汽车侧门防撞梁轻量化设计及其耐撞性研究

摘要

对于汽车车身轻量化和耐撞性的研究，有助于推动汽车产业的可持续性发展。随着复合材料的快速发展，性能的逐渐提高，作为实现汽车轻量化的一个有效途径，复合材料在汽车车身结构上应用也将越来越广泛。
　　本文以汽车侧门防护系统中起着主要作用的防撞梁为研究对象。从材料性能入手，将汽车车身轻量化研究中应用较为广泛的碳纤维/环氧树脂复合材料应用于侧门防撞梁中，并结合FMVSS214侧面碰撞法规，开展了如下研究:
　　(1)结合FMVSS214侧面碰撞法规，建立高强度钢和复合材料的汽车侧门防撞梁侧面碰撞的有限元模型，并从防撞梁承受的撞击力、碰撞产生的位移、防撞梁的吸能等多个方面对这两种材料的侧门防撞梁进行对比和分析，检验两种材料耐撞性能。
　　(2)根据两种材料的侧门防撞梁在仿真过程中各种性能的变化情况，并结合复合材料的特性，提出了一种侧门防撞梁的变厚度结构设计方法，即根据防撞梁不同位置对强度需求的高低进行不同厚度的设计。
　　(3)将侧门防撞梁的截面厚度和加厚部分的长度作为变量，利用Kriging代理模型的优化方法，建立防撞梁比吸能及侧面碰撞过程中的防撞梁所承受撞击力的代理模型，采用NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化。然后计算出最优Pareto解集，并从中选取一组比吸能与等厚度防撞梁接近的最优解和等厚度防撞梁的碰撞性能进行对比分析，再以碰撞产生一定位移时防撞梁所承受的撞击力和吸能情况等作为标准，检测其耐撞性能。
　　结果显示，变厚度的设计能够提高防撞梁在发生变形时所承受撞击力的大小，保证防撞梁重量不增的基础上提高其耐撞性。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

论文主要符号参阅表

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 汽车车身轻量化研究现状与趋势

1．2．1 汽车车身轻量化结构分析及优化发展

1．2．2 轻量化制造工艺

1．2．3 车身轻量化材料及其在车身制造中的应用

1．3 复合材料在汽车车身的应用

1．3．1 国外应用及研究现状

1．3．2 国内应用及研究现状

1．4 汽车碰撞安全性研究现状及其相关法规

1．4．1 国外汽车碰建研究现状及相关法规

1．4．2 国内汽车碰撞研究现状

1．5 本文的研究内容及结构

第2章 碰撞仿真分析及复合材料力学理论

2．1 概述

2．2 碰撞仿真分析基本理论

2．2．1 有限元分析法

2．2．2 非线性有限元力学平衡方程

2．3 复合材料力学基础

2．3．1 复合材料

2．3．2 层合板复合材料基本结构形式

2．3．3 各向异性弹性力学理论

2．3．4 有限元法分析在复合材料中的应用

2．4 本章小结

第3章 汽车侧门防撞梁碰撞分析

3．1 概述

3．2 汽车侧面碰撞有限元模型的建立

3．2．1 单元设置

3．2．2 材料模型选择

3．2．3 沙漏控制

3．2．4 接触方式选取

3．2．5 碰撞器速度变化曲线

3．3 防撞梁的性能评价指标

3．4 模型数据分析

3．4．1 撞击力分析

3．4．2 吸能分析

3．5 本章小结

第4章 变厚度防撞梁优化设计研究

4．1 概述

4．2 防撞梁变厚度设计研究

4．2．1 不同厚度的防撞梁仿真分析

4．2．2 防撞梁变厚度设计思路

4．2．3 变厚度防撞梁制造方案

4．3 防撞梁变厚度设计及优化流程

4．3．1 建立数学模型

4．3．2 最优拉丁超立方试验

4．3．3 建立Kriging代理模型与精度验证

4．4 利用NSGA-Ⅱ算法进行求解

4．4．1 NSGA-Ⅱ 算法

4．4．2 NSGA-Ⅱ算法的参数设置与Pareto解集

4．5 结果验证及分析

4．5．1 结果验证

4．5．2 优化前后对比分析

4．6 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录

攻读硕士学位期间从事的主要研究工作