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原文传递汽车侧碰安全性设计关键技术研究

论文题名：	汽车侧碰安全性设计关键技术研究
关键词：	汽车设计;车身强度;侧碰安全性;可变形壁障
摘要：	近年来汽车工业飞速发展，中国已经成为汽车产销第一大国，但随着汽车保有量的增多，行车速度的提高，交通事故及其所造成的人员伤亡与财产损失也一直居高不下。尤其是事故发生率最高的侧碰，由于汽车乘员舱侧面车身强度相对于其他区域较弱，侧围缺少有效的吸收碰撞能量的装置，侧碰通常对乘员造成较大的伤害，侧碰安全性设计有一定难度。汽车碰撞有限元仿真技术正越来越广泛地应用到汽车开发过程中，碰撞仿真主要存在两个常见矛盾：一个是仿真精度与计算效率之间的矛盾，一个是汽车安全质量与设计成本之间的矛盾。汽车开发过程中为适当提高碰撞分析仿真精度，需要增加有限元模型的单元数量，而这将导致计算效率下降；同时汽车安全的设计质量与碰撞速度、碰撞位置、材料参数、钣金板厚、制造因素、分析模型以及产品的实际应用环境等因素相关，设计质量的提高必然带来生产成本的上升。如何辩证看待这两个矛盾，并在一定程度上进行协调，成为汽车安全性设计研究的重点与难点。针对汽车侧碰安全性设计过程中仿真精度与计算效率的矛盾，本文开发了适用于不同设计阶段的具有不同仿真精度及计算效率的侧碰模型；针对汽车侧碰安全性设计过程中设计质量与生产成本之间的矛盾，本文应用质量工程方法对这一问题进行深刻剖析。本研究主要内容包括：　　⑴参照蜂窝铝的真实窝孔结构，建立了基于壳单元的侧碰移动可变形壁障（MDB）模型：进行窝孔及单元尺寸等比例扩大，合理匹配扩大之后的单元厚度，解决了1:1尺寸建模导致模型规模过大的问题以及确保扩大之后力学性能的一致性；针对动态试验压缩强度大于静态试验的现象，采用简易气囊模拟MDB窝孔中空气受压缩的率效应；设置铝箔的材料失效以及铝箔、前面板之间粘胶的材料失效来模拟侧碰试验中的蜂窝铝失效现象。在整车建模中，对车身侧围碰撞吸能与抗撞传力的关键零部件连接采用实体单元焊点进行模拟，改善了一维梁单元焊点不能有效模拟扭矩的问题；对侧碰关键零件进行冲压成型分析，并将冲压结果—零件厚度变化与有效塑性应变映射至碰撞模型中来模拟冲压效应；应用Cowper-Symonds模型表达材料的应变率效应，模拟侧碰过程中的零件高速承载、材料强化现象。零部件级别与整车级别的试验数据验证了壳单元MDB模型与整车模型的高精度。　　⑵对某轿车侧碰安全性分析进行了拉丁超立方试验设计，提取分析结果的关键车身结构响应与主要假人响应，以车身结构响应作为输入参数，以假人响应作为输出参数，分别构建二者之间的多元线性回归模型与逐步线性回归模型，以及逐步回归模型的等效关系式。多元线性回归模型全面显示了假人响应与各车身结构响应之间的关系，而逐步回归模型则显示了假人响应与影响显著的车身结构响应之间的关系，等效关系式则定量描述了车身结构响应对假人响应的贡献量。在已知侧碰车身结构响应的前提下，回归方程可用来预测假人损伤值，为后文的不带假人的侧碰简化模型提供了分析标准。　　⑶在汽车概念设计阶段，提出了一种基于碰撞真实力学特性的混合单元有限元简化模型（简称HD）建立方法。该模型应用Hughes-Liu梁单元（简称HL梁单元）简化模拟侧碰中主要承受弯曲载荷的车身薄壁梁结构；应用非线性弹簧单元简化模拟侧碰中主要承受轴向载荷的车身薄壁梁结构；应用塑性铰链弹簧单元简化模拟侧围关键接头；应用非线性弹簧单元简化模拟地板等承受切向冲击载荷的大面积薄板冲压件；应用二维壳单元简化模拟主要承受法向载荷的车门大面积薄板冲压件，并保留其接触面的主要特征；对MDB吸能块应用非线性弹簧单元进行简化模拟；对于其他零件则以质量分布与转动惯量等方式进行简化模拟。HD模型在保证了工程分析精度的前提下大幅度提高了计算效率。　　⑷针对工程设计领域的不确定性提出了质量工程方法，该方法包括质量评估与质量改进两大步骤。质量评估由蒙特卡洛模拟技术实现，质量改进由基于概率统计的可靠性优化与六西格玛鲁棒性优化两种不确定性优化方法实现。将质量工程方法应用于汽车侧碰安全轻量化设计这一复杂工程问题，应用拉丁超立方试验设计与Kriging方法构建该问题的近似模型，分别进行了确定性优化、可靠性优化与六西格玛鲁棒性优化，并对三种方法的优化解及其质量进行对比。研究结果表明：确定性优化能找到全局最优解，但不能保证解的质量；可靠性优化与六西格玛鲁棒性优化则能在保证质量的前提下实现优化解。
作者：	赵敏
专业：	车辆工程
导师：	钟志华
授予学位：	硕士
授予学位单位：	湖南大学
正文语种：	中文