汽車前縱梁碰撞吸能特性的優(yōu)化設(shè)計

120機(jī)械設(shè)計與研究第27卷文章編號“0062343 2011 )04418-04汽車前縱梁碰撞吸能特性的優(yōu)化設(shè)計吳廣發(fā)，趙希祿江蘇科技大學(xué) 機(jī)械匸程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江212003 E - mail wuguangfal98328 163. com摘 要為了使汽車前縱梁在碰扌童過程中能夠吸收更多的能量針葉前縱梁的不同斷面形狀板厚、焊點 間距和焊點直徑等設(shè)計多軟建立了林縱梁碰技的有限元分析模型并利用冇限元軟件LSJ）、A和響應(yīng)曲面 優(yōu)化算法進(jìn)行了碰控模擬仿具和優(yōu)化設(shè)計.結(jié)果表明優(yōu)化后旳前縱梁的必技吸能特性得到了顯著的提高.關(guān)鍵詞：汽車設(shè)計;前縱梁;碰撞分析;優(yōu)化設(shè)計;響應(yīng)曲面法中圖分類號:TH12文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AOptimum Design for Crash Energy Absorption ability of Car Front Side MemberWU Guang-fa ZHAO XiuSchool of Mechanical Knginepring Jiangsu I niveisit) of Science and Technolog) . Zhenjiang Jiangsu212003 ChinnAbstract: In order to make the front side member of the car to absorb more energy during crashing, a finite elemenl analysis nuxlel isestablislunl. acconling to the <lesion jKiraiijeters of I he front side ineinlx. such as dillprenl cross-section shajies,thickness, s|M)t weklpitch and spot diameter, Sc. B using 1>-1)YNA and thp resjionse surface optimization algorithm to optimum design for the crashcharacteristics of side member, which can get the optimized front side member slnirlunuhich can absorl) more energ)' than ihegenenil front side member.Key words: vehicle design: front side member; crash analysis; optimal design; resjxinse surface metlMxIoIogy© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 120機(jī)械設(shè)計與研究第27卷近年來汽午安全已成為X今汽車工程領(lǐng)域亟待完善的 研究領(lǐng)域并H得到了社會的高度關(guān)注.同著消費者的安全 觀念口益增強.汽車廠家在汽車的設(shè)計和研發(fā)方血也將安全 放在了非常朿耍的位置.汽車發(fā)生正ifii碰掩時1波由V身詢部的犁性變形來吸 收碰撞能星其中起巫要作用的是縱梁。研究結(jié)果表明，在 汽車正而碰捕時.70%以卜.的汽車碰掩能戢由前縱梁吸收才 能保證糾駛室盡川能完藥2。理想的縱梁設(shè)計應(yīng)該能夠充 分利用縱梁的教性變形來吸收汽車碰掠中的大部分能雖. 汽乍縱梁通常可以簡化為薄唯結(jié)構(gòu)，因此研究薄鐮結(jié)構(gòu)的 碰撞變形吸能特性在汽乍縱梁設(shè)訃中門E耍的總義山丁實車碰撞試驗受到時間長和費用高等限制一般只 做少St的驗證性試驗.在實際產(chǎn)品設(shè)計中大雖采用有限元 分析的方法來代替碰撞試驗，井且有研究結(jié)果表明,利用非 線性動力學(xué)分析軟件I.A-inNA進(jìn)行碰掩模擬仿真與實乍碰 撞試驗的結(jié)果吻介R好可以仃效地松代實車試驗進(jìn)彳了碰撞 分析Z.本文利用LS-DYNA和響應(yīng)曲面優(yōu)化法相結(jié)合的方法, 以碰撞吸能凰的最人化為設(shè)illl標(biāo).對汽乍詢縱梁進(jìn)friEifti 碰擷模擬仿真和優(yōu)化設(shè)計在碰掩參數(shù)和數(shù)伉仿亢條件等完 全相同的前提卜巫點研究縱梁的形狀和焊點位置等設(shè)計參 數(shù)對碰披吸能就的影響并且在折定的設(shè)計范圍內(nèi)，給出最 收稿F1期2011 -0318 佳的縱梁形狀構(gòu)成和焊點分布方案為改進(jìn)汽乍縱梁設(shè)i I提 供有效的理論依據(jù).1汽車縱梁的結(jié)構(gòu)碰撞分析模型圖1為某汽車框架結(jié)構(gòu)與縱梁結(jié)構(gòu)的簡圖如圖所示縱 梁的簡化結(jié)構(gòu)足111-塊折板和-塊平板通過點焊連接組成. 該縱梁的長為54（） mm折板厚度為1.2 mm. f-板厚度為1.0 mm,焊點間距為45 mm,焊點直徑為8. 5 mm。為了建立冇限元分析模住許先利用CAI）軟件1（；建立 前縱梁模熨然后將其導(dǎo)入有限尤前處理軟件h、|）ernwsh 并 抽取中面采用平均邊長為5 mm的四邊形売單元對其進(jìn)行 網(wǎng)格劃分.施加碰撞錢簡采用移動剛性壁碰撞詢縱梁的方式給定。 苴中剛性吐的質(zhì)雖為I 000 kg.速度為】50 000 mm/s <54里/小時）對縱梁的前端面約束五個自由度，只允許在 縱梁軸向町以移動對縱梁的后端面約束全部六個白由度. 使K完全固定.對剛性壁約束五個自由度使英只在縱粱軸 向可以移動?？v梁結(jié)構(gòu)的材料常數(shù)為彈性模S 210GPa.泊 松比0.3.屈服應(yīng)力270 MPa密度7890kg/m5 2現(xiàn)行的長方形斷面縱梁結(jié)構(gòu)的碰撞分析現(xiàn)行的長方形斷而縱梁結(jié)構(gòu)的冇瑕元分析?？杖鐖D2 所示圖示左瑞為固疋瑞右端為移動剛性壁加載縱梁的有 限元分析欖型的節(jié)點數(shù)為13 476取元數(shù)為13 842.利用冇限元軟件I5-DYNA對現(xiàn)行縱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞分圖1汽乍橋架結(jié)構(gòu)及縱梁結(jié)構(gòu)析其碰撞變形結(jié)果如圖3所示從圖中可見利用I5-DY- NA軟件對縱梁進(jìn)行碰撞分析可以比較準(zhǔn)他地模擬出縱梁的 碰掠變形過程同時還町以得到英軸向壓力和吸收能雖等結(jié) 構(gòu)碰撞特性參數(shù)。圖2 %fj-的反方形WfifiifM梁結(jié)構(gòu)的仃限尤分析論V(a) 0.01 g (b) 0 02 s (c) 0.03 s圖3觀f j的反力形斯面縱1R受時的變形過程3汽午縱梁結(jié)構(gòu)的碰撞特性優(yōu)化設(shè)計楓據(jù)汽車縱梁的使用條件和提高碰撞特性的耍求將碰 撞變形至縱梁原長85%處的吸能雖E作為評價指標(biāo)在優(yōu) 化設(shè)計中，令其為目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量共有5 個分別為折板厚度仆、半板厚度4、半斷面形狀的邊數(shù)、焊 點間距(、焊點直徑0,其中，隨著設(shè)計變St N的改變，斷而形 狀變化的借況町以參見圖4縱梁的碰撞特性優(yōu)化設(shè)計模型町整理如式(1)。) 所示Kind X = ttN.L.D1a )150- 3圖4縱粱的不同斷面形狀Max £ = / U )0 )ST 1.0 <(! < 1.4 nunG )0. 8 </2< 1. 2nun4)1</V < 56)40 <L< 50 mm<b)7. 5 </< 9. 5mm(7)式中：設(shè)計變t.jN.LJ)1包括縱梁的板厚、斷面形 狀、炸點間距和焊點山彳伙I標(biāo)歯數(shù)E町(x)為縱梁碰撞吸 能就的最大化約束條件為設(shè)計變鼠的上卜限約束.由于縱梁的碰撞分析時間較長，這里采用響應(yīng)曲面法作 為優(yōu)化算法時到的最優(yōu)解和圓盤后的結(jié)構(gòu)設(shè)計變雖以及 與現(xiàn)行詢縱梁結(jié)構(gòu)的比較如卜表所示最優(yōu)解和圓整后的結(jié)構(gòu)設(shè)計變*與現(xiàn)行結(jié)構(gòu)的比較折板平而板半斷面焊點焊點厚度/mm耳度fmm邊數(shù)"間克徑/mm現(xiàn)fj結(jié)構(gòu)1.21.0245& 5優(yōu)化結(jié)構(gòu)1.41.23.76409.5圓整結(jié)構(gòu)1.41.24 409.5優(yōu)化后縱梁結(jié)構(gòu)以及變形過程如圖5 6所示山圖5町見優(yōu)化后的斷面形狀從現(xiàn)行結(jié)構(gòu)的長方形變 成疋十二邊形的一半所構(gòu)成的多邊形結(jié)構(gòu).不難看出這種 變化使得斷而周長匕的折點有2個增加到6個這樣會有利 于提高縱梁的軸向反力和抗失穩(wěn)的能力。比較圖3和圖6所示的變形過程還町以石出在優(yōu)化后 的縱梁爪縮變形過程中縱梁側(cè)儀上出現(xiàn)的皴紋和優(yōu)化前相比明顯增多。在這 甲.毎個皺紋的生 成都町以看成是一 次受壓欠穩(wěn)變形造 成的所以皺紋增 藝盤味著整體吸收 能昴:也會冇所増加.經(jīng)過優(yōu)化設(shè) 計縱粱的更雖由現(xiàn)行結(jié)構(gòu)的4. 70 kg圖5優(yōu)化厲的前縱梁結(jié)構(gòu)減少到4.28 kg.降低了 8.94% 吸能雖由現(xiàn)形結(jié)構(gòu)的2.34x 10 Nmm提高到2.72 x 10 Nmtn.增加了 16. 24% 單位質(zhì)雖吸 收的能雖増加f 27.05% «由此可見優(yōu)化設(shè)計后的縱梁的 碰撞特性得到了很大提高。(a) 0.01 s (b) 0.02 s (c) 0.03 s圖6優(yōu)化拆的麗縱梁結(jié)構(gòu)受到撞擊時的變形過秤4結(jié)論以上利用非線性冇限元軟件LS-DYNA和響應(yīng)曲而優(yōu)化 法對汽乍縱梁做了止Iftl碰撞模擬仿真和優(yōu)化設(shè)計針對所設(shè) 汁的縱梁在不同截面形狀、厚度、焊點跑以及焊點4徑等設(shè) 計參數(shù)通過響應(yīng)曲面優(yōu)化法得出了吸收能駅的優(yōu)化設(shè)計方 案。優(yōu)化設(shè)計前后的縱梁碰撞仿貞結(jié)果衣明.優(yōu)化后的縱梁 的碰撞吸能待性紂到顯”提高。0 )利用LS4HNA籾響應(yīng)曲(ft法相結(jié)合的方法對汽車 縱梁碰撞吸能持性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，方法可行求解過程穩(wěn)定. 得到的優(yōu)化結(jié)果可靠。<2)利用木文的方法對某汽車縱梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)Ji. n結(jié) 果縱梁質(zhì)嵌減輕了 8. 94% .吸收碰撞能坯增加r 16. 24% 也位質(zhì)雖吸收的能雖増加了 27.05% 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)碰撞特 性得到了顯著的提高.3)木文提出的結(jié)構(gòu)碰採優(yōu)化設(shè)計方法不僅對汽車縱 梁的設(shè)訃仃很好的丈用價值而11對r n他相似結(jié)構(gòu)的碰撞 設(shè)計也具有一定的參考意義。參考文獻(xiàn)1荊友錄趙長利張星忠誓千ANSYS/IS-DYNA的貨車縱梁撞 擊性能仿真研宛J山東交通學(xué)院學(xué)報.2007.15 4):10-132張維剛紳志華.汽車iE掩吸能部件改進(jìn)的計算機(jī)仿真J汽 車工程.2002.24 (1 )：629.L3J劉長虹股培元帳克實.小星客車車架河縱梁碰撞性施的模擬 仿真山廣西人學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版.2009.34 (1 ):82 84.4劉中華薄顒粱動態(tài)撞擊的變形和吸能特性的仿玄與分析ID. K存：吉林大學(xué).2003.15楊緣峰任曉軍陳建芳等.仃隈兀法研究閉口薄壁桿件約束扭 轉(zhuǎn)J廣西大學(xué)學(xué)報(自能科學(xué)版).2008.33 (1 )：124(6 Mi Nuy | G<*iir H. Numnical Mmhding of Tulx Cni>lmith Ex|>rii- nmit G>iii|>aiisi<)ii J SAE.880 *-898.7 Dario Vangi. Enng> h»ss in vehicle to vrhiclr ol>)i(|uriin|>acl J I In- teinatioiial Jouinal <rf ImpactEngineeiing.2009,36 0 )：512 *521.張維剛鐘念華.計毎機(jī)仿真技術(shù)在汽乍止碰安全性能改進(jìn)中的 應(yīng)用研究J機(jī)權(quán)工程學(xué)報.2002.38 0):135 -138.(9 « 新汽伍正碰的數(shù)值模擬及試驗驗證UJ.rfi華大學(xué)學(xué)報.1999.39 Q )：102 - 105.作者簡介冥廣發(fā)(1983 - )男碩土研寛生；主要從寧汽車型 扌*及優(yōu)化設(shè)計方面的研咒.© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 120機(jī)械設(shè)計與研究第27卷© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 120機(jī)械設(shè)計與研究第27卷書 訊推薦最近出版的紺I構(gòu)設(shè)計與戀用創(chuàng)新叢書機(jī)構(gòu)是機(jī)械產(chǎn)品的核心沒仃機(jī)構(gòu)就無法完成機(jī)械的功能在形形式式的機(jī)械中例如農(nóng)業(yè)機(jī)械、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、服 裝機(jī)械、印刷機(jī)械、建筑機(jī)械、礦山機(jī)械、冶金機(jī)械、食品機(jī)械、包裝機(jī)械以及動力機(jī)械等等中均離不開機(jī)構(gòu)同樣各種各樣的 制造業(yè)例如電子工業(yè)、航空航大丁業(yè)、鐘表丁業(yè)等等中也存在并種用途的機(jī)構(gòu)英至很行業(yè)中的取款機(jī)也冇多種形式的機(jī)構(gòu). 因眥亳不與人地說，在機(jī)械產(chǎn)品和制造裝備中.機(jī)構(gòu)是無處不在的.為了憲善和改進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品的性能，為了創(chuàng)追新穎的機(jī)I* 產(chǎn)品我們需要貝備機(jī)構(gòu)分析和設(shè)汁的知識和能力大家想開發(fā)出具有門主知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)械產(chǎn)品嗎?大家想取得發(fā)明專利嗎?如果想的話我們應(yīng)重視機(jī)構(gòu)設(shè)計實際上. 創(chuàng)造嶄新的機(jī)械產(chǎn)品就應(yīng)在機(jī)構(gòu)創(chuàng)新和機(jī)構(gòu)系統(tǒng)創(chuàng)新L卜功夫通過全而學(xué)擁芻種機(jī)構(gòu)的設(shè)汁方法將會仃利捉髙機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新性和國際競爭力.根據(jù)我們了解已冇不少從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計和制造的科技人員迫切希盥出版一套適介他們待點的“機(jī)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用創(chuàng) 新”的機(jī)構(gòu)學(xué)從書。為了順應(yīng)這種需耍中國機(jī)構(gòu)學(xué)專業(yè)委員會組織批富符機(jī)構(gòu)學(xué)理論知識乂令枳累了豐富的實際應(yīng)用© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 120機(jī)械設(shè)計與研究第27卷6. R庸J9芻編著7. 謝存禍等編苦8. 鄒尊君等編著經(jīng)臉的老機(jī)構(gòu)學(xué)專家編寫和出版了 F列8木書籍:1鄒總君編著機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計與W用創(chuàng)新2右永剛筈編茗 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)ifUhvnj創(chuàng)新3華大年等編著 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用創(chuàng)新4.李華敏等編著 齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用5鄒惡彳仁殷鴻梁編卄間歇運動機(jī)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用創(chuàng)新組合機(jī)構(gòu)設(shè)計打應(yīng)用創(chuàng)新空何機(jī)構(gòu)設(shè)計與W用創(chuàng)新廣義機(jī)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用創(chuàng)新© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved,