汽車前縱梁碰撞吸能特性的優(yōu)化設(shè)計

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1、120 機(jī)械設(shè)計與研究 第27卷 文章編號“0062343 2011 )04418-04 汽車前縱梁碰撞吸能特性的優(yōu)化設(shè)計 吳廣發(fā)，趙希祿 江蘇科技大學(xué) 機(jī)械匸程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江212003 E - mail wuguangfal98328@ 163. com 摘 要^為了使汽車前縱梁在碰扌童過程中能夠吸收更多的能量?針葉前縱梁的不同斷面形狀?板厚、焊點 間距和焊點直徑等設(shè)計多軟?建立了林縱梁碰技的有限元分析模型?并利用冇限元軟件LSJ）、、A和響應(yīng)曲面 優(yōu)化算法?進(jìn)行了碰控模擬仿具和優(yōu)化設(shè)計.結(jié)果表明?優(yōu)化后旳前縱梁的必技吸能特性得到了顯著的提高. 關(guān)鍵詞：汽車設(shè)計;前縱梁;

2、碰撞分析;優(yōu)化設(shè)計;響應(yīng)曲面法 中圖分類號:TH12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A Optimum Design for Crash Energy Absorption ability of Car Front Side Member WU Guang-fa ? ZHAO Xi」u School of Mechanical Knginepring Jiangsu I niveisit) of Science and Technolog) . Zhenjiang? Jiangsu212003 ? Chinn Abstract: In order to make the front side memb

3、er of the car to absorb more energy during crashing, a finite elemenl analysis nuxlel isestablislunl. acconling to the -1)YNA and thp resjionse surf

4、ace optimization algorithm to optimum design for the crashcharacteristics of side member, which can get the optimized front side member slnirlun^uhich can absorl) more energ)' than ihegenenil front side member. Key words: vehicle design: front side member; crash analysis; optimal design; resjxinse

5、surface metlMxIoIogy ? 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 120 機(jī)械設(shè)計與研究 第27卷 近年來?汽午安全已成為X今汽車工程領(lǐng)域亟待完善的 研究領(lǐng)域?并H得到了社會的高度關(guān)注.同著消費者的安全 觀念口益增強(qiáng).汽車廠家在汽車的設(shè)計和研發(fā)方血也將安全 放在了非常朿耍的位置. 汽車發(fā)生正ifii碰掩時?1波由V身詢部的犁性變形來吸 收碰撞能星?其中起巫要作用的是縱梁。研究結(jié)果表明，在 汽車正而碰捕時.70%以卜.的汽車碰掩能戢由

6、前縱梁吸收才 能保證糾駛室盡川能完藥2。理想的縱梁設(shè)計應(yīng)該能夠充 分利用縱梁的教性變形來吸收汽車碰掠中的大部分能雖. 汽乍縱梁通?？梢院喕癁楸∥ńY(jié)構(gòu)，因此?研究薄鐮結(jié)構(gòu)的 碰撞變形吸能特性在汽乍縱梁設(shè)訃中門E耍的總義 山丁實車碰撞試驗受到時間長和費用高等限制?一般只 做少St的驗證性試驗.在實際產(chǎn)品設(shè)計中?大雖采用有限元 分析的方法來代替碰撞試驗，井且有研究結(jié)果表明,利用非 線性動力學(xué)分析軟件I.A-inNA進(jìn)行碰掩模擬仿真與實乍碰 撞試驗的結(jié)果吻介R好?可以仃效地松代實車試驗進(jìn)彳了碰撞 分析Z. 本文利用LS-DYNA和響應(yīng)曲面優(yōu)化法相結(jié)合的方法, 以碰撞吸能凰的最人化為設(shè)illl標(biāo).對

7、汽乍詢縱梁進(jìn)friEifti 碰擷模擬仿真和優(yōu)化設(shè)計?在碰掩參數(shù)和數(shù)伉仿亢條件等完 全相同的前提卜??巫點研究縱梁的形狀和焊點位置等設(shè)計參 數(shù)對碰披吸能就的影響?并且在折定的設(shè)計范圍內(nèi)，給出最 收稿F1期2011 -03?18 佳的縱梁形狀構(gòu)成和焊點分布方案?為改進(jìn)汽乍縱梁設(shè)i I提 供有效的理論依據(jù). 1汽車縱梁的結(jié)構(gòu)碰撞分析模型 圖1為某汽車框架結(jié)構(gòu)與縱梁結(jié)構(gòu)的簡圖?如圖所示縱 梁的簡化結(jié)構(gòu)足111-塊折板和-塊平板通過點焊連接組成. 該縱梁的長為54（） mm?折板厚度為1.2 mm. f-板厚度為1.0 mm,焊點間距為45 mm,焊點直徑為8. 5 mm。 為了建立冇限元分析模

8、住?許先利用CAI）軟件1（；建立 前縱梁模熨?然后將其導(dǎo)入有限尤前處理軟件h、|）ernwsh ?并 抽取中面?采用平均邊長為5 mm的四邊形売單元對其進(jìn)行 網(wǎng)格劃分. 施加碰撞錢簡采用移動剛性壁碰撞詢縱梁的方式給定。 苴中?剛性吐的質(zhì)雖為I 000 kg.速度為】50 000 mm/s <54里/小時）對縱梁的前端面約束五個自由度，只允許在 縱梁軸向町以移動?對縱梁的后端面約束全部六個白由度. 使K完全固定.對剛性壁約束五個自由度?使英只在縱粱軸 向可以移動?？v梁結(jié)構(gòu)的材料常數(shù)為彈性模S 210GPa.泊 松比0.3.屈服應(yīng)力270 MPa?密度7890kg/m5? 2現(xiàn)行的長方形斷面縱

9、梁結(jié)構(gòu)的碰撞分析 現(xiàn)行的長方形斷而縱梁結(jié)構(gòu)的冇瑕元分析?？杖鐖D2 所示?圖示左瑞為固疋瑞?右端為移動剛性壁加載?縱梁的有 限元分析欖型的節(jié)點數(shù)為13 476?取元數(shù)為13 842. 利用冇限元軟件I5-DYNA對現(xiàn)行縱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞分 ▲圖1汽乍橋架結(jié)構(gòu)及縱梁結(jié)構(gòu) 析?其碰撞變形結(jié)果如圖3所示?從圖中可見?利用I5-DY- NA軟件對縱梁進(jìn)行碰撞分析可以比較準(zhǔn)他地模擬出縱梁的 碰掠變形過程?同時還町以得到英軸向壓力和吸收能雖等結(jié) 構(gòu)碰撞特性參數(shù)。 ▲圖2 %fj-的反方形WfifiifM梁結(jié)構(gòu)的仃限尤分析論V (a) 0.01 g (b) 0 02 s (c

10、) 0.03 s ▲圖3觀f j的反力形斯面縱1R受時的變形過程 3汽午縱梁結(jié)構(gòu)的碰撞特性優(yōu)化設(shè)計 楓據(jù)汽車縱梁的使用條件和提高碰撞特性的耍求將碰 撞變形至縱梁原長85%處的吸能雖E作為評價指標(biāo)?在優(yōu) 化設(shè)計中，令其為目標(biāo)函數(shù)?優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量共有5 個?分別為折板厚度仆、半板厚度4、半斷面形狀的邊數(shù)⑴、焊 點間距(、焊點直徑0,其中，隨著設(shè)計變St N的改變，斷而形 狀變化的借況町以參見圖4? 縱梁的碰撞特性優(yōu)化設(shè)計模型町整理如式(1)~。) 所示? Kind X = [t^t^N.L.D]1 a ) 150 - 3 ▲圖4縱粱的不同斷面形狀 Max ￡

11、 = / U ) 0 ) S?T? 1.0 <(! < 1.4 nun G ) 0. 8 < /2 < 1. 2 nun 4 ) 1 < /V < 5 6 ) 40 < L < 50 mm

12、*與現(xiàn)行結(jié)構(gòu)的比較 折板 平而板 半斷面 焊點 焊點 厚度/mm 耳度fmm 邊數(shù)" 間 克徑/mm 現(xiàn)fj結(jié)構(gòu) 1.2 1.0 2 45 & 5 優(yōu)化結(jié)構(gòu) 1.4 1.2 3.76 40 9.5 圓整結(jié)構(gòu) 1.4 1.2 4 40 9.5 優(yōu)化后縱梁結(jié)構(gòu)以及變形過程如圖5 ~6所示? 山圖5町見?優(yōu)化后的斷面形狀從現(xiàn)行結(jié)構(gòu)的長方形變 成疋十二邊形的一半所構(gòu)成的多邊形結(jié)構(gòu).不難看出?這種 變化使得斷而周長匕的折點有2個增加到6個?這樣會有利 于提高縱梁的軸向反力和抗失穩(wěn)的能力。 比較圖3和圖6所示的變形過程還町以石出?在優(yōu)