汽车吸能盒正面碰撞的有限元分析及优化

摘要

汽车吸能盒作为汽车保险杠内重要的吸能装置，也是汽车被动安全的重要组成，在汽车发生低速碰撞时能够有效的吸收碰撞动能，从而来保障乘员与车辆的安全。在汽车发生正面碰撞时因各种原因不能达到100%的正面碰撞。因此，本文运用非线性有限元LS-DYNA仿真软件在汽车的正面低速碰撞出现角度偏差的情况下对某型号吸能盒进行碰撞仿真模拟分析。　　汽车碰撞是瞬态复杂的物理过程，涉及大变形和大位移及冲击载荷，为非线性动力问题，冲击载荷与接触在汽车碰撞过程中是一动态接触问题，影响着分析的全过程。本研究采用有限元软件LS-DYNA对吸能盒碰撞进行动态仿真分析，对碰撞冲击过程采用显式动力计算理论进行求解，其求解碰撞问题利用中心差分法离散时间域。采用显式中心差分法。　　本文选取某型号吸能盒，通过落锤冲击试验平台进行试验，对比LS-DYNA仿真软件的碰撞仿真分析结果，验证了LS-DYNA软件仿真的可行性与仿真结果的可靠性。然后考虑到汽车正面低速碰撞的角度偏差问题，提出几种不同尺寸结构的吸能盒，考虑正面碰撞角度偏差出现0°，10°，20°时进行碰撞仿真模拟，在确保吸能盒在正面碰撞过程中能够吸收一定能量的基础上，当汽车的碰撞角度发生偏差时也能够使吸能盒具有良好的吸能效果，保障车辆与乘员的安全。并通过定义目标优化函数及仿真研究进行吸能盒的优化设计，得到优化后吸能盒的碰撞吸能数值及碰撞角度变化时碰撞吸能的变化情况，从而得出具有最佳吸能性能吸能盒的设计变量，即吸能盒壁厚3mm、长200 mm、边数为6，此结构下在碰撞角度偏差0°，10°，20°时其T值最小。同时考虑到汽车碰撞时速度的提高，提出一种新型的吸能盒结构设计，以此在中高速汽车碰撞的情况下吸能盒也能发挥一定的吸能作用，保障车辆与乘员的安全。本文的研究内容能够为汽车厂家的设计提供一定的参考意义。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 课题研究背景

1.3 汽车安全性介绍

1.3.1 主动安全技术

1.3.2 被动安全技术

1.4 吸能盒碰撞研究现状

1.5 课题来源及主要研究内容

第二章 汽车碰撞问题与有限元仿真理论

2.1 概述

2.2 国内外正面碰撞法

2.2.1 美国正面碰撞法规

2.2.2 欧洲正面碰撞法规

2.2.3 中国正面碰撞法规

2.3 碰撞有限元仿真理论

2.3.1 显式动力有限元算法的基本理论

2.3.2 显式非线性有限元算法基本理论

2.4 文中仿真优化设计使用软件介绍

2.4.1 LS-DYNA 软件介绍

2.5 本章小结

第三章 汽车吸能盒仿真模型的建立及仿真参数设定及其性能指标

3.1 吸能盒仿真模型的建立

3.1.1 构件简化

3.1.2 单元类型的选择

3.1.3 网格划分

3.1.4 材料属性的设置

3.1.5 接触的设置

3.1.6 初始条件及边界条件

3.1.7 求解参数的设置

3.1.8 仿真结果文件数据输出

3.2 吸能盒性能指标

3.3 本章小结

第四章 汽车吸能盒落锤冲击试验及落锤冲击试验仿真模拟分析

4.1 吸能盒落锤冲击试验原理

4.2 吸能盒落锤冲击试验

4.2.1 吸能盒结构及材料属性

4.2.2 吸能盒落锤冲击试验条件及结果

4.3 吸能盒落锤冲击试验仿真模拟

4.3.1建模环境

4.3.2 各部分有限元模型

4.3.3 完整的模型信息

4.3.4 试验模型与仿真模型对比

4.4 本章小结

第五章 汽车正面吸能盒碰撞仿真优化分析

5.1正交试验优化方法介绍

5.1.1 正交实验步骤

5.2 吸能盒正面碰撞下有限元仿真及其正交试验优化

5.2.1 吸能盒正交试验的设定

5.2.2 吸能盒模型与落锤碰撞仿真模拟的设置

5.3 仿真分析结果比较

5.4 新型吸能盒仿真模拟

5.5本章小节

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

攻读硕士期间研究成果

致 谢