碳纤维轿车保险杠横梁的设计

摘要

燃油效率和废气排放等环境问题已经成为当今世界最为关注的话题。建立能源可持续的环境保护体系已势在必行。为了实现这一目标，迫切需要开发和评估新技术，以及改变人们的思维方式和生活方式使其更加环保。
　　众所周知，汽车零件的轻量化可以很好地减少汽车生命周期内的碳排放量。然而，目前全球汽车安全性问题日渐突出，在采取措施提高车辆安全性能的同时往往会导致车身重量的增加。如何同时满足车辆安全性能和轻量化两项重要指标已成为车身设计开发迫切需要解决的课题。本文以汽车前保险杠横梁为研究对象，研究了其在低速正面碰撞过程中的碰撞安全性及轻量化。
　　在大多数正面碰撞事故中，汽车的前保险杠系统是碰撞发生时最先接触到的部位，它在一定程度上能起到保护车身和乘员的作用。一般的前保险杠系统主要包括蒙皮、缓冲盒及保险杠横梁三部分，其中保险杠横梁是主要的吸能结构。通常希望它能在碰撞过程中发生足够的变形来吸收冲击能量，并减少行人和道路上其他弱势群体发生伤害的风险；但同时其必须具有足够的强度才能保护车身其它部件免受损伤。
　　本文采用数值研究的方法探索了用碳纤维增强复合材料（CFRP）替代现有高强度钢保险杠横梁的可能性，并比较了这两者的能量吸收能力。由于碳纤维增强复合具有较好的物理和机械性能，比如静载和冲击载荷条件下比强度高、比刚度高，它将可能成为较令人感兴趣的保险杠横梁材料。
　　在本文的研究过程中，首先，依据我国国标GB17354-1998《汽车前、后端保护装置》规定的汽车低速碰撞试验标准，利用有限元分析软件LS-DYNA建立了某轿车的高强度钢保险杠横梁的碰撞模型，对保险杠横梁进行低速对中碰撞仿真,考察其碰撞过程中的变形、碰撞力、应力分布及能量吸收特性。根据对仿真数据比如力-时间、变形-时间、能量-时间曲线的分析，研究保险杠横梁在碰撞过程中的动力响应特性和能量吸收情况。
　　然后，修改原有限元仿真模型中的材料模型，以碳纤维复合材料替代原来的高强度钢。设计了几种不同铺层方式的碳纤维保险杠模型，并一一进行求解，比较模型修改前后的分析数据。
　　最后，经过分析和比较，发现合理设计的碳纤维保险杠横梁具有比原高强度钢保险杠横梁更好的吸能特性和更轻的重量。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外汽车碰撞研究概述

1.3 国内外对薄壁结构的碰撞吸能研究

1.4 本文研究内容

第2章 保险杠低速碰撞研究概述

2.1 保险杠系统简介

2.2 国内外相关法规要求

2.3 轿车保险杠横梁的国内外研究现状

2.4 保险杠横梁碰撞性能的计算机研究方法

2.5 本章小结

第3章 显式非线性有限元基本理论

3.1 弹塑性动力学基本方程

3.2 显式时间积分

3.3 接触---摩擦算法

3.4 本章小结

第4章 高强度钢保险杠横梁低速碰撞仿真

4.1 概述

4.2 保险杠碰撞系统模型的建立

4.3 保险杠横梁的碰撞性能评价

4.4 低速对中碰撞仿真结果及分析

4.5 本章小结

第5章 碳纤维保险杠横梁低速碰撞仿真

5.1 仿真模型与铺层设计

5.2 碰撞仿真结果与分析

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢