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原文传递某汽车前防撞梁的动态特性分析及轻量化设计

论文题名：	某汽车前防撞梁的动态特性分析及轻量化设计
关键词：	汽车前防撞梁;轻量化设计;轻量化;模态分析
摘要：	随着汽车保有量不断加大，如何将汽车的安全性进一步提高成为一件十分重要的事情，而防撞梁作为整个车辆在正面碰撞时，第一个与被撞物体接触的汽车零件，如何有效的设计前防撞梁从而使其能够最大限度的发挥设计性能就成了重中之重。同时，随着碰撞安全法规不断地完善，对于汽车的安全性的关注度和发生碰撞后的保护性要求也不断提升，汽车安全性的标准也愈发严格，而汽车制造商对于防撞梁的设计与制造标准仍处在一个应试标准的状态，针对不同的碰撞检测有着不同的优化设计，导致汽车前防撞梁的样式五花八门，材料各式各样，并没有形成一个行业内部的统一与规划。所以本论文从防撞梁的几何结构出发，针对相同材料不同尺寸不同的几何结构的汽车前防撞梁进行有限元仿真检测以及相应的实验分析，找出各种结构设计的优缺点，以优势结构为基础进行某车型前防撞梁的轻量化设计。主要内容为：　　（1）以五根材料相同结构不同的前防撞梁为研究对象，构造其三维模型，并标注其尺寸参数。对前防撞梁进行模态分析实验，并同时对针对这5根前防撞梁建立好的模型进行有限元的模态实验仿真。对比两种方法结果，验证防撞梁模型的精确性，经验证两种结果的误差均不超过30%，且大部分的结果误差在20%的范围之内，验证了模型的准确性，并且对产生误差的情况进行了分析。验证防撞梁的固有频率，经检测各梁体的一阶频率均超过100Hz，远超过整车击振频率的20~80Hz的区间，各阶频率差值也超过3Hz，不会与汽车击振频率耦合，影响其性能表现。为后续的轻量化设计打好基础。　　（2）对建立好的汽车前防撞梁模型进行有限元的静力学仿真分析，对防撞梁两侧吸能盒底面进行约束，并在梁体正面施加作用点不同的四种力，分析其变形状况以及各个梁体之间的区别，找到其结果与其结构之间的关系，并针对其造成相应结果的结构进行优化，再按照上述加载方式进行对照仿真实验。验证相应的猜想，从而为后续优化确立方向与理论支撑。通过第一种点载荷工况确定梁体刚度是五号梁＞二号梁＞三号梁＞一号梁＞四号梁，但剩下三种工况的情况下，二号梁以0.92449mm，0.34025mm，0.90015mm的形变量超过所有的梁体形变，为抗弯性最好的防撞梁。而针对其他梁在各个工况下暴露的问题，分别设置了三组对照仿真分析，来判定梁体的各种结构对于梁体抗弯性能的影响。得到结果：梁体的前部设计应避免出现应力集中，且最好使前面处在一个平面上；梁体前部设计以拥有一定的弧度为宜，有利于提高其抗弯特性；梁体设计以拥有一定弧度为宜，在设计指标内，弧度越大，其抗弯特性越大；防撞梁的吸能盒位置对梁体的抗弯性能有影响，两吸能盒位置距离越近，抗弯性强越强；在吸能盒位置确定且符合设计标准的前提下，降低梁体长度有利于提升其抗弯特性表现，增强其低速碰撞性能；梁体设计应以保持一定的刚度和抗弯特性为宜，否则吸能盒将失去工作条件，梁体所受应力不能很好地传递给吸能盒，使得梁体更容易变形，有安全隐患；增加梁体厚度能够增加梁体的刚度和抗弯性能，但也会极大的增加梁体重量，且对于抗弯特性的提升幅度不大，因此梁体设计时，厚度不作为优先推荐的优化条件。　　（3）对建立好的防撞梁模型进行碰撞仿真，对各型防撞梁模型按照低速碰撞（4km/h）和高速碰撞（50km/h）的速度设置碰撞仿真，碰撞用刚性壁障为适配某车型的1300kg，同时对吸能盒设置一个9m/s，撞击质量为200kg的碰撞实验，验证各个吸能盒的碰撞性能。结果得出，低速碰撞工况下，所有梁体设计均合格，而二号梁以7.046mm的最小形变量领先于其他防撞梁，而在高速碰撞下，四号梁以106.8KJ的最大动能吸收量居所有梁体的首位。经分析得出其吸能盒也就是c型吸能盒的吸能效果为最好，经吸能盒碰撞仿真得出，c型吸能盒以8099.9627J的最大动能吸收量领先其他吸能盒，故将二号梁梁体与c型吸能盒选出作为优化对象。为后续的轻量化设计做好铺垫。　　（4）对防撞梁的碰撞结果及表现设计优化方案，并选用之前表现良好的梁体与吸能盒作为优化基础，针对优化过的梁体进行与前文相同设置的低速碰撞与高速碰撞验证性试验。经验证，最终的c型优化方案对于原车防撞梁低速碰撞形变的优化达到了54.1%。且对其低速碰撞吸能性能的优化也有1.51%的优化效果，且基本将低速碰撞的动能吸收殆尽，尽可能的减小的低速碰撞对后方汽车重要零部件的损伤。同时对高速碰撞的吸能效果，能量吸收提升了9.1KJ，优化率达到9.76%。故确定以改型c梁作为优化方案并对其进行轻量化优化，优化方法选用拓扑优化，并依据拓扑优化的最终方案对模型进行修改，得到最终轻量化优化方案d梁。经有限元低速碰撞和有限元高速碰撞分析后，其碰撞性能得到了保留，且相较原车梁一号梁，减重0.49kg，轻量化幅度达到9.63%，轻量化效果明显，轻量化优化方案成功。
作者：	张一凡
专业：	车辆工程
导师：	郑忠才
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东建筑大学
学位年度：	2022