汽車防撞梁輕量化設(shè)計研究的國內(nèi)外文獻綜述1.1汽車碰撞安全性相關(guān)研究歐美等發(fā)達國家率先開展了汽車碰撞安全方面的研究，通過深入研究和實踐總結(jié)，各國均制定了相應(yīng)的安全法規(guī)體系。如：歐盟的E-NCAP、ECE，美國的US-NCAP、IIHSF等，早期的安全法規(guī)具有明顯的強制性，是國家強制實施的法規(guī)制度，對民眾的購車需求形成顯著影響，但在后期實踐中不斷改進完善，并成為汽車工業(yè)廣泛認可的標準。自20世紀60年代開始，美國便運用有限元深入分析汽車碰撞問題，由于當(dāng)時計算機技術(shù)較為落后，無法對汽車有限元模型單元數(shù)進行精準分析。隨著科技的發(fā)展，計算機硬件技術(shù)也取得了質(zhì)的飛躍，計算機仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車碰撞研究，有限元模型單元可增加至數(shù)百萬個，大幅提升了碰撞仿真的可信性和精確度，研究人員可由此預(yù)測汽車碰撞時的薄弱之處，并在實車試驗前進行針對性改進和提升。計算機仿真技術(shù)以其廣泛應(yīng)用性受到各領(lǐng)域的“追捧”，由此得到迅速發(fā)展，碰撞仿真軟件也在不斷研究實踐中噴涌而現(xiàn)，最受業(yè)界認可并廣泛應(yīng)用的軟件有PAM-CRASH、MADYMO及RADIOSS等，通過廣泛應(yīng)用，這些軟件的性能也得到極大提升，特別在算法方面取得極大進步，在各方面發(fā)揮著日益重要的作用，實踐證明，這些軟件的實踐應(yīng)用，有利于設(shè)計研發(fā)更具安全性的車身結(jié)構(gòu)，有利于采取更有效的乘員保護措施，有利于對人體生物力學(xué)實施科學(xué)高效分析，促進了產(chǎn)品周轉(zhuǎn)率的那是肯定的提高，有利于企業(yè)對研發(fā)成本的管控。隨著研究的不斷深入，西方國家在汽車碰撞領(lǐng)域也取得了日益豐碩的理論成果，并且在實踐中取得了較高的技術(shù)水平，規(guī)模質(zhì)量均有較大進步，他們在研究實踐中也形成了較為專業(yè)成熟的測試手段，特別是在汽車安全及車身安全裝置方面，均率先提出了極具實效性的測試方法。很多汽車制造商及研究機構(gòu)通過汽車碰撞安全研究，取得了較為豐碩的研究成果。如，Yamazaki等人深入分析了壓潰載荷下吸能裝置的耐撞性問題，運用響應(yīng)面法，是這樣說的，具體探究了提升車身結(jié)構(gòu)耐創(chuàng)性問題，從全局視角提出了最優(yōu)化解決方案；L.Castejon等人分析了正面撞擊時汽車保險杠的作用，探究了縱梁等相關(guān)部件的受撞表現(xiàn)，提出了優(yōu)化這些部件設(shè)計的意見和建議；Tyan和Casselle對汽車正面碰撞時前縱梁和誘導(dǎo)槽的關(guān)系進行了研究，明確了前者的變形形式，指出了其吸能特性，同時闡述了這種形式和特性與誘導(dǎo)槽構(gòu)成之間的關(guān)系；T.Zeguer等人模擬研究了汽車側(cè)面碰撞，并對LS-DYNA下側(cè)面安全氣囊系統(tǒng)進行了分析和創(chuàng)新，并及時將研究成果轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)制造。當(dāng)前，發(fā)達國家日益重視主被動安全技術(shù)的綜合應(yīng)用，將車輛和被撞行人的安全也納入研究范圍。我國從20世紀80年代開始，重視并加強汽車碰撞安全領(lǐng)域的研究，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，我國汽車研究技術(shù)也取得了長足進步。如：在自主創(chuàng)新基礎(chǔ)上，然后引進與吸收，科研手段持續(xù)提高；研究規(guī)模和質(zhì)量取得突破性進展；有限元仿真技術(shù)達到世界先進水平，極大推了我國汽車碰撞領(lǐng)域的研究水平。此外，我國針對汽車碰撞安全問題也出臺了相應(yīng)的保護標準，為成員安全保護提供了國家標準和強制措施，有力促進了我國汽車被動安全研究的良好發(fā)展。最近幾年，我國汽車企業(yè)及科研機構(gòu)加大了汽車碰撞安全性研究，取得了有豐碩的成果。如：劉海江等深入研究了汽車保險杠在低速碰撞形式下的耐撞性問題。通過對SMC材料的實踐應(yīng)用，分析了保險杠輕量化設(shè)計問題；清華大學(xué)等高校以高速碰撞形式為前提，對安全帶的保護作用進行了研究；劉中華等分析了汽車前縱梁在受到碰撞時所產(chǎn)生的變形形式，并對其耐撞性實施了深度研究；侯飛等人通過汽車側(cè)面碰撞仿真研究，明確了各種類型汽車防撞梁的耐撞性，在分析比較后提出優(yōu)化設(shè)計?？傮w來說，在汽車企業(yè)和研究院所的共同努力下，我國已經(jīng)在汽車碰撞安全性研究方面取得了突破性進展，形成了較為前沿的研究技術(shù)，積累了豐富成熟的實踐經(jīng)驗，隨著研究的深入推進，以及國內(nèi)外行業(yè)交流的日益頻繁，我國必將在汽車被動安全性研究方面不斷與世界接軌，并通過自主創(chuàng)新，展現(xiàn)自身獨特優(yōu)勢。1.2汽車輕量化相關(guān)研究無論是何種類型的汽車，車身自重都會顯著影響到其動力性能，同時對整車的制動性能等均會產(chǎn)生重大影響。在新的時代條件下，人們對汽車各方面性能提出了越來越高的要求，特別是在節(jié)能、安全、環(huán)保等方面，要求汽車具備更加輕便環(huán)保和科學(xué)安全的特質(zhì)，日益受到汽車工業(yè)領(lǐng)域的重視，為該領(lǐng)域研究的主要方向。從當(dāng)前時間來看，主要是通過汽車輕量化設(shè)計和應(yīng)用，實現(xiàn)人們的各項要求。而輕量化設(shè)計和應(yīng)用的主要實現(xiàn)途徑有：（1）對整車尺寸進行優(yōu)化縮減，努力實現(xiàn)車身零件的輕薄化；（2）利用更為先進的輕量化材料；（3）不斷改進工藝、技術(shù)，促進零件設(shè)計和制造的優(yōu)化，不斷提高零件整體化水平；（4）不斷改進車身空間組合，提高整車的行駛載荷和沖擊載荷。實踐中常用的輕量化材料有：鋁合金、高強度鋼、新型塑料等，通過這些新材料的應(yīng)用，實現(xiàn)對傳統(tǒng)材料的替換和更新，不斷助推整車輕量化發(fā)展，體現(xiàn)出輕量化材料的獨特優(yōu)勢所在，通過將這些材料應(yīng)用于車身部件研究，可以實現(xiàn)對車身部件的優(yōu)化設(shè)計，促進部件重量的減輕、質(zhì)量的提高和性能的優(yōu)化，有利于整車輕量化的不斷提升。在前防撞鋼梁研究方面，李繼川等深入研究了兩弧半徑在提高耐撞性方面的作用，認為在合理范圍內(nèi)適當(dāng)擴展半徑，可使保險杠增長其安全距離，有利于提高其吸能性。盧曉薇等用鋁合金材料設(shè)計制造了一種中空、薄壁的保險杠總成，并在其中使用了加強筋設(shè)計，這種保險杠總成比傳統(tǒng)模型更輕，其重量只有傳統(tǒng)模型的60.2%，通過碰撞安全性測試，證明了鋁合金材料的優(yōu)越性能，以及這種類型保險杠的獨特優(yōu)勢。徐中明等通過對保險結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，采用鋁合金材料制造出“日”結(jié)構(gòu)的防撞梁，通過對這種防撞梁的三點靜壓測試，發(fā)現(xiàn)其重量僅有傳統(tǒng)保險杠的保險杠61.6%，對于碰撞能量的吸收力則提升了11.1%，顯著提升了整車的節(jié)能安全標準。曹立波等出于保護行人安全和提高車輛耐撞性目的，改進了防撞橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并采用了鋁合金材料，實踐證明，通過優(yōu)化有力提升了耐撞性，并提高了對行人的保護力，從而實現(xiàn)了優(yōu)化目的。葉平等創(chuàng)新設(shè)計了一款“口”型截面結(jié)構(gòu)的防撞橫梁，并與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)橫梁進行了比較，發(fā)現(xiàn)新型橫梁不僅具有更優(yōu)良的耐撞表現(xiàn)，并且在重量方面僅為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)橫梁的90%。程秀生等人對前保險杠普遍存在容易斷裂、變形過大的問題進行了研究，建議通過抗彎性優(yōu)化設(shè)計和選用新材料的方式，進行優(yōu)化改進。JavadMarzbanrad等引入ECE-R42法規(guī)標準，仿真比較了SMC、鋁合金及GMT三種材料的保險杠性能，指出：SMC材料的保險杠有利于應(yīng)力的合理分散，并具有更強的耐創(chuàng)性和抗彎性。NiyaziTanlak等優(yōu)化設(shè)計了保險杠的橫斷面，以更好的應(yīng)對高速沖擊帶來的撞擊和損傷，測試證明這種優(yōu)化設(shè)計發(fā)揮了顯著作用。Stuartbrown針對IIHS工況，運用DFSS法優(yōu)化設(shè)計了防撞橫梁，測試證明，有力提升了保險杠的剛度，有效減緩了入侵度。在吸能盒研究方面，楊永生等通過仿真設(shè)計并結(jié)合經(jīng)驗，為某款型進口車優(yōu)化設(shè)計了吸能盒誘導(dǎo)槽，通過對數(shù)量和位置的全新設(shè)計，不僅有力減緩了最大碰撞力所造成的損害，而且更有利于吸收撞擊能量；孫成智通過對算法的改進，實現(xiàn)了序列相應(yīng)面法和有限元仿真的有機結(jié)合，通過對車身空間的優(yōu)化設(shè)計，有效減小了吸能盒體積和所占空間。米林深入研究了不同類型鋁合金吸能盒在碰撞中的吸能特性問題，分別選取了5種單腔型和4種多腔型吸能盒進行了分析對比，指出了吸能性分別與壁厚和橫截面之間的關(guān)系。認為八邊橫截面的單腔吸能盒具備最佳的吸能特性，多腔結(jié)構(gòu)更有利于提高吸能特性；同時，通過合理增加壁厚的方式，可以有效提升吸能盒的吸能特性。萬鑫銘等人認為，與鋼質(zhì)吸能盒相比，使用鋁合金材料不僅能夠大幅減輕吸能盒重量，而有利于提升其強度。HwanHak優(yōu)化設(shè)計了吸能盒斷面，實現(xiàn)了其空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，得出了全面評價吸能盒性能的相關(guān)參數(shù)。Ravikiran通過運用能量分配法研究了吸能盒的性能，認為通過對吸能盒變形模式的控制，可以有效提升其吸能量，有利于分散撞擊力，在撞擊時能夠保持較為完整的形態(tài)，通過對不同橫截面吸能盒的對比發(fā)現(xiàn)，十二邊形吸能盒表現(xiàn)出較強的綜合優(yōu)勢。WayneMaddeve指出，在吸能盒中添入泡沫鋁，既能夠減輕自身重量，還能提升吸能特性，是一種良好的輕量化實現(xiàn)路徑。Aghansen認為，填入泡沫鋁后，吸能盒可以提升10%的平均力，通過運用Ls-Dyna模擬了其變形過程，指出通過這種方式改進后的保險杠，能夠經(jīng)受更強的沖擊力。1.3國內(nèi)外研究總結(jié)分析目前，針對前防撞梁輕量化等車身子結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法有兩種，一種是借助有限元方法，利用CAE分析軟件仿真模擬零部件的變形過程，快速獲取零部件的吸能量等性能指標以驗證是否滿足整車要求。另一種是利用現(xiàn)有的成熟理論公式，包括彎曲、壓潰、扭轉(zhuǎn)等多種變形模式，這些理論公式經(jīng)過多次的修正，已經(jīng)能夠精確的表示結(jié)構(gòu)性能與材料屬性、截面屬性之間的關(guān)系，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了指導(dǎo)。這兩種方法的應(yīng)用大大縮短了結(jié)構(gòu)設(shè)計的周期。近年來，前防撞梁輕量化的研究大多從以下幾個方面進行：對前防撞梁總成結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化；基于行人保護的前防撞梁總成設(shè)計研究；前防撞梁總成的輕量化設(shè)計。汽車前防撞梁總成的輕量化設(shè)計主要分為兩個途徑：結(jié)構(gòu)改進，如改進橫梁弧度，截面形狀，加強筋的分布，或使防撞梁薄壁化、中空化來達到輕量化的目的；在保證碰撞安全性能的同時使用輕量化的金屬、非金屬材料替代原防撞梁總成的材料，即通過材料替換達到輕量化的效果：其中，對于前防撞橫梁，有學(xué)者分析了保險杠中部的兩弧半徑對其耐撞性能的影響，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，弧半徑的增大可以延長保險杠的安全距離，增加其吸能量。也有學(xué)者優(yōu)化設(shè)計出一種薄壁、中空帶加強筋的鋁合金保險杠總成，其相比于原橫梁模型減輕，通過剛性墻碰撞和偏置擺錘打擊仿真驗證了錯合金防撞梁的性能較優(yōu)。也有采用材料替換和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法設(shè)計出“日”字形鋁合金防撞梁，通過三點靜壓試驗對比分析，提升鋁合金防撞梁減重效果達，且提高靜壓支反力峰值。而本文在綜述整合國內(nèi)外汽車碰撞安全領(lǐng)域及車用碳纖維材料領(lǐng)域研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，利用VPG軟件完成碰撞模型的建立，以LS-DYNA軟件為仿真平臺，對低速碰撞下防撞梁的耐撞性及變形過程進行了仿真和詳細分析，提出一款由雙層防撞梁和吸能盒組成的保險杠結(jié)構(gòu)。通過建立整車碰撞仿真模型，對比高速碰撞下整車在優(yōu)化前后耐撞性的差異。參考文獻[1]莊百亮,單忠德,姜超,等.汽車防撞梁超高強鋼熱成形工藝研究[J].中國機械工程,2012,23(2):225-228.[2]吉宏選,陳文琳,牛彤.汽車防撞梁外板沖壓工藝設(shè)計[J].精密成形工程,2016,8(3):57-60.[3]楊鄂川,鄧國紅,歐健,等.基于綜合平衡法的汽車防撞梁沖壓工藝研究[J].熱加工工藝,2014(11):114-117.[4]宋海.泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)汽車車門防撞梁研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué),2012.[5]陳有松,孫萬朋,安超群,等.基于低速正碰的吸能盒式防撞梁吸能特性研究[J].現(xiàn)代制造工程,2018(3).[6]高學(xué)亮,岳曉峰,張浩等.汽車防撞梁焊接夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機械工程師,2012(11):58-60.[7]李可.汽車防撞梁的結(jié)構(gòu)強度分析及優(yōu)化[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2013(12):133-133.[8]夏磊,江浩斌.基于剛度匹配的汽車保險杠防撞梁改進設(shè)計[J].工程設(shè)計學(xué)報,2015(1):84-88.[9]于英華,徐暢,阮德靈,等.泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)汽車車門防撞梁仿真[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014(12):1698-1701.[10]邵瑞影,逯振國,鐘佩思.汽車前保險杠防撞梁拉深成形過程仿真分析[J].鍛壓技術(shù),2014,39(6):41-44.[11]徐平,王馨甜,宋海.泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)汽車車門防撞梁側(cè)碰安全性仿真研究[J].機械設(shè)計,2015(5):67-70.[12]周春榮,項勝前,劉靜安,等.汽車用鋁合金防撞梁型材的研制與應(yīng)用[J].輕合金加工技術(shù),2017,45(8):50-53.[13]張海洋,莫富灝,肖志,等.纖維增強復(fù)合材料汽車保險杠防撞梁的輕量化研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2017(10):34-40.[14]華琰,徐晶,陳新文,等.汽車車門防撞梁結(jié)構(gòu)改進與安全性分析[J].機械工程與自動化,2017(6):1-2.[15]龍奇敏,周春榮,項向前,等.高性能抗沖擊汽車鋁合金防撞梁型材的研制與應(yīng)用[J].鋁加工,2018(1):20-24.[16]宋小寧,錢鈞,王耘,等.淺談汽車鋁合金防撞梁設(shè)計應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2017(32):131-131.[17]楊琳,張艷.對汽車前門防撞梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的分析[J].河南科技,2013(16):73-74.[18]孫會偉,張向超,劉志法,等.汽車偏置碰撞中前防撞梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].汽車工程師,2017(6):34-37.[19]包小茹.汽車后防撞梁用金屬應(yīng)變率對碰撞仿真結(jié)果影響研究[J].世界有色金屬,2016(13).[20]胡鄧平,趙利平,伍先明,等.基于Moldflow的汽車前置薄壁防撞梁注塑工藝研究及模具設(shè)計[J].湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2016,29(5):109-112.[21]姜旭.基于SolidWorksSimulation的轎車后防撞梁強度非線性分析[J].汽車實用技術(shù),2019,282(03):62-64.[22]徐凱,寇宏濱,汪霞,等.玻璃纖維增強塑料防撞梁的低速碰撞性能研究[J].上海汽車,2014(11):10-13.[23]張道理,韓高青.車用新型鋁合金后防撞梁的制備與研究[C]//2016中國汽車工程學(xué)會年會論文集.2016.[24]郭怡暉,馬鳴圖,張宜生,等.前防撞梁零件的熱成形試制研究[J].中國工程科學(xué),2014,16(1):76-80.[25]ZouT,ZhangJ,JianP,etal.TheStructureModalAnalysisandEngineeringApplicationofthePassengerCarDriver’sSeatSystem[M]//ProceedingsofSAE-ChinaCongress2015:SelectedPapers.2016.[26]NawaysehN.Effectoftheseatingconditiononthetransmissionofvibrationthroughtheseatpanandbackrest[J].InternationalJournalofIndustrialErgonomics,2015,45:82-90.[27]MansfieldN,SammondsG,NguyenL.Driverdiscomfortinvehicleseats–Effectofchangingroadconditionsandseatfoamcomposition[J].AppliedErgonomics,2015,50:153-159.[28]TaoQ,KangJ,SunW,etal.DigitalEvaluationofSittingPostureComfortinHuman-vehicleSystemunderIndustry4.0Framework[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering,2016,29(6):1096-1103.[29]SacherN,FrayneRJ,DickeyJP.Investigatingcervicalmuscleresponseandheadkinematicsdur