汽车前纵梁碰撞吸能特性的优化设计

1、120机械设计与研究第27卷文章编号“0062343 2011 )04418-04汽车前纵梁碰撞吸能特性的优化设计吴广发，赵希禄江苏科技大学 机械匸程学院 江苏 镇江212003 E - mail wuguangfal98328 163. com摘 要为了使汽车前纵梁在碰扌童过程中能够吸收更多的能量针叶前纵梁的不同断面形状板厚、焊点 间距和焊点直径等设计多软建立了林纵梁碰技的有限元分析模型并利用冇限元软件LSJ）、A和响应曲面 优化算法进行了碰控模拟仿具和优化设计.结果表明优化后旳前纵梁的必技吸能特性得到了显著的提高.关键词：汽车设计;前纵梁;碰撞分析;优化设计;响应曲面法中图分类号:TH12

2、文献标识码：AOptimum Design for Crash Energy Absorption ability of Car Front Side MemberWU Guang-fa ZHAO XiuSchool of Mechanical Knginepring Jiangsu I niveisit) of Science and Technolog) . Zhenjiang Jiangsu212003 ChinnAbstract: In order to make the front side member of the car to absorb more energy during

3、 crashing, a finite elemenl analysis nuxlel isestablislunl. acconling to the <lesion jKiraiijeters of I he front side ineinlx. such as dillprenl cross-section shajies,thickness, s|M)t weklpitch and spot diameter, Sc. B using 1>-1)YNA and thp resjionse surface optimization algorithm to optimum

4、design for the crashcharacteristics of side member, which can get the optimized front side member slnirlunuhich can absorl) more energ)' than ihegenenil front side member.Key words: vehicle design: front side member; crash analysis; optimal design; resjxinse surface metlMxIoIogy© 1994-2011

5、China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 120机械设计与研究第27卷近年來汽午安全已成为X今汽车工程领域亟待完善的 研究领域并H得到了社会的高度关注.同着消费者的安全 观念口益增强.汽车厂家在汽车的设计和研发方血也将安全 放在了非常朿耍的位置.汽车发生正ifii碰掩时1波由V身询部的犁性变形來吸 收碰撞能星其中起巫要作用的是纵梁。研究结果表明，在 汽车正而碰捕时.70%以卜.的汽车碰掩能戢由前纵梁吸收才 能保证纠驶室尽川能完藥2。理想的纵梁设计应该能够充 分利用纵梁的教性变形來吸收汽车碰掠

6、中的大部分能虽. 汽乍纵梁通常可以简化为薄唯结构，因此研究薄镰结构的 碰撞变形吸能特性在汽乍纵梁设讣中门E耍的总义山丁实车碰撞试验受到时间长和费用高等限制一般只 做少St的验证性试验.在实际产品设计中大虽采用有限元 分析的方法來代替碰撞试验，井且有研究结果表明,利用非 线性动力学分析软件I.A-inNA进行碰掩模拟仿真与实乍碰 撞试验的结果吻介R好可以仃效地松代实车试验进彳了碰撞 分析Z.本文利用LS-DYNA和响应曲面优化法相结合的方法, 以碰撞吸能凰的最人化为设illl标.对汽乍询纵梁进friEifti 碰撷模拟仿真和优化设计在碰掩参数和数伉仿亢条件等完 全相同的前提卜巫点研究纵梁的形状和

7、焊点位置等设计参 数对碰披吸能就的影响并且在折定的设计范围内，给出最 收稿F1期2011 -0318 佳的纵梁形状构成和焊点分布方案为改进汽乍纵梁设i I提 供有效的理论依据.1汽车纵梁的结构碰撞分析模型图1为某汽车框架结构与纵梁结构的简图如图所示纵 梁的简化结构足111-块折板和-块平板通过点焊连接组成. 该纵梁的长为54（） mm折板厚度为1.2 mm. f-板厚度为1.0 mm,焊点间距为45 mm,焊点直径为8. 5 mm。为了建立冇限元分析模住許先利用CAI）软件1（；建立 前纵梁模熨然后将其导入有限尤前处理软件h、|）ernwsh 并 抽取中面采用平均边长为5 mm的四边形売单元对

8、其进行 网格划分.施加碰撞钱简采用移动刚性壁碰撞询纵梁的方式给定。 苴中刚性吐的质虽为I 000 kg.速度为】50 000 mm/s <54里/小时）对纵梁的前端面约束五个自由度，只允许在 纵梁轴向町以移动对纵梁的后端面约束全部六个白由度. 使K完全固定.对刚性壁约束五个自由度使英只在纵粱轴 向可以移动。纵梁结构的材料常数为弹性模S 210GPa.泊 松比0.3.屈服应力270 MPa密度7890kg/m5 2现行的长方形断面纵梁结构的碰撞分析现行的长方形断而纵梁结构的冇瑕元分析模空如图2 所示图示左瑞为固疋瑞右端为移动刚性壁加载纵梁的有 限元分析榄型的节点数为13 476取元数为13

9、 842.利用冇限元软件I5-DYNA对现行纵梁结构进行碰撞分图1汽乍桥架结构及纵梁结构析其碰撞变形结果如图3所示从图中可见利用I5-DY- NA软件对纵梁进行碰撞分析可以比较准他地模拟出纵梁的 碰掠变形过程同时还町以得到英轴向压力和吸收能虽等结 构碰撞特性参数。图2 %fj-的反方形WfifiifM梁结构的仃限尤分析论V(a) 0.01 g (b) 0 02 s (c) 0.03 s图3观f j的反力形斯面纵1R受时的变形过程3汽午纵梁结构的碰撞特性优化设计楓据汽车纵梁的使用条件和提高碰撞特性的耍求将碰 撞变形至纵梁原长85%处的吸能虽E作为评价指标在优 化设计中，令其为目标函数优化设计的设

10、计变量共有5 个分别为折板厚度仆、半板厚度4、半断面形状的边数、焊 点间距(、焊点直径0,其中，随着设计变St N的改变，断而形 状变化的借况町以参见图4纵梁的碰撞特性优化设计模型町整理如式(1)。) 所示Kind X = ttN.L.D1a )150- 3图4纵粱的不同断面形状Max £ = / U )0 )ST 1.0 <(! < 1.4 nunG )0. 8 </2< 1. 2nun4)1</V < 56)40 <L< 50 mm<b)7. 5 </< 9. 5mm(7)式中：设计变t.jN.LJ)1包括纵梁的板

11、厚、断面形 状、炸点间距和焊点山彳伙I标歯数E町(x)为纵梁碰撞吸 能就的最大化约束条件为设计变鼠的上卜限约束.由于纵梁的碰撞分析时间较长，这里采用响应曲面法作 为优化算法时到的最优解和圆盤后的结构设计变虽以及 与现行询纵梁结构的比较如卜表所示最优解和圆整后的结构设计变*与现行结构的比较折板平而板半斷面焊点焊点厚度/mm耳度fmm边数"间克径/mm现fj结构1.21.0245& 5优化结构1.41.23.76409.5圆整结构1.41.24 409.5优化后纵梁结构以及变形过程如图5 6所示山图5町见优化后的断面形状从现行结构的长方形变 成疋十二边形的一半所构成的多边形结构.

12、不难看出这种 变化使得断而周长匕的折点有2个增加到6个这样会有利 于提高纵梁的轴向反力和抗失稳的能力。比较图3和图6所示的变形过程还町以石出在优化后 的纵梁爪缩变形过程中纵梁侧仪上出现的皴纹和优化前相比明显增多。在这 甲.毎个皱纹的生 成都町以看成是一 次受压欠稳变形造 成的所以皱纹增 藝盘味着整体吸收 能昴:也会冇所増加.经过优化设 计纵粱的更虽由现行结构的4. 70 kg图5优化厉的前纵梁結构减少到4.28 kg.降低了 8.94% 吸能虽由现形结构的2.34x 10 Nmm提高到2.72 x 10 Nmtn.增加了 16. 24% 单位质虽吸 收的能虽増加f 27.05% «由

13、此可见优化设计后的纵梁的 碰撞特性得到了很大提高。(a) 0.01 s (b) 0.02 s (c) 0.03 s图6优化拆的丽纵梁结构受到撞击时的变形过秤4结论以上利用非线性冇限元软件LS-DYNA和响应曲而优化 法对汽乍纵梁做了止Iftl碰撞模拟仿真和优化设计针对所设 汁的纵梁在不同截面形状、厚度、焊点跑以及焊点4径等设 计参数通过响应曲面优化法得出了吸收能駅的优化设计方 案。优化设计前后的纵梁碰撞仿貞结果衣明.优化后的纵梁 的碰撞吸能待性紂到显”提高。0 )利用LS4HNA籾响应曲(ft法相结合的方法对汽车 纵梁碰撞吸能持性进行优化设计，方法可行求解过程稳定. 得到的优化结果可靠。<

14、;2)利用木文的方法对某汽车纵梁进行优化设Ji. n结 果纵梁质嵌减轻了 8. 94% .吸收碰撞能坯增加r 16. 24% 也位质虽吸收的能虽増加了 27.05% 优化后的结构碰撞特 性得到了显著的提高.3)木文提出的结构碰採优化设计方法不仅对汽车纵 梁的设讣仃很好的丈用价值而11对r n他相似结构的碰撞 设计也具有一定的参考意义。参考文献1荆友录赵长利张星忠誓千ANSYS/IS-DYNA的货车纵梁撞 击性能仿真研宛J山东交通学院学报.2007.15 4):10-132张维刚紳志华.汽车iE掩吸能部件改进的计算机仿真J汽 车工程.2002.24 (1 )：629.L3J刘长虹股培元帐克实.小

15、星客车车架河纵梁碰撞性施的模拟 仿真山广西人学学报自然科学版.2009.34 (1 ):82 84.4刘中华薄顒粱动态撞击的变形和吸能特性的仿玄与分析ID. K存：吉林大学.2003.15杨缘峰任晓军陈建芳等.仃隈兀法研究闭口薄壁杆件约束扭 转J广西大学学报(自能科学版).2008.33 (1 )：124(6 Mi Nuy | G<*iir H. Numnical Mmhding of Tulx Cni>lmith Ex|>rii- nmit G>iii|>aiisi<)ii J SAE.880 *-898.7 Dario Vangi. Enng> h

16、»ss in vehicle to vrhiclr ol>)i(|uriin|>acl J I In- teinatioiial Jouinal <rf ImpactEngineeiing.2009,36 0 )：512 *521.张维刚钟念华.计毎机仿真技术在汽乍止碰安全性能改进中的 应用研究J机權工程学报.2002.38 0):135 -138.(9 « 新汽伍正碰的数值模拟及试验验证UJ.rfi华大学学报.1999.39 Q )：102 - 105.作者简介冥广发(1983 - )男硕土研寛生；主要从寧汽车型 扌*及优化设计方面的研咒.©

17、1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 120机械设计与研究第27卷© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 120机械设计与研究第27卷书 讯推荐最近出版的紺I构设计与恋用创新丛书机构是机械产品的核心没仃机构就无法完成机械的功能在形形式式的机械中例如农业机械、轻工机械、纺织机械、服 装机械、印刷机械、建筑机械、矿山机械、冶金机械、食

18、品机械、包装机械以及动力机械等等中均离不开机构同样各种各样的 制造业例如电子工业、航空航大丁业、钟表丁业等等中也存在并种用途的机构英至很行业中的取款机也冇多种形式的机构. 因眦亳不与人地说，在机械产品和制造装备中.机构是无处不在的.为了宪善和改进机械产品的性能，为了创追新穎的机I* 产品我们需要貝备机构分析和设汁的知识和能力大家想开发出具有门主知识产权的机械产品吗?大家想取得发明专利吗?如果想的话我们应重视机构设计实际上. 创造崭新的机械产品就应在机构创新和机构系统创新L卜功夫通过全而学拥刍种机构的设汁方法将会仃利捉髙机械产品的创新性和国际竞争力.根据我们了解已冇不少从事机械产品设计和制造的科技人员迫切希盥出版一套适介他们待点的“机构设计与应用创 新”的机构学从书。为了顺应这种需耍中国机构学专业委员会组织批富符机构学理论知识乂令枳累了丰富的实际应用© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reser