汽车侧围结构抗柱撞设计理论与方法研究

摘要

本课题得到国家自然科学基金项目(51275164)资助。
　　随着我国汽车工业的快速发展，汽车年产销量稳居世界第一位，与此同时，道路交通安全形势也愈发严峻。相关数据统计显示，汽车侧面碰撞事故是仅次于正面碰撞事故的碰撞形式，这其中包括汽车因失控与路旁的柱状物发生的侧面碰撞事故。由于汽车侧面柱碰撞中柱状物坚硬、碰撞速度高、碰撞接触面积小、碰撞区域车身结构刚度薄弱等原因，乘员会面临极大的损伤死亡风险。因此，该碰撞形式对车身侧围结构的抗柱撞设计提出了非常高的要求。
　　针对上述问题，本文首先对侧面柱碰撞中车体的运动过程和受力情况进行理论分析，得出该碰撞形式下的能量转化过程和假人损伤机理，为后续的车身侧围抗柱撞结构设计提供理论基础。首先建立整车侧面柱碰撞有限元仿真模型，在经过模型有效性验证的前提下，对整车侧面柱碰撞仿真结果中的车身压溃变形、各部件吸能情况、车体加速度响应、碰撞力传递路径以及侧围结构侵入等耐撞性指标进行研究，得出车体抗侧面柱撞耐撞性改进设计的方向和原则，并且对门槛梁、B柱、顶盖横梁、座椅横梁等关键受力吸能部件提出改进方案，有效提高了车身侧面柱碰撞耐撞性。在此基础上，提出一种结合结构拓扑优化和多目标参数优化的车身抗柱撞耐撞性设计方法，并将其应用于车门的抗柱撞优化设计。通过力学计算将车门柱碰撞和车门刚度试验中的动力学问题转化为静力学问题，采用静力学结构拓扑优化方法得到车门防撞梁的最佳材料分布，选取合适的截面得到两种新型的防撞梁结构，通过多目标参数优化使防撞梁同时具备最佳的抗柱撞性能、最轻的质量和最大的结构刚度。提出一种基于正交试验敏感度分析方法的材料匹配设计方法，并将其应用于车身侧围关键部件的材料匹配，通过分析结构总吸能和材料成本对各部件材料替换的敏感度，选择合适的部件进行高强度钢材料的替换，解决了车身不同等级材料的配置问题。
　　论文研究结果表明:从车身结构和材料出发，采用合适的结构优化设计方法和材料匹配方法进行改进设计可以有效提高汽车抗侧面柱撞性能。本文提出的考虑汽车侧面柱碰撞形式的车身结构改进设计方案能够有效提高车身侧面刚度，减少车身受柱撞时的变形量和刚性柱的侵入量，研究方法和结果对同类车型的抗侧面柱撞设计具有参考意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 汽车侧面柱碰撞研究背景和意义

1．2 汽车侧面柱碰撞国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 汽车侧面柱碰撞研究方法

1．4 汽车侧面柱碰撞相关试验法规

1．4．1 整车侧面柱碰撞法规

1．4．2 零部件试验法规

1．5 本文研究内容和方法

第2章 汽车侧面柱碰撞有限元模型建立及验证

2．1 引言

2．2 有限元理论

2．2．1 求解控制方程

2．2．2 时间积分与时间步长控制

2．3 整车侧面柱碰撞模型建立

2．3．1 整车建模流程

2．3．2 网格尺寸及质量控制

2．3．3 材料模型选择

2．3．4 部件联接方式

2．3．5 整车侧围主要部件

2．3．6 侧面柱碰撞条件设置

2．4 模型精度验证

2．5 本章小结

第3章 汽车侧面柱碰撞分析及结构改进

3．1 引言

3．2 汽车侧面柱碰撞力学分析

3．2．1 车身受力分析

3．2．2 乘员受力分析

3．3 汽车侧面柱碰撞性能分析

3．3．1 整车变形过程

3．3．2 车身吸能情况

3．3．3 B柱侵入量分析

3．3．4 传力路径分析

3．4 车身抗柱撞安全性改进

3．4．1 车身结构改进

3．4．2 改进效果分析

3．5 本章小结

第4章 基于拓扑优化的轿车车门抗柱撞设计

4．1 引言

4．2 车门子结构仿真模型

4．2．1 车门简化模型

4．2．2 试验条件设置

4．2．3 车门耐撞性分析

4．2．4 车门部件敏感性分析

4．3 车门防撞梁拓扑优化

4．3．1 拓扑优化理论

4．3．2 防撞梁拓扑优化模型

4．3．3 拓扑优化计算

4．3．4 防撞梁重构

4．4 防撞梁多目标优化

4．4．1 多目标优化问题

4．4．2 试验设计

4．4．3 响应面模型

4．4．4 优化结果

4．5 本章小结

第5章 基于正交试验和敏感度分析的侧围抗撞结构材料匹配

5．1 引言

5．2 高强度钢在汽车中的应用

5．2．1 汽车用钢的分类

5．2．2 高强度钢

5．2．3 车身高强度钢选择原则

5．3 灵敏度分析方法

5．3．1 正交试验设计

5．3．2 基于正交试验的敏感度分析方法

5．4 车身侧围抗撞结构材料匹配

5．4．1 侧围子结构简化模型

5．4．2 设计变量及试验指标

5．4．3 试验设计与仿真结果

5．4．4 材料配置效果验证

5．5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录