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逐级吸能梁耐撞性优化与应用 摘要 在汽车工业高度发达的今天，安全性已成为人们购买汽车时考虑的重要因素。 汽车前纵梁是正面碰撞时的主要吸能部件，其吸能特性对整车前碰撞安全性有着 重要影响。汽车正面碰撞时，前纵梁由于长度太短不能在有限的变形范围内吸收 足够的能量，将会导致发动机及其附件侵入乘员舱，增加乘员的损伤风险；同时， 太大的刚度会导致前纵梁在碰撞时弯曲变形，不能很好地吸收整车动能，从而造 成乘员舱加速度较大和变形过大，不利于乘员保护。 本文介绍了一种基于反推设计的纵梁逐级吸能方法，即在纵梁内不同位置设 置加强板，逐级参与碰撞吸能，使碰撞加速度曲线达到较理想的要求。根据该设 计方法，设计了截面形状为四边形和八边形的逐级吸能梁结构，建立了其有限元 模型，并利用台车实验验证了四边形和八边形的逐级吸能梁有限元模型的有效性。 结合试验设计方法和响应面方法，对四边形和八边形的逐级吸能梁耐撞性进 行了优化设计。首先，筛选了四边形逐级吸能梁结构中对耐撞性影响较大的因子， 结合拉丁方试验设计和响应面方法建立了该逐级吸能梁的耐撞性方程，并利用数 值优化算法对耐撞性方程进行了优化分析，找出了一组最优的设计组合。其次， 通过均匀试验设计方法，建立了八边形逐级吸能结构耐撞性方程，并对其进行了 多目标优化，得到了一系列较优的设计组合。 通过八边形逐级吸能梁准静态试验和台车碰撞试验，研究了八边形逐级吸能 梁准静态和动态承载能力。将最优八边形逐级吸能梁设计方案用于车架和整车安 全性改进，前碰撞试验结果表明八边形逐级吸能梁结构变形模式平稳，不会产生 较大的波动，有利于乘员保护。 论文研究表明，四边形逐级吸能梁、八边形逐级吸能梁都具有较好的耐撞性， 通过优化设计可以获得较优的设计方案，本文研究结果为汽车纵梁的耐撞性设计 和改进提供了指导。 关键词：逐级吸能；四边形；八边形；最优化；耐撞性 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，a u t o m o t i v ei n d u s t r y i s h i g h l yd e v e l o p e d ，a n ds a f e t yh a sb e c o m ea n i m p o r t a n tf a c t o rt h a ti n f l u e n c e sp e o p l e sd e c i s i o nt ob u ya c a r f r o n tr a i li st h em a i n e n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c ed u r i n gf r o n t a li m p a c t ，a n di t se n e r g ya b s o r b i n ga b i l i t ya f f e c t s t h ev e h i c l e sf r o n ts a f e t yd e e p l y d u r i n gf r o n t a li m p a c t ，f r o n tr a i l sa r et o os h o r tt o a b s o r bs u f f i c i e n te n e r g yi nal i m i t e dd e f o r m a t i o ns c o p e ，t h a tw i l “c a de n g i n ea n do t h e r a c c e s s o r i e st oi n t r u d ei n t op a s s e n g e rc a b ，t h u si n j u r yr i s ko fp a s s e n g e r sw i l lb e i n c r e a s e d h o w e v e r , o v e r s i z e ds t i f f n e s so ff r o n tf a i lw i l lr e s u l t i nb e n d i n gb u c k l i n g ， w h i c hw i l lc a u s et h ev e h i c l et oa b s o r bd y n a m i ce n e r g yi n e f f i c i e n t l y , c o n s e q u e n t l y , h i g h e ra c c e l e r a t i o na n d s e v e r ed e f o r m a t i o no fp a s s e n g e rc a bw i l lb eg e n e r a t e d t h e s e r e s u l t sa r ev e r yd i s a d v a n t a g e df o rp a s s e n g e rp r o t e c t i o n as t e pb ys t e pe n e r g ya b s o r p t i o nm e t h o db a s e do nr e v e r s ed e s i g nt h e o r yw a s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r ，n a m e l y ，r e i n f o r c i n gp l a t e sw e r ea d d e d a td i f f e r e n tp o s i t i o n so f t h ef r o n tr a i l i nt h i sw a y ，t h ep l a t e sc o u l db ed e f o r m e ds t e pb ys t e p ，a n dt h ei d e a l r e q u i r e m e n to fc r a s ha c c e l e r a t i o ng n d l v ew o u l db ea c h i e v e d a c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d ， aq u a d r a n g u l a ra n da no c t a g o n a ls t e pb ys t e pe n e r g ya b s o r b i n gs t r u c t u r e sw e r e d e s i g n e d ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l so ft h e s es t r u c t u r e s w e r ea l s od e v e l o p e da n d v a l i d a t e db ys l e dt e s t b a s e do ne x p e r i m e n td e s i g nm e t h o da n dr e s p o n s es u r f a c em e t h o d ，c r a s h w o r t h i n e s s o ft h eq u a d r a n g u l a ra n do c t a g o n a ls t e pb ys t e pe n e r g ya b s o r b i n gs t r u c t u r e sw e r e o p t i m i z e d f i r s t l y , t h e m a i ns t r u c t u r ef a c t o r st h a ti n f l u e n c e dc r a s h w o r t h i n e s s e f f e c t i v e l yw e r ef i l t e r e d ，t h u sc r a s h w o r t h i n e s sf o r m u l a t i o n so ft h e s t r u c t u r ew e r e c o n s t r u c t e du s i n gl a t i ns q u a r ee x p e r i m e n td e s i g nm e t h o da n dr e s p o n s e s u r f a c e m e t h o d 。a f t e r w a r d s ，n u m e r i c a lo p t i m i z a t i o nm e t h o dw a su s e d i no p t i m i z a t i o no f c r a s h w o r t h i n e s sf o r m u l a t i o n s ，s oa no p t i m a ld e s i g n w a so b t a i n e d s e c o n d l y , c r a s h w o r t h i n e s sf o r m u l a t i o n so ft h eo c t a g o n a ls t e pb ys t e pe n e r g ya b s o r b i n gs t r u c t u r e w e r ea l s oc o n s t r u c t e db yu n i f o r me x p e r i m e n td e s i g nm e t h o d ，t h e nm u l t i - o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o no ft h ef o r m u l a t i o n sw e r ep e r f o r m e d ，a n da s e r i e so fo p t i m a ld e s i g n sw e r e o b t a i n e d t h eq u a s i s t a t i ca n dd y n a m i cl o a dc a r r y i n gc a p a c i t i e so fo c t a g o n a ls t e pb ys t e p e n e r g ya b s o r b i n g b e a mw e r es t u d i e db yq u a s i s t a t i cc o l l a p s et e s t sa n ds l e di m p a c tt e s t s t h eo p t i m a lo c t a g o n a ls t e pb ys t e pe n e r g ya b s o r b i n gb e a mw a sa d o p t e dt oi m p r o v e f r a m ec r a s h w o r t h i n e s sa n ds u v ss a f e t yp e r f o r m a n c e f r o n ti m p a c t t e s tr e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h ed e f o r m a t i o nm o d eo fo c t a g o n a ls t e pb ys t e pe n e r g ya b s o r b i n g i i i 逐级吸能梁耐撞性优化与应用 s t r u c t u r ew a ss t e a d i e ra n dt h ev a r i e t yo fa c c e l e r a t i o nw a su n o b v i o u s ，f u r t h e r m o r et h e o c t a g o n a ls t e pb ys t e pe n e r g ya b s o r b i n gs t r u c t u r ec o u l da b s o r bm o r ee n e r g yi ns h o r t e r d e f o r m a t i o n n er e s e a r c hr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec r a s h w o r t h i n e s so fq u a d r a n g u l a rs t e pb ys t e p e n e r g ya b s o r b i n gb e a ma n dt h eo c t a g o n a ls t e pb ys t e pe n e r g ya b s o r b i n gb e a mw e r e g o o d ，a n dt h ep r e f e r a b l ed e s i g nc o u l db eo b t a i n e db yo p t i m i z a t i o n n er e s u l t sc o u l d b eu s e dt ob eg u i d e l i n ef o rt h ed e s i g na n d i m p r o v e m e n to ft h ec r a s h w o r t h i n e s so ff r o n t r a i l s k e y w o r d s ：s t e pb ys t e pe n e r g ya b s o r b i n g ；q u a d r a n g u l a r ；o c t a g o n a l ；o p t i m i z a t i o n ； c r a s h w o r t h i n e s s - i v 硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 随着我国经济的快速发展，汽车作为现代交通工具越来越普及。但是随着车 辆保有量的增加，也带了不少的负面问题，如交通安全、环境污染和能源危机等 1 1 1 。因此，汽车安全、环保、节能成为了当今汽车工程领域的三大研究主题，具 有重要的社会、经济意义。 汽车保有量的增加和车速的不断提高，汽车碰撞安全性问题变得越来越突出。 根据公安部全国道路交通事故统计分析，2 0 0 5 年全国发生交通事故4 5 0 2 5 4 起， 造成9 8 7 3 8 人死亡；2 0 0 6 年，全囡共发生道路交通事故3 7 8 7 8 1 起，共造成8 9 4 5 5 人死亡；2 0 0 7 年，全国共发生道路交通事故3 2 7 2 0 9 起，造成8 1 6 4 9 人死亡l 引。 近几年来，随着安全法规的实施和汽车安全技术的应用，交通事故发生的次数和 死亡人数均有所下降，但仍然居高不下。我国交通事故中，正面碰撞和侧面碰撞 占了很大比例。我国2 0 0 3 年交通事故统计表明，全年正面碰撞次数2 4 4 7 7 6 次， 占总数7 7 3 1 3 7 次的3 1 6 6 ，死亡人数4 1 3 2 5 人占总死亡人数1 0 9 3 8 1 人的3 7 7 8 ，受伤人数2 0 6 2 2 5 人占总受伤人数5 6 2 0 7 4 人的3 6 6 9 ；侧面碰撞2 5 8 8 4 6 次， 占总数的3 3 4 8 ，死亡人数2 9 6 2 0 人占总死亡人数2 7 0 8 ，受伤人数2 0 6 1 6 9 人占总受伤人员的3 6 6 8 1 3 】。因此，开展汽车碰撞安全性研究，改善汽车安全性， 对降低事故中人员伤亡，减轻受害人痛苦和减少财产损失有着重要意义。 为了减轻汽车碰撞事故对人体造成的危害，汽车工业发达国家先后针对汽车 碰撞事故中常见的人体损伤和其它危害制定了相应的汽车碰撞安全法规。如美国 的f m v s s 2 0 8 、f m v s s 2 1 4 、日本的t r i s a1 1 4 3 0 、欧洲的e c er 9 4 0 1 、r 6 4 0 等。我国汽车安全性法规制定相对较晚，1 9 9 9 年1 0 月2 8 日，我国第一项汽车技 术法规c m v d r 即关于正面碰撞乘员保护的设计原则出台，规定从2 0 0 2 年7 月1 日起，新上市的m 1 车型必须满足c m v d r2 9 4 的要求。随后，又颁布了侧 面碰撞和后碰撞燃油泄漏技术法规，规定从2 0 0 6 年7 月1 日起，新上市车辆还必 须要满足汽车侧面碰撞的乘员保护国家标准和后碰撞燃油系统安全要求1 4 j 。 1 2 汽车正面碰撞特点及乘员损伤机理 1 2 1 汽车正面碰撞特点 汽车正面碰撞包括车与车正面碰撞、车与障碍物正面碰撞。车与车正面碰撞 可以细分为车与车1 0 0 正面碰撞，车与车正面偏置碰撞，车与车正面斜碰撞。 车与障碍物正面碰撞主要有车与路边护栏正面碰撞，车与柱状物如树木、电线杆 逐级吸能梁耐撞性优化与应用 等发生碰撞。车与车正面碰撞主要有三种形式：1 0 0 正面碰撞、正面偏置碰撞、 正面斜碰撞，如图1 1 所示。 a ) 1 0 0 正面碰撞b ) 偏置碰撞c ) 正面斜碰撞 图1 1 正面碰撞的三种不同形式【5 汽车正面碰撞过程一般可以分为碰撞前、碰撞中和碰撞后三个连续的阶段。 碰撞前阶段通常是指从发现对方车辆或障碍物等开始，接着采取制动和操纵转向 盘等回避事故的操作；碰撞阶段是指，事故无法避免时车辆相互接触或者车与障 碍物接触变形的过程，持续时间大致为o 1 0 2 s ，此时车辆的动能转化为车辆部 件塑性变形的内能和热能。碰撞后阶段，两车成为一体或者回弹离开，做平移运 动或平移旋转运动【5 1 。汽车碰撞作用阶段，历程时间极短，加速度很大，出现巨 大的碰撞冲击力，极易造成车内乘员严重伤害，甚至死亡。 1 2 2 汽车正面碰撞中乘员损伤机理 汽车正面碰撞过程中，如何对司机和乘员进行有效的保护，尽量减少其所受 伤害，是汽车被动安全研究的主要内容。汽车发生碰撞事故时，车辆与外部事物 之间的碰撞称为“一次碰撞”，而人体与车内部件的碰撞称为“二次碰撞”。汽车碰 撞造成的人体损伤类型主要有机械损伤、生物损伤和心理伤害。机械损伤是指人 体在外界直接碰撞载荷作用下产生的内伤和外伤，如骨折和皮肉撕裂等，即外载 荷的强度超过了人体骨骼或肌肉组织的承受极限所致；生物损伤是指在碰撞导致 的加速度作用下人体某些部位如大脑产生的生物功能损伤；心理损伤是指碰撞过 程对人的心理造成的惊慌和恐惧感等。司乘人员在碰撞过程中造成的伤害主要有 以下几种原因造成：一、在碰撞时汽车结构发生变形，汽车构件侵入乘员生存空 间，使乘员受到伤害；二、碰撞时，由于汽车构件破损等原因，使得成员的部分 身体或全部身体暴露到汽车外面而受伤；三、当汽车结构设计较好时，尽管汽车 构件没有侵入乘员生存空间，乘员身体也没有暴露到汽车外部，但在碰撞的作用 下，汽车的速度急剧减小，由于惯性继续移动，与汽车内部结构( 如方向盘、仪 表盘等) 发生碰撞而造成伤害。在第三种情况下乘员受到的伤害是由二次伤害造 成的。 针对汽车碰撞过程中“一次碰撞”和“二次碰撞”造成乘员损伤的机理，可以从 两个方面来减少车内乘员损伤。第一，合理设计汽车结构的缓冲吸能特性。在汽 2 硕士学位论文 车碰撞中，“一次碰撞”在很大程度上决定了“二次碰撞”的剧烈程度，控制好“一次 碰撞”对减少人体损伤有重要的意义。合理设计汽车的缓冲和吸能结构，使得汽车 碰撞部位的塑性变形尽量大，吸收较多的碰撞能量，降低汽车减速度的峰值，减 缓“一次碰撞”的强度。同时，汽车乘员舱部分需要有足够的强度和刚度，确保乘 员的生存空间，并保证发生事故后乘员能够顺利逃逸，碰撞时乘员身体不暴露到 车外。第二，车内乘员保护系统。为了减轻“二次碰撞”造成的伤害，车内乘员保 护措施起到了很大的作用。车内保护措施主要有安全带、安全气囊、安全转向系 统、安全座椅和仪表盘等。这些措施避免了乘员与车内部件之间猛烈的“二次碰 撞”，从而保护乘员不受到严重伤害。 1 3 汽车吸能梁耐撞性国内外研究状况及研究方法 1 3 1 汽车吸能梁耐撞性国内外研究状况 汽车耐撞性结构的研究主要是研究车辆结构对碰撞能量的吸收特性，寻求改 善车身结构耐撞性的方法。随着汽车工业的发展，对汽车耐撞性的研究也不断深 入。上世纪5 0 年代，为了提高汽车的耐撞性，采取的主要措施是加强车身结构的 刚度，使车辆在碰撞过程中，变形较小。到了6 0 年代，研究人员开始意识到必须 设计一种在冲击作用下能以预定方式变形的结构，结构撞击变形模式必须能够控 制，变形能必须与冲击动能相平衡，在保持乘员舱完整性的同时，结构的变形应 使乘员减速度最小。9 0 年代后，汽车安全性的研究表明安全性能的提高不仅仅是 提高车身的刚度，而且需要对汽车结构进行合理设计，有效控制碰撞能量的吸收 l6 l 。 图1 2 安全乘员舱结构 汽车耐撞性研究的一个重要方面就是合理设计汽车缓冲吸能结构，当汽车发 生前碰撞或者追尾碰撞时，缓冲吸能结构发生变形吸收大部分碰撞能量，确保乘 员舱的有效生存空间，如图1 2 所示，阴影部分为变形吸能区域。 由于薄壁梁结构的良好耐撞性特点，可以通过牺牲这些结构来吸收碰撞能量 从而保护乘员，因此该结构被广泛的应用于改进交通系统的碰撞结构1 7 1 。很多研 究人员对薄壁梁的耐撞性进行了深入的研究，早在1 9 6 0 年代，a l e x a n d e r 就对圆 3 逐级吸能梁耐撞性优化与应用 形薄壁管的轴向压缩变形特性进行了研究，在圆管变形过程中，能量的耗散主要 通过塑性铰的弯曲扭转变形和管壁的圆周伸长变形实现，并建立了第一个圆管轴 向渐进褶皱变形的动态模型【引。w i e r z b i c k i 、a v a l l e 和b e l i n g a r d i 对a l e x a n d e r 的 思想进行了发展，建立了新的动态模型，这些新模型考虑了圆管变形时每个褶皱 变形分为一半向内变形和一半向外变形两个阶段，这两个阶段对应了轴向碰撞力 的两个峰值，这与试验结果更加一致【9 l 。w i e r z b i c k i 、j o n e 和a b r a m o w i c z 等人对 四边形薄壁梁受到轴向压缩载荷时产生对称的轴向渐进褶皱变形的碰撞响应进行 了研究，同时建立了准静态的分析方法：l a n g s e t h 和h o p p e r s t a d 对铝合金四边形 薄壁管做了试验碰撞研究；h a n s e nr e i d 等人对泡沫填充材料的薄壁管动态响应进 行了研究；l a n g s e t h 和a b a h 等人利用l s d y n a 和p a m c r a s h 有限元软件进 行了数学模型预测研究1 7 j 。t w i e r z b i c k i 和w a b r a m o w i c z 基于局部折叠机理提出 了一种解决壳单元深度塑性变形和大变形的方法，并建立最佳单元尺寸的计算公 式【1 0 l 。 不同截面形状的吸能梁，其吸能效果也不一样，如图1 3 所示，周边长相同 1 0 0 6 9 1 0 7 l1 4 a ) 正四边形b ) 矩形c ) 正六边形d ) 圆形 图1 3 相同周边长不同截面吸能梁耐撞性对比 而截面形状不同时，耐撞性也不相同，其中圆形截面最好【。a r o s s i 等人对四边 形、六边形及八边形截面吸能梁耐撞性研究表明，在截面面积和厚度相同的情况 下，六边形吸能梁平均碰撞力比四边形截面提高了1 0 ，变形量减少了1 1 ；八 边形薄壁纵梁结构比四边形薄壁纵梁结构的平均碰撞力增加了2 5 ，永久变形量 降低了2 0 【1 1 】。m e a g a ng o n z a l e z 等人研究表明，截面面积相同条件下，八边形 吸能梁平均碰撞力比六边形吸能梁增加了2 5 ，且其压溃变形较小，可以吸收更 多的轴向能量1 1 2 l ，如图1 4 所示。 4 硕士学位论文 卜土一 l 一 o a ) 正四边形b ) 正六边形c ) 正八边形 图1 4 相同截面面积的不同截面形状 在汽车结构中，点焊薄壁闭口弯曲梁是主要的结构形式。在车辆的前部和尾 部，为了不与其它部件干涉，常常采用“s ”形闭口薄壁梁。这些“s ”形闭口薄壁梁 在前后碰撞中，对能量的吸收起了很大作用。o h k a m i 和a b e 结合试验和仿真分 析，对点焊闭口帽型s 形结构梁压溃行为、力位移关系进行了研究；k i m 和 w i e r z b i c k i 从重量效率和能量吸能角度研究了铝制“s ”形汽车前边梁的多种加强 方案，对于点焊薄壁“s ”梁，在其内部增加对角金属板并结合诱导槽结构可以提高 其耐撞性f 1 3 , 1 4 , 1 5 】。 w e i g a n gc h e n 等人根据对四边形截面吸能梁，截面为两单元、三单元吸能梁 ( 如图1 5 所示) 耐撞性，并与其内部填充泡沫结构的耐撞性进行了对比研究，结 果表明截面多单元结构在同一长度内发生的褶皱变形更多，填充泡沫后截面两单 元和三单元结构的平均碰撞力比原来分别提高了4 0 矛1 18 0 1 1 6 】。 a ) 普通截面b ) 两单兀c ) - - 单兀 图1 5 不同类型的吸能梁截面形状 随着复合材料技术的发展，复合材料在汽车结构中的应用也越来越多。 e n r i q u eb e r n a l 等人对编织复合材料在汽车吸能部件中的应用进行了研究，并将编 织复合材料和钢材、铝材的碰撞吸能特性进行了对比，结果表明编织复合材料纵 梁能量吸收率较高，且其自身重量较轻容易制造，更利用汽车轻量化设计1 1 7 l 。 m a s s i m i l i a n oa v a l l e 等人对细胞实体材料的机械特性进行了研究，可以通过对密 5 逐级吸能梁耐撞性优化与应用 度、微观结构及连续性进行调整来实现其不同的机械特性，进而用来控制汽车碰 撞部分的减速度，限制其最大值，增强汽车的安全性能【1 8 】。 1 3 2 汽车吸能梁耐撞性研究方法 汽车结构耐撞性研究的方法主要有两类：一是通过试验检验吸能梁及相关安 全部件的耐撞性；另一类是基于有限元理论的耐撞性研究。 1 3 2 1 汽车吸能梁耐撞性试验研究 早期的汽车耐撞性研究主要采用试验手段来进行。在早期的汽车碰撞试验中， 车对障碍物的撞击试验是评价一辆汽车抗撞强度的唯一可用的方法，即把装有重 块、应变片、假人和高速摄影仪的汽车拖向一个2 0 t 的混凝土障碍物来进行碰撞试 验并评价其碰撞性能。早在2 0 世纪3 0 年代，通用汽车公司就开始进行汽车固定壁 障碰撞试验。5 0 年代中期，世界上各大汽车公司都已经普遍开展汽车碰撞试验研 究，进行各种整车、小比例模型和零部件的碰撞试验，研究车身等部件的碰撞吸 能特性，改善汽车的碰撞安全性1 6 j 。 国内开展汽车耐撞性试验研究的工作起步较晚，但是发展迅速，近年来取得 了显著成果。1 9 8 9 年，清华大学汽车系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 界形成了一定的影响。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 府部门制定并实施了c m v d r2 9 4 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。 汽车吸能梁试验主要包括准静态压缩试验和动态冲击试验。准静态试验主要 研究的是材料的载荷位移关系，在载荷的时间历程与位移时问历程中，取出各个 时刻的载荷与位移，绘制成曲线，便得出其载荷位移曲线1 19 。该试验一般是在 液压式万能试验机上进行，通过力传感器和位移传感器测出吸能粱所受的压力和 变形量，如图1 6 所示。 图】6 薄壁梁准静态压缩试验 6 硕士学位论文 汽车碰撞吸能结构主要是低碳钢材料，而低碳钢材料在动态载荷作用下，其 屈服极限有明显提高，瞬时应力也随应变率的提高而提高，屈服也随之出现滞后 图1 7 吸能部件的台车试验 现象，也就是所谓应变率效应【2 0 1 。因此，需要进行动态冲击试验研究吸能结构的 应变率效应。动态冲击试验一般通过台车碰撞试验完成，试验过程中涉及到试验 数据的采集和处理。通常采用的数据采集系统为电测量和光测量相结合的存储系 统，试验中要用到大量的加速度传感器测量台车加速度，使用力传感器测量吸能 结构变形过程的受力，使用数台高速摄像机从不同角度拍摄吸能结构变形情况， 台车碰撞试验如图1 7 所示。 1 3 2 2 基于有限元理论的耐撞性优化设计 在早期的汽车安全性设计过程中，主要通过反复的实车碰撞试验来发现车辆 设计的缺陷来改进设计方案，提高车辆的安全性。由于整车及安全部件的试验花 费巨大，以整车为例，根据车型的不同对于原型车需要大约7 5 万美元，而批量化 投产的车需要大约5 万美元1 2 1 1 。随着有限元理论的成熟和计算机技术的快速发展， 计算机辅助工程技术( c a e ) 成为汽车碰撞安全性设计与改进的重要方法和手段。 c a e 可以部分替代物理性试验预测和优化产品性能，同时c a e 的介入更充分地发 图1 8 第一个有限元汽车模型【6 1 7 逐级吸能梁耐撞性优化与席用 挥了c a d 的作用并且使得c a d 、c a e 、c a m 达到集成化水平。上世纪7 0 年代开始， 汽车工业发达国家已经开始采用计算机技术来仿真汽车碰撞过程，以此减少实车 试验次数、降低试验成本。1 9 8 5 年，德国w o r k i n gc o m m i t t e eo ft h ef e mu s e r s 根 据大众汽车公司的p o l o 车型，建立其正面碰撞有限元模型，如图1 8 所示。目前， 基于有限元理论的汽车碰撞仿真方法已在汽车工业发达国家得到了广泛的应用， 并已取得了巨大的成就。汽车碰撞有限元分析都是在计算机上完成，它所具有的 优势是方便、快捷并且花费相对低廉，广泛应用与整车碰撞分析，部件或结构的 碰撞分析，安全带、安全气囊与假人的碰撞作用分析等。 常用的汽车碰撞计算机仿真有限元分析软件有l s d y n a 、p a m c r a s h 、 m s c d y t r a n 等，这些软件不仅能够在汽车碰撞有限元仿真中处理结构大变形而 且针对碰撞受害者仿真提供了相应的处理方法。这些软件采用显式算法进行有限 元分析时需要非常小的积分时间步长。因此，与其它算法的有限元分析相比，如 线性或非线性静态分析，它的计算费时相当昂贵。 由于汽车节能需要，轻量化设计成为未来汽车发展的趋势。为使轻量化的结 构承受更高的碰撞速度，必须对汽车吸能部件进行优化设计。由于碰撞数值分析 的本质，碰撞结构优化设计成为一个非常困难的问题。碰撞分析的不稳定性和不 确定性已经被研究人员所重视1 2 2 j 。 优化问题的求解需要一种优化算法。对于有约束优化问题，连续二次规划 ( s e q u e n t i a lq u a d r a t i cp r o g r a m m i n g ，s q p ) 方法是应用最为广泛的算法，被认为 是当前解决结构优化问题最理想的方法。典型的数值差分方法是基于向前差分的 方法。这种方法易于实现，但由于存在近似误差，使得设计变量步长大小的选择 变得困难，步长太小求导结果不可靠，步长太大则不正确。因此，基于求导的方 法只适用于能提供平缓响应的仿真过程，例如线性结构分析和一定形式的非线性 分析。 在碰撞分析这样的非线性动态分析中，响应函数的导数绝大多数是非常不连 续的，这主要是由于摩擦和接触的存在而导致的。响应以及灵敏度会变得高度非 线性，以至于梯度无法反映总体情况。此外，近似误差会对数值灵敏度分析的精 确性产生负面影响。因此，研究人员借助于全局近似方法对设计响应进行平顺。 利用响应面法是构造代理模型是一种常用的近似方法，即先构造一个计算量小， 但计算结果与碰撞仿真分析相近的数学模型来“代理”仿真分析模型，然后用这个 数学模型来对相关问题进行优化设计。 y a m a z a k i 等人对管状结构的耐撞性能最大化技术进行了研究。总结了结构耐 撞性一般优化方法，即通过试验设计建立设计空间，用响应面法构造近似设计模 型，并通过一般的数学规划求解该近似模型【2 3 1 。c h e n 探索出一种用于碰撞结构和 耐撞性优化设计的实用方法。该方法利用了遗传算法( g a ) 的全局寻优能力，同 8 硕士学位论文 时也考虑显式有限元分析的不稳定性，通过对一数值实例问题的解决，将其结果 与传统非线性规划( n l p ) 的结果加以比较，表明至少在该实例中全局搜索不能 忽略【2 4 】。a s i mk a r i m 等人开发了一种计算神经网络模型，基于a i s i 规范对冷成型 帽型钢梁进行了全面的参数研究。通过穷举搜索获得全局最优值，该穷举搜索通 过启发式近似法指导来减少搜索努力，文中的最优设计曲线对结构设计工程师有 很大借鉴价值1 2 引。通用汽车公司的l u s t 提出了一种同时考虑线弹性和碰撞载荷条 件下设计准则的结构设计方法。该方法在两阶段耐撞性分析技术基础上建立非线 性数学规划。在优化过程中通过构建碰撞约束的非线性近似从而进一步减少计算 量。应用该方法进行汽车结构设计，表明该方法比先考虑弹性载荷再改进结构以 满足耐撞性指标的方法更为有效【2 们。 近年来，以统计和近似处理为主要特征的仿真优化设计方法在汽车结构优化 设计中广泛应用。这种方法适用于并行计算和网络计算，在计算时间和效率上具 有一定优势，而且其全局搜索能力以及对噪声的光顺能力使得它们在碰撞安全性 优化研究中的应用越来越广泛。 1 4 本文的主要研究内容 本文以教育部科学技术研究重点项目：基于反推设计的逐级汽车碰撞吸能方 法研究为依托，对四边形逐级吸能薄壁结构梁的耐撞性进行了研究和优化分析， 提出了八边形逐级吸能结构，并对其耐撞性进行了优化分析，并将八边形逐级吸 能梁结构用于某越野车的安全性改进。主要内容如下： 1 对汽车薄壁纵梁结构的耐撞性设计做了大量的文献研究工作，从而概括出 了汽车正面碰撞的特点和乘员损伤机理，详细介绍了汽车吸能梁结构耐撞性国内 外的研究现状和研究方法。 2 介绍了微型车前纵梁反推设计方法，建立了四边形逐级吸能薄壁纵梁的有 限元模型，分析了各结构参数对纵梁耐撞性的影响程度，找出了影响最大的参数。 利用多目标优化方法，对四边形薄壁梁的耐撞性进行了优化，得到了一组耐撞性 较好的设计方案，可用于指导工程设计。 3 设计了一种截面为八边形的逐级吸能纵梁结构，利用台车试验验证了八边 形逐级吸能纵梁的有效性。利用有限元模型分析了八边形吸能纵梁的耐撞性，利 用均匀试验设计和遗传算法对耐撞性进行了多目标优化分析，找出了最优的取值 范围。 4 进行了八边形逐级吸能梁结构准静态压溃试验和台车碰撞试验，验证了其 承载准静态和动态载荷时的承载能力和冲击韧性；将八边形逐级吸能梁结构用于 车架耐撞性改进，车架碰撞试验结果表明八边形逐级吸能梁结构变形模式平稳， 不会产生较大的波动，有利于乘员保护；最后，将八边形逐级吸能梁结构用于越 9 逐级吸能梁耐撞性优化与虑用 野车整车耐撞性改进，前碰撞试验结果表明，八边形逐级吸能梁能够改善整车吸 能能力，提高其安全性。 1 0 硕士学位论文 第2 章汽车薄壁纵梁逐级吸能方法 2 1 汽车前纵梁逐级吸能方法 当车辆发生碰撞时，为保护车内乘员的安全，在碰撞变形中汽车需要具备的 基本条件是： 1 要保证乘员足够的生存空间，即驾驶室不应发生碰撞变形( 包括车轮、发 动机、变速箱等刚性部件不得侵入驾驶室) ； 2 车体的前部结构应尽可能多的变形，以合理吸收撞击能量，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【1 1 。 对于车辆碰撞变形区域，除了尽可能多的吸收碰撞能量外，其变形模式和变 形特性也要满足一定要求，即当低速碰撞时，车辆的变形以及变形力值都较小， 以保护行人或车辆自身；当发生中等速度碰撞时，变形力值应尽量均匀，以最大 限度地降低撞击加速度峰值；而当发生高速碰撞时，为了阻止变形扩展到乘员舱， 从悬架到车身前围板之间的变形力值应急剧上升。理想化的车体碰撞力曲线如图 2 1 所示，在汽车设计过程中，应当尽量使车体碰撞力曲线与图2 1 保持一致【3 9 】。 磁 撩 。；、 受形 图2 。1 理想车体碰撞力曲线 对整车碰撞吸能过程的一个重要反映就是碰撞过程中车身b 柱加速度曲线的 变化，对微型客车碰撞吸能过程及乘员约束系统的研究结果表明，较理想的碰撞 吸能过程应该是在整个汽车碰撞过程的几十毫秒内，使车内规定点( b 柱下方) 的碰撞加速度值稳定在一个适当水平，避免速度的剧烈变化( 如图2 2 中曲线a ) 。 普通的方形吸能梁结构会使碰撞加速度曲线在初期产生一个峰值，紧接着由于结 构屈服，碰撞加速度曲线又会产生一个波谷，随后将处于一个较低的水平( 如图 2 2 中曲线b ) ，与理想的碰撞吸能过程有较大差距。这种碰撞加速度曲线对应的 车身结构不能达到很好的吸能和对乘员保护的效果。特别是当车身造型要求碰撞 吸能长度较小时，仅靠增加方形吸能梁的壁厚来增加吸能，会导致碰撞加速度峰 值更大及后部车身结构早期屈曲，不利于碰撞过程中结构的吸能及对乘员的保护。 逐级吸能梁耐撞性优化与应用 本文将微型客车的前碰撞安全结构作为一个系统来考虑，通过合理调节前纵梁和 系统内相关部件的刚度，使整车b 柱的碰撞加速度曲线的变化趋势与图2 2 中曲 线a 保持一致。 图2 2 加速度时间历程 由图2 2 可知，目标加速度曲线与微型客车的实车碰撞加速度曲线存在较大 的差别，实车碰撞过程中初始峰值较大，说明碰撞初期参与碰撞的结构刚度较大， 随后紧接着结构屈服而出现负向峰值。如果能够对整个系统进行调节，对各个相 关部件参与接触碰撞的时间进行控制，当一个结构发生屈服则有对应的结构参与 到碰撞中去，从而可以避免加速度的大幅度减少，使加速度平稳变化，尽量与理 想加速度相接近。通过对各个相关部件的刚度和参与碰撞的时间进行控制，使其 逐级参与接触碰撞，这种设计方法称为逐级吸能方法。该方法的主要思想是：根 据汽车前部造型及碰撞安全性要求，反推汽车结构吸能长度，从而计算出理想的 碰撞加速度值范围；适当控制汽车前部方形吸能粱的壁厚，以避免产生较大的碰 撞加速度峰值；在方形吸能梁内部不同长度的合适位置上设置相应的加强板，逐 级参与碰撞吸能，以产生较好的“填谷”效应，同时，使碰撞加速度曲线达到较理 想的要求。 大量的理论研究与碰撞试验结果表明，汽车前部的变形区长度与汽车的碰撞 安全性水平之问没有必然的联系，汽车的碰撞安全性需要起码的变形区长度，但 具备足够变形区长度的汽车未必具有足够的碰撞安全性水平。事实上，一些汽车 虽然具有较大的变形区长度，但由于主要吸能部件的变形方式不合理，在碰撞过 程中虽然产生了很大的纵向变形，但吸能效果并不好。研究表明，当变形模式为 薄壁管柱的渐进屈曲，表现为薄壁管的轴向压溃时，变形稳定性好，薄壁构件具 有较好的吸能能力。而当变形模式为整体弯曲失稳时，则薄壁构件很快失去承载 能力，吸能能力很差，因此合理控制吸能结构的变形和提高主要吸能部件的耐撞 性设计是整个安全性设计的关键。 2 2 基于反推设计理论的前碰撞逐级吸能设计 汽车的安全性设计，由于涉及面广，因此采用的方法也多种多样。传统的设 1 2 硕士学位论文 计方法包括经验法，试验法，解析法等多种方法。碰撞安全性的反推设计方法就 是指从人体响应最接近的安全保护环节出发，逐步考虑汽车系统中所有各个环节， 直到指标达到法规要求1 1 1 。本章要介绍的反推设计是指从目标碰撞特性出发，反 过来设计车辆碰撞安全部件的结构的方法。 2 2 1 加速度的设定 考虑法规规定的5 0 k m h 对固定壁障的碰撞，对于恒定的碰撞加速度值，有： ；a o t o 。 ( 2 1 ) 式中，撞击的初始速度，撞击平均加速度，撞击时间。 设变形长度为，则有： v 0 2 2 a o 址( 2 2 ) 观察以上两式可以发现，当碰撞初速度一定的时候，可以通过调节碰撞持续 时间和变形量来对加速度进行调整【4 0 1 。 2 2 2 结构刚度与变形量的设定 根据法规和造型的要求，对各个结构部件的刚度和变形量进行设计称为结构 的反推设计。碰撞过程中，汽车的弹塑性变形是吸收冲击动能的主要方式，乘员 是保护的对象，从微型客车碰撞过程中造成乘员伤亡的主要原因可知，乘坐室的 变形必须严格控制。最理想的情况就是：乘坐室为理想刚体，变形全部发生在乘 坐室的前部区域。虽然乘坐室不可能成为理想的刚体，但在车身设计时，必须合 理分配车身的刚度，确保乘坐室的刚度相对其前部变形区的刚度而言足够大。一 般而言，乘坐室前部变形区的刚度可根据其允许的变形区长度来确定，在冲击动 能一定的情况下，允许的变形区长度越长，变形区的刚度就可越小，反之亦然。 根据牛顿第二定律方程： f 口。2 吾 ( 2 3 ) 式中，卜碰撞过程中车辆与刚性墙的相互作用力，m 整车的质量。 根据法规要求要保护乘员就需要限制碰撞过程中的加速度，在车辆质量一定 的情况下就应该限制车辆与刚性壁障之间相互作用力的大小。 再联立动量和能量守恒定律方程： f t = a v m ( 2 4 ) e = m v 0 2 = 去k 出2 ( 2 5 ) 厶二 式中，t 碰撞的持续时间，缸碰撞前后速度的变化，k 车辆碰撞 前端的刚度系数。 求得碰撞过程中的平均作用力为： f = m a = k 出 ( 2 6 ) 1 3 逐级吸能梁耐撞性优化与应用 由式( 2 4 ) 和( 2 6 ) 可知，要限制车与刚性壁障相互作用力的大小，在碰 撞初速度一定的情况下，就需要延长碰撞时间和控制前端结构的刚度，即要求车 辆经过较大的变形和较长一段时间才停下来。从满足法规的要求来说，一方面要 求降低碰撞减速度，这要求车辆的刚度值应当较小，保证车辆在碰撞过程中发生 足够大的变形；另一方面，为保证车内乘员的生存空间，要求乘员室的变形尽量 小。从这个角度来讲，就要求车辆有足够的刚度，以免乘员室受迫变形。因此， 要满足法规要求，必须在两者之间进行协调，使之都能满足要求。 因此，可以根据汽车前部造型及