畢業(yè)設(shè)計（論文）-SUV汽車正面碰撞以及行人保護加強方案設(shè)計.doc

上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 SUV汽車正面碰撞以及行人保護加強方案設(shè)計目 錄摘 要4ABSTRACT50 引 言61 本文研究的意義和主要內(nèi)容71.1 本課題研究的背景和意義71.2 國內(nèi)外汽車碰撞模擬研究的現(xiàn)狀81.3 汽車被動安全性研究的內(nèi)容101.3.1車身結(jié)構(gòu)的耐撞性研究111.3.2 汽車結(jié)構(gòu)耐撞性研究方法121.4 本文研究的主要內(nèi)容152 車身制造四大工藝152.1 車身沖壓工藝性162.2 車身焊裝工藝性172.3 車身涂裝工藝性192.4 車身總裝工藝性203 本文選題研究的主要理論方法203.1 有限元的基本思想和理論203.2 碰撞模擬的非線性有限元基本理論213.2.1 物體的構(gòu)形描述及質(zhì)量守恒方程233.2.2 運動微分方程233.2.3 能量方程253.2.4 結(jié)構(gòu)有限元離散化263.2.5 時間積分算法274 SUV車的介紹與正碰校核及加強284.1 產(chǎn)品市場定位與碰撞要求284.1.1 本車的目標(biāo)市場294.1.2 白車身強度及碰撞要求294.2 NCAP法規(guī)的介紹294.3 本SUV車主要吸能結(jié)構(gòu)304.4 前縱梁彎曲剛度計算314.4.1 前縱梁彎曲剛度計算概述314.4.2 有限元模型314.4.3材料324.4.4 計算內(nèi)容324.5 防撞梁低速碰撞分析及修改方案364.5.1 原方案的分析364.5.2 加強方案384.5.3對比結(jié)果及建議404.6 根據(jù)NCAP法規(guī)加強前縱梁的耐撞性414.6.1 前縱梁的耐撞性研究概述414.6.2 與RX350縱梁的比較與仿真模擬424.6.3 16Km/h低速碰撞444.6.4 50Km/h正面碰撞454.6.5 車身結(jié)構(gòu)改進方案475 根據(jù)NCAP行人保護的校核485.1 行人保護的目的485.2 參考標(biāo)準(zhǔn)485.3分析內(nèi)容485.4 行人保護校核結(jié)果516 全文總結(jié)51參考文獻53譯 文55原文說明66摘 要隨著汽車保有量的增長，道路交通事故己經(jīng)成為世界性的一大社會問題。全世界每年死于道路交通事故的人數(shù)估計超過50萬人，道路交通事故給人類的生命和財產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重的災(zāi)難。因此汽車被動安全技術(shù)的研究己經(jīng)成為當(dāng)今世界汽車科技研究的一大嚴(yán)峻課題。在汽車正面碰撞事故中，主要承受碰撞沖擊力的部件有保險杠系統(tǒng)、前縱梁、翼子板、發(fā)動機罩等部件，在正撞時這些部件吸收的能量占總吸收能量的 50%左右。其中，最主要的吸能部件是保險杠系統(tǒng)和前縱梁，因此本文在進行白車身的碰撞仿真之前，首先單獨對這些部件進行全面的碰撞仿真，從動力響應(yīng)特性和吸能特性兩方面對結(jié)構(gòu)的碰撞性能進行分析，從中獲取提高結(jié)構(gòu)碰撞性能的措施，指導(dǎo)后來的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文以SUV車的正面碰撞試驗為例，利用CATIA和HyperMesh軟件建立了由殼單元、梁單元、三維實體單元組成的整車有限元模型。進行了正面碰撞的模擬，結(jié)合仿真結(jié)果，確定了整車車身結(jié)構(gòu)耐撞性方面的薄弱環(huán)節(jié)，并據(jù)此探討了結(jié)構(gòu)件耐撞性改進的辦法。關(guān)鍵詞：SUV車，正面碰撞，耐撞性，仿真ABSTRACTWith the increasing of automobile amount, traffic accident has become a serious problem in the world. The number that the whole world annually died in the road traffic accident estimates to exceed 50 myriad peoples, road traffic accident give the life and property safety of mankind bring serious of disaster. So the research of automobile passive safety technique has already become an austere lesson of nowadays world car technology research.In early period automobile side impact safety research repeat test primarily is adopted, automobile structural crashworthiness, occupant restraint system and performance test depend on experiment and experience, this demand a very long research period, it also demand a lot of manpower，material resources and the financial power, even if such, the result that repeat test got is also uncertain ideal. With the modem science technique developed deeply, appearance of a passel of advanced automobile virtual testing soft offer nicer foundation for research of automobile side impact passive safety. Main advantage of virtual testing is: in the design stage of automobile product we can imitate and analyze automobile product, And we can expediently actualize the analysis and research of impact form which real car experiment can not implement, completely find and solve the problem, shorten developing period and reduce research expenses.According to some SUV vehicle frontal crash test, the whole vehicle CAE model is built which is composed of shell, beam and solid parts. Comparing to test data, the model is proved feasible. Key factors for simulation are pointed out, and some results have been obtained.Key words: SUV, Frontal Crash, Crashwothiness, SimulationSUV汽車正面碰撞以及行人保護加強方案設(shè)計傅其剛 02610780 引 言隨著汽車速度的提高，汽車保有量的增加，汽車交通事故逐年增多，盡管各種安全措施不斷加強，但是從根本上說交通事故在很長一段時期內(nèi)是無法避免的。從全世界的統(tǒng)計數(shù)字來看，每年因道路交通事故而死亡的人數(shù)己高達50多萬人，傷1000萬人以上，因此汽車的碰撞安全性問題己成為近十多年來汽車工業(yè)的主要研究問題和攻關(guān)方向。目前世界各主要汽車生產(chǎn)國都制定了嚴(yán)格的汽車碰撞安全法規(guī)要求，汽車開發(fā)和生產(chǎn)都必須通過嚴(yán)格的執(zhí)行法規(guī)。汽車安全性分為“主動安全性”和“被動安全性”。所謂“主動安全性”，也稱為事故預(yù)防性能，是指汽車能夠識別潛在的危險因素而自動減速，或者當(dāng)突發(fā)因素作用時，能夠在駕駛員的操縱下避免發(fā)生碰撞的性能，包括可靠性，環(huán)境可見性，操縱穩(wěn)定性和加速制動性。而“被動安全性”則是指汽車發(fā)生不可避免的汽車產(chǎn)品的被動安全性，以滿足正面碰撞實驗的要求。并且力爭在汽車新品開交通事故時，能夠?qū)噧?nèi)乘員或車外行人進行保護，以免發(fā)生傷害或者將傷害減到最低程度的性能。根據(jù)目前的汽車技術(shù)和事故統(tǒng)計，交通事故的發(fā)生在今后很長一段時間內(nèi)仍不可避免。因此，各汽車制造廠商都正在抓緊時機提高其現(xiàn)有的發(fā)中，提高產(chǎn)品的被動安全性，力圖以核心競爭力的提升占據(jù)市場競爭的制高點。1 本文研究的意義和主要內(nèi)容1.1 本課題研究的背景和意義CMVDR294法規(guī)規(guī)定汽車生產(chǎn)廠家，在每一種新車型上市之前，必須到國家汽車碰撞實驗中心，進行48公里/小時的實車正碰實驗。并且對己獲得認證的在生產(chǎn)車型還必須進行兩年一次的碰撞抽查。但實車碰撞實驗要在樣車生產(chǎn)出來之后進行，而且碰撞實驗是破壞實驗，這種“試錯性實驗”導(dǎo)致汽車設(shè)計周期長、費用高，不能在設(shè)計早期快速的發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，所以碰撞實驗只能作為全面的最終質(zhì)量檢驗實驗，不適合開發(fā)階段需要。雖然國內(nèi)己經(jīng)有研究單位和大的汽車企業(yè)建立了汽車碰撞實驗室，通過昂貴的儀器設(shè)備和復(fù)雜的實驗方法來解決汽車的安全性問題，但這種實驗方法不但花費太多、耗時太長，且不能在設(shè)計階段估計汽車碰撞的安全性問題。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和計算機成本的迅速降低，以有限元法為主的計算機仿真技術(shù)得到飛速發(fā)展，使得計算仿真技術(shù)和產(chǎn)品的設(shè)計研究相結(jié)合，使得新車型的被動安全性在設(shè)計研發(fā)階段就得到控制，減少設(shè)計費用，縮短開發(fā)周期。同時計算機仿真技術(shù)可以為汽車安全部件生產(chǎn)廠家提供汽車被動安全性的資料。例如，在汽車安全氣囊的開發(fā)中，通過汽車碰撞仿真技術(shù)，獲取有關(guān)數(shù)據(jù)，減少實車的碰撞次數(shù)，為企業(yè)減少費用，縮短開發(fā)周期。車身結(jié)構(gòu)耐撞性研究：主要是研究轎車和微型客車的車身結(jié)構(gòu)對碰撞能量的吸收特性，尋求改善車身結(jié)構(gòu)耐撞性的方法，使得車身結(jié)構(gòu)在外力沖擊下能以預(yù)計的方式變形，其變形能量控制在一定的范圍內(nèi)。在保證乘員安全空間的前提下，車身變形吸收的能量最大，從而使傳遞給車內(nèi)乘員的碰撞能量降低到最小，盡可能使乘員受到的減速度最小。通過車身結(jié)構(gòu)的耐撞性分析，使車身滿足理想的正面碰撞變形特性。當(dāng)?shù)退倥鲎矔r，變形以及變形力值都比較小，以保護行人或車輛自身；當(dāng)發(fā)生中速碰撞時，變形應(yīng)盡量均勻，以最大限度地降低撞擊加速度峰值；當(dāng)發(fā)生高速碰撞時，為了阻止變形擴展到駕駛室，從懸架到車身前圍板之間的變形應(yīng)急劇上升。1.2 國內(nèi)外汽車碰撞模擬研究的現(xiàn)狀國外對汽車碰撞研究比較早，技術(shù)水平也比較高。最早開始碰撞研究的是美國。早期的汽車碰撞研究主要是進行各種條件下的碰撞試驗，包括實車碰撞試驗和各類模擬實驗。六十年代人們開始了計算機碰撞模擬技術(shù)。七十年代美國開始用計算機輔助交通事故分析，分析軟件有NHTSA（美國道路安全局）的SMAC、CRASH3、EDCRASH等。而近20年計算機碰撞模擬技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，已經(jīng)有了許多成熟的用于碰撞模擬的商業(yè)化軟件。目前，在國際上汽車被動安全研究方面，具有代表性的商業(yè)軟件有:美國的CDL3D軟件、DYNA3D軟件、ANSYS/LS-DYNA軟件，荷蘭的MADYMO軟件，法國的PAM-CRASH軟件。根據(jù)建模的方法和功能不同，可以將這些軟件分成兩類：一類是CVS（Crash Victim Simulation）碰撞傷害軟件，主要模擬在汽車碰撞事故中乘員與環(huán)境的相互作用，以CDL3D和MADYMO為代表；另一類是采用顯示有限元理論建模，主要用來描述車身結(jié)構(gòu)的抗撞行，以DYNA3D、ANSYS/LS-DYNA和PAM-CRASH為代表。總的來說，這些軟件能夠進行標(biāo)準(zhǔn)假人在碰撞過程中的動態(tài)響應(yīng)分析，人體生物學(xué)和碰撞假人的開發(fā)，碰撞受害者模擬，碰撞受害者保護措施的優(yōu)化；對車身結(jié)構(gòu)碰撞大變形進行模擬，安全車身開發(fā)，汽車結(jié)構(gòu)抗撞行模擬；在碰撞法規(guī)試驗中進行碰撞模擬。由此可見，國外在汽車碰撞計算機模擬方面已經(jīng)具備了相當(dāng)?shù)囊?guī)模，達到了很高的水平。 國內(nèi)在汽車碰撞仿真方面雖然起步較晚，但是在引進國外的先進軟件之后，發(fā)展速度也是非?？斓摹Ｄ壳霸谖覈?，汽車的被動安全性是汽車安全性研究的重要課題，而且人們對汽車的被動安全性的要求也越來越高。盡管我國對汽車被動安全性的研究不足十年，但取得了顯著的成績，不僅制定了和國際接軌的系列法規(guī)，而且在試驗研究方面已經(jīng)具備了開展模擬碰撞實驗以及整車的碰撞試驗?zāi)芰ΑＦ嚤粍影踩缘呐鲎材M研究工作已經(jīng)迅速發(fā)展起來。當(dāng)前我國的汽車碰撞模擬仿真的研究工作主要分為兩個方面：一個方面是應(yīng)用有限元的方法研究在碰撞過程中的汽車車身、車架的變形情況，速度和加速度的值，以及各部分的應(yīng)力分布情況；兩一方面應(yīng)用多剛體動力學(xué)研究汽車在碰撞過程中，人體各部分的動態(tài)響應(yīng)和人體各部分的傷害值。動態(tài)非線性有限元方法適用于計算結(jié)構(gòu)變形，它能夠得到汽車各個部件在碰撞過程中的變形情況。在計算方法上，采用顯式積分法中的中心差分法。目前國內(nèi)應(yīng)用最多的軟件是國外引進的LS-DYNA3D、ANSYS/LS-DYNA和PAM-CRASH軟件。1992年湖南大學(xué)將DYNA3D軟件引入我國，并應(yīng)用該程序進行了假人碰撞試驗的有限元分析。該校的鐘志華教授提出了汽車碰撞的有限元方法，還應(yīng)用駕駛員和安全帶構(gòu)造了碰撞模擬模型。1996年，清華大學(xué)應(yīng)用DYNA3D軟件研究了車架的耐撞性能，在此基礎(chǔ)上，進行了背景吉普BJ121的車架的碰撞模擬仿真。吉林大學(xué)與長春汽車研究所合作于1997年在SGI圖形工作站上建立了國內(nèi)比較完整的汽車碰撞模擬，并通過了可視化技術(shù)得到了汽車結(jié)構(gòu)碰撞變形的整個過程。應(yīng)用多剛體動力學(xué)，可以研究汽車在碰撞過程中人體各部分的動態(tài)響應(yīng)和人體各部分的傷害值。目前，國內(nèi)使用的軟件有MADYMO、CAL3D軟件。1992年，清華大學(xué)引進美國的CAL3D軟件應(yīng)用多剛體動力學(xué)，研究人體在汽車碰撞過程中的動態(tài)響應(yīng)，建立了二維的成員座椅模型。1998年，清華大學(xué)合作開發(fā)了汽車碰撞人體運動響應(yīng)三維模擬計算軟件系統(tǒng)MUL3D，并應(yīng)用該軟件對汽車撞行人的運動響應(yīng)進行了模擬計算。同時，隨著國家安全法規(guī)的實施，國內(nèi)有許多家單位相繼成立了碰撞實驗室：長春國家汽車技術(shù)檢測中心、天津國家汽車技術(shù)檢測中心、上海市機動車檢測中心、湖南大學(xué)汽車碰撞實驗室等。它們的建立，極大的促進了實車試驗和整車模擬研究的結(jié)合。1.3 汽車被動安全性研究的內(nèi)容汽車安全性分為主動安全性和被動安全性口主動安全性是指汽車能夠識別潛在的危險因素自動減速，或當(dāng)突發(fā)的因素作用時，能夠在駕駛員的操縱下避免發(fā)生碰撞事故的性能。被動安全性是指汽車發(fā)生不可避免的交通事故后，能夠?qū)噧?nèi)乘員或車外行人進行保護，以免發(fā)生傷害或使傷害降低到最低程度的性能。汽車被動安全性研究內(nèi)容包括車身結(jié)構(gòu)的耐撞性研究、人體碰撞生物力學(xué)研究、乘員約束系統(tǒng)及安全駕駛室內(nèi)飾組件的開發(fā)研究等。1.3.1 車身結(jié)構(gòu)的耐撞性研究自身保護區(qū)低速防護區(qū)相容區(qū)力變形距離保險杠圖1.1 車輛前部理想變形曲線車身結(jié)構(gòu)耐撞性研究主要是研究轎車和微型客車的車身結(jié)構(gòu)對碰撞能量的吸收特性，尋求改善車身結(jié)構(gòu)耐撞性的方法，使得車身結(jié)構(gòu)在外力沖擊下能以預(yù)計的方式變形，其變形量能控制在一定的范圍內(nèi)。在保證乘員安全空間的前提下，車身變形吸收的能量最大，從而使傳遞給車內(nèi)乘員的碰撞能量降低到最小，盡可能使乘員所受到的減速度最小。通過車身結(jié)構(gòu)的耐撞性分析，使車身滿足理想的正面碰撞變形特性，其特性曲線見圖1.1所示。在低速碰撞時，變形以及變形力值都比較小，以保護行人或車輛自身;當(dāng)發(fā)生中等速度的碰撞時，變形應(yīng)盡量均勻，以最大限度地降低撞擊加速度峰值;當(dāng)以發(fā)生高速碰撞時，為了阻止變形擴展到駕駛室，從懸架到車身前圍板之間的變形應(yīng)急劇上升。1.3.2 汽車結(jié)構(gòu)耐撞性研究方法有限元法是力學(xué)、計算方法和計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它是隨著計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代化研究方法。一般說來，汽車耐撞性的研究主要有兩種手段，即實驗研究和計算機仿真研究。在汽車耐撞性的研究中，受技術(shù)要求、時間和資金的限制，通常在不同的研究開發(fā)階段，采用相應(yīng)的研究方法。汽車耐撞性的研究最早是通過實驗來進行的。1）實驗研究由于汽車碰撞事故形態(tài)千差萬別，安全性能的評價也必須從不同的角度進行，但歸納起來主要是確保生存空間、緩和沖擊、防止火災(zāi)等。根據(jù)這些目的，試驗方法可分為四大類：實車碰撞實驗、臺架沖擊實驗、臺車碰撞模擬實驗和靜態(tài)強度實驗。實車撞車試驗：實車撞撞試驗是綜合評價撞車時車輛安全性能的基本實驗方法，主要用來對己開發(fā)出的成品車型進行按法規(guī)要求的實驗，以鑒定其是否達到法規(guī)要求。1989年我國參照各國法規(guī)制定了國家標(biāo)準(zhǔn)。作為整車碰撞最終實驗法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)主要有三項指標(biāo)：汽車乘員碰撞保護，防止轉(zhuǎn)向機構(gòu)對駕駛員的傷害和汽車碰撞時燃油泄露。實車碰撞試驗準(zhǔn)備工作十分復(fù)雜，并且很費時，而且要使用實車碰撞，作為破壞性試驗，它的費用十分昂貴。臺架沖擊實驗：臺車沖擊試驗主要用來模擬人體不同部位與車輛有關(guān)部件之間的碰撞。評價其沖擊吸能性能。如為了滿足FMVSS203法規(guī)的要求，人們常采用形狀和質(zhì)量類似人體肢干的質(zhì)量塊沖擊轉(zhuǎn)向器，測量轉(zhuǎn)向器與人體產(chǎn)生的碰撞力的大小。實驗裝置有射出式、落下式和擺動式試驗機，可進行頭部沖擊試驗、胸部沖擊試驗、部件沖擊試驗等。臺車碰撞模擬實驗：臺車碰撞模擬實驗?zāi)壳傲餍械闹饕袃煞N類型，即沖擊型和發(fā)射型。沖擊型模擬碰撞與實車的碰撞過程相仿，它是將安裝有實驗件的臺車加速到規(guī)定的速度與固定障礙壁相撞，模擬實車的碰撞過程及實現(xiàn)法規(guī)的沖擊波形。發(fā)射型模擬碰撞實驗是用預(yù)先積蓄好的能量將安裝有實驗件的平臺發(fā)射出去，給予加速沖擊。與實車碰撞實驗不同，臺車碰撞模擬實驗不僅要控制碰撞速度，也要控制速度波形，而實車碰撞試驗只控制碰撞速度。靜態(tài)強度實驗：靜態(tài)強度實驗可代替一些動態(tài)過程進行評價，但主要作為動態(tài)實驗分析的輔助實驗。這種方法是分析各種動態(tài)實驗及事故再現(xiàn)實驗等測得的對象部位或零件上產(chǎn)生的負荷，然后評價其靜強度的模擬實驗（或代用試驗）。2）計算機仿真研究汽車結(jié)構(gòu)耐撞性分析的目的是確定車身等部件的變形與吸能特性，從而達到保護車內(nèi)乘員的日的。早期的耐撞性研究主要采用試驗手段來進行。由于實驗需要相同樣車試制出來才能進行，且費用和時間消耗巨大，同時也不可能對所有的碰撞方案進行嘗試。并且，由于實驗中有一些隨機因素的影響，使實驗結(jié)果往往不夠穩(wěn)定，可重復(fù)性差。因此，實驗方法研究汽車結(jié)構(gòu)的耐撞性有很大的局限性。隨著計算機技術(shù)在計算速度、內(nèi)存容量以及圖形功能等方而的發(fā)展，使得采用計算機仿真方法來進行汽車被動安全性研究成為可能。與實驗方法相比，計算機仿真有以下優(yōu)點：（1）所需周期短。計算機仿真與CAD/CAM相結(jié)合，使得新產(chǎn)品的被動安全性能在產(chǎn)品的開發(fā)過程中就可以得到控制，減少產(chǎn)品的開發(fā)研制周期。（2）所需費用低廉。由于在實驗中，通常的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為光測量和電測員相結(jié)合的系統(tǒng)，費用很昂貴。但在進行整車被動安全性仿真時，不需要進行破壞性實驗，因此可以節(jié)約大量的人力與物力。（3）具有可重復(fù)性。由于實驗過程受很多隨機因素的影響，因此在研究不同的系統(tǒng)參數(shù)對安全性能的影響時，不易得到明確的結(jié)果，而計算機仿真依賴于計算機硬件本身，所以，當(dāng)改變某一參數(shù)時，可以很容易地得到該參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。（4）可以獲得任意所需數(shù)據(jù)。實驗中要獲得較多的數(shù)據(jù)，就必須增加傳感器和高速攝像機的數(shù)量，而且傳感器的安裝位置要求以及不可攝像點的存在，有些數(shù)據(jù)是不可獲得的。而計算機仿真在數(shù)據(jù)獲得方而是不受限制的，只要在所關(guān)心的點上建立一個描述坐標(biāo)即可。（5）不受時間、空問、氣候等條件的限制，可以隨時進行。雖然計算機模擬具有實驗無法比擬的優(yōu)越性，但由于計算機模擬方法所建立的汽車整車模型或部件模型，還有很多局限性，并不可能完全反映真實的碰撞過程，所以計算機模擬現(xiàn)在并沒有完全脫離實驗或完全代替實驗。同時，由于計算機性能和模擬方法的限制，計算機模擬的周期也很長。日前，汽車生產(chǎn)廠家大多采用實驗和計算機模擬相互結(jié)合的方法開發(fā)新的產(chǎn)品。1.4 本文研究的主要內(nèi)容本文通過計算機模擬作為研究手段，采用理論分析和計算機模擬相結(jié)合的方法，針對某SUV車正面碰撞中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)吸能問題展開研究。本論文主要從以下幾個方面對某SUV車的正面碰撞試驗和仿真進行了比較系統(tǒng)的研究：（1）以某SUV車的正面碰撞試驗為例，根據(jù)試驗結(jié)論，列出了該車在正面碰撞中存在的一些問題。（2）對車輛碰撞分析的非線性動態(tài)有限元方法進行了比較系統(tǒng)的論述。闡述了有限元單元理論、結(jié)構(gòu)板殼單元等對碰撞模擬比較關(guān)鍵的理論，并以碰撞分析軟件LS-DYNA為例，介紹了顯式差分方法的具體算法。（3）建立了SUV車的整車有限元模型，并進行了仿真。根據(jù)仿真結(jié)果，結(jié)合試驗結(jié)論，找出了問題的根源，并提出了相應(yīng)的改進措施。（4）針對SUV車正面碰撞中吸能的典型結(jié)構(gòu)件前縱梁，分析了影響其吸能效果的主要因素。2 車身制造四大工藝車身制造四大工藝包括：沖壓，焊裝，涂裝，總裝2.1 車身沖壓工藝性盡量減少拉伸深度：淺拉伸深度可能避免使用高價的高性能材料，增加采用高強鋼材的可能性，減少廢料，減少工續(xù)，從而減少模具和生產(chǎn)成本。 盡量增大曲率半徑：比較大的R角可能減輕產(chǎn)品局部變形程度，減少縮頸、開裂幾率，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。見圖2.1, R1、 R2 4T, R3 6T圖2.1 曲率半徑的選擇 在功能性允許的情況下盡量增大拔模斜度，以利于產(chǎn)品成型和使拔模方便易行。減少卡模的可能性，也減少表面擦傷。具體說明見圖2.2。兩個B是推薦的方式，工藝性均優(yōu)于A方式。圖2.2 拔模角的選擇造型不合理類:在做產(chǎn)品造型時應(yīng)充分考慮到工藝的可行性，不能片面追求形狀而忽略工藝，如：造型復(fù)雜模具壽命低圖2.3 造型不合理2.2 車身焊裝工藝性1） 沖壓件的可移性零件的形狀易于被抓起和移位，不割手，不變形，不超重。A. 大型組件要求形成框架結(jié)構(gòu)，防止變形；如形狀 、 ，減少U型、X型及其它異型。B. 盡量避免設(shè)計易變形的大型組件（如地板面版），C. 易變形的大型組件上設(shè)計增加剛度的小結(jié)構(gòu)，D. 單個零件要便于存放、拿取、放件時不易扭曲變形。E. 盡量避免設(shè)計需要兩個人搬運或機械搬運的大型零件。2） 沖壓件的焊裝可/易夾性盡量不夾在外表面上以及其反面，以減少損傷及打磨修理工作量。夾緊面應(yīng)該設(shè)計成平面，以利于簡化夾具。最好是單一平面，（X平面，Y平面，和Z平面）以利于夾具設(shè)計和尺寸控制。3) 焊裝易定位性以孔/銷定位方式為首選，型面定位方式為次選，不得已情況下采用邊緣定位方式。A. 定位孔盡可能在主平面上；B. 各定位孔盡可能互相平行；C. 定位型面盡可能要求在平面上，減少曲面定位，杜絕交接面定位。定位點位置、數(shù)量及方向設(shè)計合理。定位順序設(shè)計合理，以保證定位的唯一性。4) 焊裝可/易焊性所有焊點均可由公司的焊槍完成。（無焊點設(shè)在焊槍死角）A. 有足夠的焊鉗進出零件的空間；B. 能夠?qū)崿F(xiàn)點焊面與焊鉗極臂垂直；C. 有電極焊接時的運動空間；D. 有足夠的可視空間，至少能看見一個極臂與板件的接觸點；E. 零件不能與焊鉗鉗身、懸掛鋼纜、焊鉗轉(zhuǎn)盤相干涉。同一工位焊槍能達到所有預(yù)定焊點位置，不換或少換焊槍。A. 零件形狀所構(gòu)成的焊接面能適合普通X型、C型焊鉗焊接；B. 同一焊接工位焊接實現(xiàn)使用盡可能少的焊鉗種類，以減少換焊槍的時間；C. 能夠使用同一型號焊鉗焊接的焊點，焊接料厚盡可能接近，以便于參數(shù)統(tǒng)一，以減少切換焊接參數(shù)的時間。5) 結(jié)構(gòu)膠/密封膠可/易加性結(jié)構(gòu)膠簡單易加。加密封簡單易行?？p隙均勻密合適合涂膠。盡量減少需要人工填塞的老鼠孔。外觀件內(nèi)結(jié)構(gòu)支撐件與外觀件之間涂敷膨脹結(jié)構(gòu)膠間隙要求為35mm，最大6mm。表2.1 點焊三層板搭接順序要求No.搭接狀態(tài)說明料厚要求1薄板在中間，厚板在兩側(cè)1、 最薄料厚：最厚料厚1：32、 側(cè)邊最薄料厚：其余兩料厚之和1：42厚板在中間，薄板在兩側(cè)3薄板、厚板按順序疊加6) 壓邊可/易壓性壓邊簡單易行。符合模具包邊的要求。7) 四門兩蓋、翼子板的可裝配性裝配件的結(jié)構(gòu)便于裝配，平度和間隙易保證，安裝點位置和數(shù)量要合理。2.3 車身涂裝工藝性1) 與其他車型的運載通融性（柔性生產(chǎn)的考慮）此項檢查，其目的是本車型的柔性程度，如與本公司其他車共用定位點。下部定位是否符合柔性生產(chǎn)的要求（具有與現(xiàn)有車型相同的定位孔）吊具不同車型能混線生產(chǎn)（具有與現(xiàn)有車型相同的吊孔）掛吊的車身強度查核,重心核查。2) 噴涂死區(qū)盡量從設(shè)計上消除噴涂死區(qū)。避免增加步驟。3) 噴涂工藝器具和輔具簡單易行需要的噴涂工藝器具少，輔具機構(gòu)簡單，易設(shè)計，易制造，易使用2.4 車身總裝工藝性總裝模塊安排的合理性：1.零部件安裝的分塊要簡單。2.零部件安裝的分塊要合理。3.零部件數(shù)目最小化。零部件安裝的分塊要遵循：安裝操作盡量簡單，易保證裝配質(zhì)量的原則。3 本文選題研究的主要理論方法3.1 有限元的基本思想和理論在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對許多力學(xué)問題和物理問題，人們已經(jīng)得到了它們應(yīng)遵循的基本方程(常微分方程和偏微分方程)和相應(yīng)的邊界條件。但能用解析法求出精確解的只是少數(shù)方程性質(zhì)比較簡單，且?guī)缀涡螤钕喈?dāng)規(guī)則的問題。對于大多數(shù)問題，由于方程的某些特征的非線性，或由于求解區(qū)域的幾何形狀比較復(fù)雜，則不能得到解析的答案。因此人們就要尋找另外的一種求解途徑和方法。有限元就是在這種背景下提出的。特別是近三十年，隨著計算機的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，有限元已經(jīng)成為解決實際工程問題的主要方法有限元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限、且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合體。由于單元能按不同的聯(lián)結(jié)方式進行組合，且單元本身又可以有不同的形狀，因此可以模型化集合形狀復(fù)雜的區(qū)域。有限元法作為數(shù)值分析方法的另一個重要特點是利用在每個單元內(nèi)假定的近似函數(shù)來分片地表示全求解域上代求的未知場函數(shù)。單元內(nèi)的近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)或及其導(dǎo)數(shù)在單元的各個節(jié)點的數(shù)值和其插值函數(shù)來表示。這樣一來，一個問題的有限元分析中，未知場函數(shù)或及其導(dǎo)數(shù)在各個節(jié)點上的數(shù)值就成為新的未知量(即自由度)，從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。一經(jīng)求解出這些未知量，就可以通過插植函數(shù)計算出各個單元場函數(shù)的近似值，從而得到整個求解域上的近似解。顯然隨著單元數(shù)目的增加，也即單元尺寸的減少，或者隨著單元自由度的增加及插值函數(shù)精度的提高，解的精確程度將不斷提高。如果單元是滿足收斂要求的，近似解最后將收斂于精確解3.2 碰撞模擬的非線性有限元基本理論汽車碰撞是一個瞬態(tài)的復(fù)雜物理過程，它包含以大位移、大轉(zhuǎn)動和大應(yīng)變?yōu)樘卣鞯膸缀畏蔷€性，以材料彈塑性變形為典型特征的材料非線性和以接觸摩擦為特征的邊界非線性，這些非線性物理現(xiàn)象的綜合作用使汽車碰撞過程的精確描述和求解十分困難。描述汽車碰撞過程的眾多變量不僅是空間坐標(biāo)變量的復(fù)雜函數(shù)，同時一般也是時間變量的復(fù)雜函數(shù)。汽車碰撞過程的仿真一般是基于有限元方法的空間域離散技術(shù)和基于有限差分法的時間域離散技術(shù)?？臻g域離散有多種方法。這些方法對應(yīng)不同的有限元單元，如殼體單元、實體單元和梁單元。汽車中的大部分零件是采用金屬薄板沖壓而成，通常用殼體單元就能較好地描述其變形特征。時間域的離散也可以用不同形式的有限差分法，如中心差分法或牛曼法。采用中心差分法時，可通過將質(zhì)量矩陣對角化而避免求解聯(lián)立方程組，采用牛曼法時，由于未知變量的系數(shù)矩陣既包含質(zhì)量矩陣，也包含剛度矩陣，無法實現(xiàn)對角化，因此必須求解聯(lián)立方程組，這就是所謂的隱式仿真算法。顯式仿真算法的特點在于不求解聯(lián)立的方程組，從而不需存儲系數(shù)矩陣，占內(nèi)存小，且單項求解速度快，無收斂性問題，但顯式仿真算法存在數(shù)值穩(wěn)定性問題，即仿真時間步長不能超過其臨界值。隱式仿真算法的特點是要求解聯(lián)立的方程組，每步求解都需要迭代，且存在收斂性的問題;但它是無條件穩(wěn)定的，即仿真時間步長可以任意大而不會導(dǎo)致數(shù)值穩(wěn)定性問題。由于汽車碰撞過程是具有很強的非線形特征，且是一個瞬態(tài)過程，其物理本質(zhì)決定了它的仿真只能采用足夠小的時間步長，否則就會帶來收斂性問題后過大的計算誤差，再考慮到隱式仿真算法必須迭代求解，其無條件穩(wěn)定性特征在汽車碰撞仿真中并無太多優(yōu)勢。因此，在本課題中，采用顯式仿真算法。汽車碰撞屬于高速碰撞現(xiàn)象，描述這類現(xiàn)象的主要方法有Euler法、Lagrange法和ALE(Arbitrary Langrangian一ulerian)法。Euler法多用于流體力學(xué)問題，在固體力學(xué)中用的很少;ALE法是處理流體-固體相互作用的較好方法，適用于高速碰撞現(xiàn)象描述，其理論與算法較復(fù)雜，在具體編程和工程中不易實現(xiàn)；Lagrange法是目前描述固體碰撞行為的最成熟最方便的方法。采用Lagrange法描述的有限元法可以處理高速碰撞工程中復(fù)雜的邊界條件和復(fù)雜的材料本構(gòu)關(guān)系，并且對接觸滑移面描述非常方便。在汽車碰撞的計算機模擬中，應(yīng)用最為廣泛是Lagrange法。Lagrange法描述的基本方程主要包括連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒方程。3.2.1 物體的構(gòu)形描述及質(zhì)量守恒方程在固定的直角坐標(biāo)系中，B為物體的初始構(gòu)形，經(jīng)過一定時間t后，其現(xiàn)時構(gòu)形為b. B中任意一點Xa (a =1,2,3)經(jīng)時間t后成為現(xiàn)時構(gòu)形中的點:(i = 1,2,3)口在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中，假設(shè)物體及其變形和運動都是連續(xù)的，它表明B中每一個點X。與且僅與b中一個質(zhì)點對應(yīng)，反之亦然,使用Lagrange描述法，現(xiàn)時構(gòu)形以初始構(gòu)形表示: （3.1）令t=0，即可求得初始條件為 （3.2） （3.3）質(zhì)量守恒可表示為: （3.4）式中，為當(dāng)前質(zhì)量密度；o為初始質(zhì)量密度；J為相對體積系數(shù)；即Jacobi矩陣的行列式值。3.2.2 運動微分方程設(shè)想在物體上取任意一閉合面S, S面內(nèi)包圍的體積V。如果V內(nèi)單位體積的介質(zhì)受到體力(如重力等)為為介質(zhì)密度，為單位質(zhì)量的介質(zhì)上受到的外力，則V內(nèi)介質(zhì)所受的總的體力為。除體力外，閉和面內(nèi)的介質(zhì)還將受面力的作用。設(shè)在閉和面上的任意點選取一面元ds，如果ds上的總的應(yīng)力(單位面積上的力)分量為，則ds面上用力為。因此，閉和面內(nèi)介質(zhì)所受的合力為。如果介質(zhì)內(nèi)各點之間的相對位移忽略不計(根據(jù)小變形假設(shè))，且以表示S面內(nèi)某點的位移矢量，則根據(jù)牛頓第二定律有: (3.5)將代入，得 （3.6）利用高斯定理可得 （3.7）上式可化為 （3.8）由于S面是任意取的，可令它收縮為一點，此時有= （3.9）式3.9即為所討論的運動方程微分表達式，簡稱運動微分方程。它揭示了物體內(nèi)某點力與加速度之間的關(guān)系。對應(yīng)不同的邊界分別滿足:1)在邊界ab，滿足牽引力邊界條件: （3.10）2)在邊界ab,滿足位移邊界條件: （3.11）3)在內(nèi)部邊界,上，當(dāng)時，滿足接觸連續(xù)條件: （3.12）以上各式中，為柯西應(yīng)力張量; 為邊界外法向單位矢量;(i =1,2,3)為面力載荷;D (1=1, 2, 3)為給定的位移函數(shù)。3.2.3 能量方程能量方程為: （3.13）式中: V為現(xiàn)時構(gòu)形的體積:為應(yīng)變率張量；q為體積粘性阻力偏應(yīng)力張量:靜水壓力 （3.14）伽遼金法弱平衡可寫作:（3.15）其中，在邊界上滿足所有位移邊界條件。對式3-15應(yīng)用散度定理有 （3.16）并注意到分步積分 （3.17）于是，式3.17可改寫成虛功原理變分列式 （3.18）3.2.4 結(jié)構(gòu)有限元離散化若對物體進行有限元單元離散化，則單元內(nèi)任意點的坐標(biāo)用坐標(biāo)節(jié)點坐標(biāo)插值表示為: （3.19）其中，為以參數(shù)坐標(biāo)表示的形函數(shù);k為單元節(jié)點數(shù);表示單元第j個節(jié)點在i(i =1,2,3)方向上的位移。對整個物體的n個單元的虛功進行求和，有 (3.20)即： （3.21）其中：將式3.11寫成矩陣形式，有: （3.22）其中N為形函數(shù)矩陣，為柯西應(yīng)力矢量: （3.23） （3.24）b為體積力矢量，t為牽引力矢量b= t= (3.25)對式3.25進行單元計算合并后，可得離散化后的系統(tǒng)平衡方程: (3.26)式中，M為組集后的整體對角質(zhì)量矩陣， 為總體節(jié)點加速度矢量，P為總節(jié)點載荷矢量，F(xiàn)為單元應(yīng)力場的等效節(jié)點矢量組集而成： （3.27）對式3.27運用顯示中心差分法進行求解。3.2.5 時間積分算法求解系統(tǒng)平衡微分方程式3.26時，由于各系數(shù)矩陣是進行對角化解藕的。為了提高計算效率，對此微分方程采用數(shù)值積分方法來求解。如果在計算周期t+At內(nèi)，位移與此段時間內(nèi)的加速度無關(guān)的話，則稱為顯式法。時間積分程序是大多數(shù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)程序的核心部分，這一課題已經(jīng)得到廣泛的研究。概括來說，隱式積分法對于結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題是最有效的，而顯式積分法最適于波傳播問題。己經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對波傳播問題，隱式法的時間步長必須大致同顯式法的時間步長相同，以滿足精度要求。由于隱式法每個計算周期的計算量大大超過顯式積分，所以現(xiàn)在隱式法的應(yīng)用一般限于材料的整個響應(yīng)比波傳播細節(jié)更為重要的一類問題。對象汽車碰撞這樣的低速碰撞仿真，要求在大規(guī)模下保證計算效率，顯式法是一種當(dāng)然選擇。在積分格式中最廣泛使用的一種顯式積分算法是二介中心差分法。將運動微分方程3.26用中心差分法進行積分，積分算式如下所示: （3.28） （3.29）式中，為t時刻的節(jié)點加速度矢量，為時刻節(jié)點速度矢量，是時的節(jié)點位移矢量。求得節(jié)點位移矢量后，加上初始構(gòu)形便可得到現(xiàn)時構(gòu)形: （3.30）僅管存貯位移矢量需要更多的空間，計算結(jié)果卻對舍入誤差不敏感。4 SUV車的介紹與正碰校核及加強4.1 產(chǎn)品市場定位與碰撞要求根據(jù)某公司領(lǐng)導(dǎo)的指示，本車（X22）是一款細分市場的SUV車型，作為X21及X23的車型擴展，是一款中高檔SUV車。軸距2700mm左右的SUV在國內(nèi)市場有數(shù)十種，而在國外市場則較多。國內(nèi)具有代表性的產(chǎn)品有北汽生產(chǎn)的三菱歐藍德，東風(fēng)生產(chǎn)本田CR-V，鄭州日產(chǎn)帕拉丁和山東華泰圣達菲等作為高檔SUV代表，以長城賽弗和哈弗，江鈴陸風(fēng)、長豐獵豹和奇瑞瑞虎等作為經(jīng)濟型國產(chǎn)車代表。由于國外的SUV市場十分成熟，相反，國內(nèi)SUV廠家生產(chǎn)的SUV均強調(diào)外形，而在功能上均與國外廠家產(chǎn)品無法比擬：缺乏SUV的Offroad性能和安全性，更無智能四輪驅(qū)動功能，同時其內(nèi)部裝飾檔次低，空間利用率缺乏綜合考慮以及舒適性差等也是國內(nèi)SUV的共同特點。根據(jù)07-08年市場發(fā)展預(yù)計，我國的SUV市場將呈現(xiàn)與國際市場接軌的特點，同時在價格上凸現(xiàn)其競爭優(yōu)勢。具有代表性的產(chǎn)品為本田CR-V，現(xiàn)代圣達菲和長城哈弗的后續(xù)產(chǎn)品以及雷克薩斯（凌志）RX系列等4.1.1 本車的目標(biāo)市場08年我國大陸市場，主要以沿海地區(qū)和城鎮(zhèn)等地為主要市場對象；09年北美和歐洲市場（英聯(lián)邦國家除外），但在法規(guī)上按照歐共體和北美市場（美國、加拿大）進行設(shè)計。因此，本車應(yīng)當(dāng)符合歐洲碰撞標(biāo)準(zhǔn)NCAP法規(guī)。4.1.2 白車身強度及碰撞要求碰撞方面滿足NCAP各項指標(biāo)不超過最大值的80%。必須在16km/h，50km/h碰撞實驗中達標(biāo)。4.2 NCAP法規(guī)的介紹含義：新車評價規(guī)程的英文縮寫New Car Assessment Programme。性質(zhì)：獨立于法規(guī)及管理體系之外，綜合評價汽車安全性能，由具公正地位和權(quán)威性的機構(gòu)實施。作用：向全社會提供公正、客觀、透明的汽車安全性能信息。促進生產(chǎn)企業(yè)提高汽車安全性能。減少碰撞事故損失和人員傷害。試驗項目：16km/h正面40偏置碰撞，50km/h正面碰撞，29km/h側(cè)面柱碰撞(選做)由于必須滿足法規(guī)的要求,本SUV車需要對車輛前艙總程中的前防撞梁、前縱梁等主要吸能結(jié)構(gòu)進行深入的分析和研究。4.3 本SUV車主要吸能結(jié)構(gòu)汽車發(fā)生正面碰撞時，主要由車身前部“壓潰區(qū)”的塑性變形來吸收碰撞動能，并且主要是由端部底架結(jié)構(gòu)的大變形來緩和沖擊和吸收沖擊動能。在汽車碰撞中，典型的吸能部件吸能比例如圖4.1所示。圖4.1 主要吸能結(jié)構(gòu)件吸能比例由圖4.1可見，縱梁的吸能量可取總能量的3050。對SUV車來說，車架結(jié)構(gòu)上的縱梁是主要的吸能部件?？v梁的吸能特性和變形模式將決定車體在撞擊時的加速度和力的相應(yīng)值，對乘員保護有非常重要的作用。根據(jù)經(jīng)驗，主要影響該SUV車耐撞性能的因素為縱梁吸能不足。為了使該SUV車具有較好的正面碰撞性能，主要的辦法就是改善整車前端的碰撞吸能能力，可以采用如下的三種辦法：軟化整車前部主要碰撞吸能件、在縱梁前端添加吸能器、為整車匹配合適的安全氣囊。對于已經(jīng)量產(chǎn)的車輛，修改前端主要吸能件涉及到巨大的零部件修定和模具的重新研發(fā)，需要大量的資金和時間。而作為普通的SUV車，增添氣囊的成本又會顯得更高，所以相對于該SUV車，最佳的改善辦法就是不改變結(jié)構(gòu)件的前提下，在縱梁的前端設(shè)計吸能部件來優(yōu)化正面碰撞能力。4.4 前縱梁彎曲剛度計算4.4.1 前縱梁彎曲剛度計算概述應(yīng)用國際通用的有限元分析軟件NASTRAN對前縱梁彎曲剛度進行計算。4.4.2 有限元模型根據(jù)提供的CAD數(shù)模，建立白車身有限元模型，該CAE模型情況如圖4.2：圖4.2 白車身網(wǎng)格劃分4.4.3 材料表4.1 材料參數(shù)材料彈性模量（MPa）泊松比密度(t/mm3)鋼2.1E50.287.85E-9玻璃200.351.1e-9膠6.9e40.32.5-94.4.4 計算內(nèi)容1) 車身前部彎曲剛度計算（1）邊界條件約束及載荷情況如圖4.3所示：約束約束FF F 垂直加載 1000N約束圖4.3 約束及載荷情況 （2）前端彎曲剛度計算結(jié)果實際測得值= 12488N/mm期望值 10000 N/mm圖4.4計算結(jié)果由圖4.4可知計算結(jié)果符合期望值，結(jié)果滿意。2) 前縱梁前端Y向彎曲剛度（1）邊界條件約束及載荷情況如下圖所示：約束Dx Dy Dz Tx Ty Tz加載 Y = 2 000 N圖4.5 約束及載荷情況 （2）前縱梁前端Y向彎曲剛度計算結(jié)果實際測得值=346 N/mm 期望值 500 N/mm圖4.6計算結(jié)果由上圖可知計算結(jié)果不符合期望值，結(jié)果不滿意。3） 前縱梁前端Z向彎曲剛度（1）邊界條件約束及載荷情況如圖4.7所示：約束Dx Dy Dz Tx Ty Tz加載 Z = 2 000 N圖4.7 約束及載荷情況 （2）前縱梁前端Z向彎曲剛度計算結(jié)果實際測得值=552 N/mm 期望值 500 N/mm圖4.8計算結(jié)果由上圖可知計算結(jié)果符合期望值，結(jié)果滿意。4） 靜力加載應(yīng)變要求(1) 邊界條件約束Dx Dy Dz Tx Ty Tz1.加載 Y = 2 000 N期望值 500 N/mm2.加載 Z = 2 000 N圖4.9邊界條件 （2）靜力加載應(yīng)變要求計算結(jié)果實際Y向值 =2000/3.9 =490 N/mm實際Z向值 =2000/3.5=571 N/mm圖4.9計算結(jié)果 綜上所述：從以上計算結(jié)果可以看出，前縱梁