰撞的乘员保护正式 出台，使我国也拥有了自己的汽车正面碰撞标准1 。考虑到1 0 0 正面碰撞对车辆 前碰撞安全性评价的局限性，我国于2 0 0 6 年又颁布了乘用车正面偏置碰撞的乘 员保护( 征求意见稿) 。表1 3 列出了各国汽车前碰撞法规试验方法及评价指标。 轿车前纵梁耐撞性仿真和结构优化的研究 4 ， 硕士学位论文 1 2 2 新车评价计划一一n c a p 比国家法规更严格的是新车评价计划n c a p ( n e wc a r a s s e s s m e n tp r o g r a m ) ， n c a p 一般由政府或具有权威性的组织机构对在市场上销售的车型碰撞安全性能 测试、评分和划分星级，向社会公开评价结果。n c a p 用简明的安全星级为汽车消 费者提供信息，指导消费者怎样从从市场上购买安全的汽车。安全法规的结果是合 格、不合格，而不作为安全性能高低的判定；n c a p 的试验结果不判定试验车型合 格与否，而是综合衡量汽车安全性能的星级。由于这样的测试公开、严格、客观， 为消费者所关心，也成为汽车企业产品开发的重要规范，对提高汽车安全性能作用 显著。n c a p 最后做出的汽车安全性星级评价就是通过各种试验项目，检测车上试 验假人的伤害值以及车辆变形情况等，给出该车的安全性星级。因此，在试验类型 方面各国也根据自己的国情和本国的交通事故有所不同。表1 4 列出了国外n c a p 中前碰撞的试验型式和评价内容。 我国的n c a p 前碰撞的试验型式与日本j n c a p 类似，综合考察1 0 0 全宽正 面碰撞( 碰撞速度5 0k m h ) 和4 0 偏置碰撞( 碰撞速度为5 6k m h ) 。其中1 0 0 全宽正面碰撞中在前排驾驶员和乘员位置分别放置一个h v b r i di i i 型第5 0 百分位 男性假人，在第二排座椅最右侧座位上放置一个h v b r i di i i 型第5 百分位女性假人， 这与日本j n c a p 后排不放置假人有所不同。而4 0 偏置碰撞中在前排驾驶员和乘 员位置分别放置一个h y b r i di i i 型第5 0 百分位男性假人，在第二排座椅最左侧座 位上放置一个h y b r i di i i 型第5 百分位女性假人，这与欧洲n c a p 后排放置儿童假 人又有所不同。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 薄壁构件的研究现状 金属薄壁吸能元件主要是通过塑性变形来耗散冲击动能，受冲击载荷作用后 所发生的总变形量远远超过传统承载结构的变形量；而且薄壁金属构件轴向变形 所储存的能量大约要比横向高一个数量级h 1 ，因此研究薄壁构件在轴向冲击载荷 作用下的动态吸能特性是结构耐撞性领域的重要课题。汽车前纵梁结构及其失效 状态与薄壁直梁件极其相似，可选用能代表前纵梁的薄壁直梁件研究材料特性和结 构变形之间的关系，结果可用于前纵梁的耐撞性设计1 。 从吸能特性和塑性铰的变形机理等方面考虑，可将轴向载荷作用下的薄壁构 件的变形模式分为三类：( 1 ) 渐进叠缩变形模式，又称“折叠式 变形，塑性铰 从结构一端有序地逐一形成，是吸能结构的最佳变形模式；( 2 ) e u l e r 变形模式， 其初始变形受横向弯曲变形的控制，第一个塑性铰一般发生在构件中部，随后产 生很大的横向位移，是一种吸能效率很低的变形模式，耐撞性设计时应尽量避免 吸能件发生这种变形；( 3 ) 混合变形模式，其主要特点是变形初始阶段发生渐进 轿车前纵梁耐撞性仿真和结构优化的研究 表1 4 国外n c a p 中前碰撞的试验型式和评价内容 叠缩变形，形成一个或多个塑性铰，随后转变为e u l e r 变形，是一种发生概率较 高的变形模式 1 。控制叠缩和非叠缩变形模式的结构设计参数很多，除了截面形 式和尺寸参数对薄壁件的变形模式有影响外，材料特性、碰撞速度、冲击质量等 也是主要的影响因素。 对于汽车的碰撞安全性来说，为了使薄壁构件在承受碰撞时具有较好的碰撞吸 能水平，首先必须保证焊点不开裂，这可从焊点密度、焊点位置和焊接型式等方面 进行考虑。焊点要尽可能布置在构件变形时拉应力与剪切力较小的位置，如对于直 硕士学位论文 梁件皱褶压缩变形来说，焊点的理想布置位置是变形皱褶的波峰与波谷之间的平衡 处，而直梁件变形波长则可通过仿真计算进行预测阳一们。焊接型式主要是指焊沿的 型式，不同的焊沿将导致截面承受碰撞的能力各不相同，如图1 1 所示，同一种方 形截面可以有六种( 或更多) 焊接型式，假定型式a ) 承受碰撞的能力( 指碰撞力 值) 为1 ，则型式b ) 将为1 3 5 ，而型式f ) 为1 0 5 n 。 韶。曰 a )b )c ) 口 d )e )f ) 图1 1 不同焊接形式的方形截面 薄壁构件的壁厚与碰撞吸能是直接相关的，对于同样程度的变形，变形所吸收 的能量与壁厚之间是呈指数增长的关系。在结构设计中，壁厚的选择必须与实际情 况相适应，壁厚太薄容易变形，但可能不具备足够吸能能力；而壁厚过厚又不易变 形吸能。壁厚对碰撞变形吸能特性的影响有两个方面：一是碰撞所产生的最大阻力 不同；二是缓冲吸能时间的长短不同。这两点造成了不同壁厚薄壁构件的碰撞吸能 特性差异。在汽车薄壁构件的耐撞性能设计中，可充分利用上述特点来优化选择合 适的壁厚。当然，汽车薄壁构件的壁厚还要受到其它方面的要求限制，比如重量限 制、制造工艺限制等，设计的方法是在规定的壁厚范围之内进行优化选择阳1 。姚伟 在文献【1 2 】中指出：材料厚度在1 2m m 范围内时，刚性墙反力的初始峰值较低， 变化也较为均匀、平缓，因此该范围是材料厚度选择的最佳范围。 截面高宽比和截面形状是需要考虑的重要因素，不同的横截面将可能导致直梁 件的碰撞吸能水平不同。仿真研究发现，截面高宽比在1 ：1 2 ：1 之间时，方形薄壁 直梁的碰撞变形较好，而当截面高宽比达到7 ：3 时，碰撞变形比较差。当截面高宽 比在4 ：3 2 ：1 之间时，刚性墙反力的初始峰值较低，变化也较为均匀、平缓，是截 面高宽比选择的最佳范围n 引。以规则形状的横截面为例，同是直梁件就可以有如 图1 2 所示的5 种横截面，虽然这些横截面具有相同的周边长，但它们所导致的碰 撞特性不同阳1 。文献【1 1 】对这些横截面梁的碰撞力进行了对比研究。从表1 5 可以 得到，在进行薄壁直梁件耐撞性设计时，可以根据需要从横截面的形状加以考虑， 即如果需要提高直梁件的碰撞力，可以采用图1 2 中e ) 所示的横截面，而如果需 要降低碰撞力的话，则可采用图1 2 中b ) 所示的横截面。 轿车前纵梁耐撞性仿真和结构优化的研究 b ) c ) d ) e ) 图1 2 不同截面形状的横截面 表1 5 各种横截面梁的碰撞力( 相对于截面型式a 的比值) 对薄壁构件进行预变形设计可以引导其变形模式，控制其褶皱位置，防止由于 材料、结构几何形状、制造及装配等因素造成不稳定的e u l e r 变形模式。但预变形 方式以及预变形部位等也是需要加以考虑的，否则也可能起到相反的结果阳1 。研究 表明，薄壁构件的压溃形式与诱导槽的形状关系不大，但对诱导槽的位置及尺寸大 小较为敏感。通常情况下，棱上开孑l 和开槽都可以有效地诱导变形，当诱导孔的尺 寸增加时，薄壁构件变得更软，压渍距离增加，平均碰撞力及峰值载荷降低。通过 正确地组合诱导孔的尺寸、位置及个数，对得到稳定、可预知的碰撞变形模式起到 决定性作用3 1 。 1 3 2 有限元仿真分析的研究现状 在汽车行业，c a e 仿真分析快速增长的需求和机遇主要是受到法规的驱动， 如在1 9 8 5 年到2 0 0 2 年之间，法规试验的要求差不多增加了2 0 倍。其次是从1 9 8 5 年以来软件和计算机硬件的迅速发展和汽车厂商对计算机资源的广泛应用。还有 就是汽车厂商由于市场竞争优势的需要，要求设计周期缩短，而物理样机昂贵， 试验能力有限及c p u 时间的降低，也使得汽车行业c a e 仿真分析快速增长n 劓。 薄壁梁或前纵梁由于结构简单、易于建模、变形模式直观，因此常被用作研究对 象来开展碰撞仿真技术方面的分析和研究。 李玉璇等h 5 1 的研究表明：有限元模型的材料模型参数中，弹性模量设置的变 化对于零件的吸能影响很小，材料屈服强度设置则对零件的吸能影响较大，材料 应变率参数的设置误差对于零件的吸能有较大影响。因此材料屈服强度和应变率 参数必须设置准确。 对于由成千上万个焊点连接而成的车身来说，焊点的有限元模拟是影响整个 计算结果准确、可靠的关键技术，其模拟精度和建模效率要在整车建模过程中重 点考虑n 引。焊点建模方法关系到模拟精度、建模时间和计算量大小，甚至焊点建 模方法处理不当会直接造成模型不能运算。前人对点焊模拟方式开展了大量研究 u 7 2 引。从最初研究者们使用公用节点法和公用单元法，到随后的在不同部件对应 ooo 铂 = 八u a u 。 硕十学位论文 节点间定义约束方程的方法，到目前应用较多的可变形梁单元。近年来提出的弹 簧单元和实体单元也能较好地反映焊点的力学特性。从模拟失效的情况可分为： 可模拟失效和不可模拟失效两种。而从模拟原理方面则可以分为：定义约束方程 法和实际材料失效法。如常用的定义约束方程法有：公用节点单元模型、刚性化 节点模型、无质量刚性杆模型等；实际材料失效的有：可变形梁单元法、实体单 元法等。 接触界面的处理，主要包括接触搜寻和接触力的计算。解决接触搜寻问题有 多种方法，其中包括主从接触面法、一体化接触算法和级域算法。级域算法是湖 南大学钟志华教授创立的瞳引，具有通用性强、可靠、快速等特点。接触力的计算， 在结构碰撞分析中得到广泛应用的有罚函数法和防御节点法。防御节点法在显式 求解中引入了拉格朗日乘子法快速计算接触力，同时又避免了使用罚函数法带来 的对计算稳定性的不利影响，因此越来越引人瞩目。 汽车车身上的钣金件大都是通过冲压成形的，冲压工艺所引起的壁厚减薄、 残余应力和塑性应变全部或部分保留在零件内部，这些都将影响碰撞模拟的精度。 因此，近年来冲压成形效应对薄壁构件碰撞性能的影响也得到了大量研究心5 2 引。 汽车碰撞问题的数值技术涉及动载作用下材料的弹塑性本构关系。与静载作 用相比，弹塑性材料在动载作用下的本构关系具有一系列不同的力学特性。其中 最重要的特性之一是在快速加载条件下，许多金属材料的屈服极限有明显的提高， 而屈服的出现却有滞后现象。c l a r k d w z e 和m a n - j o n i e 的试验表明，当应变 率- 2 0 m 1 时，低碳钢的屈服极限大约由静态情况下的2 7 1 0 8 心提高到 5 7 6 1 0 5 砌。因此，在汽车碰撞仿真中必需考虑材料应变率效应才能保证模拟结 果的精度乜钆删。 1 3 3 耐撞性优化设计的研究现状 汽车结构耐撞性优化设计是一个具有挑战性的难题，而国内外的科研人员对 这一问题进行了大量的研究，提出了很多相关的理论和方法，大体归纳如下： c h e n 3 提出了一种用于结构耐撞性优化设计的方法。该方法综合考虑了遗传 算法( g a ) 的全局寻优能力和显式有限元分析的不稳定性。并将其应用到一数值 算例中，将其计算结果与传统非线性规划( n l p ) 的结果加以比较。比较结果表 明在该算例中不能忽略全局搜索。 很多研究人员尝试在耐撞性分析中建立一些简化的数学或物理模型来替代某 些确切分析循环。k n a p 和h o l n i c k i 二s z u l c 2 1 利用基于v d m 的动态分析和两阶段设 计概念对改进结构进行优化设计。a r o r a 等人口3 1 建立了简化模型，通过最小化简化 模型与精确模型问的误差，以获取符合精确分析所要求的临界响应。d i a z 和s o t o 钔 利用格栅模型在概念设计阶段对耐撞结构进行拓扑优化。y a m a z a k i 和h a n 朝则直 接将优化过程与显式有限元程序相结合，以使简单管件在碰撞过程中吸能量达到 轿车前纵粱耐撞性仿真和结构优化的研究 最大。 l i v e r m o r es o f t w a r et e c h n o l o g yc o r p o f a t i o n 的s t a n d e r 采用响应表面方法进行 结构耐撞性优化设计。通过建立碰撞所引起的变形与质量之间的关系来构造响应 面模型。响应计算中有8 个主要部件的尺寸被选作设计变量，目标函数都和车辆的 变形或其部件的质量相关，并综合四个变形指标组成一个多目标表达式。根据5 个校验点，得到均方根预测误差值在2 5 1 1 5 ，这表明构造的响应面模型精 度满足优化设计要求。 i o w a 大学的c h o i 等人b “”3 提出了一种基于连续体的尺寸设计灵敏度分析 ( d s a ) 方法，该方法在获得对于尺寸设计变量的能量、载荷、运动和结构响应 的一阶变量之后，应用直接微分法和改进拉格朗日法获取设计灵敏度。因此，该 方法相对于共轭变量法和全局拉格朗日法更适合于耐撞性设计这类的非线性动态 问题。 日本金泽大学的y a m a z a k i 等d 8 一刚对薄壁管件耐撞性能的最大化技术进行了研 究。通过试验设计建立设计空间，用响应表面法构造近似模型，并通过一般的数 学规划求解该近似模型。将上述优化过程反复进行直到满足给定的收敛条件。 通用汽车公司的l u s t h 们提出了一种同时考虑线弹性和碰撞载荷条件准则的结 构设计方法。该方法在两阶段耐撞性分析技术基础上建立非线性数学规划，而在 优化过程中通过构建考虑碰撞约束的非线性近似来进一步减少计算量。因此，该 方法比先考虑载荷再改进结构以满足耐撞性指标的方法更为有效。 p i c k e t t 等h 妇进行了提高汽车耐撞性结构优化的研究。该项研究以韩国现代汽 车公司生产的某型轿车为原型，工作分为二个阶段：( 1 ) 建立汽车结构的数学模 型并进行耐撞性校核；( 2 ) 采用数值仿真对汽车结构进行优化。该文还指出单个 零部件和整车结构中的零部件在碰撞过程中的溃缩模式和吸能量有较大区别，但 变化趋势是相同的，因此可把关键部件从整车上分离出来进行单独优化设计来减 少成本。此外，该文研究结果表明结构改进应集中于部件断面形状的改变而不是 对部件进行加强。 n a g a i 等人2 1 采用了凸性规划法之一的移动渐近线方法进行目标和约束函数 优化，数值计算在多台工作站组成的网络c a e 环境上完成。 对于优化设计后的结构，数学上的优化结果不能保证系统对外界扰动的稳健 性。设计变量的扰动可能导致结果违背约束条件。因此，从工程意义上考虑，对 于一个设计优化值，应该对其可靠性和稳健性进行评价。如果其可靠性和稳健性 达不到要求，还应该对该设计进行可靠性和稳健性的优化。k o c h 等人h 3 1 采用六西 格玛稳健设计对汽车碰撞进行了优化分析。孙光永等人“引对汽车构件的耐撞性也 进行了可靠性优化设计，使产品的稳健性得到了较大提高。 综上述，由于耐撞性研究的特殊性，传统的优化方法不能适用，因此普遍采 硕卜学位论文 用了以统计和近似处理为主要特征的结构耐撞性仿真优化设计方法。由于这类方 法适用于并行计算和网络计算，在计算时间和效率上具有一定优势，其全局搜索 能力以及对噪声的光顺能力使得它们在汽车结构耐撞性优化研究中的应用越来越 广泛。而随着近年来对产品质量的高度重视，基于产品可靠性和稳健性的优化设 计在工程中上具有更实用的价值。 1 4 课题的来源 本文的研究课题来自国家科技部“十一五 “8 6 3 刀高新技术研发项目( 编号 2 0 0 6 a a l l 0 1 0 1 ) 一一“轿车集成开发先进技术和教育部与国家外专局“1 1 1 计 划项目( 编号1 1 1 2 1 1 ) 。 1 5 本文研究目的和主要内容 本课题研究目的是以国内某车型前纵梁作为研究对象，研究前纵梁碰撞仿真 中的一些关键技术，分析碰撞仿真结果的影响参数，提高前纵梁碰撞仿真分析水 平，为前纵梁的结构改进提供准确、有效的基础模型。并应用基于产品质量工程 的的稳健性优化设计方法进行前纵梁的结构优化。 “ 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 在阅读大量文献的基础上，对汽车前纵梁碰撞研究的意义，汽车前碰撞 相关法规，以及前纵梁结构、仿真技术和结构优化方面的国内外现状进行了归类 和总结。 ( 2 ) 汽车碰撞是一个涉及复杂结构的大位移、大应变、大转动的非线性动态 响应问题，本文简略介绍了汽车碰撞仿真中的基本理论及有关算法。 ( 3 ) 以国内某车型前纵梁作为研究对象，应用l s d y n a 有限元分析软件， 建立了一种焊点模型。并将该焊点模型和现有的梁单元焊点模型应用到前纵梁有 限元碰撞仿真中，通过相应的前纵梁台车试验对其进行对比验证。 ( 4 ) 介绍了材料应变率效应的机理，并通过静态和动态的拉伸试验获得了板 材不同应变率的应力应变曲线，最后研究了高速碰撞中材料应变率效应对前纵梁 碰撞仿真结果的影响。 ( 5 ) 研究了影响前纵梁碰撞仿真结果的其他因素，这些因素包括：单元尺寸、 焊点尺度、冲压成形效应和接触摩擦。 ( 6 ) 针对该前纵梁耐撞性不足的问题，并综合考虑优化结果的可靠性和稳健 性，将试验设计、响应表面法和蒙特卡罗模拟技术相结合，构造了基于产品质量 工程的6 仃稳健性优化设计方法，对该前纵梁的耐撞性进行了优化设计。 轿车前纵梁耐撞性仿真和结构优化的研究 2 1 引言 第2 章汽车碰撞有限元基本理论和算法 汽车碰撞问题是典型的非线性、大变形和大位移问题n 引。它涉及到众多的学 科和领域，尤其是有限元理论、计算数学、计算力学、弹塑性力学、计算机图形 学等，并且这些理论本身也在不断发展和完善。基于这些理论，已经开发了许多 应用于碰撞仿真的商用软件，其中最常用的有：l s d y n a ，p a m c r a s h ， m s c d v t r a n 等。本文的研究采用l s d y n a 软件进行建模和分析，在求解中拉格 朗日公式被用于描述运动变形关系，中心差分法被用于显示积分的计算。下面简 要介绍l s d y n a 中采用的一些基本理论和有关算法阳45 删。 2 2 基本理论 2 2 1 控制方程推导 考虑空间物体( 如图2 1 所示) ，令其在f 一0 时在固定参考系 石。) 中的初始形 d 图2 1 空间构型的变换 状为风，b 。中任一点的初始位置为x 。( 口= 1 ，2 ，3 ) 。其后任一时刻f ，该点移 动到空间位置x ；( f = 1 ，2 ，3 ) 。由拉格朗日物质描述方法，变形可以由质点的初 始位置向量x 。及时间f 表示为： - 蕾( x 。，f ) 在f = 0 时有初始条件 z j ( x 。，o ) 一x 。 戈；( x 。，0 ) 一魄( x 。) 式中，v ；为初始速度，对于物体内任一有限部分应满足动量守恒定律。由柯 西动量方程得： 硕i ：学位论文 0 4 。j + p l t 。p d c i 其边界条件形式为 ( 1 ) 牵引边界