（机械设计及理论专业论文）汽车保险杠系统抗撞性研究.pdf

中文摘要 摘要：安全、环保和节能是二十一世纪汽车设计研发所面临的三大热点问题， 提高汽车在碰撞事故中的抗撞性已经成为汽车安全设计中的一个关键环节。目前， 抗撞性结构的研究和吸能装置的设计是提高汽车抗撞性的两个重要研究方向。并 且，在汽车碰撞事故中，绝大部分要涉及保险杠系统的碰撞。因此，通过研究抗 撞性结构和抗撞性机构来提高汽车保险杠系统的抗撞性对汽车安全设计起到了重 要作用。 本文首先分析了2 0 0 0 年以来我国道路交通事故统计数据及碰撞形式，说明了 以汽车正面碰撞为研究对象的重要性。然后，综述了国内外抗撞性结构的研究现 状。随后，介绍了抗撞性研究的理论基础。最后，为了提高保险杠系统的抗撞性， 对抗撞性结构和抗撞性机构进行了研究，并将抗撞性优化结构和抗撞性创新机构 应用于保险杠系统中。 在抗撞性结构研究方面，为了得到能量吸收能力最强的结构，本文提出了以 比吸能为目标参量，截面尺寸为设计变量对锥形薄壁管进行优化的方案。根据全 面试验设计选取了样本点，对样本点进行有限元分析，并记录下所需要的目标参 量和设计变量在各个样本点的数据值，利用响应面法建立了比吸能与截面尺寸之 间的近似关系。根据提出的优化方案和所建立的近似关系，对不同截面形式( 圆 形、正方形、正六边形) 的锥形薄壁管的截面尺寸进行了优化。并且，以抗撞性 结构的评价指标为依据，对比分析了各种截面形式的锥形金属薄壁管，得出了圆 锥形金属薄壁管的能量吸收能力最强。提出一种夹心结构吸能装置的设计方案， 并将圆锥形金属薄壁管和传统的圆柱金属薄壁管分别用于吸能装置。仿真结果表 明圆锥吸能装置优于基于传统的圆柱吸能装置。并且，圆锥吸能装置在低速8 k m h 和中速2 0 k m h 碰撞时能够吸收所有的碰撞能量，在高速5 0 k m h 碰撞时能够吸收 3 0 2 8 的碰撞能量，从而较好地提高了保险杠系统的抗撞性。 在抗撞性机构研究方面，通过研究四连杆机构传动角与力的传递之间的关系， 结合了弹簧与双滑块机，本文提出一种变刚度机构，首先对该机构进行了理论分 析，然后通过改变弹簧系数和弹簧的预变形量，进行试验设计，完成了变刚度机 构的多组试验验证。为了进一步的应用研究，提出了建立变刚度机构虚拟样机的 方法，对比分析了仿真结果与试验结果，验证了该方法的可行性。随后，应用该 变刚度机构进行了保险杠吸能支架的方案设计，并建立了该吸能支架的虚拟样机。 最后，将其与另外两种方案( 基于刚性杆的保险杠支架和基于弹簧的保险杠支架) 进行了刚塑特性和抗撞性的对比分析，结果表明应用该变刚度机构设计的吸能支 架最好，从而验证了变刚度机构的有效性。 关键词：汽车；保险杠；被动安全；抗撞性 分类号：u 4 6 3 9 9 a bs t r a c t a b s t r a c t ：s a f e t y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g yc o n s e r v a t i o na r et h et h r e e p r i n c i p a lp r o b l e m so ft h e2 1s tc e n t u r y m e a n w h i l e ，h o wt oi m p r o v et h ec r a s h w o r t h i n e s s o fv e h i c l e sh a sb e e na l la s s i g n a b l ei s s u ed u r i n gt h ea n a l y s i so fp a s s i v es a f e t yo ft h e a u t o m o t i v e i nt h ec a s eo fc a rc r a s h ，b u m p e r sh a v et h e i ri n d i s p e n s a b l er o l e si nc a rb o d y p r o t e c t i o n b u m p e rc r a s h e sa r et h em o s tc o m m o ns c e n e si n c a rc r a s ha c c i d e n t s ，a n d b u m p e ri sa l s ot h ef i r s tp a r to fc a rb o d yi n v o l v e di nt h ec o l l i s i o n i m p r o v i n gt h e c r a s h w o r t h i n e s so fb u m p e re f f e c t i v e l yw i l lh e l pi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fp a s s i v e s a f e t y o fa u t o m o b i l e t h e n c e ，r e s e a r c h i n gt h ec r a s h w o r t h i n e s so fb u m p e rf o r a u t o m o b i l ei sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t a tt h eb e g i n n i n go ft h ed i s s e r t a t i o n , s t a t i s t i c a ld a t ao f r o a dt r a f j f i ca c c i d e n t si no u r c o u n t r ys i n c e2 0 0 0i sa n a l y z e d ，a n dr e s e a r c h i n go nv e h i c l ef r o n t a li m p a c ti sp a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t s e c o n d l y , r e c e n td e v e l o p m e n t s o fc r a s h w o r t h i n e s so p t i m i z a t i o na n d t h i n - w a l l e d c o m p o n e n t s a r e b r i e f l ys u m m a r i z e d t h e n , t h em a i n t h e o r e t i c a l b a c k g r o u n d sa r ei n t r o d u c e d f i n a l l y , i no r d e rt oi m p r o v et h ec r a s h w o r t h i n e s so fb u m p e r , w r i t e rs t u d i e st h ec r a s h w o r t h i n e s ss t r u c t u r ea n dc r a s h w o r t h i n e s sm e c h a n i s m ，a n d o p t i m i z e ds t r u c t u r ea n d i n n o v a t i v em e c h a n i s ma r eu s e di nt h eb u m p e rs y s t e m o nt h er e s e a r c h i n go fc r a s h w o r t h i n e s ss t r u c t u r e ，b a s eo ne x p l i c i tf i n i t ee l e m e n t t e c h n i q u e ，d e s i g no fe x p e r i m e n t , r e s p o n s es u r f a c em e t h o d ，w r i t e re s t a b l i s h e sas i m i l a r r e l a t i o n s h i p b e t w e e ns e c t i o n a ls i z e sa s d e s i g n v a r i a b l e sa n ds t r u c t u r a ls p e c i f i c e n e r g y a b s o r p t i o n 鹊o b je c t i v ef u n c t i o n , a n do p t i m i z e ss e c t i o n a ls i z e so fc o n e s h a p e d t h i n w a l l e dc o m p o n e n t s 、) l ，i n ld i f f e r e n ts e c t i o n s ( r o u n d ，s q u a r e ，a n dr e g u l a rh e x a g o n ) i n a d d i t i o n , a c c o r d i n gt ot h ee v a l u a t i o ni n d e xo fc r a s h w o r t h i n e s ss t r u c t u r e ，c o n e s h a p e d t h i n - w a l l e dc o m p o n e n t sw i t hd i f f e r e n ts e c t i o n sa r ec o n d u c t e dac o m p a r a t i v ea n a l y s i s ， t h er e s u l t ss h o wt h a tc o n i c a lt h i n - w a l l e dc o m p o n e n ti sb e s t a n dan e wt y p eo fe n e r g y a b s o r p t i o nd e v i c e 、析t l ls a n d w i c hs t r u c t u r eu s i n gc o n i c a lt h i n - w a l l e dc o m p o n e n ti s d e s i g n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t t h ed e v i c eu s i n gc o n i c a lt h i n w a l l e d c o m p o n e n ti s b e t t e rt h a nt h ed e v i c eu s i n gc y l i n d r i c a lt h i n - w a l l e dc o m p o n e n t t h e d e v i c eu s i n gc o n i c a lt h i n - w a l l e dc o m p o n e n tc a na b s o r ba l lt h ei m p a c te n e r g yi nt h e l o w - s p e e dc o l l i s i o na n dm e d i u m - s p e e dc o l l i s i o n , a n dt h ed e v i c ec a na b s o r b3 0 2 8 o f t h et o t a le n e r g y a c c o r d i n g l y , i tb e t t e re n h a n c et h ec r a s h w o r t h i n e s so fb u m p e rs y s t e m o nt h er e s e a r c h i n go fc r a s h w o r t h i n e s sm e c h a n i s m , b yr e s e a r c h i n go nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a n s m i s s i o na n g l eo ff o u r - b a rl i n k a g ea n df o r c et r a n s f e r , a v a r i a b l es t i f f n e s sm e c h a n i s mi s p r o p o s e dc o m b i n i n gs p r i n g sa n d d o u b l e - s l i d e r m e c h a n i s m f i r s to fa l l ，w r i t e rc o n d u c t sat h e o r e t i c a la n a l y s i sw i t ht h em e c h a n i s m a f t e r w a r d ，t h em e c h a n i s mi sv e r i f i e db yan u m b e ro ft e s t s f o rf u r t h e rr e s e a r c h i n g ，a m e t h o dt oe s t a b l i s hv i r t u a lp r o t o t y p eo ft h em e c h a n i s mi sp r o p o s e d ，a n di sv e r i f i e db y c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t s 、加血t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h e n , a p r o g r a md e s i g no fe n e r g y - a b s o r p t i o nb u m p e rb r a c k e tu s i n gt h em e c h a n i s mi sp r o p o s e d ， a n dv i r t u a lp r o t o t y p eo fe n e r g y a b s o r p t i o nb u m p e rb r a c k e ti se s t a b l i s h e d f i n a l l y , i ti s c o m p a r e d 、析廿lt h eo t h e rt w op r o g r a m s ( b u m p e rb r a c k e tu s i n gr i g i dr o da n du s i n gs p r i n g ) o n r i g i d - p l a s t i c c h a r a c t e r i s t i c sa n dc r a s h w o r t h i n e s s r e s u l t ss h o wt h a t e n e r g y - a b s o r p t i o nb u m p e rb r a c k e ti st h eb e s t k e y w o r d s ：a u t o m o b i l e ；b u m p e r ；p a s s i v es a f e t y ；c r a s h w o r t h i n e s s c l a s s n o ：u 4 6 3 9 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 孤汝埠 签字日期 7 - , 9 罗年f 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 溅眸 签字日期：如罗年月日 导师签名： 签字日期：x 肛歹年乡月【z ，日 l 致谢 本论文的工作是在我的导师赵勇老师的悉心指导下完成的，赵老师严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在学习上，对于我的科研工 作和论文都提出了许多的宝贵意见；在生活上，也给予了我很大的关心和帮助， 在此衷心感谢两年来赵老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，刘荣星、王子成、钱晨、李苏威等同学对我 论文中的仿真研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 第l 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着汽车普及率的不断提升，汽车碰撞事故频繁发生，道路交通事故不仅造 成了严重的人员伤亡和经济损失，而且也给人们带来了巨大的精神伤害，所造成 的社会危害是及其严重的，可以说汽车道路交通事故已经成为了一种灾难。如表 1 一l 所示为新世纪以来我国道路交通事故统计数据。 表】12 0 0 0 - - 2 0 0 8 年全国道路交通事故统计数据 t f 出j 1n a t i o n a lr o a di r a 衢oa c c i d e n ts t a t i s t i c s 年份事故致死亡 数受伤人数万车死一敢死亡1 0 以上的特大交财产损失 ( 年) ( 起)( )( 人)亡牢通事故数 ( 亿元) 2 0 0 06 l 胡肾l 8 3 8 5 3 4 1 8 7 2 11 7 土 8 起( 9 1 0 死、9 6 0 伤)2 6 7 2 0 0 17 5 4 9 1 91 0 5 9 3 ( 5 4 6 4 8 52 l _ i 3 9 起( 6 3 9 死、6 6 7 伤)30 _ 9 2 呻27 7 3 1 3 7】0 9 3 8 l5 6 2 0 7 41 3 74 i 起( 5 8 5 人死、6 3 7 伤)3 3 2 2 0 0 36 6 7 5 0 71 0 4 3 7 24 9 4 1 7 4 l o 9 4 i 起( 6 4 5 人死、5 6 7 伤) 3 3 7 2 0 0 45 6 7 7 5 39 9 2 1 74 5 】孽1 09 2 5 5 起( 8 5 2 人死、8 7 7 伤) 2 7 7 2 0 0 54 5 0 2 5 49 8 7 3 84 鹋日l l7 6 4 7 起( 8 0 7 人死、7 0 5 人伤) 1 9 8 2 0 0 63 7 8 7 8 18 9 4 5 5, 1 3 1 1 3 96 2 3 8 起( 5 5 8 死、4 3 6 伤) 1 4 9 2 0 0 73 2 7 2 0 98 1 6 4 93 8 0 4 4 25 1 2 6 起( 3 8 9 人死) 1 2 2 b2 6 5 2 0 47 3 4 8 43 0 4 9 1 94 + 3 2 9 起 i o ，1 从上表不难发现近几年我国交通事故中各方面的损失都有所降低，但是损失 仍然巨大。这些惊人的数据对汽车的安全提出了挑战。同时，由于引起碰撞事故 发生的因素很多而且复杂，以至于很难彻底避免碰撞事故的发生。因此，如何降 低碰撞事故的死亡率直都是我国研究的重点。降低事故损失的有效方法之一就 是提高汽车被动安全性能。而如何提高汽车在碰撞事故中的抗撞性又成为汽车被 动安全性分析中的一个关键环节u 1 。并且，保险杠系统是轿车车身的重要组成部分。 在各种汽车碰撞事故中，绝大部分要涉及保险杠的碰撞，保险杠系统也是最先参 与碰撞的部分。有效地提高保险杠系统的抗撞性将有利于提高汽车的被动安全性 能。因此，进行汽车保险杠系统的抗撞性研究就显得尤为重要了。 汽车碰撞根据碰撞方向来分，大致可分为正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞和 翻车等。经过多方统计分析，如表卜2 所列为一组事故碰撞方向的统计数据“ 表i o 市战碰撞方向的统计数据 t a b 】一2 d i r e c t i o no f c a rc o l l i s i o n ss t a t i s t i c s 碰撞方向止面侧面 后部 翻车 所，l 比例7 2 8 以上数据清楚地表明出现正面碰撞的事故概率最大，其概率高达6 69 。统计 资料显示，采取了多种有效的措施后，由汽车正面碰撞事故导致的死亡人数仍占 总人数的3 1 。有效地提高在汽车萨碰事故中的被动安全性能将大大降低各方面 的损失。凼此，本文将主要围绕汽车正面碰撞事故展开汽车保险杠系统的抗撞性 研究。 孵 。啮。j l 簋：! 。： 恻l 1 汽午正面碰撞刚性墙试验图l o 汽车正面偏置碰撞试验 f i 9 1 lv e h i c l e f r o n t a lc r a s h t e s t f i g 】- 2 h i c l e f r o n t a lo f l s e tc r a s h t e s t 如图1 1 、图l 一2 所示为汽车碰撞试验。虽然进行汽车碰撞试验是一种最准确 的研究方法，但是这样的试验成本高、试验周期长，不利于汽车的设计和开发。 随着计算机技术的兴起，c a e 已经广泛应用于科学研究中，是支持工程技术人员 进行创新研究和创新设计的重要工具和手段。它对教学，科研，设计，生产，管 理，决荒等部门都有很大的应用价值，为此世界各国均投入了相当多的资金和人 力进行研究“1 。其重要性具体体现在以下几方面： 1 从广义上讲，c a e 本身就可以看做一种基本实验。 2c a e 可以直观地显示目前还不易观测到的，说不清楚的些现象，容易是 人理解和分析，它还可以现实任何实验都无法看到的发生在结构内部的一些物理 现象。 3c a e 促进了实验的发展，对实验方案的科学制定、试验过程中测点的最佳 位置，仪表量程等的确定提供更可靠的理论指导。 总之，c a e 已经与理论分析，实验研究称为科学技术探索研究的三个相互依 存，不可缺少的手段。如图1 3 和图1 _ 4 所示为应用c a e 技术进行汽车安全研究 的实例。 图1 - 3m a d y m o 应用幽1 4l s - d y n a 应用 f i gl 一3 a p p l i c a t i o n o f m a d y m of i gi - 4 a p p l i c a t i o no f l s d y n a 应用有限元技术对汽车保险杠系统进行抗撞性研究可以降低实验成本，缩短 研究周期，并且，可以在设计初期提供有效地指导。因此，国内、外研究人员通 过有限元分析来部分或全部代替和改进汽车碰撞的试验工作，己成为一种趋势。 综上所述，基于有限元技术的汽车保险杠系统的抗撞性研究具有现实的工程背景 和苇要意义。 2国内外抗撞性结构的研究现状 抗撞性结构的研究主要指的是对金属薄壁管的碰撞研究“。因为，金属薄壁 管在轴压下。般有稳定的渐进破坏模式，通过塑性屈曲吸收能量。凶此，金属薄 壁管是应用最广泛的缓冲吸能结构之一，并成为了国内、外学者的研究热点。 在国外，y o n g - b u mc h o 等人研究了矩形凹状变形促发器的不同预设的最优宽 厚比，结果发现矩形凹状变形促发器比圆形凹状变形促发器吸能效果更好”，。 y a m a z a k i 和h a r t 对一系列的圆形截面薄壁铝管进行了抗撞性数值模拟和优化设 计，同时还进行了轴向冲击载荷作用下的铝管的试验分析，以验证数值结果的可 靠性8 ”。xh u a a g 等人“。”2 对铝和低碳钢两种不同材质的圆管和方管进行了研究， 着重讨论了锥形冲头锥角的影响，通过理论分析还给出了裂纹数与卷曲半径的关 系。n a g e l 等人对准静态及轴向冲击作用下一种锥形管的吸能特性进行了数值模 拟，并研究了冲击速度、壁厚等对其吸能特性的影响“2 ”1 。他们还对在相同的碰 撞条件下的薄壁锥形管和薄壁柱形管进行对比，得出薄壁锥形管要优于薄壁柱形 管“。a n g l b e f i 和c h i r w a 等人对圆形截面复合材料薄壁构件进行了抗撞性研究“。 a v a l l e 和c h i a n d u s s i 等人在以最大和平均撞击载荷的比值为目标函数，分析了端部 锥形的正方形截面薄壁管的抗撞性“：接着，他们又对圆形截面金属博壁管的端 部锥形尺寸进行了优化n7 1 。k i m 基于提高薄壁结构吸能能力的角度考虑，提出了 几种新型的组合薄壁结构，并推导了此类结构优化设计的计算公式，这几种结构 通过在原始结构边角处增加材料，极大地提高了其比吸能射。h a n s s e n 等人研究了 添加了泡沫铝填充材料的薄壁管结构的吸能特性，并依照实验结果推导了进行此 类结构设计的相关近似计算公式n 引。c h e n 和w i e r z b i c k i 研究了单元胞、两元胞和 三元胞正方形截面薄壁构件的吸能特性。c h o w 和j i e 等人对六边形截面的环形 结构进行了吸能特性的研究乜。y a m a s h i t a 和g o t o h 对蜂窝结构的撞击性能进行了 数值模拟和试验研究心船。 在国内，朱西产、钟荣华研究了应用于机车中的薄壁直梁吸能构件在汽车碰 撞性能中的应用，通过对试件静态、动态的试验及运用a n s y s l s - d y n a 仿真， 验证了碰撞仿真建模参数计算方法的可靠性，提供了建模参数的经验晗羽。姚松、 田红旗用数值计算方法研究了方形、方锥形、正弦形种等几种典型薄壁结构在撞 击时的变形模式和力学特性3 。顾红军等人采用落锤实验进行圆柱壳的动力屈曲 行为研究中，经吸能特性分析，在壁厚相同的条件下，能量吸收量与圆柱壳半径 成正比瞳5 1 。贾宇、肖守讷利用显式有限元模拟仿真了薄壁结构的横截面、壁厚和 预变形等对其碰撞性能的影响，找出了薄壁结构的碰撞规律啪3 。何文、钟志华对 矩形薄壁梁进行了动态仿真介绍了动态显式有限元技术的基本理论，指出了薄 壁梁构件仿真的关键技术，并验证了自主开发的程序的有效性口 。刘中华、程秀 生等人针对汽车碰撞中的乘员安全性，对前纵梁的变形方式和特点进行了研究嚼1 。 王青春、范子杰利用冲击试验系统，通过试验方法研究了泡沫铝填充帽型结构在 轴向冲击工况下的吸能特性啪1 。刘金朝、王成国等人利用有限元软件分析了钢和 铝合金薄壁圆柱在轴向冲击力作用下的动力学响应，讨论了不同碰撞速度、不同 质量和不同边界条件对平均作用力、塑性铰的形状和个数的影响m 1 。郝琪、吴胜 军等人利用显式有限元方法对不同厚度、不同截面形状以及不同预变形的薄壁结 构碰撞性进行了仿真计算，通过分析比较，得到结构参数对碰撞性能的影响以及 薄壁结构的基本碰撞规律，为车辆耐碰撞性能的设计奠定了基础口。周字、雷正 保等人研究了汽车普通直梁件的变形方式和吸能特点，针对其在碰撞过程中的加 速度曲线，依据预变形理论，对薄壁直梁进行了改进口副；侯淑娟等人研究了圆形 截面和正方形截面金属薄壁管的端部锥形尺寸对抗撞性的影响，并得出端部为锥 形的薄壁管的吸能特性关于锥形长度和截面尺寸的变化规律璐3 洲1 。钱立军和杨士 钦等人对具有圆孔、方孔、v 形凹槽和面内圆孔的诱导结构的薄壁杆件受轴向冲 击载荷作用下的抗撞性能进行了数值模拟，并进行了以上结构的轴向碰撞试验研 究啪1 ；张涛，徐治平等人研究了单帽、双帽、圆形和正六边形4 种截面薄壁管的 吸能特性，并讨论了截面形式、冲击速度、薄壳材料和泡沫铝密度等参数对结构 4 吸能的影响。驯。陈秉智和伞军民等人对正方形截面、正六边形截面、正八边形截 面、长方形截面、圆形截面、圆锥形截面和方锥形截面等几种形式的压溃管进行 了碰撞仿真模拟分析，比较各种截面的优越性，最后确定最优方案7 | 。 综上所述，国内外学者对薄壁管抗撞性能的研究，主要集中于传统的圆形、 方形和矩形截面的构件，多数情况下是对自己设定的尺寸进行研究，很少文献考 虑尺寸的优化，而对锥形薄壁管截面尺寸进行抗撞性优化研究就更少了。同时， 因为薄壁金属管的吸能特性除与材料特性有关外，还与横截面形状、壁厚等几何 参数密切相关，又因为锥形管随压缩行进截面不断增大，不需要做引发削弱处 理也可以很好地降低初始载荷和避免总体失稳啪1 。因此，对锥形薄壁管截面尺寸 进行抗撞性优化研究具有重要意义。 1 3本文的主要内容 本文的研究主要围绕汽车正面碰撞事故展开，以汽车保险杠系统为研究对象。 主要因为汽车发生正面碰撞时，保险杠系统作为汽车车身的重要组成部分首当其 冲参与碰撞，保险杠系统的抗撞性直接影响着汽车的被动安全性能，并对乘员保 护有非常重要的作用。为了提高汽车保险杠系统的抗撞性，本文主要从抗撞性结 构和机构两方面进行研究。以下是本文的主要内容： 第2 章中介绍了抗撞性研究的基础知识。结构的接触和碰撞问题涉及到几何 非线性和材料非线性，需借助显式有限元技术来进行求解。因此，首先介绍了显 式有限元的数值求解技术，试验设计和响应面法，试验设计是选取样本点的依据， 而响应面是对样本点处的数据进行回归分析的近似方法。 第3 章中主要对抗撞性结构和抗撞性机构进行了研究。在抗撞性结构方面， 对不同截面形式的锥形金属薄壁管进行了抗撞性优化设计。在给出了薄壁管的材 料模型和有限元分析模型后，结合全面试验，基于显式有限元应用程序l s d y n a 进行仿真试验，应用响应面法，以结构的比吸能为目标函数，建立了吸能特性与 薄壁管的几何参数之间的近似关系式，分别对圆锥形、方锥形、正六边锥形金属 薄壁管进行了抗撞性优化设计，得到了每种截面形式的锥形金属薄壁管的截面尺 寸( 半径及边长) 和壁厚的最优值。并且，以设计指标为依据，将各种截面形式 的锥形金属薄壁进行了对比分析，得出了一种最优的锥形金属薄壁管。在抗撞性 机构方面，对四连杆机构传动角与力的传递之间的关系进行了研究，结合双滑块 机构和弹簧本文提出一种新型的变刚度机构，随后，对该机构进行了刚塑特性的 理论分析，并通过仿真试验和实物试验验证了该机构的可行性。 第4 章主要讨论了抗撞性优化结构与创新机构在保险杠系统中的应用。在抗 5 撞性优化结构的应用中，基于最优的锥形金属薄壁管提出了一款吸能装置的设计 方案。基于显式有限元应用程序l s d y n a 对刚性墙在低、中、高速下碰撞该装置 进行了数值模拟。说明了该装置的可行性和有效性。在抗撞性创新机构的应用中， 基于该机构提出了一款保险杠吸能支架的设计方案，建立了吸能支架的虚拟样机， 并将其与另外两种保险杠支架( 基于刚性杆的保险杠支架和基于弹簧的保险杠支 架) 进行了对比，分析了这三种支架的刚塑特性和抗撞性。并得出了结论：吸能 支架不但可以满足保险杠的刚度要求，而且可以有效地降低碰撞力，提高了保险 杠的抗撞性。 1 4 本文的主要创新性工作 汽车保险杠系统的抗撞性研究在国内外的汽车研究领域中是一个崭新而热门 的话题。尤其在国内，相关的研究报道较少。本文的主要创新点为： l 基于显式有限元数值求解技术、结合全面试验设计、并应用响应面法，以结 构的比吸能为目标函数，建立了吸能特性与薄壁管的几何参数之间的近似关系式， 对不同截面形式的锥形薄壁管的截面尺寸及壁厚进行了优化。 2 以设计指标为依据，将各种截面形式中最优的锥形金属薄壁进行了对比分 析，得出了一种最优的锥形金属薄壁管。并基于该锥形金属薄壁管提出了一款吸 能装置的设计方案，应用有限元程序l s d y n a 对该装置在低、中、高速下的碰撞 进行了数值模拟。说明了该装置的可行性和有效性。 3 通过研究四连杆机构传动角与力的传递之问的关系，提出了一种新型的变刚 度机构，该机构实现了抗撞性材料的刚塑特性，解决了抗撞性材料在变形后不可 恢复的缺陷。并将其用于保险杠吸能支架的设计，从而显著提高了保险杠系统的 抗撞性。 6 第2 章抗撞性研究的基础知识 本文在对抗撞性结构研究中运用了试验设计方法、响应面法、有限元数值求 解技术和非线性规划问题的求解方法。下面将介绍这些基本理论和方法。 2 1实验设计方法 实验设计主要包括单因素优化实验设计、多因素优化实验设计、正交设计、 均匀设计、稳健性设计、可靠性设计、析因设计等。其中，以j 下交设计、均匀设 计和析因设计中的全面实验设计应用最广，下面对这三种设计方法进行介绍。 2 1 1正交设计 正交设计是多因素的优化实验设计方法，也称为正交试验设计。它是从全面 实验的样本点中挑选出部分有代表性的样本点做实验，这些代表点具有正交性。 其作用是只用较少的实验次数就可以找出因素水平间的最优搭配或由实验结果通 过计算推断出最优搭配n 0 。 表2 - i 厶( 3 4 ) 正交表 列号 实验号 1 2 3 4 l1ll1 21222 3l333 42l23 5223l 623l2 73132 8 3213 93321 正交表的一般记法为乞( 口，) ，其中p 是表的列数，n 是表的行数，表中的数 字都由1 到a 这a 个整数构成。字母l 表示正交表，实际上是引用了拉丁方的名 7 称。如表1 3 就是一张正交表，记做。这张正交表的主体部分有9 行4 列，由1 ， 2 ，3 这3 个数字构成。用这张表安排实验最多可以安排4 个因素，每个因素取 3 个水平，需要做9 次实验。 用币交表安排实验就是把实验的因素( 包括区组因素) 安排到正交表的列， 允许有空白列，把因素水平安排到正交表的行。具体来说，正交表的列用来安排 因素，正交表中的数字表示因素的水平，用正交表最多可以安排p 个水平数目为 a 的因素，需要做r 1 次实验( 含有n 个处理) 。 j 下交表的列之间具有正交性，正交性可以保证每两个因素的水平在统计学上 是不相关的。i f 交性具体表现在两个方面，分别是：均匀分散性，在正交表的每 一列中，不同数字出现的次数相等。例表2 - 1 中，数字1 ，2 ，3 在每列中各出现 3 次；整齐可比性，对于f 交表的任意两列，将同一行的两个数字看作有序数对， 每种数对出现的次数是相等的，例如表，有序数对共有9 个，( 1 ，1 ) ，( 1 ， 2 ) ，( 1 ，3 ) ，( 2 ，1 ) ，( 2 ，2 ) ，( 2 ，3 ) ，( 3 ，1 ) ，( 3 ，2 ) ，( 3 ， 3 ) ，它们各出现一次。 正交设计适用于因素数目较多而因素的水平数不多的实验。正交设计的实验 次数至少是因素水平数的平方。本文只有2 个因素，而每个因素却有5 个水平， 属于因素数目不多而因素水平较多的实验。因此，正交设计不适合本文的实验。 2 1 2均匀设计 均匀设计和正交设计相似，也是使用一套精心设计的表格安排实验h 。每一 个均匀设计表有一个代号( 9 5 ) 或以( g ) ，其中“u ”表示均匀设计，n 表示要 做1 3 次实验，q 表示每个因素有q 个水平。实验次数就是因素水平数目的均匀设 计表，记为虬( 矿) 或“( 矿) ；s 表示该表有s 列。表2 2 是均匀设计表( 7 4 ) ， 它告诉我们，用这张表安排实验要做7 次实验，这张表共有4 列，最多可以安排 4 个因素。 每个均匀设计表都附有一个使用表，指示我们如何从设计表中选用适当的列， 以及由这些列所组成的实验方案的均匀度。表2 3 是均匀设计表( 7 4 ) 的使用表。 从使用表中看到，若有2 个因素，应选用1 ，3 两列来安排实验；若有3 个因素， 应选用1 ，2 ，3 这3 列；若有4 个因素，应选用l ，2 ，3 ，4 这4 列安排实 验。使用表的最后1 列d 是刻划均匀度的偏差的数值，偏差值d 越小，表示均匀 度越好。 表2 - 2 均匀设计表( 7 4 ) t a b 2 - 2u n i t o r md e s i g n st a b l eo fu 7。j 实验号 1234 1 l2 3 6 22465 33624 4 4153 55312 66541 77777 表2 - 3 均匀设计表u 7 ( 7 4 ) 的使用表 s 列号d 2l30 2 3 9 8 31230 3 7 2 l 4 1 2 340 4 7 6 0 均匀设计就是只考虑实验点在实验范围内的均匀分散性，而去掉整齐可比性 的一种实验设计方法。它的优点是当因素数目较多时所需要的实验次数也不多。 不具有整齐可比性，对均匀设计的实验结果不能做直观分析，实验数据的的处理 也比较复杂。因此，本文没采用均匀设计。 2 1 3全面实验设计 全面实验设计是指含有两个或两个以上实验因素( 含区组因素) 的实验，把 所有因素各水平之间的组合都作为一个处理h 剀。例如有a 、b 两个因素，a 因素 有a 个水平，b 因素有b 个水平，则全面实验的处理数目是a x b 个。如果每个处 理重复k 次实验，则全部的实验次数是k a x b 个。对一般情况，设有p 个因素， 每个因素的水平数为g ，g ：，q ，则全面实验的处理数目是q 。x q ：q ，个。如 果每个处理重复k 次实验，则全部的实验次数是k q q ，q 。个。全面实验既 适用于比较实验，也适用于优化实验，并且有利于分析因素间的交互作用。但是 只有当因素的数目和每个因素的水平数目都不多时，才能真正使用全面实验，否 9 则就需要做大量的实验，在人力、物力和时间上都是不允许的。例如有5 个实验 因素，每个因素有3 个水平，不考虑重复时全面实验的次数也多达3 5 = 2 4 3 个。 鉴于全面实验所需的实验次数很多，一般只在两种场合使用全面实验。第一 是只有两个实验因素，第二是每个因素只有两个水平。 假设有a 、b 两个因素，没a 的水平为3 ，b 的水平为2 ，则共需要进行6 次 试验，如表2 4 所示。 表2 4 全面实验设计表 样本点 123456 实验条件 4 e4 e 4 e4 垦4 最4 b 全面实验设计最大优点是所获得的信息量较多，可以准确地估计各实验因素 的主效应的大小；其最大缺点是所需要的实验次数较多。由于本文只有两个实验 因素，且每个因素有5 个水平，为了获得比较准确的结论，本文采用了全面实验 设计。 2 2 近似求解技术 2 2 1响应面法 在对接触、碰撞这样复杂的问题进行设计优化时，采用响应面法( r e s p o n s e s u r f a c em e t h o d ，r s m ) h 3 啪1 是非常有效的。在设计空间中，依赖设计变量x 的响应 y 的表达式可近似定义为： 夕( 工) = 局力( x ) ( 2 - 1 ) 其中，基函数力( x ) 为x e 的函数。文献 4 7 】中说明夕( x ) 取四次函数时，拟合 效果最好。因此，当f i x ) 取四次函数时，勿( 石) 取全函数为： 1 , x l ，x 2 ，吒，# ，五屯，x n x , ，# ，彳恐，# 吒，五，五， ， 彳，# j c 2 ，# 吒，五2 屯2 ，五2 2 ，五爰，五爰，五9 oo ， 根据实验设计，选择p 个试验点x o = l ，2 ，p ) 做分析得到响应向量 y = 【j ，y ，j ，一】r ，真实响应与拟合响应的误差平方和为： pp 厂1 2 e ( ) = 0 = iy “一届力( 妇i ( 2 3 ) i = 1i - - ili = i j 可以通过使e ( f 1 ) 取最小值求得乘子： = ( x7 x ) 。1 x7 ) ， ( 2 4 ) 1 0 p = ( x7 工) 1 j7 夕 x 为基函数在p 个试验点的取值所组成的矩阵 x = 咖l ( x 1 ) 电( x ) 札( x 1 ) 虬( x ，) ) 巾l ( x 尸) 耷工( x 尸) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 把矩阵x 的具体形式和向量y = 【y n ，y ，y 尸r 的具体数值带入式( 2 4 ) 就 求出了式( 2 1 ) 中的系数卢的具体数值。进而求出了近似函数的表达式。 2 2 2误差分析 在响应面近似中，基函数和样本点的选取都可以给近似结果带来一定的误差， 这里为了测定响应面近似解与有限元解的误差，定义了相对误差的表达式，即： r e ：地尘关盟 ( 2 - 6 ) y ( x w ) 其中，y ( x ，) ) 是第i 个样本点处的有限元分析值，少( x ( ) 是第i 个样本点处的 响应面近似解，其中i = l ，2 ，p ，p 是样本点的个数。 2 3有限元技术的基本理论 2 3 1变形体与刚性墙碰撞理论 刚性墙是一个平面，它的面积可以使有限尺寸或是无限扩展的。如图2 - l 所示， 有限尺寸的矩形平面刚性墙，用户给定刚性墙一个角节点坐标p ( x e 、y e 、乃) 和其外向法线上任意点q ( x q 、饧) ，以定义其外向法线单位矢量。用户给 定刚性墙一条边上任意点坐标r ( 、) ，和刚性墙矩形面积l 和m ，即 可确定刚性墙两边的单位矢量l 和m 。这样完全确定刚性墙的空间位置和几何尺寸。 图2 - 1 变形体与刚性墙碰撞不恿图 f i g 2 1d e f o r m e db o d yc o l l i s i o nw i t ht h er i g i dw a l l 如果刚性墙式一个无限扩展的平面，那么只需要给定刚性墙上任意点p 的坐 标及过p 点的外向法线上的任意点q 的坐标，即可确定刚