汽車側碰安全性設計關鍵技術研究.pdf

1、近年來汽車工業(yè)飛速發(fā)展，中國已經成為汽車產銷第一大國，但隨著汽車保有量的增多，行車速度的提高，交通事故及其所造成的人員傷亡與財產損失也一直居高不下。尤其是事故發(fā)生率最高的側碰，由于汽車乘員艙側面車身強度相對于其他區(qū)域較弱，側圍缺少有效的吸收碰撞能量的裝置，側碰通常對乘員造成較大的傷害，側碰安全性設計有一定難度。汽車碰撞有限元仿真技術正越來越廣泛地應用到汽車開發(fā)過程中，碰撞仿真主要存在兩個常見矛盾：一個是仿真精度與計算效率之間的矛盾，一個

2、是汽車安全質量與設計成本之間的矛盾。汽車開發(fā)過程中為適當提高碰撞分析仿真精度，需要增加有限元模型的單元數(shù)量，而這將導致計算效率下降；同時汽車安全的設計質量與碰撞速度、碰撞位置、材料參數(shù)、鈑金板厚、制造因素、分析模型以及產品的實際應用環(huán)境等因素相關，設計質量的提高必然帶來生產成本的上升。如何辯證看待這兩個矛盾，并在一定程度上進行協(xié)調，成為汽車安全性設計研究的重點與難點。針對汽車側碰安全性設計過程中仿真精度與計算效率的矛盾，本文開發(fā)了適用于

3、不同設計階段的具有不同仿真精度及計算效率的側碰模型；針對汽車側碰安全性設計過程中設計質量與生產成本之間的矛盾，本文應用質量工程方法對這一問題進行深刻剖析。本研究主要內容包括：
　?、艆⒄辗涓C鋁的真實窩孔結構，建立了基于殼單元的側碰移動可變形壁障（MDB）模型：進行窩孔及單元尺寸等比例擴大，合理匹配擴大之后的單元厚度，解決了1:1尺寸建模導致模型規(guī)模過大的問題以及確保擴大之后力學性能的一致性；針對動態(tài)試驗壓縮強度大于靜態(tài)試驗的現(xiàn)象，

4、采用簡易氣囊模擬MDB窩孔中空氣受壓縮的率效應；設置鋁箔的材料失效以及鋁箔、前面板之間粘膠的材料失效來模擬側碰試驗中的蜂窩鋁失效現(xiàn)象。在整車建模中，對車身側圍碰撞吸能與抗撞傳力的關鍵零部件連接采用實體單元焊點進行模擬，改善了一維梁單元焊點不能有效模擬扭矩的問題；對側碰關鍵零件進行沖壓成型分析，并將沖壓結果—零件厚度變化與有效塑性應變映射至碰撞模型中來模擬沖壓效應；應用Cowper-Symonds模型表達材料的應變率效應，模擬側碰過程中的

5、零件高速承載、材料強化現(xiàn)象。零部件級別與整車級別的試驗數(shù)據(jù)驗證了殼單元MDB模型與整車模型的高精度。
　?、茖δ侈I車側碰安全性分析進行了拉丁超立方試驗設計，提取分析結果的關鍵車身結構響應與主要假人響應，以車身結構響應作為輸入?yún)?shù)，以假人響應作為輸出參數(shù)，分別構建二者之間的多元線性回歸模型與逐步線性回歸模型，以及逐步回歸模型的等效關系式。多元線性回歸模型全面顯示了假人響應與各車身結構響應之間的關系，而逐步回歸模型則顯示了假人響應與影

6、響顯著的車身結構響應之間的關系，等效關系式則定量描述了車身結構響應對假人響應的貢獻量。在已知側碰車身結構響應的前提下，回歸方程可用來預測假人損傷值，為后文的不帶假人的側碰簡化模型提供了分析標準。
　?、窃谄嚫拍钤O計階段，提出了一種基于碰撞真實力學特性的混合單元有限元簡化模型（簡稱HD）建立方法。該模型應用Hughes-Liu梁單元（簡稱HL梁單元）簡化模擬側碰中主要承受彎曲載荷的車身薄壁梁結構；應用非線性彈簧單元簡化模擬側碰中主

7、要承受軸向載荷的車身薄壁梁結構；應用塑性鉸鏈彈簧單元簡化模擬側圍關鍵接頭；應用非線性彈簧單元簡化模擬地板等承受切向沖擊載荷的大面積薄板沖壓件；應用二維殼單元簡化模擬主要承受法向載荷的車門大面積薄板沖壓件，并保留其接觸面的主要特征；對MDB吸能塊應用非線性彈簧單元進行簡化模擬；對于其他零件則以質量分布與轉動慣量等方式進行簡化模擬。HD模型在保證了工程分析精度的前提下大幅度提高了計算效率。
　　⑷針對工程設計領域的不確定性提出了質量工

8、程方法，該方法包括質量評估與質量改進兩大步驟。質量評估由蒙特卡洛模擬技術實現(xiàn)，質量改進由基于概率統(tǒng)計的可靠性優(yōu)化與六西格瑪魯棒性優(yōu)化兩種不確定性優(yōu)化方法實現(xiàn)。將質量工程方法應用于汽車側碰安全輕量化設計這一復雜工程問題，應用拉丁超立方試驗設計與Kriging方法構建該問題的近似模型，分別進行了確定性優(yōu)化、可靠性優(yōu)化與六西格瑪魯棒性優(yōu)化，并對三種方法的優(yōu)化解及其質量進行對比。研究結果表明：確定性優(yōu)化能找到全局最優(yōu)解，但不能保證解的質量；可靠