汽車(chē)前縱梁碰撞吸能特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)
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1、120 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究 第27卷 文章編號(hào)“0062343 2011 )04418-04 汽車(chē)前縱梁碰撞吸能特性的優(yōu)化設(shè)計(jì) 吳廣發(fā),趙希祿 江蘇科技大學(xué) 機(jī)械匸程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江212003 E - mail wuguangfal98328@ 163. com 摘 要^為了使汽車(chē)前縱梁在碰扌童過(guò)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(diǎn) 間距和焊點(diǎn)直徑等設(shè)計(jì)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(jìn)行了碰控模擬仿具和優(yōu)化設(shè)計(jì).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(chē)設(shè)計(jì);前縱梁;
2、碰撞分析;優(yōu)化設(shè)計(jì);響應(yīng)曲面法 中圖分類(lèi)號(hào):TH12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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
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(jī)械設(shè)計(jì)與研究 第27卷 近年來(lái)?汽午安全已成為X今汽車(chē)工程領(lǐng)域亟待完善的 研究領(lǐng)域?并H得到了社會(huì)的高度關(guān)注.同著消費(fèi)者的安全 觀念口益增強(qiáng).汽車(chē)廠家在汽車(chē)的設(shè)計(jì)和研發(fā)方血也將安全 放在了非常朿耍的位置. 汽車(chē)發(fā)生正ifii碰掩時(shí)?1波由V身詢部的犁性變形來(lái)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(chē)正而碰捕時(shí).70%以卜.的汽車(chē)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(jì)應(yīng)該能夠充 分利用縱梁的教性變形來(lái)吸收汽車(chē)碰掠中的大部分能雖. 汽乍縱梁通??梢院?jiǎn)化為薄唯結(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(mén)E耍的總義 山丁實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)受到時(shí)間長(zhǎng)和費(fèi)用高等限制?一般只 做少St的驗(yàn)證性試驗(yàn).在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中?大雖采用有限元 分析的方法來(lái)代替碰撞試驗(yàn),井且有研究結(jié)果表明,利用非 線性動(dòng)力學(xué)分析軟件I.A-inNA進(jìn)行碰掩模擬仿真與實(shí)乍碰 撞試驗(yàn)的結(jié)果吻介R好?可以仃效地松代實(shí)車(chē)試驗(yàn)進(jìn)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(duì)
7、汽乍詢縱梁進(jìn)friEifti 碰擷模擬仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)?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(diǎn)研究縱梁的形狀和焊點(diǎn)位置等設(shè)計(jì)參 數(shù)對(duì)碰披吸能就的影響?并且在折定的設(shè)計(jì)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(diǎn)分布方案?為改進(jìn)汽乍縱梁設(shè)i I提 供有效的理論依據(jù). 1汽車(chē)縱梁的結(jié)構(gòu)碰撞分析模型 圖1為某汽車(chē)框架結(jié)構(gòu)與縱梁結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)圖?如圖所示縱 梁的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)足111-塊折板和-塊平板通過(guò)點(diǎn)焊連接組成. 該縱梁的長(zhǎng)為54() mm?折板厚度為1.2 mm. f-板厚度為1.0 mm,焊點(diǎn)間距為45 mm,焊點(diǎn)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(zhǎng)為5 mm的四邊形売單元對(duì)其進(jìn)行 網(wǎng)格劃分. 施加碰撞錢(qián)簡(jiǎn)采用移動(dòng)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(shí))對(duì)縱梁的前端面約束五個(gè)自由度,只允許在 縱梁軸向町以移動(dòng)?對(duì)縱梁的后端面約束全部六個(gè)白由度. 使K完全固定.對(duì)剛性壁約束五個(gè)自由度?使英只在縱粱軸 向可以移動(dòng)??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(zhǎng)方形斷面縱
9、梁結(jié)構(gòu)的碰撞分析 現(xiàn)行的長(zhǎng)方形斷而縱梁結(jié)構(gòu)的冇瑕元分析模空如圖2 所示?圖示左瑞為固疋瑞?右端為移動(dòng)剛性壁加載?縱梁的有 限元分析欖型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為13 476?取元數(shù)為13 842. 利用冇限元軟件I5-DYNA對(duì)現(xiàn)行縱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jiàn)?利用I5-DY- NA軟件對(duì)縱梁進(jìn)行碰撞分析可以比較準(zhǔn)他地模擬出縱梁的 碰掠變形過(guò)程?同時(shí)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(shí)的變形過(guò)程 3汽午縱梁結(jié)構(gòu)的碰撞特性優(yōu)化設(shè)計(jì) 楓據(jù)汽車(chē)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(zhǎng)85%處的吸能雖E作為評(píng)價(jià)指標(biāo)?在優(yōu) 化設(shè)計(jì)中,令其為目標(biāo)函數(shù)?優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量共有5 個(gè)?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(diǎn)間距(、焊點(diǎn)直徑0,其中,隨著設(shè)計(jì)變St N的改變,斷而形 狀變化的借況町以參見(jiàn)圖4? 縱梁的碰撞特性優(yōu)化設(shè)計(jì)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(diǎn) 焊點(diǎn) 厚度/mm 耳度f(wàn)mm 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(guò)程如圖5 ~6所示? 山圖5町見(jiàn)?優(yōu)化后的斷面形狀從現(xiàn)行結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)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(zhǎng)匕的折點(diǎn)有2個(gè)增加到6個(gè)?這樣會(huì)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(guò)程還町以石出?在優(yōu)
13、化后 的縱梁爪縮變形過(guò)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(gè)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(pán)味著整體吸收 能昴:也會(huì)冇所増加. 經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè) 計(jì)??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(jiàn)?優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)的變形過(guò)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(duì)汽乍縱梁做了止Iftl碰撞模擬仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)?針對(duì)所設(shè) 汁的縱梁在不同截面形狀、厚度、焊點(diǎn)跑以及焊點(diǎn)4徑等設(shè) 計(jì)參數(shù)?通過(guò)響應(yīng)曲面優(yōu)化法得出了吸收能駅的優(yōu)化設(shè)計(jì)方 案。優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)汽車(chē) 縱梁碰撞吸能持性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),方法可行?求解過(guò)程穩(wěn)定. 得到的優(yōu)化結(jié)果可靠。 <2)利用木文的方法對(duì)某汽車(chē)縱梁進(jìn)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(cǎi)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法不僅對(duì)「?汽車(chē)縱 梁的設(shè)訃仃很好的丈用價(jià)值?而11對(duì)r n他相似結(jié)構(gòu)的碰撞 設(shè)計(jì)也具有一定的參考意義。 參考文獻(xiàn) 1]荊友錄?趙長(zhǎng)利?張星忠?誓千ANSYS/IS-DYNA的貨車(chē)縱梁撞 擊性能仿真研宛[J]?山東交通學(xué)院學(xué)報(bào).2007.15 4):10-13? [2]張維剛?紳志華.汽車(chē)iE掩吸能部件改進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真[J〕?汽 車(chē)工程.2002.24 (1 ):629. L3J劉長(zhǎng)虹?股培元?帳克實(shí).小星客車(chē)車(chē)架河縱梁碰撞性施
16、的模擬 仿真山?廣西人學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版.2009.34 (1 ):82 ^84. 4]劉中華?薄顒粱動(dòng)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(bào)(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(jī)械設(shè)計(jì)與研究 第27卷
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書(shū) 訊
推薦最近出版的紺I構(gòu)設(shè)計(jì)與戀用創(chuàng)新叢書(shū)》
機(jī)構(gòu)是機(jī)械產(chǎn)品的核心?沒(méi)仃機(jī)構(gòu)就無(wú)法完成機(jī)械的功能?在形形式式的機(jī)械中?例如農(nóng)業(yè)機(jī)械、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、服 19、裝機(jī)械、印刷機(jī)械、建筑機(jī)械、礦山機(jī)械、冶金機(jī)械、食品機(jī)械、包裝機(jī)械以及動(dòng)力機(jī)械等等中均離不開(kāi)機(jī)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(jī)構(gòu)?英至很行業(yè)中的取款機(jī)也冇多種形式的機(jī)構(gòu). 因眥?亳不與人地說(shuō),在機(jī)械產(chǎn)品和制造裝備中.機(jī)構(gòu)是無(wú)處不在的.為了憲善和改進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品的性能,為了創(chuàng)追新穎的機(jī)I* 產(chǎn)品?我們需要貝備機(jī)構(gòu)分析和設(shè)汁的知識(shí)和能力?
大家想開(kāi)發(fā)出具有門(mén)主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)械產(chǎn)品嗎?大家想取得發(fā)明專(zhuān)利嗎?如果想的話■我們應(yīng)重視機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)?實(shí)際上. 創(chuàng)造嶄新的機(jī)械產(chǎn)品?就應(yīng)在機(jī)構(gòu)創(chuàng)新和機(jī)構(gòu)系統(tǒng)創(chuàng)新L卜功夫?通過(guò)全而學(xué)擁芻種機(jī)構(gòu)的設(shè)汁方法?將會(huì)仃利「? 20、捉髙機(jī)械
產(chǎn)品的創(chuàng)新性和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力.
根據(jù)我們了解?已冇不少?gòu)氖聶C(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的科技人員?迫切希盥出版一套適介他們待點(diǎn)的“機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用創(chuàng) 新”的機(jī)構(gòu)學(xué)從書(shū)。為了順應(yīng)這種需耍?中國(guó)機(jī)構(gòu)學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)組織批富符機(jī)構(gòu)學(xué)理論知識(shí)?乂令?枳累了豐富的實(shí)際應(yīng)用
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120 機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)學(xué)專(zhuān)家?編寫(xiě)和出版了 F列8木書(shū)籍:
1?鄒總君編著機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與W用創(chuàng)新
2?右永剛筈編茗 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)ifUhvnj創(chuàng)新
3?華大年等編著 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用創(chuàng)新
4.李華敏等編著 齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
5?鄒惡彳仁殷鴻梁編卄間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用創(chuàng)新
組合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)打應(yīng)用創(chuàng)新
空何機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與W用創(chuàng)新
廣義機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用創(chuàng)新
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