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铝合金 保险杠 横梁 量化 设计 及其 性能 研究

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学校代号 10532 学 号 S10131049 分 类 号 TG146 1 密 级 公开 硕士学位论文 铝合金汽车保险杠横梁的轻量 化设计及其性能研究 学位申请人姓名 万银辉 培 养 单 位 材料科学与工程学院 导师姓名及职称 李落星 教授 学 科 专 业 材料加工工程 研 究 方 向 铝合金汽车轻量化 论 文 提 交 日 期 2013 年 5 月 6 日 学校代号 10532 学 号 S10131049 密 级 公开 湖南大学硕士学位论文湖南大学硕士学位论文 铝合金汽车保险杠横梁的轻量 化设计及其性能研究 学位申请人姓名 万银辉 导师姓名及职称 李落星 教授 培养单位 材料科学与工程学院 专业名称 材料加工工程 论 文 提 交 日 期 2013 年 5 月 6 日 论 文 答 辩 日 期 2013 年 5 月 22 日 答辩委员会主席 张福全 Lightweight design and properties research of aluminum automotive bumper beam by WAN YinHui B E Hunan University 2010 A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Master of Engineering in Materials Processing Engineering in the Graduate School of Hunan University Supervisor Professor LI LuoXing May 2013 I 湖 南 大 学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均 已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密 在 年解密后适用本授权书 2 不保密 请在以上相应方框内打 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 铝合金汽车保险杠横梁的轻量化设计及其性能研究 II 摘 要 近年来 随着经济的快速增长 世界汽车保有量也在逐年增加 但同时也带 来了一系列诸如能源枯竭 温室效应 粉尘及有害气体的排放等问题 因此 降 低油耗 减少排放 提高安全性是当今全球汽车工业所必须面对的问题 而汽车 轻量化则是实现汽车节能减排的一项重要措施 本文在LS DYNA3D LS OPT等 有限元模拟仿真软件的基础上 设计出了即能减重又能保证其碰撞安全性能的铝 合金保险杠横梁并对其性能进行研究 参照原钢制保险杠横梁的外形及截面形状 在原实车装配空间允许的条件下 设计了弧线形和折线形两种铝合金保险杠横梁 根据原钢制保险杠横梁前端面的 刚度及整体刚度的要求 基于 LS OPT 等软件对弧线形保险杠横梁的截面进行尺 寸优化设计 得出一种中空带两条加强筋的薄壁铝合金挤压件 其质量为 2 25kg 较原钢制保险杠横梁减重 39 5 通过三点弯曲及摆锤碰撞仿真验证发现改进设 计的弧线形铝合金保险杠横梁的刚度要优于原钢制件 通过不同工况 不同速度的碰撞仿真 研究了三种保险杠横梁在碰撞过程中 的变形行为及吸能性能 并与20km h的实际台车碰撞试验进行对比分析 研究表 明 无论是在低速还是高速台车碰撞仿真过程中 两种铝合金保险杠横梁的吸能 性能均要优于原钢制件 实际碰撞过程中保险杠横梁的变形结果 加速度曲线均 与仿真结果吻合较好 弧线形铝合金横梁台车的加速度变化较原钢制件的更为平 缓 最大峰值更小 折线形铝合金保险杠横梁出现明显的向内偏折现象 在整车 碰撞过程中可能会损坏横梁后端的水箱 导风板等易损件 分析 100 整车正面碰撞过程中的整车变形 假人伤害及气囊匹配等情况发 现 在整车碰撞过程中 车身变形状况良好 假人并未受到明显的伤害且与气囊 的接触状况良好 车身 B 柱加速度变化较为平缓 并未出现过大峰值 由此可知 弧线形铝合金保险杠横梁与原车匹配较好 可替代原钢制件使用 关键词 铝合金横梁 尺寸优化 摆锤碰撞 三点弯曲 台车碰撞 整车碰撞 硕士学位论文 III Abstract With the rapid growth of economy in recent years the increasing cars ownership has brought a series of issues such as exhaustion of energy the greenhouse effect dust and harmful gas emissions etc Aimng to save enery and reduce emission the lightweight of automobile has become one of the effective measures In present paper two aluminum alloy bumper beams with a good weight loss as well as a excellent collision safety performance are designed one is arc shape another is mansard shape According to stiffness of the original steel bumper beam the section size of the arc shaped aluminum alloy bumper beam is optimized using LS OPT and a medium altitude beam with two strengthening ribs is designed The weight of this bumper beam is 2 25kg whose weight is only 60 5 of the original steel beam The three point bending and pendulum impact test is performed and show that this optimized beam owns a better stiffness The impact simulations of three kinds of bumper beams are carried out under different conditions and compared with the actual sled impact test at a speed of 20km h The results show that These two aluminum alloy bumper beams both have better energy absorption performance under all conditions The beams deformation results and the acceleration curves of the actual sled impact test are in good agreement with the simulated results Compared with the original steelwork the arc shaped aluminum alloy bumper beam s acceleration curve changes smoothly and has a lower maximum peak The mansard aluminum alloy bumper beam appears an obvious inward deflection phenomenon which may damage water tank and wind guide plate in real vehicle crash The vehicle frontal crash test shows that the whole car owns an expected deformation and the dummies suffer no significant damage and their body well contact with the airbags At the same time the acceleration of B pillar changes smoothly It is indicated that the arc shape aluminum alloy bumper beam can replace the original steel bumper beam well Key Words Aluminum alloy beam size optimization Pendulum impact three point bending sled impact vehicle crash 铝合金汽车保险杠横梁的轻量化设计及其性能研究 IV 目 录 学位论文原创性声明 I 摘 要 II Abstract III 第 1 章 绪 论 1 1 1 课题研究背景及意义 1 1 2 汽车碰撞试验方法 2 1 3 汽车保险杠设计国内外研究现状 3 1 3 1 保险杠设计相关法规标准 4 1 3 2 保险杠设计国内外研究现状 5 1 4 汽车保险杠轻量化设计方法 7 1 4 1 保险杠的结构轻量化设计 7 1 4 2 保险杠的材料轻量化设计 8 1 5 本文研究的主要内容 10 第 2 章 有限元仿真建模 11 2 1 引言 11 2 2 摆锤碰撞有限元模型建立 11 2 2 1 摆锤与保险杠 12 2 2 2 单元划分及材料模型 13 2 2 3 连接设置 16 2 2 4 接触定义 17 2 2 5 质量加载及边界条件设置 18 2 2 6 沙漏控制 18 2 3 台车碰撞有限元模型建立 18 2 4 三点弯曲有限元模型建立 20 第 3 章 铝合金横梁截面壁厚尺寸优化 22 3 1 引言 22 3 2 LS OPT 软件简介 22 3 2 1 LS OPT 尺寸优化原理 22 3 2 2 LS OPT 尺寸优化过程 24 硕士学位论文 V 3 3 尺寸优化参数设置 24 3 3 1 优化变量设置 25 3 3 2 优化加载工况及优化响应 26 3 3 3 目标函数及约束条件 27 3 3 4 优化算法 28 3 4 优化结果分析 29 3 4 1 各优化变量的敏感性 29 3 4 2 优化响应面 surface 30 3 4 3 目标函数优化历程 31 3 4 4 优化准确性判定 31 3 5 横梁优化结果验证 32 3 5 1 三点弯曲仿真验证 32 3 5 2 摆锤碰撞仿真验证 33 3 6 本章小结 33 第 4 章 碰撞有限元仿真结果分析 35 4 1 引言 35 4 2 摆锤碰撞仿真结果分析 35 4 2 1 保险杠的变形过程 36 4 2 2 摆锤的速度变化 36 4 2 3 摆锤及保险杠的能量变化 37 4 2 4 横梁背端面最大位移节点的位移变化 39 4 3 20km h 台车碰撞仿真结果分析 40 4 3 1 保险杠的变形过程 40 4 3 2 台车动能及保险杠吸收内能变化 41 4 3 3 保险杠横梁的内能变化 43 4 3 4 保险杠吸能块的内能变化 44 4 3 5 刚性壁障的受力 45 4 4 50km h 台车碰撞仿真结果分析 46 4 4 1 保险杠总成的吸能 位移曲线 46 4 4 2 保险杠横梁的吸能 位移曲线 47 4 4 3 保险杠吸能块的截面受力 48 4 5 铝合金保险杠横梁的吸能机理分析 48 4 6 本章小结 50 第 5 章 台车及整车碰撞试验 51 铝合金汽车保险杠横梁的轻量化设计及其性能研究 VI 5 1 引言 51 5 2 20km h 台车碰撞试验 51 5 2 1 保险杠总成的变形状况 52 5 2 2 台车的加速度曲线对比 53 5 3 整车 100 碰撞试验 55 5 3 1 整车的变形结果 55 5 3 2 乘员保护及横梁与气囊匹配情况 56 5 3 3 车身 B 柱加速度曲线的变化 57 5 4 本章小结 58 结论与展望 59 参考文献 60 致 谢 65 附录 A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文 66 硕士学位论文 1 第1章 绪 论 1 1 课题研究背景及意义 随着经济的快速增长 人们生活水平的提高 汽车逐渐由奢侈品向生活必需 品转变 世界汽车保有量在逐年增加 据美国权威杂志Wardsauto公布 根据世界 各国公布的汽车注册量及历史保有量数据显示 截至2011年8月16日 全球处于使 用状态的各种汽车 包括轿车 卡车以及公共汽车等的总保有量已突破10亿辆 其中中国增速处于世界第一 1 与此同时 随着汽车的保有量的上升 交通事故的发生起数也逐年上升 事 故死亡人数也在逐年递增 从全球的交通事故统计数据来看 每年因道路交通事 故而死亡的人数己达70多万人 伤1000多万人 2 据统计 在汽车发展的110多年 的历史中 全球死于道路交通事故的人数已经达到三千多万人 这一数据远远超 于一般中小型国家总人口数 我国的交通事故死亡总人数一直处于世界前列 在 我国每年均有超过6万人死于交通事故 在所有的道路交通事故当中 汽车碰撞安 全事故占据了很大比重 同时也造成了巨大的经济损失 表1 1是我国近年来汽车 碰撞事故伤亡及财产损失情况 3 表 1 1 我国 2005 2010 年道路交通事故概况 年份 事故次数 起 死亡人 数 人 受伤人 数 人 万车死亡 率 10万人口 死亡率 直接财产损失 亿元 2005 450254 98738 469911 7 57 7 60 18 8 2006 378781 89455 431139 6 16 6 84 14 9 2007 327209 81649 380442 5 11 6 21 12 1 2008 265204 73484 304919 4 30 5 56 10 1 2009 238351 67759 275125 3 60 5 10 9 1 2010 219521 65225 254075 3 15 4 83 9 3 另外 随着汽车保有量的增加也带来了一系列诸如能源短缺 环境污染等问 题 因此 发展节能 环保 舒适 安全及智能是汽车技术的总体趋势 尤其是 节能 环保更是关系到可持续发展的重大问题 4 而汽车轻量化则是实现汽车节 能 减排的重要措施 汽车轻量化的主要目标是在保证汽车碰撞安全性及舒适性 的前提下 既要有效减轻汽车自重 又要使汽车本身的造价不被提高 国内外很 多研究机构均对减轻汽车自重与降低油耗之间的关系做了大量研究 研究表明 对于轿车 每减重10 则油耗最大可以下降10 对于16t 20t的载货型汽车 铝合金汽车保险杠横梁的轻量化设计及其性能研究 2 每减少本身重量1000kg 则可降低燃油消耗6 7 5 7 因此 提高汽车燃油效 率 就意味着能有效降低汽车的耗油量和排污量 有利于社会可持续发展及改善 人们生活环境 1 2 汽车碰撞试验方法 汽车的碰撞试验是其在实际生产过程中所必须经历的过程 是研究和检验汽 车上各部件 整车系统及整车碰撞安全性能的重要措施 现今通常采用的研究方 式主要有两类 传统的试验法及虚拟的试验法 其中 传统的试验法又可分为台 架的冲击试验 台车的碰撞试验及整车碰撞试验 虚拟的试验法则是在有限元法 的基础上进行计算机仿真模拟计算 传统的试验研究法及虚拟的仿真计算法它们各有优缺点 若能综合利用 则 能在汽车开发过程中达到事半功倍的效果 下面将对两种试验研究方法做一个简 单的介绍 1 传统试验方法 传统的试验法主要有三种方式 即台架冲击试验 台车碰撞模拟试验及整车 碰撞试验 其中 台架冲击试验是将需测试的汽车部件安装在台架上 台架以一 定速度撞向刚性壁障 其主要用于汽车自身的结构零部件的性能测试 如发动机 台架试验 车门开启台架试验 制动力转鼓台架试验等 8 台车碰撞试验则是一种较为接近整车碰撞的方式 主要保持台车重量与整车 一直 结构相对于整车来说较为简单的台车来代替整车进行试验 9 它主要可用 于对汽车乘员的约束系统的性能测试 这种试验方法对汽车在开发过程中的被动 安全性能测试尤为重要 每一种新车型的开发前期都要进行60 80次的台车碰撞试 验 整车碰撞试验则是用于已开发好的成品车并按一定的法规要求进行碰撞试 验 它主要有100 整车碰撞试验 40 整车偏置碰撞试验 整车柱碰试验及整车 翻滚试验等 在整车碰撞过程中一般需要的设备主要有 高速摄像装置 整车牵 引装置及车载记录仪等 它们的造价都非常高 从而导致整车碰撞试验的成本非 常昂贵 传统的碰撞试验法是一种非常直观的设计及验证方式 它能够很真实地展现 实际道路上的汽车碰撞交通事故 通过对试验结果的对比分析 可以直接找出整 车及其零部件的设计缺陷 从而改进设计 提高整车的碰撞安全性能 10 另一方面 经过传统碰撞试验后整车的每个零部件都不能回收再利用 是一 个破坏性试验过程 它们的成本非常高 另外由于整车试验器材及相关设备非常 昂贵 如现今采用的假人90 以上都是进口的 其费用均需数十万 外加安装在 整车上的各种传感器 总价值可达百万之多 由此可知 传统的碰撞试验方法属 硕士学位论文 3 于一种耗费巨大 成本非常昂贵的试验方式 2 虚拟试验方法 碰撞试验的虚拟法是一种在计算机技术日益发展成熟的基础上形成的试验方 式 现今虚拟试验法在仿真计算的基础上主要可分为两大类 计算机有限元理论 及多体系统的动力学理论 11 多体系统的动力学模型主要适合进行人体的力学响 应模拟研究 它通过把人体的手臂 小腿 大腿及头部等划分为不同的抽象的 体 从而建立整个人体的多体结构 其可用于仿真试验及其分析过程 而计算机有限 元方式对于汽车结构模型的建立 求解汽车碰撞仿真等过程更为合适 因为计算 机的有限元法能很真实地再现碰撞过程中部件的结构变形 可以对部件结构的非 线性问题及材料的非线性问题进行精确的分析 所以它常运用于汽车碰撞及行人 保护等诸多试验过程 与传统的试验方法对比 计算机模拟试验法在试验过程中不需要对实车或车 身零部件进行不可回收的破坏性试验 也不需要除计算机之外的其他设备 它可 以大大地节省人力物力及财力 所以其成本较低 12 另外 传统的碰撞试验法容 易受到不可预期的随机因素的影响 在研究不同参数对碰撞过程中的影响是容易 受到影响 很难得到一个较为明确的结果 而计算机的虚拟仿真试验法则主要依 赖于计算机本身的硬件 可以很方便地得到改变不同参数后的仿真计算结果 具 有更优的可重复性 在产品开发阶段利用三维及有限元模拟技术能很好的预测部件的品质及性 能 从而减少部件设计过程中的不必要失误 从而缩短部件的开发时间 传统的 试验方法的数据需要利用传感器及高速摄像机测得 而实际试验过程中有诸多不 可预期的限采集数据设备的布置 从而导致测量数据不够全面 通过计算机的仿 真计算 则可得到非常全面的计算结果 为产品开发提供全面的参考 13 计算机模拟仿真试验法具有传统碰撞试验法所不具备的各种优越条件 但它 也不可能完全取代传统的试验方法 由于在计算机模拟仿真计算过程中所需的仿 真参数还需要通过大量的传统试验法得到 仿真模型的准确性也需要通过传统的 碰撞试验法进行验证 因此 在汽车零部件及整车的开发过程中需有效地将两种 试验方式进行结合 巧妙的利用 寻求一种既能提高碰撞试验准确性又能降低开 发成本的最有效的试验组合 缩短开发时间及成本 1 3 汽车保险杠设计国内外研究现状 保险杠是汽车车身的重要组成部分 它能够在汽车与其他车辆发生碰撞时能 很好地保护车身结构 在正面碰撞过程中保险杠是汽车主要的吸能部件 是碰撞 过程中保护车内乘员的第一道屏障 因此研究保险杠的轻量化设计及其在碰撞过 程中的性能已经成为各国汽车行业所研究的重要课题 14 铝合金汽车保险杠横梁的轻量化设计及其性能研究 4 保险杠作为汽车正面碰撞时的主要承载和吸能构件之一 在汽车发生低速碰 撞时 能够保护汽车的其它易损件免受损伤 降低维修成本 因此它必须具有较 强的缓冲和吸能性能 在高速碰撞过程中 保险杠能通过自身变形将汽车动能转 化为保险杠变形所吸收的内能 有效地降低整车在碰撞过程中的加速度 对车内 乘员起到很好的保护作用 由此可知 研究保险杠在碰撞过程中的吸能特性 提 高其吸能性能 对于汽车的安全性设计具有非常重要的意义 15 16 现今 保险杠总成一般由碰撞横梁及左右两个吸能元件组成 碰撞横梁的主 要任务是将碰撞过程中产生的能量尽可能均匀地传递到两个吸能元件上 使碰撞 过程中的能量最大限度地被两个吸能元件吸收 同时将碰撞冲击力均匀地传递到 车架的纵梁结构上 17 因此 高强度的碰撞横梁更能有效地将碰撞能量传递到车 身结构上 但在实际设计碰撞横梁过程中 不会无限制地提高其强度 因为当碰 撞横梁的强度过大时 会大大缩短碰撞时间 使车身结构所受的撞击力峰值过大 会给车身结构及车内乘员造成较大的伤害 同时 出于节能减排方面的考虑 各 大汽车生产厂商均会严格控制保险杠的质量 一般都会将其质量控制在整车质量 的0 3 左右 3 1 3 1 保险杠设计相关法规标准 随着轿车保险杠研究的进一步深入 各国先后制定了保险杠的相关法规 轿 车保险杠系统的相关法规的实施情况世界各国稍有不同 美国和加拿大均为强制 性的法规 而其他国家 如欧洲诸国 则属于非强制性的法规 18 19 具体情况如表 1 2所示 美国除Part581强制性的法规外 还有两种非强制性的保险杠系统的安全试验 规范 Consumer Test和IIHS Test Consumer Test是由消费者组织的试验规程 其 摆锤碰撞的试验条件与加拿大法规的相同 该法规的试验结果公布于出版物上 尽管这种规范是非强制性 但却能明显地影响消费者的购买意向 更能引起汽车 制造商们的广泛重视 IIHS TEST Insurance Institute for Highway Safety 是保险公司制定的碰撞试 验法规 其碰撞试验的工况为 汽车分别用前端 后端以8km h的初速度去撞击 刚性壁障 其中汽车前端以8km h的初速度撞击角度为300的斜墙 而后端则以 8km h的初速度撞击直径大小为 178mm的圆立柱 其检测试验所得结果同样会公 布出来 保险杠的低速碰撞检测试验可以利用装有保险杠的可移动台车来替代实 车 以降低试验成本 在保险杆的碰撞试验中需测量的值主要有 台车的碰撞速 度 缓冲器的压缩量 保险杠的受力 整体能量变化以及恢复系数等 20 硕士学位论文 5 表1 2 各种法规和规范的基本试验方法 法 规 名称 试验 内容 美国 CFRpart581 美国 IIHS Test 加拿大 CFVSS21 5 德国 ATZ Cras h Reparat ur Test 欧洲 ECE R42 中国 GB17354 1998 摆锤正碰 4 km h 8 km h 4 km h 4 km h 摆锤60度 2 5 km h 4 8 km h 2 5 km h 2 5 km h 整车正碰 4 km h 8 km h 8 km h 整 车 30 度 斜碰 8 km h 撞圆柱 8 km h 40 偏置 15 km h 法 规 要 求 简述 除保护保险 杠外 其余 部分正常 结 果 作 为 参 考 并 公布于众 汽 车 的 一 般 功 能 不 受影响 结果作为 参考 不 公布于众 除 保 险 杠 外 其余部 分正常 除 保 险 杠 外 其余部 分正常 今年来 国内外众多专家学者均对保险杠在低速条件下的抗撞性进行了深入 研究 随着保险杠的碰撞法规发生变化 保险杠的设计业在随着不断变化 这不 仅仅是由于汽车保险杠在低速碰撞时对车身及其他易损件起保护作用与行人相撞 时的行人保护作用 同时另一方面也是由于现今对汽车的碰撞过程存在一些疑问 如 在很多汽车低速碰撞交通事故中 车内乘员受伤了 但汽车的外观却没有受 到损伤 而仅仅将高速碰撞的理论利用到低速碰撞的过程中时得不到正确的结果 的 21 22 因此 在今后的保险杠设计过程中 必须注重对保险杠在低速条件下的 碰撞安全性能及行人保护做一个深入的研究 1 3 2 保险杠设计国内外研究现状 20世纪80年代 随着计算机技术的发展和日益成熟 同时受到市场需求的激 励 欧美国家相继推出了许多用于碰撞模拟的成熟商业化软件包 如LS DYNA PAMCRASH RADIOSS等 这些仿真模拟软件功能非常强大 它们在安全车身 的开发 碰撞乘员及行人保护措施优化及碰撞标准假人的开发中发挥了越来越大 的作用 并且有效地缩短了开发时间及研究成本 是较为理想的汽车前期开发方 式 汽车保险杠由于是在碰撞过程中的主要吸能部件 在它的设计过程中有限元 软件的应用越来越广泛 1 国外研究状况 国外对保险杠的研究和发展速度均较快 尤其是对保险杠吸能缓冲器件的研 铝合金汽车保险杠横梁的轻量化设计及其性能研究 6 究和发展 目前很多国家已形成了一种缓冲器开发的专门行业 德国 美国 日 本等发达国家的吸能缓冲器制造厂商及公司不胜枚举 如德国的ACE公司 Fest 公司及美国的ENIDINE公司等 计算机化是保险杠吸能缓冲器工业的发展趋势之 一 如制造厂商开发了一系列缓冲器的CAD模型 设计师通过利用一系列有限元 仿真软件对其性能进行仿真计算 从制造厂商提供的产品目录中选出满足性能要 求的缓冲器 并将缓冲器安装在整车上进行碰撞试验 观察其在碰撞过程中的冲 击力峰值 加速度变化及速度变化等情况 最终选出符合设计要求的结构 以下 是国外对保险杠研究设计的主要案例 Marcus REdhe利用LS OPT优化软件及神经网络的方法对保险杠吸能盒的形 状进行优化设计 改进设计后的保险杠不仅降低了自身质量 同时还降低了低速 碰撞中保险杠横梁的侵入量 有效改善了汽车低速碰撞性能 23 J Hilmann与M Pass等人利用遗传算法对汽车前保险杠系统的耐撞性能进行研究并对碰撞安全性 能进行改进设计 同时将该算法应用于白车身的设计中 24 Judson Welcher和 Thomas J Szabo对Ford Escorts轿车 1981 1983年型 保险杠对保险杠碰撞过程中的 动力学响应进行评估 同时给出了汽车在不同速度条件下的加速度 保险杠的位 移及汽车速度的时间响应历程 24 Gregory M Hulbert教授等人研发了一种辅以前 置安全气囊的新型主动带气腔式保险杠系统它不仅拥有很好的碰撞安全性能 也 可以为行人提供良好的保护作用 26 L Ramon Villalonga等人参照AZT标准对不 同大小网格的保险杠系统进行了大量的分析与比较发现 当吸能盒模型的网格大 小为2 5mm时 能使吸能盒得到理想的吸能 屈服模式及平均载荷等特性 27 Javad Marzbanrad等人根据ECE R42标准分别采用铝合金 玻璃纤维增强热塑性复合材 料 GMT 及高强度片状模塑料 SMC 对某型保险杠分别进行了模拟仿真计算发 现 改进的SMC碰撞横梁可以有效地减小保险杠碰撞横梁的扰度 冲击力以及应 力分布情况 同时能有效地增大保险杠的弹性应变 28 2 我国研究状况 我国国内对保险杠的研究较晚 但是发展速度较快 通过结合传统的碰撞试 验与模拟仿真分析 取得了比较显著的成果 从以往发表的论文中可以总结 国 内主要有有以下研究案例 顾力强等人根据SAE J2319标准对某轿车的简易保险杠进行了低速碰撞试验 和模拟仿真研究 指出了保险杠设计过程中必须合理匹配保险杠支架与保险杠之 间的强度关系 以有效提高碰撞过程中保险杠系统的吸能能力及安全性能 29 王 群山设计了一款吸能缓冲式保险杠 它在正面碰柱试验过程中展现了很好的吸能 性能 同时建立了该保险杠摆锤碰撞试验的有限元仿真模型 并找出了影响保险 杠耐撞性的最重要因素 30 葛如海等人利用LS DYNA等软件对某国产汽车的保险 杠及一款缓冲缓冲式吸能保险杠的吸能特性进行了仿真计算分析 并通过与实际 硕士学位论文 7 试验进行对比验证 得出了缓冲吸能式汽车保险杠具有较好的吸能及安全特性 31 陈现岭根据RCAR试验方法 利用有限元仿真方法 从保险杠吸能盒结构设 计 碰撞能量计算及吸能弹簧单元等方面具体阐述了低速碰撞过程中车辆的性能 设计过程 32 杨永生根据经验值及仿真结果设计了某一款进口车的保险杠吸能盒 诱导槽数量及其位置 有效的降低了整车的碰撞力峰值 同时增加了吸能盒在碰 撞过程中所吸收的能量 33 张金虎在LS DYNA等有限元软件的基础上建立了保险 杠 摆锤及支架的有限元仿真模型 并根据FMVSS part581 美国保险杠标准 及我 国汽车前 后端保护装置的评价标准对保险杠的性能进行研究 34 纵观当今国内外的汽车保险杠的设计与发展 开发质量小 变形吸能性能更 优越 同时在低速碰撞过程中能对汽车的前 后端高成本 易损件的保护作用更 加明显 在高速碰撞中能尽可能地吸收汽车动能并能有效把碰撞冲击力快速 有 效地传递给后端车身结构 以及具有更优的行人保护性能的汽车保险杠已经成为 现今保险杠系统开发研究的总体趋势 1 4 汽车保险杠轻量化设计方法 汽车保险杠轻量化主要有两大途径 1 改变保险杠的结构 如改进其加强筋 的分布 缩小局部部件的尺寸 或使保险杠部件薄壁化 中空化来达到轻量化的 目的 2 在保证碰撞安全性能的同时使用轻量化的金属 非金属材料替代原保险 杠的材料 即通过材料替换达到轻量化的效果 35 1 4 1 保险杠的结构轻量化设计 通过改变保险杠的结构来达到轻量化的效果主要有两种手段 一类是在保证 结构安全性能要求的前提下 简化保险杠的整体结构 减少保险杠中无关紧要部 件的使用 另一类是通过对保险杠的形貌进行优化 改良优化保险杠结构 降低 保险杠材料的使用量来实现保险杠整体的轻量化效果 例如优化保险杠加强筋的 形状及位置 在保证保险杠整体强度的同时减少其材料的用量 今年来 我国对 保险杠的结构轻量化做了大量的研究 从各类发表文献资料来看可总结如下 檀晓红等人采用仿真计算方法对国内某车型保险杠的耐撞性进行了详细的分 析 并对该保险杠横梁结构进行设计改进 得出改进设计后的保险杠较原保险杠 具有更优异的碰撞安全性能 36 李继川以提高保险杠的耐撞性为目标 选取了保 险杠的壁厚和保险杠横梁中部两段弧的半径为设计参数对保险杠的结构进行优化 设计 得出一种满足优化目标的设计方案 为今后保险杠的开发与设计提供了非 常有参考价值的方向 37 李晨等人在 LS DYNA 等有限元软件的基础上 通过对 我国某轿车的保险杠正面碰撞模拟计算对保险杠横梁的结构进行修改 改进后的 铝合金汽车保险杠横梁的轻量化设计及其性能研究 8 保险杠横梁的碰撞安全性能要明显优于方案 38 程秀生等人从保险杠的抗弯性能 及材料等方面对其进行设计改进 得出改进设计后的保险杠横梁很好地解决了在 碰撞过程中的断裂问题 有效地提高了保险杠横梁的碰撞安全性能 39 刘伟等人 根据 GB17354 1998 碰撞法规 对原传统高强钢保险杠进行轻量化设计 得出利 用 GMT 改进设计的保险杠不仅能保证碰撞安全性能 同时还能减重 50 以上 能很好地实现保险杠的轻量化效果 40 胡平等人利用高强度钢对捷达车的原保险 杠横梁进行截面再设计及壁厚优化 并通过保险杠横梁的静态弯曲模拟验证了设 计方案 结果表明 改进设计的高强钢保险杠横梁较原横梁具有更好的刚度且质 量得到有效减轻 41 万银辉等人在 LS DYNA 等有限元软件的基础上 参照国内 某车型的原钢制保险杠横梁设计了一种中空 带加强筋的 6061X 铝合金横梁 得 出改进设计的 6061X 铝合金横梁较原钢制件减重 38 并且有效地提高了保险杠 系统的碰撞安全性能 42 曹立波等人基于耐撞性及行人保护等要求 以某国内量 产车的保险杠横梁为研究对象并对其进行轻量化设计 得出改进设计后的铝合金 保险杠横梁不仅达到明显的轻量化效果同时还有效地提高了保险杠系统的耐撞性 及行人保护的性能 43 冯源等人以国内某型号保险杠为研究对象 利用显示有限 元法对保险杠横梁的截面外形进行改进设计 得出改进设计后的保险杠在碰撞过 程中能有效地降低侵入位移 提高保险杠的碰撞安全性能 44 米林等人利用 LS DYNA 软件 5 种不同截面的单腔铝合金吸能盒和 4 种多腔铝合金吸能盒的吸 能特性进行了对比分析 表明在 5 种单腔吸能盒中 八边形截面形状的吸能特性最 好 而多腔结构吸能盒的吸能特性较单腔结构有显著提高 45 万鑫铭等人利用近 似模拟技术及数值仿真优化方法 利用铝合金对某乘用车的原钢制吸能盒进行轻 量化结构再设计 设计的铝合金吸能盒在减重 58 的同时还进一步提高了吸能盒 的强度性能 46 1 4 2 保险杠的材料轻量化设计 由于汽车保险杠是由多个部分组成的 因此其采用的材料也非常广泛 高比 刚度 比强度的轻质金属材料均可用于保险杠的制造 值得一提的是 在很多小 型乘用车辆如轿车或者小型面包车上开始使用塑料作为保险杠的材料 这一方面 是出于保护行人考虑 另一方面也可以进一步减小整车质量 而且此类材料拥有 一定的记忆特性可以使保险杠在轻微碰撞后自动复原 当然 无论是新的金属还 是复合材料 其研发目的都是更强 更轻 目前用于减轻保险杠的材料主要两大 类 1 高强度钢之类的高强度材料 2 铝合金 泡沫铝 镍钛合金等之类的轻 质材料 以下是常用的保险杠轻量化材料 1 高强度钢 为获得更好的保险杠的碰撞安全性能及使用耐久性 传统的汽车保险杠设计 硕士学位论文 9 理念是通过提高部件壁厚来实现 而现今则可以通过使用高强度钢 在保证碰撞 安全性能和使用耐久性能的同时减少部件壁厚减少车身重量 高强度钢是现今汽 车用钢材的主要发展方向之一 为应对汽车保险杠轻量化及其他轻质材料的挑战 很多钢铁企业已经将钢材开发的重点放在高强度钢上 并取得一定成效 先后开 发出了屈服强度大于210MPa的高强度钢 屈服强度大于550MPa的超高强度钢 得到广泛应用 47 2 铝合金 铝合金是开发较早且技术日趋成熟的轻量化的材料 近年来它在汽车部件上 的应用越来越广泛 48 铝的密度为 2 71g cm3 仅是钢铁的 1 3 是汽车保险杠轻 量化设计过程中经常采用的材料 奥迪 100C3 的汽车保险杠横梁就是用铝合金制 成的 其材料主要为 A1MgSMnW27 横梁的壁厚为 2mm 利用铝合金对汽车保 险轻量化的主要目的是为在减轻保险杠整体质量的同时利用其有效吸收碰撞过程 中的能量 49 3 泡沫铝 近来 德国的不来梅等科学家 50 已经成功地研制出了一种泡沫金属铝 如果 汽车保险杠使用这种材料来制造 则能很好地将车辆在碰撞过程中的能量吸收掉 使车辆的整体安全性能得到很大改善 有研究表明 两辆总质量为2000kg的轿车 若以20km h的初速度相碰撞 则只需3块大小为15cm 15cm 10cm的泡沫金属铝就 基本上能将碰撞过程中的能量吸收掉 从性能上考虑 将泡沫铝填充进圆管能非常有效地提高圆管在轴向冲击时的 抗冲击性能 提高能量吸收效率 因此泡沫铝广泛应用于机械缓冲装置中 51 相 对于传统的薄壁空心金属保险杠 在吸收相同能量的条件下 使用泡沫铝填充汽 车保险杠的圆管只需填充11根 而使用空心金属圆管的保险杠则需空心金属圆管 20根 由此可知 一根填充有泡沫铝的金属圆管吸收的能量比一根空心金属圆管 吸收的提高了82 因此采用泡沫铝填充汽车保险杠圆管的整体质量比为填充的 保险杠减重55 52 4 镍钛合金 镍钛合金是一种新型的高性能材料 它具有着其它常规材料所不具备的特殊 性能 如伪弹性及形状记忆特性等 目前某些高档汽车保险杠的内板和外板采用 该合金 钛是一种非常典型的轻质金属 同时镍钛合金的密度比传统钢铁的密度 要低许多 在达到相同刚度及强度的条件下 镍钛合金的质量要远远低于钢铁的 即它相对于钢铁来说具有较高的比刚度和比强度 另外 由于该合金具有形状记 忆的特性 在碰撞过程中发生变形时能够产生的巨大回复力 从而减少保险杠的 维修次数 提高保险杠的整体性能 53 铝合金汽车保险杠横梁的轻量化设计及其性能研究 10 1 5 本文研究的主要内容 本文参照国内某车型的原钢制保险杠横梁的空间结构及其性能要求 利用 HYPERMESH LS DYNA3D 等一系列有限元仿真软件对铝合金保险杠横梁进行 结构优化再设计 模拟计算了两种铝合金保险杠横梁及原钢制件在摆锤碰撞试验 及台车碰撞试验过程中的变形 吸能情况 并与实际台车碰撞试验进行对比研究 同时结合铝合金保险杠横梁的整车碰撞试验观察铝合金件与原车的匹配情况 为 铝合金保险杠横梁的设计提供试验参考依据 本文的主要内容如下 1 为了使制备的铝合金保险杠横梁既能减轻重量 又具有较好的碰撞安全 性 同时考虑铝合金具有较好的成形性 本文参照原钢制保险杠横梁的外形结构 设计了两种薄壁 中空且带加强筋的铝合金保险杠横梁结构 其中一种为弧线形 结构 另一种为折线形结构 2 参照原钢制保险杠横梁的刚度及力学性能要求 利用 HYPERMESH LS OPT 等模拟仿真软件 对弧线形铝合金保险杠横梁的截面进行尺寸优化 以 获得在保证保险杠横梁的安全性能要求的同时达到最大减重效果 3 按照法规的要求 利用有限元软件模拟了安装两种铝合金保险杠横梁的 保险杠总成在摆锤碰撞 4km h 条件下的变形情况 并与原钢制件在相同条件下的 变形状况进行对比分析研究 4 按照碰撞法规要求 将装有两种铝合金横梁的保险杠总成安装在台车上 进行不同速度条件下的正面台车碰撞数值仿真 并与原钢制件的台车碰撞结果进 行对比分析 观察三种铝合金保险杠横梁在碰撞过程中的吸能及变形情况 5 按照法规的要求 对装有三种横梁的保险杠进行实际台车碰撞试验 对 比分析了三种保险杠横梁在实际台车碰撞试验中的变形及台车加速度曲线 并与 仿真结果进行对比研究 为后续的整车碰撞试验提供参考依据 6 按照法规的要求 将设计好的铝合金保险杠横梁安装到乘用车上 通过 乘用车 100 正面碰撞乘员保护试验验证了保险杠横梁的吸能特性 并且观察气 囊引爆时间及假人伤害情况 验证铝合金保险杠横梁是否满足安全性能的要求 硕士学位论文 11 第2章 有限元仿真建模 2 1 引言 随着计算机技术的高速发展及有限元计算方法的发展日趋成熟 利用数值方 法对汽车耐撞性的研究已成为现今汽车碰撞研究的最重要的手段之一 自80年代 第一次利用有限元分析方法对整车的耐撞性进行计算分析以来 有限元计算方法 在汽车碰撞方面的应用得到迅速普及 54 55 目前 美国 日本和西欧等著名汽车 制造公司均有专门的专业人员从事汽车耐撞性方面的有限元分析 目前汽车被动安全的碰撞仿真计算主要有两种方法 显示非线性有限元法及 多刚体动力学法 其中 显示显式非线性有限元法结合了结构本身的几何非线性 和材料的非线性 它不局限于小变形的系统 适用于处理各种碰撞接触问题 在 计算过程中它离散连续的空间系统 能够得到各部件在碰撞过程中的变形 速度 和加速度的变化以及应力 应变情况 多刚体动力学法则可以用于大位移系统的动 力学分析 它能很好地处理碰撞过程中的非线性问题 并且建模方便 计算速度 也非常快 如今研究碰撞过程中的各项性能最常采用的方式是使用显式非线性有 限元法分析碰撞过程中的变形 吸能及加速度曲线等 代表仿真软件主要有 LS DYNA3D RADIOSS及PAM CRASH等 56 58 本文利用LS DYNA3D软件对三种保险杠横梁在摆锤碰撞 台车碰撞及三点弯 曲等工况条件下的变形行为及性能进行有限元仿真分析 本章简单阐述了几种不 同加载工况的仿真建模过程 2 2 摆锤碰撞有限元模型建立 本文按照FMVSS 581保险杠标准 59 对装有三种不同横梁的保险杠进行摆锤 碰撞分析 摆锤碰撞保险杠试验采用摆锤碰撞整车的方式 它主要可分为中心碰 撞和角度碰撞两种 按法规中规定 摆锤碰撞之前车辆需空载 其前轮调整到直 行方向 轮胎根据制造商提供规定气压进行充气 车辆的制动器松开 且变速器 挂为空挡 碰撞试验结束后除了保险杠及与保险杠相连接的部件外 其他部件表 面无明显脱落和变形 其它汽车部件能够正常工作 由于在低速碰撞过程中保险 杠后端的部件并无明显变形 为了减少仿真计算时间 本文仅采用保险杠的模型 进行计算 而将整车上的其他零部件主动进行忽略 有关研究发现 60 61 整车碰 撞仿真的结果跟零部件的仿真结果虽然不完全相同 但它们的变化总体趋势是一 致的 因此采用汽车零部件的仿真所提供的数据具有很好的实用性和可靠性 铝合金汽车保险杠横梁的轻量化设计及其性能研究 12 根据法规要求 本章进行摆锤对中碰撞保险杠仿真计算 并对三种保险杠横 梁在碰撞过程变形行为 碰撞性能等进行对比分析研究 2 2 1 摆锤与保险杠 1 摆锤 图2 1为摆锤打击试验碰撞器实物图 碰撞器主要由撞击头和配重箱组成 撞 击头由一块钢料锻造后加工而成的 它需要进行表面淬火处理 碰撞器前端面保 持垂直方向 基准线保持水平 摆锤的有效碰撞质量与试验车辆的 整车整备质量 相同 其撞击中心离地高445mm 图2 1中配重箱的主要作用是调整摆锤质量及其 重心位置 配重箱主要由一个箱体和几十块配重块组成 可以选用不同的配重块 来改变碰撞箱的整体质量 配重块紧固在箱体上 配重箱与撞击头通过螺栓联接 碰撞时各部分不得发生相对运动 根据FMVSS 581标准 在摆锤碰撞保险杠试验 中 摆锤装置的撞击刃口是由A1S1 4130号钢制成的 其洛氏硬度为34HRC 摆 锤撞击刃口的表面粗糙度是32微英寸 图2 1 摆锤打击实物图 2 保险杠外形 本文对改进设计后安装两种铝合金横梁的保险杠进行仿真计算并与原钢制保 险杠进行对比分析 由于汽车保险杠外部的蒙皮在碰撞时所吸收的能量很小 主 要起到美化的作用 所以在本文的仿真过程中不予考虑 61 保险杠的结构采用实 际的结构 而非简化形式 在原钢制保险杠主要由钢制保险杠横梁 上底板 吸能块 及保险杠与纵梁相连接的连接板 下底板 其中横梁有横梁外板 与 横梁内板 两部分组成 如图2 2 a 所示 装有铝合金横梁的保险杠同样也是由铝 合金保险杠横梁 上底板 吸能块 及下底板 四部分组成 如图2 2 b 及 2 2 c 所示 碰撞器 硕士学位论文 13 图 2 2 三种保险杠结构 a 原 DC04 钢制横梁保险杠 b 弧线形 6061X 铝合金横梁保险杠 c 折线形 6061X 铝合金横梁保险杠 下底板 吸能块 上底板 钢制横梁内板 钢制横梁外板 铝合金横梁 2 2 2 单元划分及材料模型 1 单元网格划分 对于大变形问题的仿真计算 Belytschko Tsay壳单元公式 简称B T公式 是最 为稳定且最有效的计算公式 其计算效率及计算精度都非常高 被广泛应用于汽 车的薄壁件碰撞模拟计算中 62 本文中保险杠是非常典型的薄壁板材和挤压型 材 仿真中全部利用四节点的壳单元对其进行网格划分 在这种涉及部件大变形 的碰撞仿真过程中 壳单元的大小对部件的局部变形仿真计算很敏感 部件的网 格疏密对其变形形式 加速度变化及速度变化等宏观量都有非常直接的影响 另 一方面 如果网格过细 则会使计算时间 若网格划分过粗 则碰撞过程中的沙 漏不好控制 63 影响计算精度 本文根据以往的仿真经验及试算 选择保险杠横 梁的壳单元大小为5mm 吸能块网格大小为4mm 由于摆锤为刚性体 其在碰撞 过程中基本不变形 为缩短计算时间本文将摆锤的网格大小设置为10mm 划分 好网格后的摆锤碰撞有限元模型如图2 3所示 图 2 3 三种保险杠摆锤碰撞有限元模型 a 原 DC04 钢制横梁保险杠 b 弧线形 6061X 铝合金横梁保险杠 c 折线形 6061X 铝合金横梁保险杠 2 材料模型选择 在LS DYNA3D中自带有将近140多种材料模型 64 有限元分析结果的准确性 a b c a c b 铝合金汽车保险杠横梁的轻量化设计及其性能研究 14 很大程度上依赖于材料模型的选择和材料参数的确定 为获得准确的仿真结果 选择合适的材料模型及材料参数是非常重要的 以下是仿真计算过程中经常使用 的几种材料模型 MAT PLASTIC KINEMATIC 理想弹塑性材料模型 图2 4 该模型的材料在达到屈服应力后其值不再增加 即改模型没有塑性硬化现象 仿真中需定义材料的杨氏模量 材料密度 泊松比及其屈服应力 MAT PLASTIC KINEMATIC 双线性弹塑性材料模型 图2 5 该模型的材料在达到屈服应力后材料沿线性硬化 仿真过程中需定义材料的 密度 杨氏模量 切线模量 泊松比及材料的屈服应力 e y e y d d E e y e y d d E y d d ETAN 图2 4 理想弹塑性材料模型 图2 5 双线性弹塑性材料模型 MAT POWER LAW PLASTICITY 指数硬化弹塑性材料模型 图2 6 该模型的材料在达到屈服应力后其应力按指数关系进行塑性硬化 仿真时需 定义材料的密度 泊松比 杨氏模量 强化系数K及其硬化指数n MAT PIECEWISE LINEAR PLASTICITY 多线性弹塑性材料模型 图2 7 该模型的材料在达到屈服应力后其应力的硬化曲线是由多段线组成的 仿真 时需定义材料的密度 泊松比 杨氏模量 屈服应力及其有效应力 应变曲线 e y e y d d E y n py k n k e y e y d d E 图2 6 指数硬化弹塑性材料模型 图2 7 多线性弹塑性材料模型 MAT JOHNSON COOK JC 材料本构模型 硕士学位论文 15 JOHNSON和COOK两人在1983年提出了一种适用于金属在高应变率 大变形 及高温条件下材料的JC本构模型 在该模型中 屈服应力 y 可表示为 65 T 1Cln 1B A m n py 2 1 式 2 1 中A B C n及m都是可以通过实验来确定的材料本构常数 其中A是材 料在准静态条件下的屈服应力 B n为材料的应变强化系数 C为材料的应变率 强化系数 m为为材料的热软化参数 p 为材料的等效塑性应变 是材料无量 纲的等效塑性应变率 0 2 2 式 2 2 中 与 0 是应变率且 0 一般取1 0 s 式 2 1 中 T为约化温度 可表示为 rm r TT TT T 2 3 式 2 3 中 r T是参考温度 通常取室温 m T是材料在常态下的融化温度 在本文的摆锤碰撞过程中 由于摆锤的刚度较大且变形量较小 几乎可以忽略 不计 同时为缩减仿真过程中的计算时间 因此 将本文的摆锤设置为刚性体 即选用LS DYNA中自带的20号材料模型 MAT RIGID 其材料参数如表2 1所 示 表2 1 钢制摆锤的材料参数 密度 kg m 3 弹性模量E GPa 泊松比 7850 206 0 3 根据保险杠各部件在碰撞过程的性能要求 保险杠各部件在仿真计算时分别 采用不同种类 不同性能的材料 其中 铝合金保险杠横梁所用的材料为6

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