汽車前縱梁吸能結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究分析

張文智

（長沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院 410027)

汽車前縱梁吸能結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究分析

張文智

（長沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院 410027)

對前縱梁的優(yōu)化設(shè)計是為了讓汽車的前縱梁在碰撞過程中吸收更多的能量，本文將通過改變縱梁的斷面形狀，板厚，焊點直徑以及焊點間距等幾個方面，然后利用有限元分析法，并運用LA-DYNA軟件進行仿真碰撞實驗，最后用響應(yīng)曲面算法作為優(yōu)化算法。來得出汽車前縱梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

前縱梁；吸能結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計

0 引言

隨著汽車制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車安全性能成為人們購買汽車的關(guān)鍵因素之一。汽車安全研究也是車輛工程研究的一個急需完善的方面。如今汽車制造商也將安全問題放在了首要位置。當(dāng)汽車正面發(fā)生碰撞時，主要是靠前縱梁碰撞之后的變形來吸收能量。

1 汽車縱梁結(jié)構(gòu)的碰撞分析模型構(gòu)建

資料顯示，在汽車發(fā)生正面碰撞時，70%以上車輛都是由前縱梁吸收碰撞能量使得駕駛室盡可能的保持完整。優(yōu)化設(shè)計以后的前縱梁更能充分吸收碰撞時產(chǎn)生的沖擊。由于利用汽車進行現(xiàn)實的實驗費用太高，花費時間太長，這里我們就利用有限元分析法來代替現(xiàn)實中的碰撞實驗。資料顯示，LA-DYNA軟件進行的仿真模擬結(jié)果和實車碰撞結(jié)果相識度極高。所以在下面的研究中我們利用有限元分析法和LA-DYNA軟件來得出數(shù)據(jù)和進行仿真碰撞實驗[1]。

在優(yōu)化設(shè)計過程中，把碰撞參數(shù)和數(shù)值仿真條件設(shè)為定值，然后對縱梁的形狀，焊點位置等參數(shù)進行改變，在一定的設(shè)計范圍內(nèi)，得出前縱梁吸收能量最多時縱梁的形狀和焊點位置的設(shè)計方案。

利用CAD軟件建立前縱梁模型，完成后利用有限元分析法，模型結(jié)構(gòu)帶入有限元分析軟件，抽取中間的面，用網(wǎng)格劃分小區(qū)域，如平均邊長為6 mm的四邊形殼單元，這樣就建立好了有限元分析模型。

我們把碰撞發(fā)生時除前縱梁所需要分析改變的數(shù)據(jù)之外的其他參數(shù)設(shè)為是不變的，如剛性壁質(zhì)量為20 000 kg，碰撞時的速度為100 000 mm/s。然后前縱梁的約束自由度我們設(shè)為九個，用十自由度全部約束后縱梁，讓后縱梁完全無法移動。然后對剛性壁我們同樣用十個自由度來約束，這樣讓它可以在縱軸向運動，但是無法做其他方向的運動?？v梁結(jié)構(gòu)基本材料結(jié)構(gòu)為彈性模量為220GPa，柏松比為0.4，屈服應(yīng)力為300GPa。

2 汽車前縱梁結(jié)構(gòu)吸能的優(yōu)化設(shè)計

通過對前縱梁使用時的參數(shù)和碰撞發(fā)生時吸收能量的數(shù)據(jù)進行分析，找到一個合理的設(shè)計作為約束范圍，把它作為目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，然后將折板厚度t1，平板厚度t2，半斷面形狀的邊數(shù)N，焊點直徑D，作為優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量[2]。因碰撞過程中需要分析的時間較長，為了方便觀察，優(yōu)化算法選擇曲面響應(yīng)法。在得到最優(yōu)解以及圓整后結(jié)構(gòu)設(shè)計的各種變量后，再與現(xiàn)在的前縱梁結(jié)構(gòu)進行比較。

首先從前縱梁的斷面結(jié)構(gòu)開始優(yōu)化，把斷面形狀從之前的長方形結(jié)構(gòu)優(yōu)化為多邊形結(jié)構(gòu)。通過這種優(yōu)化，斷面周長上面的折點由原來的2個變?yōu)楝F(xiàn)在的6個，這就可以提高縱梁的軸向反力和穩(wěn)定能力。

然后優(yōu)化縱梁的因為壓縮而產(chǎn)生變形的過程，通過對比優(yōu)化前后縱梁壁上所出現(xiàn)的皺紋，可以明顯看出優(yōu)化后的縱梁壁上面的皺紋明顯增多，受壓失穩(wěn)變形造成這種皺紋的產(chǎn)生，這就說明優(yōu)化后，吸收的能量明顯增加。優(yōu)化設(shè)計縱梁重量過程中，縱梁的重量減小，但是吸能卻增加了。綜合上述的各個方面我們不難的出結(jié)論，優(yōu)化設(shè)計以后使得縱梁的碰撞特性大幅提高。

3 結(jié)束語

通過研究和仿真碰撞實驗證實，LS-DYNA和響應(yīng)曲面法方法可行，求解中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，得出的優(yōu)化結(jié)果可靠。對設(shè)計中的縱梁的截面形狀，厚度，焊點距，焊點直徑等變量進行改變，然后利用響應(yīng)曲面優(yōu)化法分析得出吸收能量的優(yōu)化設(shè)計方案[3]。通過對比優(yōu)化設(shè)計和現(xiàn)行設(shè)計前縱梁的碰撞結(jié)果，可以得出優(yōu)化設(shè)計以后可以使前縱梁碰撞時吸收能量的能力顯著提高。這篇文章中提出的汽車前梁結(jié)構(gòu)碰撞優(yōu)化設(shè)計研究分析的方法還可以運用到其他結(jié)構(gòu)碰撞分析研究過程中去。

[1]吳廣發(fā).基于LS-DYNA的汽車前縱梁碰撞吸能特性分析及其優(yōu)化設(shè)計[D].江蘇科技大學(xué),2012.

[2]陳吉清,周鑫美,饒建強,區(qū)權(quán)湛.汽車前縱梁薄壁結(jié)構(gòu)碰撞吸能特性及其優(yōu)化的研究[J]. 汽車工程,2010,32(06):486-492.[2017-08-15].

[3]楊雨澤,孫凌玉,尹奇凡,史國宏,陸百迅,張永闖.兼顧輕量化與吸能性的汽車前縱梁拼焊板設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,(12):6-11.[2017-08-15].

U463 獻標(biāo)示碼： A

張文智（1973—）講師，本科，研究方向為汽車節(jié)能技術(shù)。