第1章緒論1.1研究背景及意義隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，汽車(chē)走進(jìn)進(jìn)了千家萬(wàn)戶，逐漸成為人們生活當(dāng)中必不可少的一部分。而隨著汽車(chē)數(shù)目的大量增多，每年發(fā)生的交通事故也大大增加。為了減小汽車(chē)碰撞時(shí)的造成的危害，提高汽車(chē)的安全性能，強(qiáng)化汽車(chē)主要吸能裝置——吸能盒的吸能效果的研究越來(lái)越受到汽車(chē)生產(chǎn)商的重視。汽車(chē)碰撞通常有以下幾種形式：正面碰撞、側(cè)面碰撞、成一定角度碰撞、追尾碰撞和翻滾碰撞等。而正面碰撞的交通事故又占據(jù)其中的大部分，且正面碰撞中低速碰撞的概率非常高，且由于低速碰撞造成的人員死亡案例非常少，導(dǎo)致人們忽視了這方面的研究。在汽車(chē)發(fā)生碰撞后，安裝在汽車(chē)汽車(chē)橫梁和前縱梁之間的吸能盒會(huì)利用自身的壓潰來(lái)吸收碰撞能量，從而保護(hù)前縱梁等高成本、不宜更換的部件和水箱、散熱器等重要附件。研究低速正面碰撞下汽車(chē)吸能盒的吸能效果對(duì)汽車(chē)吸能盒性能的提高以及對(duì)人身安全的保障具有重要意義。本文主要針對(duì)某車(chē)型防撞梁-吸能盒進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并優(yōu)化，在HyperMesh軟件中進(jìn)行碰撞仿真，對(duì)比優(yōu)化前后吸能盒的吸能效果。1.2汽車(chē)防撞性吸能盒研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀大連理工大學(xué)的張翼，夏陽(yáng)[1]參考美國(guó)汽車(chē)修理研究協(xié)會(huì)RCAR標(biāo)準(zhǔn)并依據(jù)非線性有限元理論基礎(chǔ)建立了吸能盒碰撞仿真模型。在文章中他們分別對(duì)傳統(tǒng)方形結(jié)構(gòu)吸能盒以及錐形多胞結(jié)構(gòu)吸能盒、折紙結(jié)構(gòu)吸能盒進(jìn)行有限元仿真分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明：優(yōu)化后的多胞結(jié)構(gòu)吸能盒與原八邊形多胞結(jié)構(gòu)吸能盒的峰值碰撞力相比較降低了59.08%，且單位質(zhì)量吸能量提升77.11%；而最終得到性能良好的折紙吸能盒結(jié)構(gòu)，其峰值力較傳統(tǒng)八邊形吸能盒峰值力降低17.65%。且總吸能量與單位質(zhì)量吸能量均有不同程度的提升。石家莊鐵道大學(xué)的王喆，韓彥軍等人[2]認(rèn)為吸能盒內(nèi)的誘導(dǎo)槽設(shè)計(jì)對(duì)吸能盒吸收碰撞能量有很大關(guān)系。他們通過(guò)采取改變吸能盒誘導(dǎo)槽數(shù)目的方法，將數(shù)值分析和有限元仿真相結(jié)合優(yōu)化吸能盒的設(shè)計(jì)，研究吸能盒中誘導(dǎo)槽的位置和深度對(duì)吸能盒吸能效果產(chǎn)生的影響。利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)誘導(dǎo)槽的參數(shù)，根據(jù)碰撞過(guò)程的吸能量與碰撞力峰值建立優(yōu)化后的模型，得到優(yōu)化的最優(yōu)解，并將最優(yōu)解優(yōu)化后的模型利用有限元軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明優(yōu)化后的模型結(jié)構(gòu)右側(cè)加速度明顯小于優(yōu)化前，安全性大大提高。廣西大學(xué)的莫志敏、黃偉等[3]設(shè)計(jì)了一種薄壁的雙帽型結(jié)構(gòu)的吸能盒。利用Hyperworks軟件建立商用車(chē)駕駛室正面擺錘撞擊虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并按照?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行駕駛室碰撞仿真，之后進(jìn)行實(shí)車(chē)正面擺錘，碰撞試驗(yàn)仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂幸欢ǖ臏?zhǔn)確性。仿真可知駕駛室的生存空間不足，故要對(duì)駕駛室進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)碰撞過(guò)程中地板前縱梁前端的軸向力的變化曲線提出了一種多直角薄壁吸能盒（雙帽型吸能盒），之后對(duì)設(shè)計(jì)的雙帽型吸能盒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。再次進(jìn)行正面擺錘撞擊仿真模擬已驗(yàn)證其有效性。結(jié)果表明：在駕駛室質(zhì)量增大了27%的條件下，吸能盒吸能量達(dá)到了總能量的18.3%，達(dá)到了優(yōu)化的目的。提升了商用車(chē)的安全性，為商用車(chē)安全性能的提高提供了理論基礎(chǔ)。天津的中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心的郭樹(shù)文、路深等人[4]根據(jù)IIHS中的正面25%重疊碰撞試驗(yàn)規(guī)程，結(jié)合了某車(chē)型在該工況下的變形特點(diǎn)分析關(guān)鍵承力的結(jié)構(gòu)，基于壓潰理論對(duì)該車(chē)型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在ANSYS/LS-DYNA軟件中建立該車(chē)型的有限元模型，吸能盒的壓潰量不足可以采用延長(zhǎng)防撞橫梁來(lái)使防撞橫梁與碰撞剛壁產(chǎn)生重疊進(jìn)而使吸能盒壓潰吸能來(lái)對(duì)吸能盒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明優(yōu)化后吸能盒壓潰情況良好，達(dá)到預(yù)期。上海工程技術(shù)大學(xué)的張?chǎng)?、趙曉昱[5]利用LS-DYNA和HyperWork軟件對(duì)汽車(chē)吸能盒進(jìn)行碰撞仿真分析，首先進(jìn)行了尺寸相同的鋼制和鋁制吸能盒的低速碰撞仿真分析，研究可知鋁制吸能盒的各項(xiàng)吸能參數(shù)與鋼制吸能盒相比都比較均勻，比吸能是鋼制的2.8倍，重量減輕了63%滿足了輕量化設(shè)計(jì)。然后對(duì)鋁制吸能盒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)四種不同截面形狀的吸能盒進(jìn)行碰撞研究，得到一種目字形的吸能盒吸能效果最好。最后將仿真結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出仿真模擬與理論計(jì)算的的平均碰撞力非常接近，證明建立的有限元模型是正確的。湖北三峽大學(xué)的彭琦、李響、唐善杰等人[6]以傳統(tǒng)吸能盒為研究對(duì)象利用SolidWork建立傳統(tǒng)方形截面吸能盒的幾何模型，再利用HyperWork進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義材料屬性，定義接觸條件、邊界條件，進(jìn)行初速度為4.4m/s的碰撞仿真計(jì)算，研究吸能盒V型誘導(dǎo)槽數(shù)量對(duì)吸能盒吸能特性的影響，研究表明：與無(wú)誘導(dǎo)槽相比，有兩個(gè)誘導(dǎo)槽的吸能盒雖然碰撞力峰值與吸能量均減少，但吸能量下降率低于碰撞力峰值下降率，故安全性能提高。大連理工大學(xué)的楊星，于野等人[7]研究了多胞結(jié)構(gòu)的吸能盒的吸能特性，研究三維多胞結(jié)構(gòu)吸能盒的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)多胞結(jié)構(gòu)吸能盒的元胞幾何參數(shù)及元胞層數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之實(shí)現(xiàn)輕量化和吸能特性最佳化。首先利用UG軟件建立多胞結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型，依據(jù)最優(yōu)拉丁超立方方法在模型設(shè)計(jì)區(qū)間內(nèi)選取多個(gè)樣本點(diǎn)，依據(jù)上述樣本點(diǎn)建立三階響應(yīng)面模型。然后用NCGA對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。將優(yōu)化結(jié)果按照汽車(chē)修理協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模型的仿真計(jì)算，結(jié)果表明該新型具有負(fù)泊松比的多胞結(jié)構(gòu)吸能盒具有較好的吸能特性。重慶理工大學(xué)的劉玉璽，謝軍等人[8]使用掃描電子顯微鏡觀察牛角縱向斷面的上的堆垛結(jié)構(gòu)。便借鑒牛角的結(jié)構(gòu)建立了仿牛角的吸能盒幾何模型。對(duì)無(wú)芯仿生管模型、有芯仿生管和普通錐形管模型進(jìn)行仿真分析可知：仿生管在受到軸向沖擊時(shí)，材料屈曲變形相對(duì)穩(wěn)定，各處的變形量較均勻，在相同的沖擊條件下有芯體仿真管的比吸能分別是普通椎管和無(wú)芯體仿真管的3.25和1.32倍。結(jié)果表明：仿牛角結(jié)構(gòu)的吸能盒吸能特性良好，且牛角芯體對(duì)提高吸能盒在碰撞過(guò)程中能量損能力有很大幫助，對(duì)汽車(chē)被動(dòng)安全性的提高提供了理論基礎(chǔ)。遼寧工程技術(shù)大學(xué)的劉影[9]研究了針對(duì)國(guó)內(nèi)目前對(duì)吸能盒填充物質(zhì)的研究不足，進(jìn)行了泡沫鋁填充對(duì)汽車(chē)吸能盒吸能特性的影響的研究。本文主要研究的是泡沫鋁填充吸能盒在低速碰撞工況下的吸能特性。首先利用Ls-Dyna有限元軟件研究各個(gè)結(jié)構(gòu)的吸能盒和泡沫鋁填充鋁合金吸能盒，分析泡沫鋁填充鋁合金吸能盒傾角和吸能盒的截面形狀以及吸能盒側(cè)壁開(kāi)誘導(dǎo)槽對(duì)其吸能特性的影響，得到傾角為8°的吸能盒吸能特性最好，在吸能盒上半部分開(kāi)兩個(gè)半圓形誘導(dǎo)槽的吸能盒吸能特性最好。制作吸能盒的實(shí)體模型，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性。利用DesignExpert進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到具有最優(yōu)吸能特性的吸能盒。之后利用Ls-Dyna軟件進(jìn)行碰撞仿真驗(yàn)證。最后，基于相似理論對(duì)前保險(xiǎn)杠上的的吸能盒的吸能特性進(jìn)行研究，利用量綱分析法計(jì)算保險(xiǎn)杠實(shí)體的吸能效果。1.2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀韓國(guó)機(jī)械航空航天與系統(tǒng)工程學(xué)院的S.B.KIM，H.HUH教授等[10]研究了具有不同橫截面形狀（如八邊形，六角形，矩形）的汽車(chē)車(chē)身鋁制防撞盒的耐撞性。首先，對(duì)具有不同橫截面的碰撞盒進(jìn)行數(shù)值模擬測(cè)試，以獲得不同截面碰撞盒的能量吸收能力和平均載荷。在簡(jiǎn)單軸向擠壓的情況下，與其他兩個(gè)形狀相比八邊形具有更高的平均載荷和能量吸收。其次，將防撞箱組裝為簡(jiǎn)化的車(chē)身模型，以提高整體防撞性能。該模型由保險(xiǎn)杠，碰撞盒，前縱梁和一個(gè)副車(chē)架組成，副車(chē)架代表了整車(chē)在低速?zèng)_擊下的性能。開(kāi)始碰撞試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，矩形橫截面的碰撞盒的綜合性能更好，因?yàn)榕鲎埠袝?huì)在前側(cè)梁變形之前變形。六角形和八邊形的橫截面隨著橫截面寬度的減小會(huì)發(fā)生扭曲和局部彎曲，而矩形橫截面則沒(méi)有。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了矩形碰撞盒的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果顯示變形形狀和載荷-位移曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的接近趨勢(shì)。加利福尼亞州的Szabo,ThomasJ.Welcher,Judson[11]對(duì)1981年至1983年的福特護(hù)衛(wèi)艦進(jìn)行了低速碰撞測(cè)試。評(píng)估了這些裝有能量吸收保險(xiǎn)杠的汽車(chē)的保險(xiǎn)杠之間的碰撞以及一個(gè)保險(xiǎn)杠在另一個(gè)保險(xiǎn)杠下的響應(yīng)。該測(cè)試提供了保險(xiǎn)杠位移，子彈和目標(biāo)車(chē)輛的保險(xiǎn)杠位移，車(chē)輛加速度和車(chē)輛速度的時(shí)程記錄。在測(cè)試期間，這兩輛車(chē)分別以2.23m/s、4.47m/s和6.71m/s發(fā)生了兩次碰撞。對(duì)于子彈車(chē)的前保險(xiǎn)杠低于目標(biāo)車(chē)輛的后保險(xiǎn)杠的沖擊力4.47m/s，提供了類似的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，與底架測(cè)試相關(guān)的損壞增加，而車(chē)輛響應(yīng)沒(méi)有相應(yīng)增加。S.Santos,T.Wierzbickia等人[12]研究了鋁蜂窩或泡沫等低密度材料對(duì)汽車(chē)吸能盒在準(zhǔn)靜態(tài)載荷條件下的軸向抗壓強(qiáng)度的影響。數(shù)值模擬表明，在獲得最大能量吸收方面，用鋁蜂窩填充箱形立柱比加厚立柱壁更可取。通過(guò)用中等強(qiáng)度或高強(qiáng)度的鋁泡沫填充色譜柱也可以獲得出色的比能量吸收。建立了平均壓碎力和填料強(qiáng)度之間關(guān)系的簡(jiǎn)單公式。此外，有粘合的填充物與無(wú)粘結(jié)填充物相比，能量吸收性能更強(qiáng)。ManYang[13]提出了一種在B級(jí)汽車(chē)的造型階段將造型和性能設(shè)計(jì)相結(jié)合的新方法，同時(shí)考慮了性能和造型。在該方法中，基于碰撞載荷，從碰撞盒的能量吸收率得出碰撞盒的截面力目標(biāo)。然后得出設(shè)計(jì)參數(shù)。使用這種方法，可以在汽車(chē)開(kāi)發(fā)的早期階段評(píng)估樣式和碰撞性能之間的兼容性。通過(guò)這種方式，您可以優(yōu)化樣式以獲得樣式和碰撞性能的兼容設(shè)計(jì)。最后，B級(jí)車(chē)輛的碰撞結(jié)果證明了該方法的有效性和工程可行性。ShuangWangandDengfengWang[14]研究了汽車(chē)的防撞性能和輕量化設(shè)計(jì)，建立了初始模型，然后對(duì)初始模型進(jìn)行物理測(cè)試以驗(yàn)證模型。然后，使用網(wǎng)格變形技術(shù)的參數(shù)模型用于優(yōu)化和減小最大碰撞力（MCF）并增加比能量吸收（SEA）本文旨在確定評(píng)估吸能碰撞價(jià)值的最佳參數(shù)組合，即SEA和MCF故采用灰色關(guān)聯(lián)分析和主成分分析將GRA和PCA混合使用，將多目標(biāo)模型轉(zhuǎn)換為單個(gè)目標(biāo)模型，并獲得最優(yōu)參數(shù)。最后，將優(yōu)化模型與初始模型進(jìn)行比較，確定所提方法的可行性。可以得結(jié)果可知，該方法將MCF和權(quán)重分別降低到16.7％和29.4％，而將SEA增加到16.4％。同時(shí)，與傳統(tǒng)的NSGA-II方法相比，該方法可將時(shí)間成本降低10.3％。因此他們所提出的方法可以適當(dāng)?shù)貞?yīng)用于碰撞箱的優(yōu)化。綜上所述，在做吸能盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化時(shí)，主要是通過(guò)有限元軟件進(jìn)行碰撞仿真，研究碰撞過(guò)程中吸能盒的吸能特性。故本文采用HperMesh軟件建立有限元模型、進(jìn)行碰撞仿真，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是可以達(dá)到本科畢業(yè)設(shè)計(jì)要求的。1.3本文研究?jī)?nèi)容保險(xiǎn)杠安全系統(tǒng)的主要作用是在低速碰撞的的輕微事故中減輕外界沖擊，通過(guò)自身的壓潰變形將碰撞產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為自身的內(nèi)能，從而減少碰撞事故中汽車(chē)貴重零部件損壞，保險(xiǎn)杠安全系統(tǒng)所發(fā)生的壓潰變形主要發(fā)生在保險(xiǎn)杠以及兩側(cè)的吸能盒。本文主要考慮的是低速碰撞下汽車(chē)吸能盒的吸能特性。而在汽車(chē)碰撞事故中，多發(fā)生小偏置碰撞，故在本文中分別研究了100%偏置碰撞以及40%偏置碰撞下吸能盒的吸能防撞特性。主要研究?jī)?nèi)容如下：首先基于吸能盒利用自身壓潰吸收碰撞能量的原理，利用UG軟件對(duì)初始方案的吸能盒建立三維模型，該模型主要為鈑金件結(jié)構(gòu)，各零件之間使用縫焊進(jìn)行連接；使用HyperMesh選取合適的單元類型和單元尺寸對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立防撞梁-吸能盒的有限元模型；使用OptiStruct求解器完成防撞梁-吸能盒模型的前10階模態(tài)分析，獲得模型結(jié)構(gòu)的約束模態(tài)驗(yàn)證了模型結(jié)構(gòu)的合理性；使用Radioss求解器對(duì)模型進(jìn)行車(chē)速為4.5m/s的碰撞仿真，得到該車(chē)速下100%偏置碰撞以及40%偏置碰撞下吸能盒的吸能效果和碰撞力曲線圖；對(duì)初始方案的吸能盒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增大吸能盒的壁厚并再次進(jìn)行碰撞仿真，將仿真結(jié)果與初始方案的吸能盒仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究碰撞過(guò)程中的峰值碰撞力、總吸能量，同時(shí)對(duì)比不同方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析。

第2章防撞梁三維模型的建立防撞梁-吸能盒模型的三維構(gòu)建是接下來(lái)構(gòu)建有限元模型做模態(tài)分析和碰撞仿真的前提，防撞梁-吸能盒都為鈑金件，方便在碰撞時(shí)發(fā)生壓潰變形吸收碰撞產(chǎn)生的能量。本章主要對(duì)防撞梁和吸能盒的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行簡(jiǎn)要的說(shuō)明，并用UG建立該模型，用于后續(xù)的碰撞仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。2.1某車(chē)型防撞梁整體結(jié)構(gòu)在正常的低速碰撞過(guò)程中，碰撞物都是直接與防撞梁相接觸，然后防撞梁發(fā)生變形對(duì)兩端后的吸能盒施加作用力，所以為了使碰撞仿真更加貼近現(xiàn)實(shí)，故本次碰撞中采用的是防撞梁-吸能盒的模型。防撞梁-吸能盒模型如圖2.1所示，整個(gè)模型由一個(gè)前防撞梁、防撞梁兩端的腳架以及吸能盒5個(gè)零件構(gòu)成，防撞梁長(zhǎng)度初步設(shè)定為1000mm，通過(guò)兩端的腳架與吸能盒相連接，連接方式為縫焊。其中防撞梁的厚度設(shè)定為1.2mm，腳架厚度設(shè)定為1.4mm，吸能盒厚度設(shè)置為1.8mm。圖2.1防撞梁整體模型2.2零件結(jié)構(gòu)說(shuō)明2.2.1吸能盒模型吸能盒是保險(xiǎn)杠安全系統(tǒng)的主要吸能部件，在汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)吸能盒發(fā)生塑性變形從而吸收碰撞所產(chǎn)生的動(dòng)能，所以汽車(chē)吸能盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是重中之重。本文中的吸能盒由兩部分組成，如圖2.2所示，紫色的吸能盒框架直接與前防撞梁以及腳架相焊接框架上從上到下布置了三個(gè)逐漸減小的加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋用于增強(qiáng)吸能盒的強(qiáng)度從而增強(qiáng)吸能盒的吸能特性。綠色殼體部分也設(shè)置了三個(gè)加強(qiáng)筋，殼體與框架焊接在一起并與腳架相焊接殼體和框架連接部位設(shè)置誘導(dǎo)槽，使該部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，誘導(dǎo)吸能盒發(fā)生壓潰變形使吸能盒吸收更多的能量。如圖2.3所示，吸能盒框架上端在碰撞過(guò)程中會(huì)與剛體發(fā)生直接接觸所以上端最先發(fā)生壓潰變形，為了使吸能盒更容易發(fā)生變形，吸能盒框架頂端與側(cè)面之間設(shè)計(jì)為斜面。側(cè)面的三個(gè)加強(qiáng)筋之間有角度，在壓潰時(shí)有誘導(dǎo)變形的作用。如圖2.4所示，吸能盒兩個(gè)殼體斜向上張開(kāi)，在發(fā)生碰撞時(shí)可以減小對(duì)汽車(chē)前縱梁的沖擊力，從而減小對(duì)汽車(chē)重要零件的損壞。圖2.2吸能盒模型圖2.3吸能盒框架圖2.4吸能盒殼體2.2.2前防撞梁模型在汽車(chē)碰撞過(guò)程中，前防撞梁是第一個(gè)與碰撞物相接觸的零件，因此前防撞梁結(jié)構(gòu)的好壞也對(duì)汽車(chē)碰撞過(guò)程中的碰撞動(dòng)能的吸收有著密切的關(guān)系。本文中的設(shè)計(jì)的防撞梁為薄板件，防撞梁中間部分突出，基本屬于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為使其在碰撞過(guò)程中能吸收足夠的碰撞動(dòng)能，其材料要求有足夠的剛度和彈性模量，故采用Q390B低碳鋼，厚度設(shè)置為1.2mm，長(zhǎng)度為1000mm。圖2.5防撞梁模型2.2.3腳架模型腳架是連接防撞梁和吸能盒的重要零件。當(dāng)防撞梁與碰撞剛體相接觸時(shí)，腳架會(huì)將防撞梁收到的沖擊力傳遞給吸能盒，讓吸能盒分擔(dān)一部分沖擊力，也是汽車(chē)前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)中重要的零件之一。圖2.6腳架模型表2.1防撞梁-吸能盒設(shè)計(jì)方案名稱材料厚度/mm防撞梁Q390B低碳鋼1.2吸能盒Q390B低碳鋼1.8腳架Q390B低碳鋼1.42.3連接方式模型連接采用縫焊?？p焊是用一對(duì)滾盤(pán)電極代替點(diǎn)焊的圓柱形電極，與工件作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生一個(gè)個(gè)熔核相互搭疊的密封焊縫的焊接方法?？p焊也屬于電阻焊的范疇之內(nèi)，是一種可以形成永久結(jié)合的金屬工藝焊。本文的縫焊屬性選擇的是鉚釘（rivet），單元類型選擇的是焊接處（weld）。在有限元軟件中焊接效果如圖2.7所示：圖2.7縫焊連接圖2.4本章小結(jié)本章主要根據(jù)汽車(chē)碰撞過(guò)程介紹了本文所用的汽車(chē)防撞梁整體模型和各零件模型的結(jié)構(gòu)。整個(gè)模型都為鈑金件，板件之間通過(guò)焊接連接在一起。

第3章汽車(chē)防撞梁有限元模型的建立與仿真分析有限元仿真能夠通過(guò)仿真軟件對(duì)模型的結(jié)構(gòu)、載荷、材料屬性、連接等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，得到模型結(jié)構(gòu)的受力和變形情況，對(duì)分析材料、結(jié)構(gòu)是否滿足工程要求以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義，并起到一定的指導(dǎo)作用。在進(jìn)行有限元仿真分析時(shí)首先將模型導(dǎo)入HyperMesh軟件中，對(duì)其進(jìn)行前處理，建立防撞梁-吸能盒有限元模型，最終通過(guò)OptiStruct、Radioss分別進(jìn)行模態(tài)分析和碰撞仿真分析。3.1有限元理論基礎(chǔ)本文對(duì)于吸能盒的分析是基于有限元仿真的方法，有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的物理過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、材料加工、航空航天、船舶、石化、汽車(chē)、土木建筑等各個(gè)領(lǐng)域。有限元分析的基本步驟通?？梢苑譃椋呵疤幚?、求解、后處理三個(gè)階段。前處理包括網(wǎng)格劃分、定義單元類型、定義單元的材料屬性、定理單元的幾何屬性（如長(zhǎng)度、面積）、定義單元的邊界條件以及載荷；求解階段主要是利用各種求解器對(duì)建立的有限元仿真模型進(jìn)行計(jì)算求解；后處理階段的任務(wù)是對(duì)求解器計(jì)算出來(lái)的結(jié)果進(jìn)行可視化處理和分析。有限元分為線性有限元和非線性有限元兩類，而非線性有限元又有材料非線性和幾何非線性兩類。在汽車(chē)碰撞過(guò)程中許多零件都發(fā)生了瞬態(tài)大變形和大位移，體現(xiàn)了幾何、材料、接觸等非線性特征，所以目前在處理汽車(chē)碰撞的問(wèn)題上全部都是采用的動(dòng)態(tài)非線性有限元計(jì)算方法。下面主要介紹動(dòng)態(tài)非線性有限元理論的一些基本方程。運(yùn)動(dòng)方程物體的變形過(guò)程實(shí)際可以看成是物體從一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)。而物體是由質(zhì)點(diǎn)組成，因此物體的形態(tài)可以用質(zhì)點(diǎn)之間的位置來(lái)表示。物體運(yùn)動(dòng)示意圖如圖3.1所示：圖3.1物體運(yùn)動(dòng)示意圖在圖3.1中，假設(shè)物體的形狀在t=0時(shí)刻為B,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間t之后變?yōu)榱诵螤頱，與此同時(shí)，我們假設(shè)在t=0時(shí)刻，B內(nèi)某一質(zhì)點(diǎn)x的坐標(biāo)為（X1B,X2B,X3B）,經(jīng)過(guò)時(shí)間t后質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)變?yōu)椋╔1b，X2b,X3b），根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，可以假設(shè)物體的變形與運(yùn)動(dòng)具有連續(xù)性，即在形態(tài)B中的任意一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在b中都有唯一一個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)，因此是由于質(zhì)點(diǎn)位置的變化引起了物體形狀的變化。T時(shí)刻的物體形狀b可以用初始形狀B表示：Xb初始時(shí)刻t=0時(shí)條件為：XbXXb在式中vB表示初速度。有限元離散化方程在對(duì)物體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散處理時(shí)，被劃分的單元內(nèi)的任意坐標(biāo)可以用節(jié)點(diǎn)插值法表示為：xi式中?表示在參數(shù)坐標(biāo)（φ,ω,γ）下的形函數(shù)，m表示節(jié)點(diǎn)的單元數(shù)，xi3.2仿真模型搭建QUOTE過(guò)程防撞梁動(dòng)態(tài)仿真模型的建立是在HyperMesh軟件里進(jìn)行，通過(guò)HyperMesh對(duì)有限元模型定義約束和邊界，設(shè)置初速度，設(shè)置輸出控制卡片并將HyperView軟件里對(duì)模型進(jìn)行后處理。得到吸能盒在碰撞過(guò)程中的碰撞力和吸能量。3.2.1幾何清理及抽取中面檢查導(dǎo)入Hypermesh的幾何模型是否缺失線和面，刪除重復(fù)面和硬點(diǎn)、將自由邊合并。對(duì)模型進(jìn)行拓?fù)湫迯?fù)及優(yōu)化，以獲得更高質(zhì)量的網(wǎng)格。具體步驟是設(shè)置顯示模式，使模型的不同邊界類型用不同顏色的線來(lái)表示，紅色線的代表自由邊，自由邊只能屬于一個(gè)曲面，而一旦在兩個(gè)曲面的相交處出現(xiàn)自由邊則代表兩者之間存在間隙破壞了網(wǎng)格劃分的連續(xù)性，所以需要對(duì)其進(jìn)行幾何清理。黃色代表T型連接邊，表示曲面的邊界被三個(gè)或三個(gè)以上的邊界所共享若在T型交叉以外的地方也存在黃色的T型邊，則表示此處存在重復(fù)面，需要對(duì)其進(jìn)行幾何清理。綠色曲線代表的是共享邊，表示邊界被兩個(gè)曲面所共享，所以若出現(xiàn)在模型的幾何邊緣處，則代表該位置有兩個(gè)曲面，及存在重復(fù)面，需要對(duì)其進(jìn)行幾何修復(fù)。而幾何清理的主要工具是快速編輯（Quickedit）。面板如圖3.2所示。圖3.2quickedit面板在快速編輯Quickedit菜單中toggleedge用于合并兩相鄰邊并實(shí)現(xiàn)自由邊、共享邊、壓縮邊的相互轉(zhuǎn)化，刪除面菜單（deletesurf）可以刪掉重復(fù)面，代替點(diǎn)（replacepoint）用于將一個(gè)邊界代替另一個(gè)邊界。由于汽車(chē)防撞梁結(jié)構(gòu)全都為薄壁鈑金件，故使用抽取其中面的方法在防撞梁中間創(chuàng)建一個(gè)平面以代替其結(jié)構(gòu)可以在上面直接劃分網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)厚度可以直接在屬性里面對(duì)單元進(jìn)行定義。抽取中面在Geom菜單中的中面（midsurface）子菜單中進(jìn)行，如圖3.3所示。圖3.3midsurface面板3.2.2網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是HyperMesh前處理的重要一環(huán)，是進(jìn)行碰撞仿真的基礎(chǔ)，網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響有限元模型的計(jì)算精度，直接決定計(jì)算分析結(jié)果的精確性。網(wǎng)格劃分的疏密也會(huì)決定求解結(jié)果的精確性，網(wǎng)格劃分的越密，求解精度越高，但若網(wǎng)格劃分的過(guò)密，對(duì)求解精度并不會(huì)有顯著的提高，反而會(huì)大大增加求解的時(shí)間，因此，合理選擇網(wǎng)格的密度是尤為必要的。由于防撞梁－吸能盒模型已進(jìn)行抽取中面，可將其看成為二維幾何模型，所以進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)使用的都是2D網(wǎng)格，而碰撞剛體是三維幾何模型所以它的網(wǎng)格劃分則需用到的是3D網(wǎng)格。由于防撞梁－吸能盒模型比較簡(jiǎn)單，網(wǎng)格尺寸（elementsize）設(shè)置為3mm，采用混合網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格時(shí)，盡量從較小的面開(kāi)始，在有螺栓的位置先使用快速編輯（Quickedit）里面的墊圈開(kāi)口（washersplit）功能創(chuàng)建2.5mm的線，然后再這個(gè)面里先劃分網(wǎng)格，在劃分其他位置的網(wǎng)格，由于該模型兩端吸能盒關(guān)于模型中線對(duì)稱，故可在完成一個(gè)吸能盒的網(wǎng)格劃分后使用reflect功能直接對(duì)稱生成另一個(gè)吸能盒，使網(wǎng)格劃分更加簡(jiǎn)便。3D網(wǎng)格劃分的主要對(duì)象是一些三維實(shí)體單元，碰撞剛體為一個(gè)簡(jiǎn)單的六面體但尺寸比較大，故采用的3D網(wǎng)格尺寸為100mm，網(wǎng)格類型為六面體網(wǎng)格。具體做法為現(xiàn)在底面劃分網(wǎng)格尺寸為100mm的2D網(wǎng)格，然后在3D功能菜單中的拉伸（drag）面板中對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行拉伸使之形成3D網(wǎng)格。3.2.3網(wǎng)格檢查與優(yōu)化對(duì)防撞梁－吸能盒模型和碰撞剛體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，需要對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，對(duì)于模型中網(wǎng)格質(zhì)量不合格的網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化，用來(lái)保障碰撞仿真計(jì)算結(jié)果的精確性和可信度。2D網(wǎng)格質(zhì)量檢查的主要內(nèi)容有:翹曲度、長(zhǎng)寬比、扭曲度、弦差、長(zhǎng)度等。網(wǎng)格檢查的參照標(biāo)準(zhǔn)為單元檢查（checkelems）菜單根據(jù)所選網(wǎng)格尺寸設(shè)置。其中翹曲度應(yīng)大于15°，長(zhǎng)寬比大于5，扭曲度大于60°，弦差大于0.1，最小長(zhǎng)度小于1mm，最大長(zhǎng)度大于6mm，最小角小于45°，最大角大于135°。圖3.4checkelems面板在2D菜單里面的質(zhì)量指數(shù)（qualityindex）面板中可以對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格檢查和優(yōu)化，如圖所示，可以得到在理想網(wǎng)格檢查標(biāo)準(zhǔn)下，網(wǎng)格檢查個(gè)參數(shù)的閾值。而在圖中防撞梁－吸能盒模型中網(wǎng)格質(zhì)量在理想標(biāo)準(zhǔn)下的失敗率為零，因此該模型的網(wǎng)格劃分是成功的。而如果網(wǎng)格存在不合格的單元，則需要在清理工具（cleantools）中對(duì)模型網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。重置點(diǎn)（placenode）可以改變網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位置，以此來(lái)優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量，修改孔和墊片（modifyhole&washers）可以改善網(wǎng)格里面的空洞質(zhì)量，切換邊（swapedge）可以互換網(wǎng)格邊界，點(diǎn)優(yōu)化（nodeoptimize）可以自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格借點(diǎn)位置（根據(jù)節(jié)點(diǎn)左側(cè)網(wǎng)格情況），單元優(yōu)化（elementoptimize）可以根據(jù)周?chē)W(wǎng)格自動(dòng)調(diào)整選中的網(wǎng)格，合并三角網(wǎng)格（combinetriaelement）可以將兩個(gè)三角形網(wǎng)格合并為一個(gè)四邊形網(wǎng)格，而分解四邊形網(wǎng)格（splitquadelement）則相反，是將選中的四邊形網(wǎng)格分為兩個(gè)三角形網(wǎng)格。但是網(wǎng)格調(diào)整不可過(guò)多，位置不能過(guò)大，否則就會(huì)使網(wǎng)格與模型之間有較大差距，及相當(dāng)于模型發(fā)生較大形變，使計(jì)算結(jié)果不夠精確。網(wǎng)格優(yōu)化結(jié)果如圖3.5：圖3.5網(wǎng)格質(zhì)量檢查及優(yōu)化后結(jié)果3.2.4材料屬性定義目前國(guó)內(nèi)的大部分的防撞梁和吸能盒材料都選用的低碳鋼，本文也不例外。鋼是目前世界上用途最廣、用量最大的合金。相對(duì)于其他大部分材料，鋼擁有強(qiáng)度高、塑性和韌性好、材質(zhì)均勻、工作可靠性好、結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)便、具有可焊性等優(yōu)點(diǎn)。而汽車(chē)的大部分結(jié)構(gòu)都用的鋼材料，如車(chē)架、車(chē)門(mén)、底盤(pán)等等。在本文中選擇的防撞梁和吸能盒的材料都為Q390B低碳鋼。密度為7.9e-9彈性模量為210000，泊松比為0.3，屈服極限為400Mpa。汽車(chē)上不同的零件對(duì)材料的屬性有不同的要求。對(duì)計(jì)算結(jié)果有著重要影響。在Hypermesh的模型瀏覽器中創(chuàng)建材料選項(xiàng)卡，輸入材料名稱和材料的密度、泊松比、彈性模量和屈服極限，在cardimage中選擇材料屬性為M2_PLAS_JONHS，Type選擇PLAS_JONHS，并將材料與屬性和零部件相關(guān)聯(lián)。3.2.5連接關(guān)系處理汽車(chē)模型連接方式有很多種，如點(diǎn)焊、縫焊、鉸接、螺栓連接、鉚接等等。而在本次的防撞梁、吸能盒模型使用的連接方式為縫焊。縫焊連接的建立是在1D菜單欄選擇連接（conector）中的縫焊（seam），網(wǎng)格類型選擇焊接處（weld），尺寸設(shè)置為3mm，在需要焊接的位置選擇網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行縫焊連接。如圖3.6和圖3.7所示：圖3.6縫焊連接創(chuàng)建面板圖3.7縫焊連接3.2.6接觸設(shè)置本文中的防撞梁-吸能盒模型是由幾個(gè)零件經(jīng)縫焊連接在一起，相鄰零件之間需要進(jìn)行接觸設(shè)置以防止零件相互之間發(fā)生穿透。在模型瀏覽器中創(chuàng)建connect分別定義防撞梁-吸能盒模型本身的自接觸和碰撞剛體與防撞梁-吸能盒模型的接觸。Master選擇接觸剛度和網(wǎng)格尺寸更大的一方，slave選擇彈性更強(qiáng)、網(wǎng)格尺寸更小的一方。3.3防撞梁模態(tài)分析模態(tài)分析主要用于分析模型的振動(dòng)特性以及為模型的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。模態(tài)是物體的固有屬性，每一個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)著一個(gè)特定頻率，該頻率只與結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量分布、剛度和阻尼有關(guān)，當(dāng)外部激振頻率與結(jié)構(gòu)的某一階頻率較為接近時(shí)，結(jié)構(gòu)將發(fā)生共振，會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生破壞，模態(tài)分析可以求解出結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的各階頻率，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，避免結(jié)構(gòu)在使用中發(fā)生共振。本文分析防撞梁-吸能盒的約束模態(tài)，對(duì)其10階模態(tài)進(jìn)行分析。模態(tài)分析使用的是HyperWork軟件自帶的OptiStruct求解器。首先在load

Collector面板中創(chuàng)建一個(gè)載荷集，card

image選擇EIGRL，本文提取的模態(tài)階數(shù)設(shè)置為10；然后再創(chuàng)建另一個(gè)載荷集并對(duì)吸能盒后端建立全約束關(guān)聯(lián)在此載荷集上；在loadstep面板中定義模態(tài)分析載荷步，type設(shè)定為normal_modes；最后定義輸出的文件格式輸出文件并在Hyper

view中運(yùn)行分析并查看結(jié)果。模態(tài)分析結(jié)果如圖3.8所示：(a)第一階振型(b)第二階振型(c)第三階振型(d)第四階振型(e)第五階振型(f)第六階振型圖3.8防撞梁1-6模態(tài)分析結(jié)果由圖可知：該模型沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重變形，結(jié)構(gòu)合理。一階模態(tài)的最大振幅為52.29mm，頻率為166.9Hz滿足結(jié)構(gòu)要求，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)固。3.4本章小結(jié)本章的主要內(nèi)容是基于HyperMesh軟件建立汽車(chē)吸能盒的有限元模型，利用OptiStruct求解器對(duì)底盤(pán)完成了模態(tài)分析，驗(yàn)證了防撞梁-吸能盒模型結(jié)構(gòu)的合理性。

第4章防撞梁碰撞仿真防撞梁動(dòng)態(tài)仿真模型的建立是在HyperMesh軟件里進(jìn)行，通過(guò)HyperMesh對(duì)有限元模型定義約束和邊界，設(shè)置初速度，設(shè)置輸出控制卡片并將HyperView軟件里對(duì)模型進(jìn)行后處理。得到吸能盒在碰撞過(guò)程中的碰撞力和吸能量。4.1防撞梁動(dòng)態(tài)仿真模型的建立4.1.1碰撞剛體的建立本文中的碰撞仿真采用的方式是約束防撞梁的空間位置不變，給一個(gè)剛體賦予初速度使之撞向防撞梁。在UG中建立一個(gè)剛體模型并將之導(dǎo)入HyperMesh，材料模型采用M1模型，密度設(shè)置為3kg/m3，質(zhì)量為600kg，單元屬性設(shè)置為實(shí)體單元（solid），剛體位置防撞梁模型正前方3mm處。4.1.2邊界約束設(shè)置在本次正面碰撞仿真中，需要對(duì)剛體和防撞梁模型邊界施加約束。對(duì)防撞梁-吸能盒模型的后端與整車(chē)連接部位施加全約束，剛體施加除x方向以外的所有約束。在模型瀏覽器中創(chuàng)建1個(gè)點(diǎn)集set1，Cardimage設(shè)置為節(jié)點(diǎn)（GRNOD）,將需要約束的點(diǎn)選中如圖4.1所示。創(chuàng)建1個(gè)載荷loadcollectors，約束模型的六個(gè)自由度，選擇cardimage為固定約束（BCS_Collector），Grnod_id選中前面創(chuàng)建的點(diǎn)集set1并進(jìn)行約束，操作面板如圖4.2所示。圖4.1防撞梁模型約束位置圖4.2Spccollectors創(chuàng)建面板碰撞剛體同樣也是首先創(chuàng)建一個(gè)點(diǎn)集set2，設(shè)置面板如圖4.3所示，Cardimage設(shè)置為節(jié)點(diǎn)（GRNOD）,EntityIDs選中模型中的碰撞剛體組件。然后創(chuàng)建一個(gè)loadcollectors如圖4.4所示，選擇cardimage為固定約束（BCS_Collector），約束除x軸方向的所有自由度，使碰撞剛體只能沿著x軸方向運(yùn)動(dòng)。Grnod_id選為剛剛創(chuàng)建的set2。圖4.3set創(chuàng)建面板圖4.4碰撞剛體約束面板4.1.3初速度設(shè)置在碰撞仿真中，需要對(duì)剛體模型施加初始速度。本文給剛體施加的初始速度為4500mm/s，具體通BC'manager頁(yè)面的selecttype中選擇初速度（initialvelocity）進(jìn)行設(shè)置，grnod選為part，Vx，Vy，Vz分別代表三個(gè)方向的速度本次仿真設(shè)置Vx為4500。4.5初速度創(chuàng)建面板4.1.4輸出控制設(shè)置在完成防撞梁－吸能盒模型建立和約束設(shè)置和加載后，為了順利輸出計(jì)算數(shù)據(jù)且方便讀取，我們還需要對(duì)模型進(jìn)行輸出設(shè)置，在瀏覽器中創(chuàng)建輸出卡片，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.2ms，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為80ms。碰撞仿真過(guò)程中幾個(gè)時(shí)刻變形圖如圖4.6所示：（a）1.2ms吸能盒變形圖（b）20ms吸能盒變形圖（c）40ms吸能盒變形圖（d）50ms吸能盒變形圖70ms吸能盒變形圖圖4.6各時(shí)刻吸能盒變形圖由圖可知防撞梁在1.2ms開(kāi)始接觸碰撞剛體，發(fā)生變形，在20ms左右吸能盒開(kāi)始接觸碰撞剛體，變形逐漸加大，40ms左右吸能盒發(fā)生嚴(yán)重變形，50ms左右吸能盒變形達(dá)到極致，70ms碰撞剛體發(fā)生回彈。4.2防撞梁碰撞分析本次研究分別進(jìn)行了同等條件即吸能盒材料約束都相同的條件下4.5m/s初速度下的100%偏置的正面碰撞和40%偏置的碰撞，分析吸能盒對(duì)不同偏置碰撞的吸能效果。4.2.1碰撞過(guò)程中的碰撞力分析在碰撞發(fā)生時(shí)，吸能盒會(huì)以自身的壓潰來(lái)吸收碰撞的動(dòng)能緩和碰撞力，所以吸能盒需要滿足低速碰撞下的最大碰撞力要求，過(guò)大的碰撞力會(huì)使車(chē)身車(chē)架等重要零部件產(chǎn)生損壞。因此吸能盒的峰值碰撞力是評(píng)價(jià)吸能盒優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。圖4.7100%偏置碰撞吸能盒碰撞力圖4.840%偏置碰撞吸能盒碰撞力如圖所示吸能盒的薄壁結(jié)構(gòu)使之在碰撞力的作用下發(fā)生壓潰變形并很快達(dá)到碰撞力峰值，100%偏置碰撞的碰撞力峰值為10.813kN而40%偏置碰撞的碰撞力峰值為10.934kN，可見(jiàn)在峰值碰撞力方面40%偏置碰撞下的吸能盒的效果比100%偏置碰撞下的差。4.2.2防撞梁碰撞過(guò)程中的吸能情況分析吸能盒在碰撞過(guò)程中發(fā)生壓潰來(lái)吸收碰撞的動(dòng)能，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為自身的內(nèi)能以此來(lái)吸收能量，保證汽車(chē)重要零部件不收損壞及成員安全，因此研究吸能盒對(duì)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化效果也是評(píng)價(jià)吸能盒吸能效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)。圖4.9100%偏置碰撞吸能盒能量變化圖4.1040%偏置碰撞吸能盒能量變化如圖4.9和4.10所示100%偏置碰撞產(chǎn)生的動(dòng)能為3800J，經(jīng)過(guò)50ms后基本全部轉(zhuǎn)化為吸能盒的內(nèi)能，而40%偏置碰撞產(chǎn)生同樣動(dòng)能的情況下，卻要經(jīng)過(guò)68ms才能完全吸收動(dòng)能，由此可見(jiàn)，在吸能盒對(duì)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化效果上來(lái)看，40%偏置碰撞過(guò)程的吸能效果相較于100%偏置碰撞要差一些。4.3吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)吸能盒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化有很多種方式，其中最常見(jiàn)的就是通過(guò)添加誘導(dǎo)槽，還有改變吸能盒形狀為折紙結(jié)構(gòu)、多胞結(jié)構(gòu)、和多邊形結(jié)構(gòu)、牛角宏觀微觀結(jié)構(gòu)還有日字形結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。吸能盒的吸能特性與吸能盒的結(jié)構(gòu)有著至關(guān)重要的關(guān)系，而吸能盒的厚度也是影響吸能盒吸能特性的一個(gè)重要因素，本文中便是通過(guò)改變汽車(chē)吸能盒的板材厚度來(lái)對(duì)汽車(chē)吸能盒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在原模型中吸能盒的板材厚度為1.8mm，本文設(shè)計(jì)增加吸能盒板材厚度到2mm，研究2mm厚度吸能盒的吸能特性。4.3.1汽車(chē)吸能盒優(yōu)化后動(dòng)力學(xué)分析100%偏置碰撞優(yōu)化前后的碰撞力分析如下圖所示：圖4.11100%偏置碰撞吸能盒優(yōu)化前后碰撞力由圖4.11分析可知碰撞力主要有前后兩個(gè)峰值，優(yōu)化前吸能盒的最大碰撞力為10.813kN,優(yōu)化后的最大碰撞力為11.511kN，峰值碰撞力比優(yōu)化前增大了3.6%，在碰撞力方面對(duì)吸能盒的吸能效果改變不大。40%偏置碰撞吸能盒優(yōu)化前后的碰撞力分析如下圖所示：圖4.1240%偏置碰撞吸能盒優(yōu)化前后碰撞力由圖4.12分析可知，優(yōu)化前吸能盒峰值碰撞力為10.934kN，而優(yōu)化后的吸能盒峰值碰撞力為12.406kN，相比優(yōu)化前增加了13%，在碰撞力方面對(duì)吸能盒的吸能效果改變不大。4.3.2汽車(chē)吸能盒優(yōu)化后的吸能分析圖4.13100%偏置碰撞吸能盒優(yōu)化前后吸能由圖4.13可知100%偏置碰撞工況下優(yōu)化后吸能盒的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的效果比優(yōu)化前要好一些，優(yōu)化后的吸能盒在40ms的時(shí)候基本完成動(dòng)能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，而優(yōu)化前的吸能盒到50ms左右才完成動(dòng)能與內(nèi)能的轉(zhuǎn)化。圖4.1440%偏置碰撞吸能盒優(yōu)化前后吸能由圖4.14可知40%偏置碰撞工況下優(yōu)化后吸能盒的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的效果比優(yōu)化前要好，優(yōu)化后的吸能盒在內(nèi)能的增加速度要比優(yōu)化前的內(nèi)能增加速度要快，吸能效果明顯更好。4.4本章小結(jié)本章的主要內(nèi)容是建立吸能盒動(dòng)態(tài)碰撞模型，并通過(guò)Radioss求后處理得到優(yōu)化前后吸能盒模型防撞特性參數(shù)，對(duì)其在低速碰撞工況下的碰撞力、吸能量變化等情況進(jìn)行對(duì)比研究，得出吸能盒經(jīng)優(yōu)化后吸能防撞特性得到提升的結(jié)論。

第5章結(jié)論與展望5.1結(jié)論本文完成了汽車(chē)防撞性吸能盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，對(duì)吸能盒模型進(jìn)行了有限元仿真分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化過(guò)后吸能效果更好的吸能盒結(jié)構(gòu)。首先基于UG軟件建立吸能盒的三維模型，再將模型導(dǎo)入HyperWork中進(jìn)行前處理，建立汽車(chē)吸能盒的有限元模型，再利用OptiStruct求解器進(jìn)行模態(tài)分析求解，并利用Radioss求解器對(duì)吸能盒模型進(jìn)行碰撞仿真分析求解，最后利用HyperView后處理軟件對(duì)碰撞仿真結(jié)果進(jìn)行處理，對(duì)比優(yōu)化前后的吸能盒吸能特性，得出增加壁厚之后吸能盒在碰撞時(shí)的峰值碰撞力相較于優(yōu)化前略有增大，但幅度不大，對(duì)吸能盒的吸能效果影響不大，但增加壁厚之后的吸能效果要比優(yōu)化前的吸能效果要好。主要工作如下：利用HyperWorks軟件建立了防撞梁-吸能盒的有限元模型，包括單元尺寸及類型的選擇、零部件連接關(guān)系的處理和網(wǎng)格的劃分。防撞梁-吸能盒的有限元模型的建立，為后文的仿真分析奠定了良好的基礎(chǔ)。利用OptiStruct求解器完成了底盤(pán)的前10階模態(tài)分析，分析結(jié)果表明，防撞梁-吸能盒的模態(tài)頻率滿足要求。利用Radioss求解器完成吸能盒的的碰撞仿真分析，并基于碰撞仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行對(duì)吸能盒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對(duì)優(yōu)化后的吸能盒結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果表明，增加壁厚之后吸能盒在碰撞時(shí)的峰值碰撞力相較于優(yōu)化前略有增大，但幅度不大，對(duì)吸能盒的吸能效果影響不大，但增加壁厚之后的吸能效果要比優(yōu)化前的吸能效果要好。5.2展望本次畢業(yè)設(shè)計(jì)完成了對(duì)汽車(chē)吸能盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，雖然對(duì)吸能盒的結(jié)構(gòu)進(jìn)