汽車前縱梁碰撞吸能特性的優(yōu)化設(shè)計

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1、120 機械設(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;

2、碰撞分析;優(yōu)化設(shè)計;響應(yīng)曲面法 中圖分類號:TH12 文獻標(biāo)識碼:A Optimum Design for Crash Energy Absorption ability of Car Front Side Member WU Guang-fa ? ZHAO Xi」u School of Mechanical Knginepring Jiangsu I niveisit) of Science and Technolog) . Zhenjiang? Jiangsu212003 ? Chinn Abstract: In order to make the front side memb

3、er of the car to absorb more energy during crashing, a finite elemenl analysis nuxlel isestablislunl. acconling to the -1)YNA and thp resjionse surf

4、ace optimization algorithm to optimum design for the crashcharacteristics of side member, which can get the optimized front side member slnirlun^uhich can absorl) more energ)' than ihegenenil front side member. Key words: vehicle design: front side member; crash analysis; optimal design; resjxinse

5、surface metlMxIoIogy ? 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 120 機械設(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

6、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??梢院喕癁楸∥ńY(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

7、汽乍詢縱梁進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 -03?18 佳的縱梁形狀構(gòu)成和焊點分布方案?為改進汽乍縱梁設(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

8、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

9、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

10、) 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)⑴、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 = [t^t^N.L.D]1 a ) 150 - 3 ▲圖4縱粱的不同斷面形狀 Max £

11、 = / U ) 0 ) S?T? 1.0 <(! < 1.4 nun G ) 0. 8 < /2 < 1. 2 nun 4 ) 1 < /V < 5 6 ) 40 < L < 50 mm

12、*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) 1.2 1.0 2 45 & 5 優(yōu)化結(jié)構(gòu) 1.4 1.2 3.76 40 9.5 圓整結(jié)構(gòu) 1.4 1.2 4 40 9.5 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)

13、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

14、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行優(yōu)化設(shè)Ji. n結(jié) 果縱梁質(zhì)嵌減輕了 8. 94%

15、 .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 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):10-13? [2]張維剛?紳志華.汽車iE掩吸能部件改進的計算機仿真[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

16、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

17、in vehicle to vrhiclr ol>)i(|uriin|>acl [J I ? In- teinatioiial Jouinal

18、-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 120 機械設(shè)計與研究 第27卷 ? 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 120 機械設(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》 機構(gòu)是機械產(chǎn)品的核心?沒仃機構(gòu)就無法完成機械的功能?在形形式式的機械中?例如農(nóng)業(yè)機械、輕工機械、紡織機械、服

19、裝機械、印刷機械、建筑機械、礦山機械、冶金機械、食品機械、包裝機械以及動力機械等等中均離不開機構(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構(gòu)?英至很行業(yè)中的取款機也冇多種形式的機構(gòu). 因眥?亳不與人地說,在機械產(chǎn)品和制造裝備中.機構(gòu)是無處不在的.為了憲善和改進機械產(chǎn)品的性能,為了創(chuàng)追新穎的機I* 產(chǎn)品?我們需要貝備機構(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)重視機構(gòu)設(shè)計?實際上. 創(chuàng)造嶄新的機械產(chǎn)品?就應(yīng)在機構(gòu)創(chuàng)新和機構(gòu)系統(tǒng)創(chuàng)新L卜功夫?通過全而學(xué)擁芻種機構(gòu)的設(shè)汁方法?將會仃利「?

20、捉髙機械 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“機構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用創(chuàng) 新”的機構(gòu)學(xué)從書。為了順應(yīng)這種需耍?中國機構(gòu)學(xué)專業(yè)委員會組織批富符機構(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?鄒總君編著機構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計與W用創(chuàng)新 2?右永剛筈編茗 凸輪機構(gòu)設(shè)ifUhvnj創(chuàng)新 3?華大年等編著 連桿機構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用創(chuàng)新 4.李華敏等編著 齒輪機構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用 5?鄒惡彳仁殷鴻梁編卄間歇運動機構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用創(chuàng)新 組合機構(gòu)設(shè)計打應(yīng)用創(chuàng)新 空何機構(gòu)設(shè)計與W用創(chuàng)新 廣義機構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用創(chuàng)新 ? 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved,

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