汽车后部安全性分析与轻量化研究 0426

汽车后部安全性分析与轻量化研究摘 要本课题以汽车后保险杠在被追尾碰撞后的安全性能为研究对象。就目前国内某款汽车的后保险杠建立碰撞模型在不同速度和改变有关结构参数的情况下进行仿真分析，判断其在不同状况的安全性能及防撞性能发挥的效果，从而寻求最优的保险杠结构形式，计算评估其耐撞性能，研究结果可减少汽车后保险杠在定型前盲目设计和进行后续优化设计提供一定的理论依据和数据支撑。汽车后部保险杠是发生碰撞时起到主要缓冲作用的构件。主要由防撞横梁和低速吸能盒两个部分构成，影响缓冲效果的因素有：吸能盒和后部保险杠的截面、厚度 、截面大小、长度等。后部保险杠是通过材料发生失稳弯曲后的塑性变形来吸收能量。后部保险杠和吸能盒的各个参数之间存在着耦合现象。通过单独参数变化来寻找规律，然后再根据规律进行组合参数的方法，能够较为高效准确的得出整体轻量优化结果。通过调整上述这些参数可以得到缓冲性能最好的后部保险杠结构。本文使用仿真模拟的方法，分别对后部保险杠和低速吸能盒的参数取不同值进行正面的碰撞模拟，提取最终的加速度变化曲线和能量变化曲线进行对比。关键字：后保险杠；后部保险杠；汽车碰撞；仿真模拟；优化；AbstractThe subject of this study is the safety of rear bumper after being rear-ended. Is the present domestic a bumper of car collision model is set up in different speed and changing the structural parameters of the simulation analysis, determine the safety performance in different conditions and crashworthiness can play effect, so as to seek the optimal bumper structure, evaluate the collision resistance calculation, the results of the study can reduce automobile rear bumper blind before finalize the design and subsequent optimization design provides certain theory basis and data support. The automobile anticollision beam is the main component that ACTS as a buffer in case of collision. It is mainly composed of two parts, the anti-collision beam and the low-speed energy absorption box. The factors affecting the buffering effect are: the section, thickness, section size and length of the energy absorption box and the anti-collision beam. Collision - proof beams absorb energy through the plastic deformation of the material after buckling. There is coupling between the parameters of the collision - proof beam and the energy - absorbing box. The overall lightweight optimization results can be obtained more efficiently and accurately by the method of finding the law through the change of individual parameters and then combining the parameters according to the law. By adjusting the above parameters, the structure with the best buffering performance can be obtained. In this paper, different values of the parameters of the anti-collision beam and the low-speed energy absorption box are used to carry out frontal collision simulation, and the final acceleration change curve and energy change curve are extracted for comparison.Keywords: Rear bumper; Anticollision beam; Car crash; Numerical simulation; To optimize the目 录第1章 绪 论1第2章 后部保险杠仿真模拟分析202.1 模型建立202.2 材料参数定义212.3 网格划分222.4 碰撞模拟分析242.4.1 问题简化242.4.2 参数设置242.4.3 计算结果分析25第3章 后部保险杠的单个参数的优化研究293.1 后部保险杠宽度对后部保险杠缓冲效果的影响303.1.1 结果对比303.1.2 数据分析323.2 缓冲盒边长对后部保险杠缓冲效果的影响323.2.1 缓冲盒变形333.2.2 能量结果对比353.3 缓冲盒长度对后部保险杠性能好坏分析353.3.1 整体加速度对比353.3.2 能量对比373.3.3 数据对比383.4 缓冲盒厚度对后部保险杠性能的影响分析393.4.1 整体加速度曲线对比393.4.2 吸能对比403.5 后部保险杠薄壁结构的厚度对整体性能的影响分析413.5.1 不同厚度的后部保险杠加速度对比分析413.5.2 吸收能量对比423.6 后部保险杠截面形式对整体缓冲吸能效果的影响分析423.6.1 整体加速度对比分析433.6.2 数据对比分析443.7 缓冲盒截面形式对整体后部保险杠缓冲特性的影响分析453.7.1 不同缓冲盒截面对加速度的影响变化分析453.7.2 能量吸收对比47第4章 后部保险杠的各个参数组合优化484.1 后部保险杠各项参数间的相互影响验证484.1.1 单个后部保险杠参数变化下的最优参数组合484.1.2 加速度和吸能分析484.2 各个参数间的组合优化504.2.1 各个参数间关系的综合分析504.2.2 结果分析514.2.3 数据对比524.2.4 变形图和应力图分析534.3 小结54结 论 55参考文献568第1章 绪 论1.1 课题提出的背景和意义近些年来，随着社会的发展、科技的进步、经济结构的调整和城镇化程度的提高，科技的进步使得汽车设计、生产制造能够大批量在生产线上进行生产，汽车能够很容易的进入公众的视线，在城市中汽车也越来越普及起来，上述原因导致无论是在城市还是在农村汽车的需求量日益增长。我国汽车发展不过是近十年来的事情，我国汽车起步晚，发展经验不足，汽车发展呈现了一派虽然繁荣却缺少规范秩序的现象，发展形势迅猛，存在的问题也不少。同时也有一些车主为了追逐最大的经济利益，超速、超载现象比较严重，近年来我国发生了多起恶性汽车事故，这些频发的事故引发了社会的广泛关注和对汽车安全的担忧。在汽车发生追尾事故中汽车保险杠发挥着重要的作用，可以有效的减少追尾对车体和乘员的伤害。目前国内关于汽车的后保险杠碰撞安全性能的研究开展较少，在汽车安全技术还不成熟的情况下，研究分析汽车被动安全方面的技术问题具有重要的价值和意义。本课题基于汽车后保险杠的被动安全性能进行计算机模拟仿真，这样既可以节省相关的实验设备、减少实车碰撞实验的破坏性等相关费用，又能够缩短研究分析周期，模拟仿真为保险杠碰撞实验或设计提供一定的数据理论支撑。1.2 国内外汽车发展现状及相关法规1.2.1 国外汽车发展的现状及其法规在国外，以美国的汽车发展为例，汽车发展有着近200年的发展历史，长时间的技术和管理经验积累沉淀使得汽车形成了特定的汽车文化，其无论是汽车技术方面或者是管理方面都已经跨过了坎坷期，走进了成熟阶段。美国汽车有国际上最完善的汽车标准，汽车拥有“客车设施，卡车骨架”。可见汽车车体及汽车后保险杠在发生追尾碰撞中发挥的缓冲吸能作用很显著，该汽车保险杠的强度和刚度比国内汽车的保险杠耐撞性能要好很多。为了提高汽车的安全性能，世界各国纷纷制定了各自的汽车安全技术法规。在世界上有关汽车技术法规体系有几十种，主要以欧洲、美国和日本技术标准为主流体系。为了进一步提高法规的国际化通用程度，世界各国的技术法规大都是以参照欧洲或者美国的技术法规体系制定而成。图1.2为汽车被动安全强制技术标准体系图。图1.2 汽车安全强制技术标准体系图美国汽车技术法规体系主要由联邦机动车安全标准(FederalMotor VehicleSafety Standards，即FMVSS)、联邦机动车环境保护法规(EPA法规)及联邦汽车燃料经济性标准法规组成瞄1。其中FMVSSloo系列属于汽车主动安全，共26项；FMVSS200系列属于汽车被动安全，共23项，其中FMVSS220、221、216、222等分别对大客车侧翻的乘员保护、车身连接强度、车顶抗压强度和乘员座椅及碰撞保护等作了规定：FMVSS300系列属于火灾的防止，共5项；FMVSS400系列和FMVSS500系列各有一项。在美国，车辆若不符合FMVSS标准，则不+得以销售的目的生产、销售或进口。欧洲也制定了相应的汽车被动安全技术法规(ECE和EEC)，除了有关汽车侧碰安全法规有所区别外，别的法规没有本质上的差别。1.2.2 中国汽车发展的现状及其法规目前我国汽车发展处于起步阶段，汽车市场目前不够完善，在汽车技术层面和管理层面缺少相应的技术、管理和文化积淀，但它却是一个朝阳产业。国内仅有少数的研究单位和客车企业对汽车进行研究和生产制造，在国家层面上近几年之前还没有一个形成一个完整的汽车标准，没有形成一个国民经济发展的中坚产业。目前我国所谓的“汽车”，有的由面包车简单改装而成，有的由农用车直接接送学生，有的由接近报废的客车替代汽车，这些车辆都不是严格意义上的汽车，存在很大的安全隐患。真正意义上的汽车在我国还不够普及，仅在少数的大城市的学校才拥有专门的汽车，今年来，我国一些客车企业也进行了汽车的生产、制造与研究，并出现了批量生产，一些中小学批量订购的可喜景象。汽车和客车有共同点也有不同之处，汽车在某种意义上是客车的一种，只是汽车由于乘坐对象的不同在客车的基础上增加某些强制性的苛刻要求。我国制定的安全技术标准较晚，在参考欧洲法规标准的基础上经过多年的发展和完善，我国形成了自己的部分安全法规，但还比较零散。1999年原国家机械工业局颁布实施了我国第一部汽车技术法规关于正面碰撞乘员保护的设计规则，其为政府强制认证，也是目前最为有严格和全面的一项汽车安全法规。我国机动车强制性标准对客车的主动安全性、被动安全性、一般安全、环保节能的技术要求都有规定，针对客车制定的强制性标准有客车结构安全要求、客车座椅及其固定件强度、客车技术标准汇编和轻型客车结构安全要求。表1.1为我国客车强制性的一些标准。表1.1中国客车强制相关标准为提高我国汽车的安全性能、尽快改变这种局面，我国制定了相关的法律、技术标准和规范，并开始实施部分强制性碰撞实验，出厂的汽车需满足此类要求，这将进一步提高我国汽车的技术标准，提高我国汽车的安全技术保障。国家先后制定出台了一些的汽车安全技术标准，抬高汽车的准入技术门槛，规范了汽车的秩序，提高了汽车的安全性能。关于汽车的安全法规，可以分为两类：一类是有政府部门颁布的法规；另一类是一些非政府性质的组织机构在行业内部制定的星级评定标准，比如中国汽车技术研究中心下属一单位制定的C.NCAP(新车评定规程)。2009年，我国制定发布了专用小学生汽车安全技术条件和专用小学生汽车座椅及其车辆固定件的强度两项国家标准，奠定了我国汽车安全技术标准的基础口。2012年颁布了专用汽车安全技术条件(GB24407.2012)，从汽车的外观标识和主要结构尺寸、动力性、乘员质量和最大乘员数和前后保险杠等16个方面加以规范和约束，为今后中国汽车的发展提供了法规的依据。同时也颁布了专用汽车学生座椅系统及其车辆固定件的强度(GB24406.2012)。2012年5月1日正式执行专用汽车安全国家标准和汽车安全管理条例，标志着我国的汽车进入规范、有序的发展轨道。1.3 汽车后防撞装置汽车后防撞装置在汽车后碰撞时对保护车体和乘客有着积极的保护作用，通过装置的塑形变形来吸收汽车在碰撞前的动能。在各种交通状况下发生的碰撞事故，归纳起来包括正面碰撞、侧面碰撞、追尾、翻滚等。在车辆发生碰撞过程中，尽管每一起交通事故中车辆碰撞的部位及形式具有不确定性，但从大量的事故类型和发生碰撞的部位来看它却是在总体上服从一定的分布规律，正面碰撞占的比例最大约为63，其中后侧追尾碰撞占39，正面碰撞对人员和车辆造成的伤亡和损失在各种形式的事故中占的比例最大，车辆的后碰撞在碰撞的形式中占有十分重要的地位，因此研究汽车后碰撞发生时装置的速度变化、变形量的大小等变化情况对于增强汽车被动安全性能的认识和对其加以改进是很有必要的，能够最大程度上减少汽车发生事故后对人员的伤亡，并采取相应的措施来提升汽车的后保险杠的安全性具有重要的意义。防撞装置在车辆发生碰撞后能够有效地将车辆碰撞前的车辆动能通过防撞装置的塑性变形来降低或者消除，从而起到很好的缓冲作用，发挥车辆在被动安全方面保护乘客和防止车辆在纵向方向上发生变形的积极作用。吸能式保险杠按缓冲吸能的方式不同可大致分为三类：自身吸能式、液压吸能式、带气腔式瞳劓。下面分别对其加以介绍：(1)自身吸能型该类型钢梁结构比较简单，由横梁、横梁内侧加强件和支架等组成。它主要是在碰撞时利用支架和横梁的塑性变形吸收能量，增强对车身、车体的保护作用。本课题分析的汽车后保险杠属于自身吸能型后保险杠。本课题研究的后保险杠就是属于这种类型的结构。(2)液压缓冲型幢。如图1.4所示，横杠内侧加强件通过橡胶垫与液压缓冲减振器的活塞杆相连接，活塞杆为空心结构，内装有浮动活塞，活塞将其隔成左、右两腔，左腔充满氮气，右腔充满机械油，活塞杆外圆柱面与缓冲缸内圆柱面滑动配合，缓冲液压缸内机械油与活塞杆右腔相通。缓冲缸固定在车架或车身加强件上。当汽车与障碍物发生碰撞时，保险杠受到的冲击力传到活塞杆上，活塞杆端部向右移动，挤压液压油通过节流孔向活塞杆右腔流动，推动浮动活塞向左移动，并使氮气受到压缩涵3。这样利用液压油通过节流孔时的黏性阻力吸收撞击的能量，吸收能量的效率可以高达80，这类油气弹簧式的缓冲减振器有效的利用了气体缓冲、液体节流减振的工作方式，工作特性比较稳定，撞击后靠氮气产生复原动力，使保险杠复位，这种保险杠由于造价较高，通常使用在高档的轿车上。图1.4 缓冲式防撞结构示意图(3)带气腔式防撞结构气腔通常作为内衬安装在外盖板和横杠之间，当碰撞发生时，气腔被压缩，进而影响其外面包裹部件的变形方式，从而改善吸能效果。相关文献曾指出，合理的设计气腔个数和气压并保证包裹气腔部件的强度，这种保险杠与第一类保险杠相比能使15kmh、40偏置碰撞的减速度减小20-50。其具体原理如图1.5所示。图1.5 带气腔式防撞结构示意图1.7 仿真模拟计算的意义由于车祸的高发性，导致各国对汽车的安全性逐渐形成了法规，如美国的 FMVSS 208 ( 美国联邦车辆标准安全法规) ，还有我国的汽车正面碰撞标准 GB1155l-2003乘用车正面碰撞的乘员保护 规定6 。这些试验都是需要做汽车实体试验的。只有符合该试验标准的车辆才能继续生产。但是直接使用实体碰撞的试验可重复性太弱，而且每次试验都需要耗费巨大的资金。所以如果做生产之前的设计，采用这种方法是不行的。随着计算机技术的快速发展。计算机模拟是一种进行大型计算非常适合的工具。通过在计算机中建模、求解、改进等方法，可以模拟真实的碰撞过程，虽然不能和实际的碰撞完全相同，但是也能大致的得到改进汽车安全性能的可行方法，而且由于计算机的计算速度极快，可以很快的重复多次计算而取得最优值。显然，这通过汽车实体实验是无法实现的，并且由于有限元的快速发展，使得计算机能够计算出很多通过理论无法计算出来的东西。例如汽车碰撞过程是十分复杂的，如果单纯的通过理论计算来得出结果显然是不现实的，只能是用理论来辅助模拟计算。1.7 汽车后部保险杠变形过程中的能量分析汽车碰撞过程是在很快速的过程中发生大变形的过程，其能量交换的过程也十分的短暂。仅仅在百分之一秒到百分之十秒的时间内，就需要将汽车的动能完全的转化为塑性变形能，热能等其他能量的形式进行释放。这些能量大部分都是由汽车内部的缓冲装置吸收的，这样就保护了汽车内部人员的安全。由于汽车发生碰撞多半为汽车前部发生碰撞，所以经常采用汽车前部后部保险杠和缓冲装置的塑性变形进行能量的吸收，所以在进行汽车正面碰撞试验时，可以看到，大部分的车的前部会在汽车碰撞时发生大变形，正是由于这些变形的存在，吸收了车体的大部分的动能，才能保证汽车内的人员，尽可能少的受到汽车碰撞的破坏。整个过程中，为了能够让能量快速的被吸收，通常采用后部保险杠，吸能器的形式。目的就是为了在更短的时间内，更多的吸收汽车的动能。 这样做之后塑性变形能要远远大于弹性变形能，所以更多的时候看到的是汽车发生了大变形，而不是大范围的反弹。另外，碰撞时虽然有热能产生，但是跟塑性能和弹性能相比，还是太小了，所以通常情况下忽略不计。汽车行业发展到现在，已经有各种各样的用于吸收能量的装置。虽然形态各异，但是功能是一样的，就是起吸收能量的作用。通常最简单的吸能装置即为后部保险杠形式的。这种吸能装置通常制作简单，同时又能取得良好的吸能效果，所以在现在汽车工业中运用也最广泛，但是其形态却是各式各样的。纵观很多后部保险杠的形式，可以得出好的后部保险杠一般是满足以下几个条件的：1) 能够更多的产生塑性变形来存储汽车发生碰撞时候的动能，因为这种存储形式不会产生回弹等效应。2) 碰撞的变形模式，应该很稳定24 。即每次变形的情况趋近于相同。这样才能在真实发生碰撞时保证一定的吸能效果。3) 碰撞过程中能够控制加速度和撞击力，保护车体内部人员和车内的重要结构不受到严重破坏。4) 结构应该轻巧，简便，利于生产，能够提高单位质量的比吸能效率，同时也是降低了成本。满足上述条件的后部保险杠能够在汽车发生碰撞时最大程度的吸收能量，也能在汽车生产和制造中得到广泛的应用。 1.8 本章小结本章的内容是通过理论分析的方式，对后面的仿真模拟明确方向。包括在仿真模拟中需要确定的材料模型，强化模型，也从整体上简单的分析了整个汽车的碰撞过程中力和能量的变化情况。最后是通过理论明确仿真模拟最终需要得到的结果及评价结果好坏的标准等。总之，理论部分的分析是为了辅助仿真模拟分析，并不能直接得到汽车碰撞的理论结果。第2章 后部保险杠仿真模拟分析汽车后部保险杠在碰撞过程中起到缓冲吸能的作用，随着汽车数量的逐渐增多，车祸发生的概率也大大的增加。这让政府和人民对汽车的安全性要求越来越高。所以我国通过汽车碰撞试验来真实的检测汽车安全性能的好坏，本章根据中国汽车安全法规C-NCP来建立整车模型然后，对车架模型做正面100%刚性碰撞和正面40%刚性碰撞。研究在碰撞过程中车架的速度，加速度，变形，应力等变量的变化，同时对碰撞过程中需要的参数做详细的解释，以求达到更加真实的结果。最后对汽车后部保险杠在碰撞过程中的变形受力情况做分析，为后期优化后部保险杠时提供参考2.1 模型建立为了能够更加真实的得出碰撞过程中汽车车身的加速度和速度变化，在建立模型时将汽车的车架和汽车的前后部保险杠和缓冲盒等部件一并画出。图2.1汽车后部保险杠总成的真实模型参照后部保险杠和缓冲盒的真实模型如图2.1所示。本文参照该模型，建立汽车的地盘车架和后部保险杠结构。由于汽车结构较为复杂，根据上图的真实模型建立的车架后部保险杠模型如Error! Reference source not found.所示32 。图2.2 车架后部保险杠模型2.2 材料参数定义后部保险杠采用铝制材料，铝制材料能够在碰撞时快速发生屈服，可以快速的吸收能量，同时铝材的密度要相对低于其他金属材料，所以能够一定程度上减轻后部保险杠的质量，增加比吸能。车架模型采用简单的低碳钢模型进行分析，因为车架在整个分析过程中只是为了提取加速度、速度、应力参数而设定的。所以车架的材料对整体的分析效果并没有很大的影响。所以只取线弹性材料模型分析。刚性墙采用SOLIDWORKS simulation中提供的Rigid Material材料。表 2. 1中列举了所使用的材料的参数。表 2. 1材料参数材料名称密度(kg/m3)泊松比弹性模量(GP)屈服强度(MP)后部保险杠Al610127000.3369271车架低碳钢78000.32004002.3 网格划分SOLIDWORKS simulation显示计算中计算时间的长短跟单元的最小尺寸和单元的总数有关系。单元的最小尺寸影响着计算时间步长的大小。而整个模型的单元个数则影响着计算每一步所需要的时间。所以单元划分的好坏跟计算效率息息相关。本次计算中车架的变形显著，所以划分尺寸可以大，而后部保险杠的模型在碰撞过程中需要发生强烈变形所以单元尺寸需要很细小。为了减小计算量在100%正碰中由于模型时对称的，所以只取一半分析，提高计算效率。网格划分如图2.3图2.4 图2.5图2. 2所示图2.3图2.4 图2.5图2. 2有限元网格划分2.4 碰撞模拟分析2.4.1 问题简化100%重叠碰撞属于对称性问题，所以碰撞过程中取一半模型分析，以减少计算量。碰撞过程中由于整车的质量远远大于车架的质量，所以如果取车架的密度为低碳钢的密度是无法满足在碰撞过程中后部保险杠受到的真实的力的大小。本文为了消除该情况，将整车的质量全部附加到车架中作分析，即假设整车的质量为1500kg则将该质量除以车架的体积得到车架的密度，该密度比真实的车架的密度要大的多，但是如此便可以真实的模拟碰撞过程中后部保险杠受到的力，所以做此简化十分的有必要。2.4.2 参数设置1) 边界条件：由于是取一半分析，所以所有的对称面都需要进行对称约束。最后，由于车架的整体形状导致整个车架的重心偏下，在真实的碰撞过程中由于有轮胎等构件进行支撑，不会出现车体在垂直方向下滑的现象。所以将轮胎的约束简化到车架上，即将模型中的车架第一和第四横梁进行垂直方向的约束。2) 沙漏控制：为了防止在碰撞过程中出现沙漏现象，本次计算对后部保险杠和缓冲盒的壳单元采用三个积分点数同时进行全局的能量控制和沙漏控制。这些参数为了简便全部使用程序默认的数值。3) 初始条件：初始状态下，车架和后部保险杠以5m/s的速度撞向刚性墙。本次计算中主要研究的是汽车后部保险杠的碰撞特性，所以采用较为低速的碰撞方式，更加能够反映出后部保险杠的撞击特性。4) 接触定义：碰撞过程中后部保险杠会因为受到车架的挤压发生变形。变形过程中会导致后部保险杠和缓冲盒内壁的自接触，所以采用SOLIDWORKS simulation提供的单面自动接触算法。接触时的动摩擦因子取0.5。5) 分析时间：整个过程取用从车开始向前运动到碰撞后车体反弹的过程，经过后面的多次计算，发现这个过程大约持续0.065s，所以计算终止时间取0.065s2.4.3 计算结果分析1） 变形图分析 整个变形过程首先由后部保险杠接触到刚性面，再由弯曲状态压直，然后后部保险杠截面开始变形，在缓冲盒附近的后部保险杠变形最为严重，当后部保险杠被整个压扁后，缓冲盒开始发生严重的溃缩变形，该过程为缓冲盒吸收能量最多的部分。最后由于整个车架的能量被缓冲盒和后部保险杠的塑性变形能和弹性变形能吸收，整个车架的速度降为零，但由于弹性变形是可恢复的，所以被吸收的弹性变性能还会被后部保险杠和缓冲盒释放出来，转化成为了车架的动能，即车架的反弹。在车辆碰撞的时候，主要研究汽车车身的加速度、速度、整体的能量变化等数值，通过这些数值的变化来判定和比较各种后部保险杠的优劣。下面提取车架上从前到后的几个点的速度，加速度，以及整体的能量变化进行分析。图2. 3 车架各个测点加速度变化曲线2） 碰撞过程中加速度分析图2. 3 表示的是车架前中后位置（分别对应A,B,C三条曲线）加速度值的变化。由此可以得出车架在碰撞过程中，车的前部的加速度最大，变化最显著。车体后部的加速度滞后于前部，并且由于车体本身的变形，车体后部的加速度峰值远小于车体前部的加速度峰值。从该图中可以看出加速度峰值的正负是交替变换的。这是由于在车体发生碰撞时，缓冲盒的溃缩和后部保险杠的变形导致的，缓冲盒受到撞击力的作用时发生褶皱变形。在其褶皱失稳时其承载能力会大大的减弱，车架本身的惯性导致了正的加速度，当褶皱到一定程度时，承载能力又恢复回来。又会使加速度从正值快速的变为负值。在0.03s到0.045秒的时间段末，各个测点出现了加速度峰值。从汽车的变形观察可以发现，在该阶段内后部保险杠和缓冲盒已经被压溃到了最低点，并且即将开始反弹。说明在后部保险杠完全溃缩完之后，撞击效果直接作用到了车架上，导致车架的加速度快速上升。图2. 4整体加速都变化曲线单独从A曲线来看，在刚开始的时候，加速度曲线也出现了急剧上升的情况。由此说明，后部保险杠和缓冲盒在初始状态下需要将较强的撞击力才能将其发生褶皱变形。当已经出现褶皱变形后，则褶皱变形再次产生相对容易。再通过整体加速都变化曲线形进行分析，如图2. 4所示整体加速度从0.014s之后开始逐渐增加，在0.038s时达到了峰值，该时刻即为后部保险杠和缓冲盒被压溃到最低端的时候，这个车架即将开始反弹。从0.04s到0.08s的时间里加速度迅速变小，最终趋近于0。图2. 5 车架上个点的速度变化曲线3） 速度分析从图2. 5可以看出车架上各个测点的速度基本相同。从0.02秒到0.038秒的过程中，车架上个点的速度从开始时的5m/s变为了0，表示了后部保险杠从刚开始被压溃到最终的完全溃缩完，即将开始反弹。从大约0.038秒之后，速度开始反向增加，到0.45秒之后整个车架上的点开始以1.5m/s左右的速度向后反弹。由于本次计算中未考虑地面摩擦等因素，所以该速度不会再减为0，真实的情况下， 车体会因为地面摩擦等因素停下来。 图2. 6能量变化曲线4） 能量分析从图2. 6可以看出总能量几乎不变，动能和内能相互转化。这里的内能是指弹性势能和塑性变形能的总和。从0秒到0.038秒的过程中动能逐渐的减小，内能逐渐的增大，到大约0.038时两者均达到了峰值。此后内能又减小，而动能又再次的增加，这是由于在碰撞后期弹性变形的恢复，导致了弹性势能转化为了动能。在0.058秒左右，弹性势能全部转化为了动能，此后由于车架和后部保险杠产生了振动，导致动能又变为了弹性势能。交替振荡下去，整个过程中后部保险杠吸收的能量可以由内能第一次降到最低的值进行计算。51第3章 后部保险杠的单个参数的优化研究汽车的后部保险杠结构是由缓冲盒和防撞横梁组成的。所以整体可以分成两个部分来分别进行研究分析，但是两者之间并非独立的。有时候只有当两者进行合适的组合时才能使后部保险杠的缓冲效果达到最好。但是就每一个部分而言可变的参数很多，例如后部保险杠的截面形式、后部保险杠的厚度、后部保险杠宽度、后部保险杠的拱高和拱长，还有缓冲盒的截面形式，缓冲盒厚度，缓冲盒长度，缓冲盒的横截面大小等等因素，如果将所有的后部保险杠组合形式都进行分析，即可得到其中一种组合的后部保险杠是最优的。但是这种方法是不可行的，因为过多的参数会导致组合的数量成倍的增长，就以上面列举的几个参数每个参数取四到五个值进行分析，那么最终的结果组合也达几十万种，并且计算每个组合都需要耗费一定的时间。如此多的组合是无法进行仿真模拟分析的。所以本文采用控制变量法，只让其中的一个参数进行变动，然后通过结果分析得出该参数的变化对后部保险杠优劣的敏感程度，同时也是查找该参数主要影响的是加速度指标还是能量指标，并且也能从最后的结果中得出参数的变化，使得对应的结构主要作用在哪些时间段内，例如薄的缓冲盒会在碰撞发生时首先发生溃缩吸能，然后再由后部保险杠进一步变形发生吸收能量。但是如果采用厚度较厚的缓冲盒则会使这一过程反过来。对上述这些主要的影响因素做了解之后可以有效的排除一些肯定不能得到最优结果后部保险杠的组合，也可能得到某几种组合，可能会使后部保险杠的缓冲吸能效果大大的提高。这样就能快速的得到较为优良的后部保险杠结构，并且在一定程度上具有一定的可靠性。在本章中对下列参数分别取一定范围内的值进行仿真模拟，分析就单个参数变化而言那种取值能让加速度，吸收能量等参数取得最优值。可变的参数如下：a) 后部保险杠的宽度。b) 缓冲盒截面的大小（以正六边形截面的边长来衡量）。c) 缓冲盒长度（缓冲盒上最长的棱边的长度）。d) 缓冲盒厚度。e) 后部保险杠的厚度。f) 后部保险杠的截面形式。g) 缓冲盒截面形式。下面将以上参数一一做模拟分析。3.1 后部保险杠宽度对后部保险杠缓冲效果的影响后部保险杠的截面大小如图3. 1所示，在碰撞过程中该截面宽度方向的材料将承担主要的支撑能力，如果长度过长会导致在压缩过程中发生失稳变形。反之太短也会导致承载能力太强和吸能不好的现象。所以将该截面的高度不变，然后变化宽度，宽度t的取值范围为0.03m-0.07m在此区间内每隔0.01m取一个值，做仿真模拟分析。然后对比各个参数取值下的加速度，能量，车架上的应力等参数的对比，分析出最优参数。图3. 1后部保险杠截面形式3.1.1 结果对比评价结果的标准主要有两个，加速度，吸收能量。其中加速度主要关注整体的加速度变化曲线。能量主要考虑吸收的总能量变化曲线和比吸能（吸收的能量除以后部保险杠的质量。）1.整体加速度曲线从整体加速度中可以明显的看出，宽度为0.05m时的整体加速度曲线的绝对值要明显小于其他曲线，说明在宽度为0.05m附近时能相对好的降低加速度值。图3.2不同后部保险杠宽度整体加速度曲线图3.3不同宽度的后部保险杠吸收能量变化曲线2.总能量吸收曲线从能量吸收来看，各个宽度所吸收的能量基本相同，也就是说改变后部保险杠宽度对后部保险杠的总能量吸收并不会起到很明显的作用。从变形图可以看出，后部保险杠吸收能量的方式主要是靠宽度方向的板的塑性弯曲形成的，并不会产生叠缩变形，所以在这种单胞截面形式的后部保险杠形式下，宽度太长会导致板壳发生失稳变形，反而会增大后期的加速度值。宽度太短会因为结构太稳定，而造成临界压力大的情况。这一结果也可以使用材料力学中的压杆稳定类似的进行对比，在压杆稳定中，临界压力的大小与杆的长度的二次方成反比，可见杆长越长，临界压力会越小。下面再进行模拟过程中数据的对比来验证这一观点。3.1.2 数据分析表3 1不同宽度的后部保险杠对比缓冲盒宽度（m）整体加速度（m/s2）总吸能（焦耳）比吸能（焦耳/千克）0.03-384.0680865061.65310.04-348.6579534685.32560.05-304.5478864387.56470.06-336.2479364182.83740.07-423.8379503980.5718从上表中总吸收能量来看，后部保险杠宽度的改变对整个吸收能量并没有明显的提高。但是由于宽度加长，会使整个后部保险杠的体积增大，所以随着宽度的增加比吸能会减小。车架上的整体加速度是在每一时刻所有点的加速度的矢量和。本次计算由于车架主要是在x方向进行碰撞所以只取x方向的整体加速度做对比。3.2 缓冲盒边长对后部保险杠缓冲效果的影响缓冲盒的截面初期是取正六边形形式。所以改变缓冲盒的正六边形边长即为改变缓冲盒的截面大小，如图3.4所示。缓冲盒的截面大小一定程度上影响缓冲盒的稳定性和缓冲盒的最大承载能力。所以研究其边长也能一定程度上了解缓冲盒截面大小对整个后部保险杠系统的影响。下面提取结果进行具体的分析。图3.4缓冲盒截面边长3.2.1 缓冲盒变形从图3.5 中可以看出，当面积发生变化时，缓冲盒的变形形式出现了不同的溃缩。也可以看出有些变形很规则，例如边长为0.03，0.035，0.04的变形，都没有出现扭曲，由此可以看出这三种变形相对稳定。但是边长为0.03的截面变形明显不同于其他几种，它的溃缩形式与矩形的截面的溃缩形式相似，产生的褶皱幅度相对要大，这样的结构承受轴力的能力强，但是由于截面面积小，很容易在收到横向力时出现折断现象。也属于不稳定现象。所以从变形来看，边长为0.04和0.035的截面相对稳定。而且在轴向压力的情况下容易出现溃缩，不会导致初始撞击时加速度过大现象。图3.5 各个边长时缓冲盒的最终变形形式加速度结果对比图3.6不同边长的缓冲盒整体加速度对比曲线由加速度曲线可以分析出，边长为0.03的缓冲盒加速度要明显大于其他边长的截面，因为截面面积小在溃缩完成后与其他的截面不一样，可以看出边长为0.03m的截面，褶皱的长度要大于其他几种情况，所以在撞击后，褶皱次数少，并且在很快的时间内溃缩完成。导致缓冲盒被压实，而此时车架的速度并没有完全被降下来，所以出现了较大的加速度峰值。其他截面的加速度峰值基本相同。边长为0.035的截面的加速度相对小于其他几种。3.2.2 能量结果对比图3.7 不同边长的缓冲盒能量对比曲线由能量曲线图可以看出，改变缓冲盒的边长同样对吸收能量的效果没有明显提高，形成这种问题的原因还是无论边长大与小，截面都是发生弯曲塑性变形，并没有使褶皱增加所以吸收的能量不会增加。但是由于会使质量增加，则相对而言比吸能减小。所以边长越小越能够节省材料。综合考虑边长为0.035的截面形式既能够取得较小的加速度值，同时比吸能也较大。3.3 缓冲盒长度对后部保险杠性能好坏分析缓冲盒长度的增加通常意义会增加缓冲盒的作用时间，从而起到减小加速度的作用。但是首先长度是受到车内空间的影响，不可能无限制的增加缓冲盒的长度。同时长度过于长，还是会使缓冲盒在受到侧面的力时容易发生折断现象。缓冲盒的整体形式是六棱柱形式，由于和后部保险杠的放置形式是斜置的，所以取最长棱边分别为0.07，008,0.09，0.10，011等值进行模拟分析。3.3.1 整体加速度对比图3.8不同长度的缓冲盒整体加速度对比曲线从图3.8的加速度对比曲线中可以看出，缓冲盒的长度对整体加速度的影响很剧烈，并且随着缓冲盒长度的增加加速度值在不断的减小，并且加速度峰值在不断的推后。这是因为增加长度会增加缓冲盒的作用时间，缓冲盒从刚开始被压缩到压缩完毕的时间会增加。这会导致因缓冲盒压实而产生的加速度峰值急剧的减小，并且会推迟产生。这在实际的生产过程中具有很大的工程意义。并且从0.11m的变形图中可以看出在长度为0.11m时变形仍然出于较为规则的稳定状态，可见如果车体内部空间允许还可以适当的增加缓冲盒长度，来减小峰值加速度。图3.9 长度为0.11m的缓冲盒变形图3.3.2 能量对比从图3.10的能量吸收图中同样的可以看出，缓冲盒长度的增加使能量吸收的过程持续时间增加，这种现象对降低加速度时十分有效的，但是对能量吸收则不太明显。但仍然能够看出吸收的能量在不断的增加，产生这种吸能效果不明显的原因是，缓冲盒长度的增加，只是让褶皱的尺寸增大了，并没有增加褶皱的数量。这样的情况下虽然能够达到降低加速度的效果，但是却不能让吸收能量明显的增多，只能是微幅的进行增长。 图3.10不同长度的缓冲盒能量对比曲线通过上面的描述可以得到，能够达到吸收能量和减小加速度都好的变形模式是在增加缓冲盒溃缩时间的同时，让褶皱的数目增多。单纯的增加长度只能是发生塑性弯曲吸收能量，并不会大范围的提高吸能效果，这与增加后部保险杠宽度没有能提升吸能效果的结论是一致的，增加褶皱数目的方法将在下一章进行讨论。3.3.3 数据对比表3.2不同缓冲盒长度数据对比缓冲盒长度（m）整体加速度（m/s2）总吸能(焦耳)比吸能（焦耳/千克）后部保险杠质量（千克）0.07-353.978004629.51561.68484 0.08-348.779514684.14731.69743 0.09-280.980674715.53711.71073 0.1-255.182144768.37561.72260 0.11-244.484304867.49251.73519 从表3.2中的数据可以看出，增加缓冲盒的长度对总吸收的能量有小幅提高，长度为0.11的缓冲盒相对于长度为0.07的缓冲盒类型的后部保险杠仅仅只提高了8%，但对加速度却有大幅度的降低，相比于长度为0.07的缓冲盒类型的后部保险杠，提高了31%。但是由于增加缓冲盒长度，对于整个后部保险杠的质量来说增加的很少，所以比吸能仍然得到了提高，但是也仅仅只提高了0.2%左右。并没有真正的提高吸能效果。3.4 缓冲盒厚度对后部保险杠性能的影响分析缓冲盒的厚度会影响溃缩程度的强弱，如果溃缩不够会导致吸能性能急剧下降，同时加速度也会随之上升。但是厚度太薄，则本身就不具有吸收能量的性质，即使完全发生了塑性变形也不会有太多的能量吸收，而且会降低缓冲盒作用时间。图3.11不同厚度的缓冲盒整体加速度对比3.4.1 整体加速度曲线对比从图3.11的整体加速度曲线中可以看出。厚度的改变也会对后部保险杠的降低加速度的性能产生很大的影响，厚度太薄，例如A曲线会使整体的加速度峰值向后移动，因为薄的缓冲盒能够充分的进行溃缩，所以峰值会出现在曲线后面。但是由于溃缩过快，导致缓冲盒被快速压实，从而不能完全的降低车架的速度，这样会使后期的压实加速度急剧上升。但是同时也可以看出，在碰撞前期A曲线的加速度基本小于所有曲线，可见薄的缓冲盒能够在前期时降低加速度。反之如果缓冲盒太厚，例如曲线E，缓冲盒根本不能发生完全的溃缩，缓冲盒被完全压溃需要的力太大，缓冲盒不能完全溃缩，导致大部分能量由缓冲盒再次反弹到车架上。这两者的对比同时可以取变形图看出。如图3. 12所示:图3. 12 厚度为0.001和0.003的缓冲盒最终变形对比3.4.2 吸能对比图3.13所示的能量吸收曲线中，厚度为0.001和厚度为0.003的曲线吸能都较少，反而在加速度对比中相对较好的厚度为0.002的缓冲盒吸收的能量相对较多。从能量和加速度两个方面考虑，缓冲盒厚度对吸能和加速度的影响都十分显著，所以在实际生产中应该取更多的值进行计算，以便得到相对最优的后部保险杠结构。图3.13不同厚度的缓冲盒吸能对比曲线3.5 后部保险杠薄壁结构的厚度对整体性能的影响分析上面分析缓冲盒厚度时发现，缓冲盒厚度对后部保险杠整体的影响非常显著，同样的现在研究后部保险杠横梁厚度对整个后部保险杠性能的研究。后部保险杠的变形和缓冲盒的变形方式不相同，缓冲盒是轴向的压缩变形，而后部保险杠是横向的压缩，相对来说，后部保险杠的变形更容易发生，所以在以上的变形过程中，都会出现先是后部保险杠变形再是缓冲盒溃缩的现象。同时矩形的单胞截面容易出现对角定点成为塑性铰的失稳变形。但是这些变形都是与厚度相关的。厚度较厚的状态下不容易发生失稳，厚度薄的情况下容易产生失稳。下面逐一进行分析。3.5.1 不同厚度的后部保险杠加速度对比分析图3.14不同厚度的后部保险杠加速度对比曲线。图3.14所示的加速度曲线中厚度最厚的0.004后部保险杠整体加速度峰值最小。其次是厚度最薄的0.002，然后剩余厚度的后部保险杠所产生最大加速都峰值均相差不大。有这种结果的原因是厚度为0.004的后部保险杠，刚开始还是由后部保险杠先开始变形，然后缓冲盒再变形，厚的后部保险杠能够使结构更加稳定，所以从刚开始撞到前后两个截面完全接触需要的时间长，再有缓冲盒变形，所以加速度相比于其他情况要低。但是此时缓冲盒未能完全溃缩，材料没有充分的被利用。对于最薄的情况，后部保险杠的变形快速，并且未能降低后部保险杠的速度，而此时的速度产生的压溃力，刚刚能够是缓冲盒完全溃缩，所以也起到了降低加速都的作用。对于其他三种情况，由于后部保险杠厚度的增加对整个后部保险杠的承载能力并不会有明显的提高，所以会出现三者相差不大的情况。3.5.2 吸收能量对比从图3.15所示的能量对比曲线中可以看出，后部保险杠厚度对整体的吸能效果并不明显，整个过程中曲线几乎重叠在一起变化。所以在这种单胞截面中增加后部保险杠的厚度并不会达到任何显著的作用。图3.15 不