乘用车前部吸能构造之快速参数化建模措施探究.docx

乘用车前部吸能构造之快速参数化建模措施探究第1章 绪论1.1 汽车安全性选题依据和意义汽车安全问题作为汽车产业发展过程中的重要课题，一直受到各国政府、汽车制造企业以及广大消费者的重视和关注。汽车作为当今社会最便捷，最常用的出行工具，为社会进步和人民生活的便利提供了巨大支持。但同时，因汽车交通事故而造成的人类疾病伤害也是所有交通工具中最多并且最严重的。据联合国报告1统计，全世界每年大约有 120 多万人次死于汽车交通事故，受伤人数更是达到 5000 万。据国外的一项调研报告显示：从 2000-2020 年的 20 年间，发达国家在汽车交通事故中的死亡人数将下降大约 30%，而在发展中国家，这一数字将继续大幅度的增加。经有关部门研究，对 1990年以及 2020 年这二十年间的全球疾病负担前十大原因进行排名，如表 1-12所示。该表显示在 1990 年，汽车交通事故伤害在全球疾病负担排名中位列第 9 位。但如果人类不采取有效手段和适当措施加以防范和改进，汽车交通事故伤害预计在未来将成为全球第三大疾病负担。因此说，汽车安全是乘用车的"生命"。汽车交通事故伤害在给人类生命造成巨大损失的同时，还会造成巨大经济损失。根据有关报告3显示，在低收入国家，汽车交通事故伤害的经济损失约占国民生产总值（GNP）的 1%，在中等收入国家 GNP 为 1.5%，在高收入国家 GNP 为 2%。每年全球汽车交通事故伤害的损失大约是 5180 亿美元，其中，每年中等收入国家和低收入国家损失为 650 亿美元。从以上的数字可知，每年全世界的汽车交通事故造成了巨大人员伤亡和经济损失，给社会带来重大损失和危害。正因如此，迫使各国政府越来越关注汽车安全性问题，制定了越来越严格而细致的汽车安全法规来规范和提升汽车安全性设计。1.2 汽车碰撞安全性问题的研究现状自从汽车被人类发明开始，汽车的碰撞安全性问题就随之产生，同时也是长期存在、亟待解决的难题，国外关于汽车安全性问题的研究已进行了将近一个世纪。在汽车碰撞安全技术研究领域普遍采用的方法可以分为试验方法和计算机仿真方法两大类4-5。早期耐撞性研究采用的研究手段主要是试验方法，包括台架冲击试验、台车碰撞模拟实验以及实车试验等。三十年代开始进行简单实车碰撞试验方面的研究，通用汽车公司开创性地开展了固定壁障碰撞试验，五十年代各国汽车公司开始进行台车模拟碰撞试验，通过确定车身各部件的变形与吸能特性来不断改进设计，以此提高汽车的安全性能。八十年代开始，计算机仿真技术研究得到大力发展和推广。近年来，随着计算机技术在计算速度、内存以及图形功能等方面的高速发展以及多体系统动力学建模方法和动态大变形非线性有限元法等相关理论的不断发展和日趋成熟，以此为基础的数值分析逐步取代部分实车试验工作，给汽车安全性问题带来深刻的影响，甚至，给汽车领域的发展带来了重大变革。多刚体动力学法应用刚体、无质量弹簧、阻尼和各种动态铰来描述刚体的动态响应，对大位移系统进行运动分析，适用于人体动力学响应分析，具有建模方便，计算速度快的优点，但多刚体动力学法不能获得车与人体各部分的详细变形情况，无法进行结构耐撞性分析6-7。汽车碰撞安全性分析的计算机有限元仿真包括车身典型吸能部件的分析、整车模拟以及汽车耐撞性结构优化。有限元仿真的优势包括:在车身设计初期，可以模拟车身、车架等结构的撞击变形以及人体的碰撞响应情况；仿真结果可用来评价车辆或部件碰撞安全性能的优劣;可以模拟各个部件的中间变形过程；还可以沿任意截面将模型剖开，观察其内部零件的变形和应力应变情况；可以通过不断改变结构设计方案进行仿真计算，来快速得到满足碰撞安全性能的初步设计方案。正因为有限元法具有以上的优势，因此广泛地应用于汽车碰撞的安全性设计中8-14。第 2 章 碰撞有限元基本理论和. 72.1 引言. 72.2 非线性动态有限元求解控制. 72.3 空间有限元离散化. 132.4 单元计算的单点高斯积分. 142.5 时间积分和时间步长. 16第 3 章 乘用车碰撞参数化建模技术. 193.1 参数化建模技术的开发. 193.2 碰撞参数化建模的. 233.3 保险杠横梁参数化建模. 243.4 碰撞缓冲器参数化建模. 283.5 前纵梁和焊接板参数化建模. 33第 4 章 前部吸能结构参数化模型耐撞. 414.1 前部吸能结构参数化建模具体. 414.2 前部吸能结构快速参数化模型. 50第5章 结论与展望5.1 工作总结本文对简化车身框架结构快速建模、静力学分析等研究成果的基础上，围绕乘用车车体耐撞性设计过程中车身前部吸能结构快速参数化建模的方法和流程进行研究，并结合实际对标车身结构对所开发的模块进行功能验证。本文结合汽车安全性相关法规以及概念设计参数化建模相关文献，完成以下工作：(1) 对汽车碰撞安全性问题的国内外发展现状进行了整理和总结，对概念设计阶段参数化建模技术的发展进行了介绍，同时对碰撞问题中涉及到的非线性有限元理论和算法进行了学习，为本论文主体内容的研究提供了理论基础和依据。(2) 对乘用车碰撞参数化建模技术开发的相关问题进行了研究。介绍 AltairHyperWorks 平台下集成的相关开发工具，包括 Process Manager、Process Studio 以及Tcl/Tk 语言等，同时介绍了碰撞参数化建模的原则，为自主开发的基于 AltairHyperWorks 平台的参数化建模模块提供研究基础。(3) 基于某开发阶段的 A 级轿车，对乘用车碰撞参数化建模的方法进行深入研究。根据不同结构的模型特点对保险杠、碰撞缓冲器、连接板以及前纵梁等车身前部主要吸能结构进行独立建模研究，确定车身前部主要吸能结构的参数化建模流程，开发出基于对标车身结构的参数化建模方法。(4) 对乘用车前部结构参数化模型耐撞性问题进行研究，由于本文建立的参数化模型是面向乘用车车身设计前期的碰撞仿真模型，因此首先利用本文提出的乘用车碰撞参数化建模方法建立车身前部结构参数化模型，再进行包括赋予材料属性、连接方式、网格划分等步骤在内的前处理，最后对该参数化模型进行包括变形分析、应力分析、能量分析在内的碰撞仿真分析。