汽車(chē)側(cè)碰安全性設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)汽車(chē)工業(yè)飛速發(fā)展，中國(guó)已經(jīng)成為汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)第一大國(guó)，但隨著汽車(chē)保有量的增多，行車(chē)速度的提高，交通事故及其所造成的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失也一直居高不下。尤其是事故發(fā)生率最高的側(cè)碰，由于汽車(chē)乘員艙側(cè)面車(chē)身強(qiáng)度相對(duì)于其他區(qū)域較弱，側(cè)圍缺少有效的吸收碰撞能量的裝置，側(cè)碰通常對(duì)乘員造成較大的傷害，側(cè)碰安全性設(shè)計(jì)有一定難度。汽車(chē)碰撞有限元仿真技術(shù)正越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，碰撞仿真主要存在兩個(gè)常見(jiàn)矛盾：一個(gè)是仿真精度與計(jì)算效率之間的矛盾，一個(gè)

2、是汽車(chē)安全質(zhì)量與設(shè)計(jì)成本之間的矛盾。汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中為適當(dāng)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(dǎo)致計(jì)算效率下降；同時(shí)汽車(chē)安全的設(shè)計(jì)質(zhì)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(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境等因素相關(guān)，設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高必然帶來(lái)生產(chǎn)成本的上升。如何辯證看待這兩個(gè)矛盾，并在一定程度上進(jìn)行協(xié)調(diào)，成為汽車(chē)安全性設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。針對(duì)汽車(chē)側(cè)碰安全性設(shè)計(jì)過(guò)程中仿真精度與計(jì)算效率的矛盾，本文開(kāi)發(fā)了適用于

3、不同設(shè)計(jì)階段的具有不同仿真精度及計(jì)算效率的側(cè)碰模型；針對(duì)汽車(chē)側(cè)碰安全性設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)質(zhì)量與生產(chǎn)成本之間的矛盾，本文應(yīng)用質(zhì)量工程方法對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行深刻剖析。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴參照蜂窩鋁的真實(shí)窩孔結(jié)構(gòu)，建立了基于殼單元的側(cè)碰移動(dòng)可變形壁障（MDB）模型：進(jìn)行窩孔及單元尺寸等比例擴(kuò)大，合理匹配擴(kuò)大之后的單元厚度，解決了1:1尺寸建模導(dǎo)致模型規(guī)模過(guò)大的問(wèn)題以及確保擴(kuò)大之后力學(xué)性能的一致性；針對(duì)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)壓縮強(qiáng)度大于靜態(tài)試驗(yàn)的現(xiàn)象，

4、采用簡(jiǎn)易氣囊模擬MDB窩孔中空氣受壓縮的率效應(yīng)；設(shè)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(lái)模擬側(cè)碰試驗(yàn)中的蜂窩鋁失效現(xiàn)象。在整車(chē)建模中，對(duì)車(chē)身側(cè)圍碰撞吸能與抗撞傳力的關(guān)鍵零部件連接采用實(shí)體單元焊點(diǎn)進(jìn)行模擬，改善了一維梁?jiǎn)卧更c(diǎn)不能有效模擬扭矩的問(wèn)題；對(duì)側(cè)碰關(guān)鍵零件進(jìn)行沖壓成型分析，并將沖壓結(jié)果—零件厚度變化與有效塑性應(yīng)變映射至碰撞模型中來(lái)模擬沖壓效應(yīng)；應(yīng)用Cowper-Symonds模型表達(dá)材料的應(yīng)變率效應(yīng)，模擬側(cè)碰過(guò)程中的

5、零件高速承載、材料強(qiáng)化現(xiàn)象。零部件級(jí)別與整車(chē)級(jí)別的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了殼單元MDB模型與整車(chē)模型的高精度。
　?、茖?duì)某轎車(chē)側(cè)碰安全性分析進(jìn)行了拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)，提取分析結(jié)果的關(guān)鍵車(chē)身結(jié)構(gòu)響應(yīng)與主要假人響應(yīng)，以車(chē)身結(jié)構(gòu)響應(yīng)作為輸入?yún)?shù)，以假人響應(yīng)作為輸出參數(shù)，分別構(gòu)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(guān)系式。多元線性回歸模型全面顯示了假人響應(yīng)與各車(chē)身結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的關(guān)系，而逐步回歸模型則顯示了假人響應(yīng)與影

6、響顯著的車(chē)身結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的關(guān)系，等效關(guān)系式則定量描述了車(chē)身結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)假人響應(yīng)的貢獻(xiàn)量。在已知側(cè)碰車(chē)身結(jié)構(gòu)響應(yīng)的前提下，回歸方程可用來(lái)預(yù)測(cè)假人損傷值，為后文的不帶假人的側(cè)碰簡(jiǎn)化模型提供了分析標(biāo)準(zhǔn)。
　?、窃谄?chē)概念設(shè)計(jì)階段，提出了一種基于碰撞真實(shí)力學(xué)特性的混合單元有限元簡(jiǎn)化模型（簡(jiǎn)稱(chēng)HD）建立方法。該模型應(yīng)用Hughes-Liu梁?jiǎn)卧ê?jiǎn)稱(chēng)HL梁?jiǎn)卧┖?jiǎn)化模擬側(cè)碰中主要承受彎曲載荷的車(chē)身薄壁梁結(jié)構(gòu)；應(yīng)用非線性彈簧單元簡(jiǎn)化模擬側(cè)碰中主

7、要承受軸向載荷的車(chē)身薄壁梁結(jié)構(gòu)；應(yīng)用塑性鉸鏈彈簧單元簡(jiǎn)化模擬側(cè)圍關(guān)鍵接頭；應(yīng)用非線性彈簧單元簡(jiǎn)化模擬地板等承受切向沖擊載荷的大面積薄板沖壓件；應(yīng)用二維殼單元簡(jiǎn)化模擬主要承受法向載荷的車(chē)門(mén)大面積薄板沖壓件，并保留其接觸面的主要特征；對(duì)MDB吸能塊應(yīng)用非線性彈簧單元進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬；對(duì)于其他零件則以質(zhì)量分布與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等方式進(jìn)行簡(jiǎn)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(jì)算效率。
　　⑷針對(duì)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的不確定性提出了質(zhì)量工

8、程方法，該方法包括質(zhì)量評(píng)估與質(zhì)量改進(jìn)兩大步驟。質(zhì)量評(píng)估由蒙特卡洛模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)，質(zhì)量改進(jìn)由基于概率統(tǒng)計(jì)的可靠性?xún)?yōu)化與六西格瑪魯棒性?xún)?yōu)化兩種不確定性?xún)?yōu)化方法實(shí)現(xiàn)。將質(zhì)量工程方法應(yīng)用于汽車(chē)側(cè)碰安全輕量化設(shè)計(jì)這一復(fù)雜工程問(wèn)題，應(yīng)用拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)與Kriging方法構(gòu)建該問(wèn)題的近似模型，分別進(jìn)行了確定性?xún)?yōu)化、可靠性?xún)?yōu)化與六西格瑪魯棒性?xún)?yōu)化，并對(duì)三種方法的優(yōu)化解及其質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明：確定性?xún)?yōu)化能找到全局最優(yōu)解，但不能保證解的質(zhì)量；可靠