前纵梁结构优化设计及其对整车前碰撞安全性能的影响

摘要

随着中国车辆保有量的持续增长，国民人均车辆的数目也在稳步攀升；这个越来越普遍的交通工具，每天承载着数以亿计的生命穿梭在拥挤的街道上。随着居民安全意识的增强，大家将更多的视线放在了车辆的安全性上。在有数据统计的交通伤害事故中，正面碰撞造成的伤害数占到所有交通事伤害的40％左右。而在正面碰撞过程中，汽车前纵梁是主要的吸能和传力部件。如何改进前纵梁的变形模式，增加其在碰撞过程中的吸能量，减少其在碰撞过程中的载荷力峰值，是正面碰撞仿真分析研究中的重要课题之一。
　　 本文在阅读大量文献的基础上，了解汽车碰撞相关法规，以及薄壁直梁件、有限元仿真和结构优化设计等方面对的国内外研究现状；结合薄壁直梁件的轴向压溃特性，针对某一特定截面的薄壁直梁件，探讨与分析其诱导槽的形状、位置、深度和宽度对薄壁梁在碰撞过程中变形特点、能量吸收量、截面力载荷峰值的影响。研究结果表明：为了能使薄壁件在碰撞过程中发生轴向压溃变形，可考虑在薄壁梁上开设适当形式的诱导槽；当薄壁梁开设bead形式诱导槽时，可将诱导槽开设在薄壁梁的半波长位置处；诱导槽的深度和宽度对薄壁梁的变形和吸能情况有比较明显的影响，诱导槽的深度以薄壁梁截面的5％到10％为宜，诱导槽的宽度不应超过薄壁梁的半波长长度；当诱导槽过深或者诱导槽过窄时，薄壁梁在碰撞过程中将会直接发生弯折变形，大大减少其能量吸收量。
　　 本文中运用正交试验设计采取样本点，在这些样本点的基础上运用响应表面法，对薄壁梁诱导槽的位置、宽度和深度进行优化。优化结果表明，诱导槽的深度对薄壁梁的吸能量和载荷峰值的影响最为明显。运用正交试验设计方法对薄壁梁的双诱导槽的方向、位置、深度、宽度等关键参数进行分析，发现诱导槽的深度对薄壁梁的碰撞性能的影响比较明显；基于上述结论，对诱导槽的位置进行参数分析，发现诱导槽的之间的距离以半波长或者四分之一波长为宜。
　　 最后利用某一整车模型，分别利用上述的单诱导槽及双诱导槽的相关结论，分析改进后的前纵梁的变形情况及能量吸收量的变化情况，结果表明，运用上面的结论，可使前纵梁在碰撞过程中吸收的能量值有所提高，在碰撞中表现出更好的碰撞性能。
　　 本文从理论上证明了上述分析的有效性，能够为以后的汽车前碰撞和前纵梁的设计提供一定的依据。