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双帽型薄壁梁轴向吸能特性研究毕业论文

 2020-02-17 08:02  

摘 要

汽车是现代生活中不可替代的交通工具,基于现代人对汽车的依赖,人们对汽车安全性能也越来越重视。汽车正面碰撞中的能量相当一部分被前纵梁吸收。因此前纵梁对于碰撞安全性的影响意义重大。其吸能特性直接关系到汽车在碰撞过程中乘员的安全性,吸能特性越好,车辆碰撞安全性越高,能减轻乘员在碰撞中所受到的伤害。

(1)薄壁梁被广泛应用于车身领域构成,双帽型薄壁梁是前纵梁的简化模型,用于车身前部碰撞吸能。总结了双帽型薄壁梁在压溃的过程中的变型模式以及压溃中的基本单元,并基于此得到能量吸收的计算公式。

(2)本文主要研究了在不同焊接边宽度情况下双帽型薄壁梁的轴向压溃;以及薄壁梁截面周长一定时,不同焊接边宽度下的轴向压溃过程吸能情况。基于薄壁梁模型的超折叠单元理论,利用hypermesh/LS-DYNA软件建立薄壁梁的有限元模型,在不同的截面设计参数下重新建立新的模型进行仿真模拟。

(3)利用平均压溃力、总吸能等吸收能指标,分析其仿真结果,验证了不同截面参数对薄壁梁的吸能特性影响,总结变化规律,对车身薄壁梁部件截面设计时的参数选取有重要的指导意义。

研究结果表明:随着焊接边宽度的增加,双帽型薄壁梁的吸能特性逐渐变好,平均压溃力、峰值压溃力、吸收的总能量均呈线性增长规律;随着焊接边宽度的增加,在合适的范围内(梁稳定变形时),双帽型薄壁梁的吸能特性逐渐变差,但变化幅度较小。本结论可应用于薄壁梁的截面设计,能对前纵梁吸能特性的优化和汽车碰撞安全性能提升做出贡献。

关键词:双帽型薄壁梁;焊接边宽度;截面长宽比;吸能特性

Abstract

Cars are an irreplaceable means of transportation in modern life. Based on the dependence of modern people on cars, people pay more and more attention to car safety performance. A considerable portion of the energy in the frontal collision of the car is absorbed by the front longitudinal beam. Therefore, the influence of the front longitudinal beam on the safety of the collision is significant. Its energy absorption characteristics are directly related to the safety of the occupants in the collision process. The better the energy absorption characteristics, the higher the collision safety of the vehicle, which can reduce the damage suffered by the occupants in the collision.

(1) Thin-walled beams are widely used in the bodywork field. The double-hat type thin-walled beam is a simplified model of the front longitudinal beam and is used for collision energy absorption at the front of the vehicle body. The deformation mode of the double-hat thin-walled beam in the process of crushing and the basic unit in the crushing process are summarized, and the calculation formula of energy absorption is obtained based on this.

(2) This paper mainly studies the axial crushing of double-hat thin-walled beams under different welding edge widths; and the energy absorption of axial crushing process under different welding edge widths when the perimeter of thin-walled beams is constant. Based on the ultra-folded element theory of thin-walled beam model, the finite element model of thin-walled beam is established by hypermesh/LS-DYNA software, and a new model is reconstructed under different cross-section design parameters.

(3) Using the absorption energy indexes such as average crushing force and total energy absorption, the simulation results are analyzed, and the influence of different cross-section parameters on the energy absorption characteristics of thin-walled beams is verified. The variation rules are summarized. The parameters of the thin-walled beam components are selected. Important guiding significance.

The results show that with the increase of the width of the welded edge, the energy absorption characteristics of the double-capped thin-walled beam gradually become better, and the average crushing force, peak crushing force and total energy absorbed are linearly increasing. With the width of the welded edge Increasing, in the appropriate range (when the beam is stably deformed), the energy absorption characteristics of the double-hat type thin-walled beam gradually deteriorate, but the variation range is small. This conclusion can be applied to the section design of thin-walled beams, which can contribute to the optimization of the energy absorption characteristics of the front longitudinal beams and the improvement of the safety performance of automobile collisions.

Key words: Double-hat type thin-walled beam; Welded edge; Section aspect ratio; Energy absorption characteristics

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 车身薄壁梁结构及其应用 2

1.2.1 方形梁 3

1.2.2 帽型梁 3

1.2.3 多胞结构 4

1.3 帽型薄壁梁轴向压溃理论研究现状 5

1.3.1 国外研究现状 5

1.3.2 国内研究现状 5

1.4 研究内容 6

第二章 薄壁梁轴向压溃理论简化模型 7

2.1 材料塑性变形 7

2.2 轴向压溃过程和超折叠单元理论 8

2.3 压溃过程能量耗散 10

2.4 本章小结 11

第三章 仿真模型建立 12

3.1 有限元理论和有限元软件分析对比 12

3.2 有限元模型建立 13

3.2.1 双帽型薄壁梁几何模型建立 13

3.2.2 模型导入与几何清理 14

3.2.3 网格划分 15

3.2.4 材料、属性等设置 17

3.2.5 焊点单元建立 19

3.2.6 刚性墙建立及接触和约束设置 21

3.3 薄壁梁吸能特性分析 23

3.4 本章小结 24

第四章 轴向压溃过程仿真验证 25

4.1 模型工况 25

4.2 仿真模型的截面设计 25

4.3 仿真结果分析 27

4.3.1 改变焊接边宽度对梁的影响 27

4.3.2 改变截面长宽比对梁的影响 34

4.4 本章小结 37

第五章 总结与展望 38

5.1总结 38

5.2展望 38

参考文献 39

致谢 41

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着科技的进步和社会发展,汽车逐渐成为人们生活中最重要的工具,人们对于汽车出行的依赖性越来越大,同时对其功能要求也愈加复杂。近几年来,我国汽车保有量不断增加。根据相关统计,2018年国内汽车保有量增加2285万辆、达到2.4亿辆,驾驶人增加2455万人、达到4.09亿人。在高速增长的同时,其背后也隐藏着巨大的安全隐患和危机。汽车是人们出行必不可缺的交通工具,是现代社会方便快捷生活的必需品。我国经济持续稳定发展,城市范围不断扩大,出行大幅度增长,交通参与活动日趋频繁,交通出行参与数量特别巨大。全世界每年因为车辆交通事故而造成的伤亡人数达数千万,占交通工具第一名,给社会、乘员及其家人带来巨大伤害和损失。因此,安全问题是整个汽车行业不可避免的话题。我国是世界上主要的汽车生产国和消费国,同时也是交通事故发生最多的国家。相关数据显示,我国万车死亡率约为6.2,是发达国家的4到8倍。人口密集程度不同和道路情况不同对此数据或许有一定的影响,但这也可以在一定程度上反映出我国汽车行业在安全性能设计或制造等方面还有很多不足。因此,汽车安全系统的设计和优化是很有必要的。

表1.1全国交通事故情况统计

年份

事故总数

死亡人数

受伤人数

直接经济损失

2013

198394

58539

213724

103896.6万元

2014

196812

58523

211882

107542.9万元

2015

187781

58022

199880

103691.7万元

2016

212846

63093

226430

120759.9万元

2017

203049

63772

209654

121311.3万元

表1.1是我国近几年来交通事故情况统计,从表中可以看出,国内每年因交通事故造成的损失惨重,平均每年受伤人数多达20余万,每年经济损失达十余亿元,数量特别巨大。且随着汽车保有量的增长,道路愈加拥挤,新建道路跟不上汽车保有量的上升,交通事故的发生情况并无明显好转趋势,每年因交通安全事故而产生的损失巨大,人员伤亡和财产的损失给较多家庭造成沉重的负担。目前,汽车安全问题已成为生产商研发和消费者关注的重点。

现有汽车安全系统主要分为两种类型,一是主动安全系统,二是被动安全系统。主动安全系统是指在事故发生之前,通过汽车安全系统的相关判定,并进行某些动作(如刹车等)来规避事故的发生。被动安全系统是在发生事故时对车内成员的保护,使其遭受的伤害降低到一定程度以下,同时保护被撞车辆和行人。通俗地说,主动安全系统的性能决定事故发生的概率,而被动安全性的好坏决定在事故发生后车内乘员受伤害的严重程度。在此处主要讨论被动安全系统。汽车被动安全系统是为事故发生时减少乘员伤亡所设计的,消除事故后果,同时避免新的事故造成二次伤害,其主要包括结构吸能性、安全防护装置、内饰软化、安全玻璃等方面。目前,汽车碰撞安全性提升措施主要在三个方面,一是在车辆前后部增加缓冲区、保险杠等吸能结构,吸收碰撞时的能量;二是通过相关装置约束乘员在碰撞时的移动,如头枕、安全带等;三是通过降低人体与车辆内部接触刚度,增大接触面积以降低二次碰撞的损伤,如加装安全气囊,降低内饰刚度等。

根据事故发生时的碰撞方向不同,可将车辆事故分为正面碰撞、侧面碰撞、尾部碰撞和翻车等几种类型。以正面碰撞为例,在汽车的正面碰撞中,大变形主要发生在前纵梁的压溃、引擎盖和部分钣金件的变形等方面。以A柱末端为分界点,汽车正面碰撞的大变形集中在前半部分。

1.2 车身薄壁梁结构及其应用

薄壁梁是汽车常用梁结构,因其强度高,质量轻,吸能效果好(碰撞时结构破坏而吸收能量)等特点,在汽车车身中得到广泛应用。在汽车碰撞时可以起到吸能、缓冲的作用,最重要的是在受到撞击载荷时破坏模式稳定,并能以可控的方式通过塑性变形吸收能量[1]。对提高车身耐撞性有深远的意义。所谓耐撞性是指当汽车发生意外碰撞时,汽车能通过自身相关结构的变形、失效来减少碰撞产生的冲击力,进而减少车上人员和贵重物品损伤的性能。车身的耐撞性直接决定了汽车在碰撞过程中的安全性能,是汽车被动安全系统中的最重要的指标之一。因此,在车身设计中,要将耐撞性作为一个重要的设计目标。薄壁梁的应用对车身的结构耐撞性提升做出了巨大贡献。在现有车型的车身设计中,车辆前部的碰撞变形区域采用了许多的薄壁结构,其优点在于碰撞过程中的吸能效果好,可通过相关的设计控制其变形模式。其本身作为车身结构支撑的强度和刚度均能满足设计要求,符合现在车身轻量化设计的目的。

图1.1[2]是现有某车型的车身中薄壁结构的应用场景实例,其截面设计如图1.1所示,从其中我们可以观察到车身的薄壁梁结构使用特别广泛,在车身的各个部分都有薄壁梁结构的使用,因此薄壁梁的性能对车身的性能影响较大。

图1.1 轿车车身中的主要截面

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