汽车碰撞吸能装置设计.docx
- 文档编号:15444289
- 上传时间:2023-07-04
- 格式:DOCX
- 页数:42
- 大小:166.12KB
汽车碰撞吸能装置设计.docx
《汽车碰撞吸能装置设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《汽车碰撞吸能装置设计.docx(42页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
汽车碰撞吸能装置设计
汽车碰撞吸能装置设计
任务书
1设计的主要任务及目标
主要任务:
(1)方案的构思;
(2)选择最优方案;(3)理论分析;(4)材料选择;
(5)整理设计
目标:
对吸能盒薄壁结构在低速碰撞情况下的吸能性能和变形模式进行研究。
2•设计的基本要求和内容
基本要求:
(1)要保证乘员足够的生存空间;
(2)除乘坐室以外的车体结构部分尽可能的多变形,以合理地吸收碰撞能量,使得作用于乘员身体上的力和加速度值不超过人体的耐受极限,避免人体器官受到伤害而导致伤亡。
内容:
(1)吸能盒薄壁结构;
(2)吸能方式;(3)理论及仿真研究
3.主要参考文献
[1]韦保仁,八木田浩史•中国汽车保有量及年产量预测模型研究•城市车
辆.2004,(4):
21-24页
[2]周宇,雷正保,杨兆.基于预变形控制理论的汽车前纵梁仿真设计.长沙理工
大学学报.2005年12月:
34-38页
[3]江志勇.基于轿车薄壁构件碰撞的变形及吸能特性的仿真与分析.武汉理工
大学硕士论文.2009:
9-11页
[4]刘中华,程秀生,杨海庆等.薄壁直梁动态撞击的变形和吸能特性的研究.中国汽车工程学会2004汽车安全技术国际研讨会,2004,50-56页
4.进度安排
设计各阶段名称
起止日期
1
资料收集
2014.2—2014.3
2
整理思路
2014.3—2014.4
3
数据分析
2014.4—2014.5
4
初步撰写
2014.5—2.14.6
5
整理设计、打印装订
2014.6
汽车碰撞吸能装置设计
摘要:
随着汽车工业的迅速发展,汽车碰撞问题已成为国内外车辆研究领域的重点和热点。
在我国针对汽车的高速碰撞研究较多,而对低速碰撞的研究较少。
所以本文对低速碰撞的问题进行研究。
本文采用有限元方法,以UG为平台,对低速碰撞情况下汽车吸能装置的结构特性进行研究,尤其是材料特性对吸能装置的影响进行了分析,并提出了具体的优化设计方法。
在结构特性研究方面,将吸能盒简化为薄壁直梁构件,运用有限元方法模拟碰撞过程,得出计算结果。
并将该结果与数值计算方法所得结果进行比较,验证了有限元方法的正确性。
通过对不同截面形状铝合金材料吸能部件的抗撞性能进行了研究,正方形截面形状吸能部件最佳。
根据预变形理论对结构吸能特性的影响,采用设置诱导槽的方法对结构进行了优化设计,诱导槽的设置削弱了吸能部件的刚度,降低了结构的吸能能力;改变吸能部件壁厚,设计出了满足碰撞性能参数的汽车吸能部件。
从结构和材料两方面对吸能装置进行了改进设计。
结构方面,为中间焊缝布置的吸能装置设置了诱导槽,达到了减小最大碰撞力的目的;材料方面,分析了铝合金材料的吸能特性,并通过对铝合金材料模型分析,得到了正方形截面的铝合金模型为最佳的设计方案。
最后,对某具体车型的吸能装置进行了研究,提出了初步改进意见。
研究结果为进一步研究汽车构件在低速碰撞情况下的变形特性提供了理论依据和参考数据。
关键词:
低速碰撞,吸能装置,材料特性,有限元法
Carcrashenergyabsorptiondevicedesign
Abstract:
AstherapiddevelopmentofChineseautomobileindustry,theautomobileimpacthad
beenanimportantprobleminvehicleresearchfield.AtPresent,mostoftheresearchworkfocusonthehighspeedimpactinChina:
onlyfewofresearchworkareaboutlowspeedimpact.Therefore,thelowspeedimpactproblemsareresearchedinthisPaper.
TheFiniteElementMethodisappliedinthisresearch.Aimingatlowspeedimpact,thestructuralandmaterialcharactersofautomobileenergyabsorberareanalysedundertheplatformofUG,especiallythematerialcharacters,andtheoptimumdesignplanisproposed•
Intheresearchonstructuralproperties,theenergyabsorberissimplifiedtobethin-walledbeams.TheimpactprocessissimulatedbyFiniteElementMethod,andthesimulativeresultsareobtained.Comparingwiththeresultsobtainedbynumericalcalculationmethod,thecorrectnessofFiniteElementMethodisvalidated.
Energyabsorbingcharacteristicsofvehiclecrash-boxatlowspeedimpactarestudiedbyusingshapeoptimizationdesignhasbeenproposedthroughchoosingpropercrosssectionadoptingappropriategrooves,resultshowedthatthecrashenergyabsorbingcharacteristicsimprovedobviouslyforsquarecrosssectiongrooves.Thestiffnessofenergy-absorbingcomponentsandtheenergyabsorptioncapacitywasdecreasedwhengroovesadopted.Withtubewallthicknessincreasing,crashenergyabsorptioncapacityisimproved.
Theoptimumdesignplanisproposedfrombothstructuralandmaterialaspects.Astothestructuralaspect,inordertoreducethepeakimpactforce,derivationalgrooveisaddedtoenergyabsorberwithmedialweldingline.Aboutthematerialaspect,theabsorbingabilityofaluminumalloyisanalyzing.Byanalyzingthealuminumalloymodel,itisobtainedthatabsorbingperformanceofaluminumalloymodelwithsquaresectionistheoptimumdesignplan.Atlast,theenergyabsorberofacertaincarisresearched,andprimaryimprovingsuggestionsareproposed.
Theresearchresultsinthispaperprovidethetheoreticalbasisandreferenceddatatoresearchthebendingcharactersofautomobilefrontbumperunderlowspeedimpact.
Keywords:
low-speedimpact,energyabsorber,materialcharacteristics,finiteelementmethod
1绪论1
1.1课题研究的目的及意义1
1.2汽车碰撞研究概述1
1.2.1国外汽车碰撞研究概述2
1.2.2国内汽车碰撞研究概述3
1.3研究汽车吸能盒在低速情况下正面碰撞的意义4
1.4我国汽车碰撞标准5
1.4.1正面碰撞标准5
1.4.2侧碰及后碰标准6
1.5汽车碰撞吸能盒7
1.5.1碰撞吸能盒简介7
1.5.2碰撞吸能盒的材料研究概述8
1.6课题主要研究内容9
2汽车吸能部件碰撞性能参数的分析11
2.1车身结构理想化的碰撞力曲线11
2.2汽车吸能部件概述13
2.3吸能盒的设计原则14
2.4汽车主要吸能部件抗撞性能参数15
2.4.1吸能盒撞击力许可值16
2.4.2吸能盒低速碰撞性能参数17
2.5吸能盒的变形模式20
2.6本章小结22
3薄壁梁吸能结构的研究23
3.1薄壁构件吸能23
3.2薄壁构件吸能特性影响因素24
3.3本章小结26
4薄壁梁有限元模型的设计及仿真26
4.1薄壁直梁的建模方法26
4.1.1仿真模型的建模分析27
4.2材料对吸能盒特性的影响27
4.2.1材料的选择27
4.2.2铝合金薄壁吸能部件碰撞性能28
4.3铝合金材料吸能部件理论分析28
4.3.1正方形铝合金构件仿真模拟28
4.3.2正方形铝合金构件理论分析30
4.4本章小结32
5吸能装置的改进设计33
5.1吸能装置的结构改进设计33
5.1.1改进焊缝布置33
5.1.2添加诱导槽35
5.2“长安之星”吸能盒研究37
5.3本章小结38
6结论39
参考文献40
致谢43
1绪论
1.1课题研究的目的及意义
随着汽车工业的发展及各项法规的建立和完善,汽车的安全性能成为设计人员的焦点。
由于低速碰撞时对人员的损伤比较小,并没有引起人们的重视,目前国内汽车碰撞的研究大部分是围绕高速碰撞展开的。
但是在城市中大多数的交通事故是在低速时发生的。
低速碰撞情况下产生的能量由汽车前部的吸能盒来吸收,就可以使车体的其它结构避免永久变形,从而保护汽车发动机等重要部件。
可以减少因此造成的保险和理赔金额。
有研究表明,中国可能于2015年到2020年间成为世界最大的汽车消费市场和生产基地,我国汽车保险业将面临巨大的考验[l]。
所以,对我国汽车制造业和保险业而言不仅要考虑高速碰撞,还要考虑低速碰撞方面的问题。
目前,国际上已经成立了汽车修理研究理事会(RCAR)[2]。
该组织致力于提高汽车的抗损性、修复性、安全性和防盗性,减少保险成本。
现在的24个成员机构分布在17个国家,由各大保险公司及其关联企业资助的研究中心组成。
除非洲外,各大洲都名列其中。
日本和韩国均是其成员国。
1994年,RCAR制定了15公里/小时撞击测试的标准,用以衡量汽车的抗损性,在一些国家这是汽车保险费率厘定的风险因子之一。
这套标准对在不同地区、不同设备情况下接受测试的汽车都有对照性。
遗憾的是我国并非其成员国,至今没有相关标准。
因此,研究低速碰撞、设计汽车纵梁与保险杠之间的吸能盒,有利于保护汽车主要部件,对降低维修成本和理赔费用,延长车辆的使用寿命有重要意义。
不仅有助于提高我国汽车整车的质量,更有利于提高我国汽车保险的服务水平,不仅使得我国的汽车符合国际碰撞标准,又在汽车保险的费率厘定、核保核赔方面逐步与国际接轨。
1.2汽车碰撞研究概述
汽车是一个国家发展水平的标志,汽车工业的发展对促进社会进步,提高大众的物质生活水平起着非常重要的作用。
但随着汽车速度的提高以及汽车数量的增加,交通事故越来越严重,由此造成的经济损失也越来越多。
公安部道路管理局的调查显示:
2001至2004年,我国每年死于交通事故的人数都超过10万人,直接经济损失总计
122亿元[3]。
根据世界卫生组织(WorldHealthOrganization)预测,到2020年,道路交通事故将成为世界上仅次于心脑血管疾病和抑郁症的第三大人身威胁[4]。
因此,研究汽车碰撞、保护乘员安全、降低碰撞损失己成为汽车设计领域非常重要的一部份。
1.2.1国外汽车碰撞研究概述
汽车的碰撞安全性问题是世界汽车工业长期以来而临的一大难题,国外对这一问题的研究已进行了将近一个世纪,30年代即开始采用简单的实车碰撞试验,50年代之后发展了台车模拟碰撞试验,80年代以后发展了基于碰撞有限元理论的计算机仿真技术,目前国外在这一领域的相关研究大多采用这一技术,其中,已进行过的较为典型的整车碰撞计算实例有:
(1)1993年,英国交通研究实验室(TransportationResearchLaboratory)对某一轿车的前撞进行了仿真计算,计算采用CRAYY-M巨型机和0ASYS-DYNA3DS
非线性有限元计算分析软件。
整车模型由25000个变形单元组成,计算100ms的车辆撞击响应过程,耗时30CPU」、时。
计算得到了车辆撞击过程中的加速度变化曲线及车辆的撞击变形等。
(2)1995年,美国Ford公司进行了轿车与护栏前撞的仿真计算。
计算采用CRAY
Y-MP巨型机和RADIOS商用非线性有限元碰撞分析软件。
整车模型由31500个节点、
30800个单元组成。
单元类型包含有壳单元、实体单元、梁单元以及非线性弹簧单元等。
计算得到了撞击时仪表板等侵入驾驶室的尺寸、车辆撞击变形及车辆中的乘员损伤情况等。
目前,对汽车碰撞安全性的仿真研究涉及面相当广泛,如车体结构,碰撞保护措施,人体生物力学等,具体的求解计算内容大致包括两个方面:
①用有限元方法计算汽车碰撞过程中车身、车架等的变形及动态响应;②用有限元方法或多刚体动力学法计算人体(即车内乘员)在各种碰撞条件下的响应。
与这些研究相关的最基本也是最复杂的工作是建立能真实反映实际碰撞状况的数学模型,这些模型可分为集中质量模型、多刚体系统模型或有限元模型等,每一类模型的建立要根据不同的条件以及特定的分析目的,如:
•根据各种碰撞条件可建立车辆正面碰撞模型、侧面碰撞模型、尾部碰撞模型或者部件碰撞模型等;
•根据不同的乘员特征建立各类假人模型;
•根据人体局部损伤分析的需要建立人体局部结构的生物力学模型;
•研究乘员与约束系统碰撞时建立约束系统的模型等。
由于汽车碰撞涉及的两个主要方面即车体和人体,因此,人们常采用如下两种研究模式:
即不包含乘员的整车碰撞特性研究与以乘员为主的二次碰撞特性研究。
但乘员在碰撞过程中的损伤既受二次碰撞特性的影响,同时也还受到一次碰撞性能的影响因此,对一次碰撞性能的研究是提高汽车安全性的基础。
最新的资料显示,日本瓦家大钢铁公司工在联手进行一种车体新材料(一种新的合金钢)的开发研究,这种材料的特性是重量轻,但具有良好的撞击吸能特性(与应变率相关),能够适应从低速碰撞到高速碰撞的各种撞击吸能要求。
另外,目前国外对汽车碰撞的仿真研究大多强调最后的阶段,即建立大量有限单元的整车模型(单元数从2万到10万或更多),对整车结构进行最终碰撞性能的校核;然而,在一般车辆的初始设计阶段,可能没有制作详细的车辆碰撞校核模型所需要的信息和时间,因此,简单化的碰撞仿真设计方法和手段在实际的应用中更受欢迎,这将是应用计算机仿真技术进行车辆结构碰撞性能设计的一大趋势。
1.2.2国内汽车碰撞研究概述
国内开展汽车碰撞安全性的研究己是八十年代末期的事情,与国外相比,虽然起步较晚,但由于有了国外的经验可供借鉴,因此,发展也相当迅速。
1989年,清华大学汽车系首先建立了国内第一个简易的实车碰撞试验台并进行了一些探索性的车辆碰撞试验研究,取得了较好的效果,在国内汽车工业界造成了一定的影响,随后,中国汽车技术研究中心(天津)、东风汽车工程研究院(襄樊)、交通部公路交通试验场(北京)以及湖南大学机械与汽车工程学院等单位也先后建立了汽车碰撞试验设施,国内的汽车碰撞试验研究工作蓬勃开展起来,尤其是在政府部门制定了强制性的汽车碰撞安全法规后,各汽车生产厂家更是加紧了对汽车碰撞安全性的设计与改进研究工作。
在汽车碰撞的仿真研究方面,国内近年来也开展了一些工作,如1997年5月,清华大学汽车系裘新等人利用简化的车辆模型实现了某轻型车的前碰撞仿真模拟;1998年10月,长春汽车研究所贾宏波等人完成了“红旗”牌轿车车身前碰撞的仿真计算,接着,北京理工大学、上海同济大学、长沙湖南大学等都相继完成了轿车车身或轿车整车的碰撞仿真研究工作,这说明我国汽车碰撞的仿真研究已进入到实用性阶段。
值得指出的是,湖南大学等单位关于机械系统碰撞的计算机仿真理论和算法研究己达到国际水平,并开发了具有自主知识产权的汽车碰撞并行化仿真系统分析软件,这为我国开展汽车碰撞的计算机仿真研究奠定了相当良好的基础。
总的说来,由于国内在汽车碰撞安全性这一领域的研究起步较晚,所做的基础研究工作还相当有限,直到目前,也还受到计算机软件、硬件、试验条件以及资金投入的限制,因此,仿真计算中车辆碰撞模型的建立、仿真计算参数的选择以及仿真方法的研究等方面的工作有待进一步深入,并且仿真计算的精度及其工程实用性也有待于提高,这也是国内在汽车碰撞安全性研究领域应用计算机仿真技术的主要趋势。
综上所述,本课题开展汽车碰撞吸能方式的研究工作对于提高交通安全性、保障人员的生命和财产安全以及提高企业的竞争力具有重大的理论意义和实用价值。
1.3研究汽车吸能盒在低速情况下正面碰撞的意义
汽车的安全性能一直都是设计人员追求的主要目标,在众多的汽车安全措施中,车身结构的耐撞性设计是所有安全性措施的基础,在一定程度上影响着整车的安全性能。
由于驾驶员在遇到危险时有一定的刹车反应时间,在这段时间里汽车的速度会因为受到驾驶员的控制而有一定程度的降低,所以大多数汽车碰撞是发生在低速碰撞的情况,因此研究汽车的低速碰撞就显得尤为重要。
大多数汽车在正面碰撞事故发生时,车辆所携带的巨大碰撞动能主要通过车身前部金属结构的塑性变形来吸收,此时汽车前部下端在外力撞压下将产生结构大变形而起到吸收撞击动能、保护乘员的作用[5],是重要的被动安全装置,因此具有极其重要的研究价值。
车前端的吸能作用是建立在组成其结构的所有部件的联合作用之下的,是各个吸能部件本身所产生的作用的集中体现。
在汽车设计制造中,薄壁梁是最常见且重要的结构,汽车碰撞的本质就是薄壁结构的大变形吸能过程,其中吸能盒是主要的吸能构件。
在汽车碰撞研究的初始阶段,由于碰撞问题十分复杂,我们可以先选择其最具有代表性且比较重要的一部分吸能构件进行考察研究,建立起它的参数模型,观察并分析其受到撞击后的变形吸能特性及对乘员的保护作用。
通过这一方法逐渐了解并熟悉结构变形吸能的过程和特点,积累实际经验,为下一步全面考虑部件整体吸能情况做好理论和实践准备。
正因为吸能盒既是吸收汽车前部纵向碰撞能量的主要结构,又是控制碰撞能量在汽车中的分布情况的主要装置,因此,碰撞中吸能盒的变形吸能过程一直受到人们的广泛关注。
因此,从吸能盒的研究入手,具有重要的研究意义,本文的核心正是对吸能盒薄壁结构在低速碰撞情况下的吸能性能和变形模式进行研究。
1.4我国汽车碰撞标准
1.4.1正面碰撞标准
我国汽车正面碰撞标准GB1155—2003《乘用车正面碰撞的乘员保护》是借鉴ECER94法规制定的,在碰撞角度、碰撞速度等方面与欧盟ECER94法规有所不同(见表
1.1)o我国的法规要求是速度50公里/小时下的100%E面碰撞,而欧洲标准为速度为56公里/小时下的正面偏置40%t叠碰撞。
100%E面碰撞是指车辆正面完全撞在障碍物上,车头的受力面为100%而偏置40%t叠碰撞则是指车辆正面的40%与障碍物相撞,受力面为40%图1.1所示为车辆正碰示意图。
表1.1中欧美日汽车正面碰撞试验要求对比
项目
中国GB11551
—2003
欧盟ECER94
美国FMVSS208
日本TRAIS11
—4—30
固定壁障重量
70t以上
70t以上
45t以上
70t以上
碰撞角度
0度
40%偏置碰撞
O〜30度
0度
碰撞速度
48〜50km/h
56km/h
48.3km/h
48〜50km/h
碰撞位置精度
±150mm
±150mm
±150mm
±300
图1.1车辆正面碰撞示意图
1.4.2侧碰及后碰标准
我国汽车侧面碰撞及后碰撞标准都是参照欧洲ECER9法规制定的。
侧碰标准规定所有Ml类车型(9座(以下)4轮(以上)载客机动车辆)和NI类车型(最大设计总质量=3.5吨的4轮(以上)载货机动车辆),都必须满足侧碰“强制性规定”;而在后碰标准中则规定,所有Ml类车型都必须满足后碰“强制性规定”。
我国汽车侧面碰撞标准测试的具体方法是,将侧碰撞假人安放在驾驶员座位上,被撞车辆垂直牵引导轨静止停放在规定位置。
测验时,移动变形壁障以50km/h的速度撞击汽车驾驶员侧面,并以这一实验结果判断被测车辆是否符合侧碰标准具体要求。
我国侧面碰撞标准主要要求的是车辆侧门结构的安全性,在进行车辆结构调整时,主要改进侧门和B柱,在侧门上加装防撞杆。
图1.2所示为汽车侧碰示意图。
图1.2车辆侧面碰撞示意图
我国乘用车后碰撞测试的具体试验方法是,车辆静止不动,移动壁障以50km/h的速度从后方撞击试验车辆,并以测试结果判断被撞车辆是否达到相关标准。
尽管同欧美汽车发达国家相比还有差距,但这些标准的制定是中国汽车安全体系同国际接轨的标志。
目前我们要做的就是,结合我国路况、安全实际,制定出更加科学、合理、人性化的标准,尽快出台翻滚碰撞、碰撞对行人安全等方面的强制性标准,进一步完善我国的汽车安全标准体系。
1.5汽车碰撞吸能盒
1.5.1碰撞吸能盒简介
当车辆在行驶过程中与其它车辆或障碍物发生碰撞时,为了抵御冲击、吸收和消散碰撞能量,需要在汽车上设计碰撞吸能盒来保证乘员安全,降低汽车零部件的受损程度。
汽车碰撞吸能盒是汽车的关键部件,在汽车被动安全中占有举足轻重的位置。
汽车发生碰撞时所产生的能量主要是通过吸能盒的塑性变形来吸收。
吸能盒在车体中的位置如图1.3所示,前端与保险杠相连,后端与汽车纵梁相连。
图1.3碰撞吸能盒在车体中的位置
吸能盒的性能决定了汽车在碰撞过程中的减速度、速度以及碰撞时间等一系列重要参数,从而会影响整个汽车结构在碰撞中的行为。
提高吸能盒的性能不仅能降低整
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 汽车 碰撞 装置 设计