汽车碰撞吸能装置设计

任务书设计题目：汽车碰撞吸能装置设计1设计的主要任务及目标主要任务：（1）方案的构思；（2）选择最优方案；（3）理论分析；（4）材料选择；（5）整理设计目标：对吸能盒薄壁结构在低速碰撞情况下的吸能性能和变形模式进行研究。2设计的基本要求和内容基本要求：（1）要保证乘员足够的生存空间；（2）除乘坐室以外的车体结构部分尽可能的多变形，以合理地吸收碰撞能量，使得作用于乘员身体上的力和加速度值不超过人体的耐受极限，避免人体器官受到伤害而导致伤亡。内容：（1）吸能盒薄壁结构；（2）吸能方式；（3）理论及仿真研究3主要参考文献1韦保仁，八木田浩史.中国汽车保有量及年产量预测模型研究.城市车辆.2004，(4)：21-24页2周宇，雷正保，杨兆.基于预变形控制理论的汽车前纵梁仿真设计.长沙理工大学学报.2005年12月：34-38页3江志勇基于轿车薄壁构件碰撞的变形及吸能特性的仿真与分析武汉理工大学硕士论文2009：9-11页4刘中华，程秀生，杨海庆等.薄壁直梁动态撞击的变形和吸能特性的研究.中国汽车工程学会2004汽车安全技术国际研讨会,2004，50-56页4进度安排设计各阶段名称起止日期1资料收集2014.22014.32整理思路2014.32014.43数据分析2014.42014.54初步撰写205整理设计、打印装订2014.6汽车碰撞吸能装置设计摘要：随着汽车工业的迅速发展，汽车碰撞问题已成为国内外车辆研究领域的重点和热点。在我国针对汽车的高速碰撞研究较多，而对低速碰撞的研究较少。所以本文对低速碰撞的问题进行研究。本文采用有限元方法，以UG为平台，对低速碰撞情况下汽车吸能装置的结构特性进行研究，尤其是材料特性对吸能装置的影响进行了分析，并提出了具体的优化设计方法。在结构特性研究方面，将吸能盒简化为薄壁直梁构件，运用有限元方法模拟碰撞过程，得出计算结果。并将该结果与数值计算方法所得结果进行比较，验证了有限元方法的正确性。通过对不同截面形状铝合金材料吸能部件的抗撞性能进行了研究，正方形截面形状吸能部件最佳。根据预变形理论对结构吸能特性的影响，采用设置诱导槽的方法对结构进行了优化设计，诱导槽的设置削弱了吸能部件的刚度，降低了结构的吸能能力；改变吸能部件壁厚，设计出了满足碰撞性能参数的汽车吸能部件。从结构和材料两方面对吸能装置进行了改进设计。结构方面，为中间焊缝布置的吸能装置设置了诱导槽，达到了减小最大碰撞力的目的；材料方面，分析了铝合金材料的吸能特性，并通过对铝合金材料模型分析，得到了正方形截面的铝合金模型为最佳的设计方案。最后，对某具体车型的吸能装置进行了研究，提出了初步改进意见。研究结果为进一步研究汽车构件在低速碰撞情况下的变形特性提供了理论依据和参考数据。关键词：低速碰撞，吸能装置，材料特性，有限元法CarcrashenergyabsorptiondevicedesignAbstract：AstherapiddevelopmentofChineseautomobileindustry,theautomobileimpacthadbeenanimportantprobleminvehicleresearchfield.AtPresent,mostoftheresearchworkfocusonthehighspeedimpactinChina:onlyfewofresearchworkareaboutlowspeedimpact.Therefore,thelowspeedimpactproblemsareresearchedinthisPaper.TheFiniteElementMethodisappliedinthisresearch.Aimingatlowspeedimpact,thestructuralandmaterialcharactersofautomobileenergyabsorberareanalysedundertheplatformofUG,especiallythematerialcharacters,andtheoptimumdesignplanisproposedIntheresearchonstructuralproperties,theenergyabsorberissimplifiedtobethin-walledbeams.TheimpactprocessissimulatedbyFiniteElementMethod,andthesimulativeresultsareobtained.Comparingwiththeresultsobtainedbynumericalcalculationmethod,thecorrectnessofFiniteElementMethodisvalidated.Energyabsorbingcharacteristicsofvehiclecrash-boxatlowspeedimpactarestudiedbyusingshapeoptimizationdesignhasbeenproposedthroughchoosingpropercrosssectionadoptingappropriategrooves,resultshowedthatthecrashenergyabsorbingcharacteristicsimprovedobviouslyforsquarecrosssectiongrooves.Thestiffnessofenergy-absorbingcomponentsandtheenergyabsorptioncapacitywasdecreasedwhengroovesadopted.Withtubewallthicknessincreasing,crashenergyabsorptioncapacityisimproved.Theoptimumdesignplanisproposedfrombothstructuralandmaterialaspects.Astothestructuralaspect,inordertoreducethepeakimpactforce,derivationalgrooveisaddedtoenergyabsorberwithmedialweldingline.Aboutthematerialaspect,theabsorbingabilityofaluminumalloyisanalyzing.Byanalyzingthealuminumalloymodel,itisobtainedthatabsorbingperformanceofaluminumalloymodelwithsquaresectionistheoptimumdesignplan.Atlast,theenergyabsorberofacertaincarisresearched,andprimaryimprovingsuggestionsareproposed.Theresearchresultsinthispaperprovidethetheoreticalbasisandreferenceddatatoresearchthebendingcharactersofautomobilefrontbumperunderlowspeedimpact.Keywords:low-speedimpact，energyabsorber，materialcharacteristics，finiteelementmethod目录1绪论11.1课题研究的目的及意义11.2汽车碰撞研究概述11.2.1国外汽车碰撞研究概述21.2.2国内汽车碰撞研究概述31.3研究汽车吸能盒在低速情况下正面碰撞的意义41.4我国汽车碰撞标准51.4.1正面碰撞标准51.4.2侧碰及后碰标准61.5汽车碰撞吸能盒61.5.1碰撞吸能盒简介61.5.2碰撞吸能盒的材料研究概述71.6课题主要研究内容82汽车吸能部件碰撞性能参数的分析102.1车身结构理想化的碰撞力曲线102.2汽车吸能部件概述112.3吸能盒的设计原则122.4汽车主要吸能部件抗撞性能参数142.4.1吸能盒撞击力许可值142.4.2吸能盒低速碰撞性能参数152.5吸能盒的变形模式182.6本章小结193薄壁梁吸能结构的研究213.1薄壁构件吸能213.2薄壁构件吸能特性影响因素213.3本章小结234薄壁梁有限元模型的设计及仿真244.1薄壁直梁的建模方法244.1.1仿真模型的建模分析244.2材料对吸能盒特性的影响244.2.1材料的选择244.2.2铝合金薄壁吸能部件碰撞性能254.3铝合金材料吸能部件理论分析254.3.1正方形铝合金构件仿真模拟254.3.2正方形铝合金构件理论分析274.4本章小结295吸能装置的改进设计305.1吸能装置的结构改进设计305.1.1改进焊缝布置305.1.2添加诱导槽325.2“长安之星”吸能盒研究345.3本章小结356结论36参考文献37致谢4001绪论1.1课题研究的目的及意义随着汽车工业的发展及各项法规的建立和完善，汽车的安全性能成为设计人员的焦点。由于低速碰撞时对人员的损伤比较小，并没有引起人们的重视，目前国内汽车碰撞的研究大部分是围绕高速碰撞展开的。但是在城市中大多数的交通事故是在低速时发生的。低速碰撞情况下产生的能量由汽车前部的吸能盒来吸收，就可以使车体的其它结构避免永久变形，从而保护汽车发动机等重要部件。可以减少因此造成的保险和理赔金额。有研究表明，中国可能于2015年到2020年间成为世界最大的汽车消费市场和生产基地，我国汽车保险业将面临巨大的考验l。所以，对我国汽车制造业和保险业而言不仅要考虑高速碰撞，还要考虑低速碰撞方面的问题。目前，国际上已经成立了汽车修理研究理事会（RCAR）2。该组织致力于提高汽车的抗损性、修复性、安全性和防盗性,减少保险成本。现在的24个成员机构分布在17个国家，由各大保险公司及其关联企业资助的研究中心组成。除非洲外，各大洲都名列其中。日本和韩国均是其成员国。1994年，RCAR制定了15公里/小时撞击测试的标准，用以衡量汽车的抗损性，在一些国家这是汽车保险费率厘定的风险因子之一。这套标准对在不同地区、不同设备情况下接受测试的汽车都有对照性。遗憾的是我国并非其成员国,至今没有相关标准。因此，研究低速碰撞、设计汽车纵梁与保险杠之间的吸能盒，有利于保护汽车主要部件，对降低维修成本和理赔费用，延长车辆的使用寿命有重要意义。不仅有助于提高我国汽车整车的质量，更有利于提高我国汽车保险的服务水平,不仅使得我国的汽车符合国际碰撞标准，又在汽车保险的费率厘定、核保核赔方面逐步与国际接轨。1.2汽车碰撞研究概述汽车是一个国家发展水平的标志，汽车工业的发展对促进社会进步，提高大众的物质生活水平起着非常重要的作用。但随着汽车速度的提高以及汽车数量的增加，交通事故越来越严重，由此造成的经济损失也越来越多。公安部道路管理局的调查1显示：2001至2004年，我国每年死于交通事故的人数都超过10万人，直接经济损失总计122亿元3。根据世界卫生组织(WorldHealthOrganization)预测，到2020年，道路交通事故将成为世界上仅次于心脑血管疾病和抑郁症的第三大人身威胁4。因此,研究汽车碰撞、保护乘员安全、降低碰撞损失己成为汽车设计领域非常重要的一部份。1.2.1国外汽车碰撞研究概述汽车的碰撞安全性问题是世界汽车工业长期以来而临的一大难题，国外对这一问题的研究已进行了将近一个世纪，30年代即开始采用简单的实车碰撞试验，50年代之后发展了台车模拟碰撞试验，80年代以后发展了基于碰撞有限元理论的计算机仿真技术，目前国外在这一领域的相关研究大多采用这一技术，其中，已进行过的较为典型的整车碰撞计算实例有：（1）1993年，英国交通研究实验室(TransportationResearchLaboratory)对某一轿车的前撞进行了仿真计算，计算采用CRAYY-MP巨型机和OASYS-DYNA3D动态非线性有限元计算分析软件。整车模型由25000个变形单元组成，计算100ms的车辆撞击响应过程，耗时30CPU小时。计算得到了车辆撞击过程中的加速度变化曲线及车辆的撞击变形等。（2）1995年,美国Ford公司进行了轿车与护栏前撞的仿真计算。计算采用CRAYY-MP巨型机和RADIOSS商用非线性有限元碰撞分析软件。整车模型由31500个节点、30800个单元组成。单元类型包含有壳单元、实体单元、梁单元以及非线性弹簧单元等。计算得到了撞击时仪表板等侵入驾驶室的尺寸、车辆撞击变形及车辆中的乘员损伤情况等。目前，对汽车碰撞安全性的仿真研究涉及面相当广泛，如车体结构，碰撞保护措施，人体生物力学等，具体的求解计算内容大致包括两个方面：用有限元方法计算汽车碰撞过程中车身、车架等的变形及动态响应；用有限元方法或多刚体动力学法计算人体（即车内乘员）在各种碰撞条件下的响应。与这些研究相关的最基本也是最复杂的工作是建立能真实反映实际碰撞状况的数学模型，这些模型可分为集中质量模型、多刚体系统模型或有限元模型等，每一类模型的建立要根据不同的条件以及特定的分析目的，如：2根据各种碰撞条件可建立车辆正面碰撞模型、侧面碰撞模型、尾部碰撞模型或者部件碰撞模型等；根据不同的乘员特征建立各类假人模型；根据人体局部损伤分析的需要建立人体局部结构的生物力学模型；研究乘员与约束系统碰撞时建立约束系统的模型等。由于汽车碰撞涉及的两个主要方面即车体和人体，因此，人们常采用如下两种研究模式：即不包含乘员的整车碰撞特性研究与以乘员为主的二次碰撞特性研究。但乘员在碰撞过程中的损伤既受二次碰撞特性的影响，同时也还受到一次碰撞性能的影响,因此，对一次碰撞性能的研究是提高汽车安全性的基础。最新的资料显示，日本瓦家大钢铁公司工在联手进行一种车体新材料(一种新的合金钢)的开发研究，这种材料的特性是重量轻，但具有良好的撞击吸能特性(与应变率相关)，能够适应从低速碰撞到高速碰撞的各种撞击吸能要求。另外，目前国外对汽车碰撞的仿真研究大多强调最后的阶段，即建立大量有限单元的整车模型(单元数从2万到10万或更多)，对整车结构进行最终碰撞性能的校核；然而，在一般车辆的初始设计阶段，可能没有制作详细的车辆碰撞校核模型所需要的信息和时间，因此，简单化的碰撞仿真设计方法和手段在实际的应用中更受欢迎，这将是应用计算机仿真技术进行车辆结构碰撞性能设计的一大趋势。1.2.2国内汽车碰撞研究概述国内开展汽车碰撞安全性的研究己是八十年代末期的事情，与国外相比，虽然起步较晚，但由于有了国外的经验可供借鉴，因此，发展也相当迅速。1989年，清华大学汽车系首先建立了国内第一个简易的实车碰撞试验台并进行了一些探索性的车辆碰撞试验研究，取得了较好的效果，在国内汽车工业界造成了一定的影响，随后,中国汽车技术研究中心(天津)、东风汽车工程研究院(襄樊)、交通部公路交通试验场（北京）以及湖南大学机械与汽车工程学院等单位也先后建立了汽车碰撞试验设施，国内的汽车碰撞试验研究工作蓬勃开展起来，尤其是在政府部门制定了强制性的汽车碰撞安全法规后，各汽车生产厂家更是加紧了对汽车碰撞安全性的设计与改进研究工作。在汽车碰撞的仿真研究方面，国内近年来也开展了一些工作，如1997年5月，3清华大学汽车系裘新等人利用简化的车辆模型实现了某轻型车的前碰撞仿真模拟；1998年10月，长春汽车研究所贾宏波等人完成了“红旗”牌轿车车身前碰撞的仿真计算，接着，北京理工大学、上海同济大学、长沙湖南大学等都相继完成了轿车车身或轿车整车的碰撞仿真研究工作，这说明我国汽车碰撞的仿真研究已进入到实用性阶段。值得指出的是，湖南大学等单位关于机械系统碰撞的计算机仿真理论和算法研究己达到国际水平，并开发了具有自主知识产权的汽车碰撞并行化仿真系统分析软件，这为我国开展汽车碰撞的计算机仿真研究奠定了相当良好的基础。总的说来，由于国内在汽车碰撞安全性这一领域的研究起步较晚，所做的基础研究工作还相当有限，直到目前，也还受到计算机软件、硬件、试验条件以及资金投入的限制，因此，仿真计算中车辆碰撞模型的建立、仿真计算参数的选择以及仿真方法的研究等方面的工作有待进一步深入，并且仿真计算的精度及其工程实用性也有待于提高，这也是国内在汽车碰撞安全性研究领域应用计算机仿真技术的主要趋势。综上所述，本课题开展汽车碰撞吸能方式的研究工作对于提高交通安全性、保障人员的生命和财产安全以及提高企业的竞争力具有重大的理论意义和实用价值。1.3研究汽车吸能盒在低速情况下正面碰撞的意义汽车的安全性能一直都是设计人员追求的主要目标，在众多的汽车安全措施中，车身结构的耐撞性设计是所有安全性措施的基础，在一定程度上影响着整车的安全性能。由于驾驶员在遇到危险时有一定的刹车反应时间，在这段时间里汽车的速度会因为受到驾驶员的控制而有一定程度的降低，所以大多数汽车碰撞是发生在低速碰撞的情况，因此研究汽车的低速碰撞就显得尤为重要。大多数汽车在正面碰撞事故发生时，车辆所携带的巨大碰撞动能主要通过车身前部金属结构的塑性变形来吸收，此时汽车前部下端在外力撞压下将产生结构大变形而起到吸收撞击动能、保护乘员的作用5，是重要的被动安全装置，因此具有极其重要的研究价值。车前端的吸能作用是建立在组成其结构的所有部件的联合作用之下的，是各个吸能部件本身所产生的作用的集中体现。在汽车设计制造中，薄壁梁是最常见且重要的结构，汽车碰撞的本质就是薄壁结构的大变形吸能过程，其中吸能盒是主要的吸能构件。4在汽车碰撞研究的初始阶段，由于碰撞问题十分复杂，我们可以先选择其最具有代表性且比较重要的一部分吸能构件进行考察研究，建立起它的参数模型，观察并分析其受到撞击后的变形吸能特性及对乘员的保护作用。通过这一方法逐渐了解并熟悉结构变形吸能的过程和特点，积累实际经验，为下一步全面考虑部件整体吸能情况做好理论和实践准备。正因为吸能盒既是吸收汽车前部纵向碰撞能量的主要结构，又是控制碰撞能量在汽车中的分布情况的主要装置，因此，碰撞中吸能盒的变形吸能过程一直受到人们的广泛关注。因此，从吸能盒的研究入手，具有重要的研究意义，本文的核心正是对吸能盒薄壁结构在低速碰撞情况下的吸能性能和变形模式进行研究。1.4我国汽车碰撞标准1.4.1正面碰撞标准我国汽车正面碰撞标准GB115512003乘用车正面碰撞的乘员保护是借鉴ECER94法规制定的，在碰撞角度、碰撞速度等方面与欧盟ECER94法规有所不同(见表1.1)。我国的法规要求是速度50公里/小时下的100%正面碰撞，而欧洲标准为速度为56公里/小时下的正面偏置40%重叠碰撞。100%正面碰撞是指车辆正面完全撞在障碍物上，车头的受力面为100%；而偏置40%重叠碰撞则是指车辆正面的40%与障碍物相撞，受力面为40%。图1.1所示为车辆正碰示意图。表1.1中欧美日汽车正面碰撞试验要求对比项目中国GB115512003欧盟ECER94美国FMVSS208日本TRAIS11430固定壁障重量70t以上70t以上45t以上70t以上碰撞角度0度40%偏置碰撞O30度0度碰撞速度4850km/h56km/h48.3km/h4850km/h碰撞位置精度150mm150mm150mm3005图1.1车辆正面碰撞示意图1.4.2侧碰及后碰标准我国汽车侧面碰撞及后碰撞标准都是参照欧洲ECER95法规制定的。侧碰标准规定所有Ml类车型（9座(以下）4轮（以上）载客机动车辆)和Nl类车型（最大设计总质量=3.5吨的4轮（以上）载货机动车辆），都必须满足侧碰“强制性规定”；而在后碰标准中则规定，所有Ml类车型都必须满足后碰“强制性规定”。我国汽车侧面碰撞标准测试的具体方法是，将侧碰撞假人安放在驾驶员座位上，被撞车辆垂直牵引导轨静止停放在规定位置。测验时，移动变形壁障以50km/h的速度撞击汽车驾驶员侧面，并以这一实验结果判断被测车辆是否符合侧碰标准具体要求。我国侧面碰撞标准主要要求的是车辆侧门结构的安全性，在进行车辆结构调整时，主要改进侧门和B柱，在侧门上加装防撞杆。图1.2所示为汽车侧碰示意图。图1.2车辆侧面碰撞示意图我国乘用车后碰撞测试的具体试验方法是，车辆静止不动，移动壁障以50km/h的速度从后方撞击试验车辆，并以测试结果判断被撞车辆是否达到相关标准。尽管同欧美汽车发达国家相比还有差距，但这些标准的制定是中国汽车安全体系同国际接轨的标志。目前我们要做的就是，结合我国路况、安全实际，制定出更6加科学、合理、人性化的标准，尽快出台翻滚碰撞、碰撞对行人安全等方面的强制性标准，进一步完善我国的汽车安全标准体系。1.5汽车碰撞吸能盒1.5.1碰撞吸能盒简介当车辆在行驶过程中与其它车辆或障碍物发生碰撞时，为了抵御冲击、吸收和消散碰撞能量，需要在汽车上设计碰撞吸能盒来保证乘员安全，降低汽车零部件的受损程度。汽车碰撞吸能盒是汽车的关键部件，在汽车被动安全中占有举足轻重的位置。汽车发生碰撞时所产生的能量主要是通过吸能盒的塑性变形来吸收。吸能盒在车体中的位置如图1.3所示，前端与保险杠相连，后端与汽车纵梁相连。图1.3碰撞吸能盒在车体中的位置吸能盒的性能决定了汽车在碰撞过程中的减速度、速度以及碰撞时间等一系列重要参数，从而会影响整个汽车结构在碰撞中的行为。提高吸能盒的性能不仅能降低整车的受损程度，减少碰撞损失，而且能提高乘员的安全性，减少事故伤亡率。1.5.2碰撞吸能盒的材料研究概述材料对吸能盒的吸能效果的影响是非常大的，选择合适的材料不仅可以减小碰撞冲击，而且可以降低碰撞损失和碰撞成本，提高车辆零部件的使用寿命。无论从数量、质量还是从汽车零部件的技术要求，金属材料在汽车中的使用都具有极其重要的地位。虽然使用非金属材料的数量在逐年增加，但金属材料在使用7量上仍占有较高比例，传统汽车材料例如钢、铁等所占比例仍然比较高。提高汽车轻量化的重要手段之一是在保证汽车综合性能的前提下，汽车材料向轻质材料方向发展，包括铝合金材料、高强度钢、镁合金材料、钛合金材料和复合材料等。材料对吸能盒的吸能特性同样有很重要的影响。目前，汽车碰撞吸能盒多采用钢材来制造，国内外对钢质材料吸能盒的研究已比较深入。例如，姜正旭等人曾对低碳钢和不锈钢圆管的吸能特性进行了研究，分析了其失效模式及失效原因。随着对汽车安全性和汽车轻量化要求的日益提高，铝合金等轻量材料受到汽车工业的青睐，被大量应用于碰撞吸能盒。当用铝合金代替传统的钢构件时重量可减轻25%，这将大大减少耗油率和二氧化碳释放率。Hanssen等进行了铝管轴向冲击试验，发现铝管的破坏模式主要取决于试件形状和材料特性6；Reyes等研究了空心和填充了泡沫铝的薄壁铝管受准静态倾斜载荷时的变形，并讨论了加入泡沫铝填充材料对能量吸收的影响7。陈策等人也对多孔铝合金的压缩吸能性能进行了研究，研究表明孔的结构参数对铝合金的吸能性能有显著影响8。由于软钢薄壁构件在制造时需要焊接，会产生预应力。在使用过程中容易出现开裂等现象，随着工艺水平的不断提高，通过挤压成型的薄壁构件表现出较大的优越性，碰撞性能更理想，铝合金材料具备挤压成型的特点。铝合金的质量比钢、铁轻许多，而且铝资源丰富，市场供应充足。铝加入合金元素后，就成了铝合金。铝合金是一种较年轻的金属材料，在20世纪初才开始工业上的应用。具有密度小、质量轻、导热性能高、吸收冲击能力强、易于回收再生、耐腐性高等特点。其应用范围包括建筑业、航空工业、交通运输业、机械制造业和石油化工等国民经济各个行业。现在，铝材的用量之多，范围之广，仅次于钢铁，成为第二大金属材料。铝合金材料有着卓越的固有特性以及低熔点，易融化和铸造等机械加工性，适用于通用的连接技术。铝合金在汽车上的应用主要有铸造铝合金、形变铝合金和锻造铝合金。鉴于铝合金材料高的比强度和良好的延展性以及轻量化，是车身中应用最广泛的一种金属材料，它不但能使零部件的质量减轻9，还易机加工、能量吸收的也较多、结构刚度和抗压性能都有所提高，车辆的抗撞性能更是显著的提高10。所以，选用铝合金材料作为薄壁构件对其抗撞性能进行研究已经成为被动安全领域的热点问题之一。综上所述，汽车低速碰撞时吸能盒的性能研究是汽车被动安全领域的热门问题8之一。汽车中应用轻质的铝合金材料，既有现实的工程背景，又将具有更加崭新的研究空间。1.6课题主要研究内容本课题主要是应用有限元方法，对低速碰撞情况下，汽车吸能盒的性能进行分析和研究，并提出改进方案。具体的研究内容如下：（1）总结汽车碰撞的发展历史及现状，分析汽车碰撞的研究方法，比较国内外汽车碰撞法规的异同，并重点研究中国汽车碰撞法规。（2）运用有限元方法模拟汽车吸能盒碰撞过程，并得出计算结果。将该结果与数值计算方法所得结果进行比较，验证了该结果的正确性。（3）在结构特性研究的基础上，采用有限元方法，重点材料特性对汽车吸能盒的吸能效果的影响，包括对吸能特性的影响以及吸能特性分析。（4）根据对吸能盒结构特性和材料特性的研究，从结构和材料两方面对吸能盒提出改进设计方案，并对比改进前后的吸能效果，验证改进方案的有效性。最后，对某具体车型的吸能盒进行了对比研究。92汽车吸能部件碰撞性能参数的分析2.1车身结构理想化的碰撞力曲线正面碰撞发生时，驾驶室要有足够的刚度支撑，同时前部构件吸收绝大部分的能量，这样汽车驾驶室才不会被侵入。图2.1所示为汽车碰撞变形示意图。如果碰撞力为常数，能量又被汽车前部构件全部吸收。总吸能用图中压缩力和压缩变形围城的区域代表。图2.1汽车碰撞变形示意图当前车身前部大都按照正面碰撞法规设计的，其碰撞速度为50km/h，而低于此速度的交通事故却屡屡发生11-14。低速碰撞时，按照高速碰撞而设计的车体前部构10件就会有很大一部分的未吸能区，如图2.2（a）所示。压缩力如果为常数，虽然吸能量很少，却有很高的压缩力，像老人、儿童和妇女等体质较差的乘员将会受到很大的伤害。图2.2（b）为驾驶速度过大的情况，能量不能被车体前部构件完全吸收，驾驶室的侵入会给乘员造成更加严重的伤害。因此汽车前部的吸能部件的吸能特性对乘员的保护起着决定性作用。图2.2较低速度下（a）和较高速度下（b）的碰撞压缩力-变形曲线考虑高低速碰撞以及总能量一定的情况下，图2.3给出了非常理想的车体碰撞力曲线。将常见的三种曲线对比，如图2.4所示，曲线1代表大刚度的碰撞力-变形曲线，为刚性曲线。曲线2代表小刚度的碰撞力-变形曲线，为软性曲线。这三种曲线，综合考虑乘员的伤害，理想化的车体碰撞力曲线是曲线3，其次是曲线2，曲线1是应尽量避免的。图2.3理想化的碰撞力-变形曲线图2.4碰撞力-变形曲线的对比图设计车身结构时，驾驶室应该具有足够的刚度，保险杠系统无论是在低速还是高速碰撞时能量的大部分都应该被完全吸收，获得理想的碰撞力-变形曲线3的碰撞变形形式。112.2汽车吸能部件概述汽车低速正面碰撞发生时，碰撞产生的动能主要由车辆前部吸能部件来充分吸收，吸能部件通过压缩变形的方式来减小最大撞击力以便缓和冲击，所以车身结构的响应由吸能部件的压缩变形模式和碰撞吸能特性来决定。车辆前部的吸能部件主要是保险杠系统，保险杠系统一般有两种类型，一种如图2.5所示的包括前纵梁、横梁、吸能盒以及前后法兰盘。另一种类型有前纵梁、横梁以及前后法兰盘，不包括吸能盒，如图2.6所示。中、低档轿车一般采用这种结构形式简单、成本较低的简易型汽车保险杠，可直接通过支架固定到车身上，此类汽车保险杠的缓冲和吸能能力较差，同时由于没有吸能盒，车辆底盘部件也容易毁坏。而具有吸能盒的保险杠系统的车辆在碰撞时吸能盒的压溃变形能够吸收大部分能量，避免纵梁以及底盘部件的损坏，减少维修费用，吸能盒在保险杠系统中起着关键作用13-17。在高档轿车上通常都安装有良好缓冲吸能能力的汽车保险杠。图2.5有吸能盒的保险杠系统图2.6没有吸能盒的保险杠系统2.3吸能盒的设计原则汽车在发生正面低速碰撞时，主要通过车辆前部吸能盒的压缩变形来充分吸收碰撞动能及减小最大撞击力以缓和冲击，因此吸能盒的碰撞吸能特性和压缩变形模式将决定着车身结构在碰撞发生时的响应。作为车辆结构中最重要的吸能部件，吸能盒的安全设计应当充分利用其许可变形，产生设计人员所需要的理想化波形。设计人员在设计吸能盒的结构时，会有一个撞击力许可值的限制，这是由车辆各个部件结构间的刚度差异形成的。从车辆的整体性能要求考虑，车辆各连接部件刚度之间不可避免地要存在差异，这是客观存在的,因此设计人员只能在这样的前提12下进行吸能盒的结构设计。虽然在低速碰撞情况下，吸能盒一般能够吸收全部的动能，但这并不意味着我们不需要对吸能盒结构进行改进优化。由于各部件结构刚度不同，如果吸能盒受到的撞击力超过了测定的许可值，那么在低速碰撞的过程中，这个过大撞击力将传递到前纵梁等吸能盒以外的部件，造成它们的破坏，这样碰撞车辆的修理费用将大大增加；如果吸能盒撞击力小于许可值，并且由于其吸能性较好而吸收了低速碰撞的全部动能，那么车辆除吸能盒以外的其它结构不会因受到过大的撞击力而发生破坏，而且这些结构也不需产生塑性变形来吸收剩余的碰撞动能，在这种情况下只需更换破坏的吸能盒就可以完成碰撞车辆的维修，因此修理费用将会大幅下降。如果碰撞速度增加，产生高速碰撞，吸能盒无法吸收全部的碰撞动能，那么剩余的动能就要由车辆的其它结构来吸收，这些结构吸收的能量越多，变形越大，对乘员的危害也就增加，因此设计人员要使吸能盒尽可能多的吸收能量。显然吸能盒的长度越长，可吸收的能量就越多，但是吸能盒的长度受到汽车造型的限制，不能随意增加，因此设计人员只能从提高其吸能性能入手。如果吸能盒在单位压缩长度内吸收的能量越多，即在吸收相等能量情况下产生的变形位移越小，那么在相同的变形距离内就可以吸收越多的动能，这样的吸能盒在长度相等的前提下就会优于其它的吸能盒结构，这样车辆的被动安全性也会随之提高。综上所述既能减少车辆低速碰撞的维修费用又能提高车辆高速碰撞的被动安全性的吸能盒结构是设计人员的设计目标。为了使吸能盒在低速碰撞下吸收全部动能，撞击力不超过许可值以保护其它结构不受损坏并且要提升高速碰撞情况下的吸能性能，那么就要求吸能盒在低速碰撞过程中的受力要均匀分布，并且在数值上要尽可能接近而不超过撞击力的许可值，这样才能保证在最短的变形位移内将所有的碰撞动能吸收，既避免车辆其它零部件发生损坏，又增加了未压缩剩余空间，提高了乘员在高速碰撞情况下的被动安全，使得整车的碰撞性能提高。为了使汽车吸能盒的碰撞性能达到上述目标，并且使碰撞动能的吸收以一种可控制、规则、稳定的模式进行，另外考虑到生产厂商以及用户的需要，则吸能盒在设计过程中应该遵循以下的原则：（1）在能量吸收过程中对撞击力峰值加以控制，使其低于规定的许可值；（2）碰撞动能应该尽可能不可逆转地转化成变形能18，对于金属材料的吸能盒，13应该转换成塑性变形能；（3）在碰撞能的吸收过程中，吸能盒的变形方式应该具有可重复性和稳定性，即吸能盒在碰撞过程中能够以相对固定的模式吸收碰撞动能；（4）吸能盒为一次性使用设备，因此应该成本低廉，便于生产和更换；（5）吸能盒应该提供足够长的变形行程以吸收更多的碰撞动能，而且其在变形前不应占用过大的空间；（6）应该尽可能使安装在车辆上的吸能盒较轻：单位质量所吸收的碰撞动能较多，吸收单位动能时的位移较小。其中对于车辆的吸能盒结构较重要的设计原则是在碰撞过程中具有较小的压缩位移，不超过许可值的撞击力峰值和较平稳的撞击力一位移曲线。2.4汽车主要吸能部件抗撞性能参数汽车在发生正面低速碰撞时，主要通过车辆前部缓冲吸能部件吸能盒（前保险杠横梁与前纵梁之间的部件）的叠缩变形模式来充分吸收碰撞动能，以减小初始峰值力，降低车辆损毁程度。在碰撞发生时，车身结构的响应主要由吸能盒的压缩变形模式和碰撞吸能性能决定，吸能盒是决定汽车抗撞性能的关键部件。吸能盒在车体中的位置如图2.7所示，吸能盒的常用结构种类很多，图2.8中的矩形和圆形是其中比较常见而且应用比较广泛的结构。图2.7吸能盒在车体中的位置图2.8吸能盒的常用结构低速碰撞时，吸能盒的作用是通过自身的压溃吸能保证车身的完整，降低车辆的维修成本；高速碰撞时，以自身结构的完全变形来最大化的吸收碰撞动能，减小车体碰撞减速度。因此吸能盒的设计应以低速碰撞性能要求为原则，兼顾高速碰撞14时完全变形将能量全部吸收。2.4.1吸能盒撞击力许可值低速碰撞情况下，吸能盒可吸收全部的动能，但其结构仍需改进。由于吸能盒的结构被设计时，一定要满足撞击力许可值的要求，这个许可值是由车辆的各个部件间的刚度不同而形成的。吸能盒受到的撞击力峰值如果超过了碰撞许可值，前纵梁等部件就会受到这个过大撞击力的影响，造成损坏，车辆的维修费用就会增加；如果达到高速碰撞，全部的碰撞动能并不能由吸能盒全部吸收，车辆的其它结构就会吸收剩余的动能，能量吸收的越多，结构变形就越大，乘员的伤害就越严重，因此要求尽可能多的能量被吸能盒吸收。单位压缩长度内吸收的能量越多，即吸收同等能量时变形位移越小的吸能盒，其在同样变形距离内就可以较多的吸收碰撞动能，这个吸能盒就会优于其它的吸能盒，碰撞安全性相应的也会提高。设计吸能盒时要求其受力均匀，数值上要尽量接近而不能超过撞击力的许可值，保证在最短的压缩位移内吸收全部的碰撞动能，既要避免车辆其它零部件发生损坏，还要增加未压缩剩余空间，以便在高速碰撞情况下提高乘员的被动安全，提高整车的碰撞性能。2.4.2吸能盒低速碰撞性能参数吸能盒在正面低速碰撞过程中主要产生轴向压缩变形，它的碰撞性能反映到力学特性上是力和位移的关系，吸能盒在正面低速碰撞情况的力-位移曲线趋势一般如图2.10所示。15图2.9吸能盒正面低速碰撞的力-位移曲线图2.9是吸能盒的力-位移曲线，很不规则，将其简化成图2.10，其主要特性能更加清晰的观察出来，代表平均撞击力，代表撞击力峰值，代表吸能盒的压mFpFe缩位移，代表撞击力峰值处的变形量。p图2.10吸能部件理想碰撞力-位移曲线下面详细介绍低速碰撞条件下影响汽车吸能部件碰撞性能的主要参数。（1）撞击力峰值pF汽车吸能部件在设计过程中，都有一个撞击力许可值的要求，这个许可值是由厂家根据车辆连接件刚度差异而确定的。碰撞时产生的最大撞击力不能超过这个pF许可值，一旦超过这个许可值，不但吸能盒会压缩损毁，还会引起车辆其它部件的破坏，维修费用就会相应的增加。撞击力峰值通常与吸能盒的材料和横截面形状pF等因素有关，在碰撞中可能在两个位置出现，一是刚开始屈曲时，也就是临界状态，主要决定于结构的弹塑性屈曲。另一个是在整个结构被完全压缩时，撞击力峰值会立刻迅速上升。对于低速碰撞，重点研究首次峰值力，结构失效和它息息相关，pF16但对吸能贡献较小。碰撞力峰值的减小，对于乘员保护非常重要。（2）吸收总能量dE吸能部件在低速撞击下所吸收的总能量由公式（2-1）计算：（2-1）edsFd0)(式中：压缩位移s撞击力)(F吸能部件相同位移内能量吸收的越多，碰撞性能越好，乘员的安全越有利。（3）压缩位移e低速碰撞时，碰撞动能将被吸能部件全部吸收，吸能部件的压缩位移越小，剩余的压缩空间就越大，高速碰撞时就会吸收更多的能量，减小乘员舱的变形，乘员安全得以保护，所以满足能量全部被吸收以及撞击力曲线平稳的前提下，吸能部件的压缩位移尽量小。（4）平均撞击力mF平均碰撞力反映吸能部件平均吸收能量的水平，压缩距离相等时，平均撞击力增大，吸能部件能量的吸收也将增加。受汽车产品空间限制，压缩位移是确定m的，平均撞击力越大，吸能盒能量吸收的越多，车辆其余部件损坏的程度越轻，撞击力峰值小于撞击力许可值时，平均撞击力越大越有利。平均撞击力由公式（2-2）计算：（2-2）edmEF式中：压缩位移e吸收的能量dE（5）耐碰撞指数c耐碰撞指数指在某一状态下，单位质量的构件所吸收的能量，该指数表明了不同材料的吸能能力。耐碰撞指数由下式计算（2-3）sdcME式中：吸收的能量dE17结构的质量sM（6）汽车碰撞过程中的平均加速度a汽车碰撞过程中的平均加速度由下式计算：（2-4）dtT0)(1平均加速度和碰撞时间成反比，与碰撞载荷成正比。碰撞安全性和碰撞时间a有关，时间越长，平均加速度越低，车身碰撞载荷相应的就会越小，就越安全。Ta（7）能量吸收效率能量被完全吸收时，能量的吸收效率用行程利用率来衡量。teS行程利用率由公式（2-5）进行计算：（2-5）LSte式中：总长度L能量吸收的行程S耐撞性能优越的吸能部件，其结构必须满足上述吸能部件碰撞性能参数。2.5吸能盒的变形模式不同的变形模式对吸能盒的能量吸收和对乘员的保护有着重要的作用。吸能盒的变形模式主要包括：对称叠缩模式、非对称叠缩模式和过渡模式。（1）对称叠缩模式：碰撞过程中，吸能盒的变形由变形区的前端开始叠缩，随之向后移动，如图2.11所示。这种变形模式的特点是变形量大，其能量的吸收可以控制，而且变形稳定，比较难实现，吸能盒的变形可以按照这种模式设计。图2.11对称叠缩图2.13过渡（2）非对称叠缩模式：这种变形模式可以从吸能盒的中部或根部开始，图2.12（a）是从中部首先进入非稳态变形，图2.12（b）是从根部开始进入非稳态变18形。图2.12（a）非对称叠缩图2.12（b）非对称叠缩高速碰撞的后期，吸能盒被完全压缩，能量没有被吸能盒完全吸收，车量的质心加速度增加很快，惯性力也对应的变大，对乘员的保护很不利，能量也很难控制，会产生非对称叠缩模式，在吸能盒的设计中应尽量避免。本文主要是在低速碰撞情况下对吸能盒进行研究，碰撞动能一般能够全部被吸收，这种模式通常在高速碰撞的情况下才考虑。（3）过渡模式：这种模式的变形分为三个阶段，分别为弹性压缩、对称变形和非对称变形阶段，第一、第二阶段和对称叠缩模式相似，它们的区别是前端产生叠缩时，对未发生屈曲部分的影响过渡模式要比对称叠缩模式大，运动偏移到某个数值时，吸能盒就会局部失稳，非轴对称变形出现，如图2.13所示。进入非轴对称变形后，局部失稳会产生弯曲失效，加速度呈现逐步下降的趋势。在实际情况中过渡模式比较常见，要想获得满意的吸能效果，过渡到非对称变形的时间需要好好控制。良好的汽车吸能盒应满足上述碰撞性能参数，其碰撞吸能模式应按照可控制、稳定的规则进行，满足生产厂商和用户需求，以下的原则是吸能盒在设计过程中必须遵循的：（1）汽车吸能盒耐撞性能中能量的吸收是首位的，碰撞过程中动能应尽可能转化成变形能19-27，这个变形能通常是不可逆转的，对于金属吸能盒，将转化为塑性变形能，吸能盒能量吸收的越多，碰撞安全性就越好。（2）汽车吸能盒在低速碰撞过程中，其碰撞峰值力不允许超过碰撞许可值，超过许可值，将引起车辆其它部件的破坏，维修费用增加。（3）碰撞过程中，汽车吸能盒的撞击力-位移曲线越平稳越好。吸能盒的单位质量吸收的动能越多，单位动能吸收时位移就会越小。19（4）满足前面参数的前提下，汽车吸能盒应该具有足够长的变形行程，更多的碰撞动能被吸收，变形前不需要过大的空间被占用。（5）吸能盒吸能时，应该拥有稳定的、可重复的变形模式，即在碰撞过程中，碰撞动能能够被吸能盒以相对固定的模式吸收。（6）高速碰撞过程中，无论是完全重叠还是偏置碰撞，吸能盒和保险杠骨架都能被完全压溃。（7）汽车吸能盒在满足汽车碰撞性能的条件下，力求轻量化、简单化、低成本。因此，吸能盒设计的重要原则是，碰撞过程中压缩位移尽量小，撞击力峰值不超过许可值以及撞击力-位移曲线较平稳。吸能盒在低速碰撞中的吸能特性的改进是本文的重点研究内容。2.6本章小结本章根据汽车吸能部件低速碰撞过程中吸能盒的合理变形模式以及理想碰撞力-位移曲线与产品设计要求，提出了低速碰撞时，汽车吸能部件满足碰撞性能参数的前提下，设计时应遵循的主要原则。203薄壁梁吸能结构的研究3.1薄壁构件吸能汽车发生正面碰撞事故时，主要由车身前部“压溃区”的塑性变形来吸收碰撞能量。在承载式车身中，能量主要由上下布置的车身前部结构件（包括下部的边梁和上部的挡泥板加强梁）承受；而在非承载式车身中，大部分的能量主要由吸能盒承受。因此，合理设计车身前部（特别是吸能盒）结构对提高整车的前碰撞安全性有着重要的意义28,29。吸能盒的结构和失效状态与薄壁梁极其相似，因此本研究选用薄壁梁来研究材料特性和结构变形之间的关系，其结果可以用于吸能盒的结构设计30。3.2薄壁构件吸能特性影响因素（1）横截面形状21对于薄壁直梁件的设计，横