面向正面碰撞的微型汽车前纵梁结构设计与研究

摘要

近年来，随着我国汽车产业化发展，微型汽车在我国的销量逐年攀升。与普通乘用车不同的是，微型汽车前部车身较短，这种车身结构使得其正面碰撞安全性设计具有更大的难度。前纵梁结构是汽车正面碰撞过程中主要的吸能构件，且前纵梁的吸能效率与其结构设计密切相关，其结构设计的合理性直接关系到微型汽车正面碰撞安全性能。虽然对于前纵梁结构设计的研究已经比较丰富，但是目前的研究大都没有对前纵梁压溃过程中出现的结构失效进行深入分析，并且鲜有将前纵梁结构设计与安全性优化结合起来的研究。本文在总结前人研究的基础上，针对前纵梁结构的压溃变形模式以及失效形式进行了深入研究，并提出相应的结构设计方法，利用这些设计方法对目标车型的前纵梁结构进行了优化设计，实现微型汽车正面碰撞安全性能的提升。
　　围绕正面碰撞安全性这一主题，本文主要开展了下面几方面研究：
　　(1)基于车身加速度波形分析前纵梁结构对正面碰撞安全性的影响
　　基于能量守恒定律将某微型汽车正面碰撞波形等效简化为双台阶波形，并利用车辆—乘员系统动力学模型获得了简化前后的波形对应的乘员伤害值，验证了简化方法的合理性。随后在保持防火墙侵入量不变和保持二阶加速度不变两种条件下，利用分组对比的方法分析了正面碰撞过程中前舱结构强度(一阶加速度幅值)对于乘员安全的影响。最后针对微型汽车的特点，分析了前纵梁结构设计对于正面碰撞安全性的影响，并提出后续前纵梁结构的研究目标。
　　(2)利用数值方法研究结构参数对于焊接超单元压溃特性的影响
　　在传统的超单元理论基础上，针对焊接型薄壁梁的结构特点以及其与闭口薄壁梁之间的区别，提出了焊接超单元结构。利用数值模拟的方法，对焊接超单元中不同结构参数对于其压溃特性的影响进行了分析，分析结果显示，焊接超单元中薄壁部分的棱边角度对于压溃特性的影响非常显著，并且焊接边宽度对于其压溃失效的改善作用也很明显，对于焊接超单元中两部分的不同厚度组合也进行了研究。在对比分析的过程中，发现焊接超单元的变形模式与传统超单元之间存在一些差别，并挑选样本进行了对比分析，对比结果验证了作者的预测。对于引起这种现象的原因，通过理论公式进行了尝试性的分析。
　　(3)前纵梁结构设计方法研究和验证
　　基于动态落锤试验，以传统的单、双帽形截面薄壁梁的压溃特征进行分析。结合超单元理论推导以及对结构失效的原因分析，归纳出改进结构设计的一系列方法，包括结构失效的改进和吸能效率的提升。针对焊点撕裂、焊接边内陷以及局部弯折等结构失效形式，提出了相应的改进方法，并通过试验进行了验证。对于诱导结构的布置方法进行了研究，包括其对变形形式和吸能效率的影响，发现合理布置诱导槽可以有效改善焊接型薄壁梁的压溃特征。为了寻求提升前纵梁吸能效率的有效途径，对加强板的设置方法进行了分析，发现在设置加强板时，增加截面超单元数量 n，并缩小单个超单元边长 c可以显著地提升吸能效率的同时改善结构的稳定性。
　　(4)目标车型前纵梁结构改进以及耐撞性优化设计
　　利用前纵梁结构设计方法对目标车型前纵梁结构进行改进设计，并结合边界拉丁超立方、最小二乘支持向量回归法、空间收缩回归法以及NSGA-II多目标优化方法对改进后的前纵梁结构进行优化设计，同时实现目标车型正面碰撞耐撞性的提升和前纵梁结构轻量化设计；为了降低优化过程中的计算消耗，将整车正面碰撞模型进行简化，设计出正面碰撞台车模型，并验证了该模型在正面碰撞工况下的可靠性。通过对比优化前后所获得的车身曲线以及对应的乘员伤害值，验证了结构设计方法和优化方法的合理性和可靠性。

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第1章 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 正面碰撞车身加速度波形目标分解

2.1 正面碰撞加速度的等效双台阶梯形波

2.2 正碰波形特征值对乘员损伤的影响分析

2.3 前纵梁设计目标

2.4 本章小结

第3章 焊接超单元数值分析

3.1 焊接超单元

3.2 数值计算方法

3.3 轴向载荷下焊接超单元压溃特性研究

3.4 轴向载荷下焊接超单元变形机理分析

3.5 本章小结

第4章 前纵梁结构设计方法及试验验证

4.1 动态落锤试验

4.2 轴向冲击载荷下帽形截面梁结构压溃特性分析

4.3 前纵梁结构设计方法研究

4.4 本章小结

第5章 正面碰撞工况下前纵梁多目标优化设计

5.1近似模型方法

5.2 空间收缩回归法

5.3 正面碰撞台车模型

5.4 前纵梁结构多目标优化设计

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 主要结论总结

6.2 论文创新点

6.3 研究展望

致谢

参考文献

附录A 作者研究生期间科研成果

附录B 作者研究生期间参与的科研项目