A00电动轿车车头3D设计及碰撞分析论文修正5毕业设计.docx
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A00电动轿车车头3D设计及碰撞分析论文修正5毕业设计
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摘要
随着汽车保有量的增长,道路交通事故己经成为世界性的一大社会难题。
每年有大量的人因交通事故死亡,交通事故带来的损失日益剧增,研究汽车的碰撞安全性能,提高其耐撞性成为各国汽车行业研究的重要课题。
本文为了改进某一整车的前碰撞性能,应用计算机仿真技术对该车的前碰吸能部件进行了碰撞仿真改进研究。
设计车头3D数模,并根据其各吸能区计算断面结构,由改进前的整车有限元模型碰撞仿真计算结果与改进后的实车碰撞试验结果的对比表明,部件的碰撞仿真设计是确保设计车辆具有良好碰撞性能的一种重要的方法和手段。
关键词:
车头模型、断面结构、计算机仿真
Abstract
Withtheincreasingofcaramount,trafficaccidenttheworld.Manypeopleannuallydiedinthetrafficaccident,trafficaccidentgivesthelifeandpropertysafetyofpeoplebringseriousofdisaster.Butnowbecausethelossofaccidentincreasegreatly,thestudyofcarcrashsafetyperformanceattractstheincreasingattentionofaconsequenceofcarcompanyinthewholeworld.
Inordertoimproveapassengercar'scrashworthiness,acomputersimulationwasdoneinthispapertostudythecrashcharacteristicsoftheenergyabsorbingfrontendofacar.3Ddigital-analogdesignfront,andareasaccordingtotheircalculationoftheabsorptioncrosssectionstructure.Theresultsshowedthatthemethodofthecrashsimulationwasafeasiblewaytoensureanewdesignedcarstructure、ComputerSimulation
第一章绪论5
1.1.课题背景5
1.2.研究的目的和意义6
1.3.汽车碰撞法规的现状及发展趋势6
1.4.研究内容7
第二章汽车车头3D数模9
2.1CATIA软件应用介绍9
2.2车头3D数模10
第三章碰撞过程中各吸能区的划分及作用11
3.1车身的概述11
3.1.1白车身11
3.1.2车身的作用11
3.1.3车头结构12
3.2车头骨架设计要求13
3.2.1空间要求13
3.2.2变形控制要求13
3.3碰撞过程中吸能区的划分13
3.4各吸能区的作用15
第四章各吸能区断面结构的分析计算16
4.1各吸能区的断面结构16
4.2断面结构的分析计算20
第五章电动汽车车头结构仿真分析及优化设计22
5.1汽车碰撞22
5.1.1概要22
5.1.2流程应用工具软件22
5.1.3汽车碰撞过程的特点22
5.2HyperMesh软件介绍及功能23
5.3LS-Dyna软件介绍及功能24
5.3.1LS-Dyna概况24
5.3.2LS-DYNA程序功能24
5.4正面碰撞试验条件25
5.4.1试验场地25
5.4.2壁障25
5.4.3车辆要求26
5.4.4正碰目标设定26
5.5原模型仿真分析27
5.5.1有限元模型的建立27
5.5.2材料强度28
5.5.3模拟碰撞局部变形图30
5.5.4能量曲线图31
5.5.5吸能区域能量分布32
5.5.6吸能区域各部件吸能32
5.5.7整车加速度曲线33
5.5.8总结33
5.6结构优化34
5.7改进后仿真分析40
5.7.1模型建立40
5.7.2材料属性:
(前部吸能区)41
5.7.3碰撞结果42
5.7.4能量曲线图44
5.7.5吸能区域各部件吸能45
5.7.6整车加速度曲线46
5.7.7车头相关部位的变形情况47
5.7.8对比总结52
第六章总结与展望54
6.1本文总结54
6.2研究展望54
参考文献56
致谢58
附录59
第一章绪论
1.1.课题背景
汽车安全性可分为主动安全性和被动安全性。
其中主动安全性是指汽车避免发生意外事故的能力;被动安全性,则是汽车在发生意外事故时对乘员进行保护的能力。
由于被动安全性总是与广义的汽车碰撞事故联系在一起,故也称为“汽车碰撞安全性”。
大量数据表明,主动安全性再好,也只能避免5%的事故[1],95%以上的事故是由于人和环境因素共同造成的。
在各种交通状况下发生的碰撞事故,归纳起来包括正面碰撞、侧面碰撞、追尾、翻滚等[2]。
统计数据显示,在汽车各类碰撞事故中正面碰撞的发生几率约为59%[3],同时其对车内司乘人员和生命财产安全的危害性也是最大的。
汽车的安全,尤其是碰撞安全性越来越受到重视,各国各地区都加强了对安全法规的制定工作。
目前,在美国、日本、欧洲及澳洲都有称为NCAP的组织机构,对不同车型进行汽车碰撞安全性评估。
汽车碰撞安全性评估主要包括正面碰撞、侧面碰撞、儿童保护和行人保护四个方面。
其中防正面碰撞的车身结构设计己经成熟,由刚性的乘员舱与前后的吸能区组成,并注意吸能后撞击力的分流;防侧面碰撞的车身结构设计也正趋完善,重点是放在加强车身刚性和冲击力分流两个方面;为满足保护行人法规要求,整车的造型和汽车前部结构发生了很大的变化。
目前,汽车安全已经成为制约我国交通运输业和汽车工业进一步发展的重要因素之一,开展汽车安全性研究是十分必要和紧迫的。
为了促进这一领域的研究工作,中国汽车工程学会于1995年9月成立了(被动)安全技术专业委员会[4]。
这一专业委员会的成立,标志着我国汽车被动安全性研究工作正逐渐走上系统化和正规化的发展道路。
我国颁布的第一项汽车安全技术法规CMVOR294《汽车正面碰撞乘员保护的设计规则》[5]于1999年10月28日由国家机械工业局发布,己列入了新的40项强制检测项目中,这表明我国政府己对汽车的被动安全性有了更全面的评价方法[6],2003年,GBll551一2003《乘用车正面碰撞乘员保护》[7]强制性国家标准的颁布则标志着我国的碰撞法规正逐渐与国际接轨。
随着国家863计划电动汽车重大专项的实施,我国在纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车等新能源环保汽车方面的开发力度正在加强,我国拥有自主知识产权的新能源汽车动力系统技术平台正在逐步建立,通过整车集成配套技术的研发,实现与传统汽车的技术对接,逐步向产业化延伸。
电动汽车的一个重要特点就是车内装有高电压的动力回路,由数十块甚至几百块储能单元(如单体电池)串联或者并联组成的储能系统(如动力电池组)的电压远远超过安全电压,所以相对传统汽车而言,电动汽车对碰撞安全性做出了更高的要求。
本课题是奥杰汽车为东风公司正在设计研发的一款A00级电动轿车碰撞试验中的一部分,即车头的正碰。
1.2.研究的目的和意义
长期以来,轿车安全性能的提高一直是汽车工业界所追求的目标。
用实车碰撞试验可测定轿车安全性能,但因其需要在实物样机上安装各种测试设备,进行实地试验,成本高,时间长。
所以探索新的试验方法一直是汽车工业界非常关注的课题。
随着计算机技术的发展和各种应用软件的出现,轿车碰撞试验可以用计算机来模拟来实现,利用虚拟现实技术设计的汽车虚拟试验场可逼真地实现试验过程。
通过交互改变汽车设计参数、试验道路环境,可以验证设计方案,从而达到缩短设计周期,降低开发成本,提高产品质量的目的。
与传统的实车试验相比应用虚拟试验场具有快速、逼真、可重复性等特点,可无危险,无损坏地进行碰撞、翻倾等极限试验。
同时,正面碰撞是汽车碰撞事故中最多,对人体危害最大的碰撞形式,也是国际上许多安全法规中规定的小型客车和轿车的最主要标准试验。
我国颁布的第一项汽车安全技术法规CMVDR294《汽车正面碰撞乘员保护的设计规则》[5],己列入了新的40项强制检测项目中。
通过计算机模拟的方法研究电动车正面碰撞问题满足项目的实际需求,同时也符合国家相关政策,具有良好的现实意义。
本课题研究的意义不仅仅在于能够解决奥杰公司在实际试验中参在的问题,为实车试验提供实际的参考和指导,而且可以提供一种计算机虚拟仿真的计算方法,在降低试验成本以及缩短产品试验周期等方面均有着重要意义。
此外,由于目前国内对电动车正面碰撞安全性的研究较少,因此本课题研究对电动车正面碰撞安全性的相关研究工作具有一定的借鉴和参考价值,有助于我国电动车被动安全性设计整体性水平的提高。
1.3.汽车碰撞法规的现状及发展趋势
实车碰撞实验是综合评价汽车碰撞安全性能的最基本、最有效的方法。
实车碰撞试验按碰撞形态可分为:
正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞、角度碰撞。
其中正面碰撞、侧面碰撞为主要碰撞形态。
实车正面碰撞试验形式有正面碰撞、30度斜碰撞和偏置碰撞等形式。
试验中的基本条件主要包括车质量状态、假人质量、固定障碍壁的几何形状和质量、固定障碍壁与被试车辆的位置关系等。
实车试验中最基本的碰撞壁障有固定刚性壁了障和变形壁障两种。
固定壁障的碰撞试验与实际交通事故的碰撞形式差异较大。
变形壁障偏置碰撞能较好地模拟实际交通事故中的正面碰撞,试验结果更有说服力。
正面碰撞试验以下面三种方式进行:
(1)车辆纵轴线与障碍壁表面垂直;
(2)障碍壁前放置30度的楔形块,碰撞时车辆右前端先接触楔形块;
(3)障碍壁前放置30度的楔形块,碰撞时车辆左前端先接触楔形块。
[7]
在测量用假人方面,规定使用HybridⅢ型假人并给出乘员损伤限值。
欧洲汽车工业发达国家虽然对汽车也进行了长时间的研究,但一直没有形成统一的法规,直到1992年才提出一个ECE草案。
草案规定碰撞速度为50km(计算机辅助三维交互式应用) 的缩写。
目前在中国由IBM公司代理销售。
CATIA是汽车工业的事实标准,是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统。
CATIA 在造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特的长处,为各种车辆的设计和制造提供了端对端(end to end )的解决方案。
CATIA 涉及产品、加工和人三个关键领域。
CATIA 的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上市时间。
一级方程式赛车、跑车、轿车、卡车、商用车、有轨电车、地铁列车、高速列车,各种车辆在CATIA 上都可以作为数字化产品,在数字化工厂内,通过数字化流程,进行数字化工程实施。
CATIA 的技术在汽车工业领域内是无人可及的,并且被各国的汽车零部件供应商所认可。
从近来一些著名汽车制造商所做的采购决定,如Renault、Toyota、Karman 、Volvo、Chrysler 等,足以证明数字化车辆的发展动态。
Scania 是居于世界领先地位的卡车制造商,总部位于瑞典。
其卡车年产量超过50,000辆。
当其他竞争对手的卡车零部件还在25,000个左右时,Scania公司借助于CATIA系统,已经将卡车零部件减少了一半。
现在,Scania 公司在整个卡车研制开发过程中,使用更多的分析仿真,以缩短开发周期,提高卡车的性能和维护性。
CATIA 系统是Scania 公司的主要CADCAM 系统,全部用于卡车系统和零部件的设计。
通过应用这些新的设计工具,如发动机和车身底盘部门CATIA 系统创成式零部件应力分析的应用,支持开发过程中的重复使用等应用,公司已取得了良好的投资回报。
现在,为了进一步提高产品的性能,Scania 公司在整个开发过程中,正在推广设计师、分析师和检验部门更加紧密地协同工作方式。
这种协调工作方式可使Scania 公司更具市场应变能力,同时又能从物理样机和虚拟数字化样机中不断积累产品知识。
2.2车头3D数模
图2-1车头3D模型
第三章碰撞过程中各吸能区的划分及作用
3.1车身的概述
车身是汽车的“上层建筑”,是整车的四大组成部分之一。
汽车的更新换代很大程度上取决于汽车车身技术的发展。
汽车车身涉及美学、空气动力学、环境学、计算机、机械工程学、人机工程学、材料和化工等。
车身一般由白车身、内饰、外件、附件组成。
3.1.1白车身
白车身:
英文bodyinwhite,是指车身本件及覆盖件的总成,包括车身焊接本体、翼子板、四门两盖(五门一盖),不含附件及装饰件的未涂漆的车身。
如下图:
图3.1白车身结构
3.1.2车身的作用
1)实现整车功能的作用
2)为乘员提供舒适的乘坐环境
3)为乘员提供安全保护措施
4)减少空气阻力
5)增强汽车的美观性
其中,为乘员提供安全保护措施是本课题研究的主要内容,即车头碰撞安全性的研究。
3.1.3车头结构
下图为本课题研究的电动车的整车效果图
图3.2整车效果图
车头主要由前保险杠、车头顶盖、翼子板和车头内部骨架组成。
由于该纯电动车车头较短,在碰撞过程中起主要作用的是车头内部骨架结构,如下图所示:
图3.3车头骨架结构
3.2车头骨架设计要求
3.2.1空间要求
要有足够的空间安装汽车悬架,动力总成以及其他附件。
3.2.2变形控制要求
1)最大变形量的控制,这一许可变形区的实现是密切相关的。
车体结构侵入乘员空间造成的接触伤害是主要的伤害成因之一,在汽车碰撞中应尽量避免对乘员的接触伤害,绝对保证乘员舱结构的整体刚度,避免自身塌陷或其他结构的侵入造成乘员伤害。
因此,必须控制最大变形量,将碰撞变形限制在一定区域之内。
2)控制结构变形模式,不同结构的碰撞变形模式主要包括以下几种,褶皱,弯曲,断裂,其中断裂包括焊点等连接的破坏失效和结构本身的破坏失效。
不同的变形形式,能量吸收能力有很大的差异,对于汽车碰撞安全往往有决定意义,前纵梁在弯曲失效的情况下吸能能力将降低约40%。
汽车前部耐碰撞结构应尽可能针对多种碰撞边界条件设计,使得耐撞结构在碰撞中发生稳定的变形,充分发挥变形吸能作用。
3)结构变形次序的控制。
合理的变形次序不仅能够使结构有效发挥变形吸能作用,同时也能够在一定程度上引导结构的稳定变形模式。
汽车前纵梁的后端在碰撞时先发生屈曲变形,则很容易引导整个前纵梁未变形区域相对转动,形成弯曲失效,而如果按照由前向后的次序变形,则不会发生这种不利于乘员保护的危险情况。
4)汽车结构大都是由冲压件连接构成承载结构,结构连接有效、可靠是保证汽车结构发挥作用的关键。
在正面碰撞中,前纵梁是具有一定截面形状的承载管件,它的变形过程具有较强的吸能能力,而当前纵梁失去截面形状时,就无法发挥原有的吸能能力。
3.3碰撞过程中吸能区的划分
为了在碰撞过程中能够充分缓冲吸收由加速度剧变产生的巨大能量,车头骨架在设计时做了如个几个吸能区:
1)
图3.4前防撞梁
前防撞梁,其中三根横梁中的中梁为主要的吸能梁,在碰撞第一时间产生变形,下梁为辅助吸能梁,上梁的吸能作用最小。
2)
图3.5主吸能梁
中防撞梁连接梁,在车头碰撞过程中伴随着前防撞梁一同变形,为主要的吸能区域。
3)
图3.6辅助吸能梁
辅助吸能区,主要起二次吸能的作用。
3.4各吸能区的作用
1)前防撞梁。
在正面碰撞的过程中,汽车的受力部位可能是汽车正面的任何部位,多数情况下不是吸能纵梁的所在位置,所以需要前横梁将受到的力传递给吸能纵梁,同时自身吸收一定的能量。
基准高度为445mm,所以主吸能纵梁的高度设计在这一高度,吸收大部分能量。
对车辆的缓冲减速起关键作用,同时保证车辆在减速的过程中的减速度要在合理范围内,保证车内乘员的安全。
3)辅助吸能纵梁。
除了在基准高度上要设置主吸能纵梁外,还要在其他高度设置辅助吸能纵梁,来分担主吸能纵梁的冲击,分担主吸能纵梁的能量,辅助控制碰撞过程中的减速度,降低主吸能纵梁的设计刚度,从而降低设计制造成本。
第四章各吸能区断面结构的分析计算
4.1各吸能区的断面结构
在截面位置处获得断面结构:
1)前防撞横梁上梁:
图4.1前防撞横梁上梁
断面结构:
图4.2断面图
截面面积4.32e-004m2
抗拉强度6061T6:
310
弹性模量70GPa
惯性矩IX=8.582×10-8m4IY=1.797×10-7m4
WX=IXYMax=IX0.03=2.86×10-6m3
WY=IYXMax=IY0.018=9.98×10-6m3
2)前防撞横梁中梁
图4.3前防撞横梁中梁
断面结构:
图4.4断面图
截面面积7.375e-004m2抗拉强度6061T6:
310
弹性模量70GPa
惯性矩IX=2.282×10-7m4IY=5.514×10-7m4
WX=IXYMax=IX0.04=5.7×10-6m3
WY=IYXMax=IY0.025=2.2×10-5m3
截面图形
3)前防撞横梁下梁
图4.5前防撞横梁下梁
断面结构:
图4.6断面图
截面面积7.735e-004m2
抗拉强度6061T6:
310
弹性模量70GPa
惯性矩IX=2.828×10-7m4IY=5.514×10-7m4
WX=IXYMax=IX0.04=5.7×10-6m3
WY=IYXMax=IY0.025=2.2×10-5m3
4)防撞纵梁上梁
图4.7防撞纵梁上梁
断面结构
图4.8断面图
截面面积7.447e-004m2
抗拉强度6063T6:
241
弹性模量70GPa
惯性矩IX=8.422×10-6m4IY=2.964×10-6m4
WX=IXYMax=IX0.04=2.1×10-4m3
WY=IYXMax=IY0.025=1.18×10-4m3
5)防撞纵梁中梁
图4.9防撞纵梁中梁
断面结构
图4.10断面图
截面面积7.44e-004m2
抗拉强度6063T6:
241
弹性模量70GPa
惯性矩IX=9.555×10-6m4IY=6.475×10-6m4
WX=IXYMax=IX0.025=3.08×10-6m3
WY=IYXMax=IY0.04=6.475×10-6m3
6)防撞纵梁下梁
图4.11防撞纵梁下梁
断面结构
图4.12断面图
截面面积7.44e-004m2
抗拉强度6063T6:
241
弹性模量70GPa
惯性矩IX=9.555×10-6m4IY=6.475×10-6m4
WX=IXYMax=IX0.025=3.08×10-6m3
WY=IYXMax=IY0.04=6.475×10-6m3
4.2断面结构的分析计算
我们以100×100×2.0的截面为例,例举以下几种截面形状方案来比较:
我们以改变截面尺寸,例举以下几种截面形状方案来比较:
分析结果:
加大截面尺寸是最直接,效果最好的,尺寸增加1.5倍,重量增加约1.5倍,惯性矩可以增加3.4倍有多,即抗弯刚度可提高3.4倍。
考虑到实际情况,管梁尺寸的增加幅度有限制,那么可以综合两种方案在增加截面尺寸的同时优化截面形状来满足使用要求。
第五章电动汽车车头结构仿真分析及优化设计
5.1汽车碰撞
汽车碰撞是个瞬态的大位移和大变形的过程,系统具有几何非线性、材料非线性和接触非线性等多重非线性特征,它涉及在动载下的本构关系、非线性问题算法等问题。
目前,动态非线性有限元方法成为了汽车碰撞模拟计算的主要研究手段。
5.1.1概要
本流程为乘用车整车正面100%重叠冲击刚性壁障试验的通用仿真分析流程。
在试验条件下,首先给定车辆向前方向上的初速度,然后撞向前部固定的刚性壁障。
壁障面垂直于车辆行进方向,并与车辆前部100%重叠。
仿真按照以下标准执行:
1)正面48km、Lagrangiall单元等。
各类单元又有多种理论算法可供选择,具有大位移、大变形和大转动性能,单元积分采用沙漏粘性阻尼以克服零能模式,单元计算速度快、节省存储量,可以满足各种实体结构、薄壁结构和流体-固体藕合结构的有限元网格划分的需要。
每种单元都有多种算法可供用户选择,实体单元是单点积分,薄壳单元是面内单点积分、沿壳厚多点积分。
线性唯一函数和单积分点的显式单元能够很好地用于大变形和材料失效等非线性问题。
2)材料模型
ANSYSLS—DYAN程序目前有100余种金属和非金属材料模型可供选择,如弹性、弹塑性、超弹性、泡沫、玻璃、地质、土壤、混凝土、流体、符合材料、炸药及起爆燃烧、刚性及用户自定义材料,并可考虑材料失效、损伤、粘性、蠕变、与温度相关、与应变率相关等性质。
3)接触分析功能
LS—DYNA程序的全自动接触分析功能易于使用,功能强大,非常有效。
有二十多种选择可以求解下列接触问题:
变形体对变形体的接触、变形体对刚体的接触、板壳结构的单面接触(屈曲分析)、与刚性墙接触、表面与表面的固连、节点与表面的固连、壳边与壳面的固连、流体与固体的连接等,并可考虑接触表面的静动力摩擦和固连失效。
这种技术成功地用于整车碰撞研究、乘员与柔性气囊或安全带接触的安全性分析、薄板与冲头和模具的金属成型、水下爆炸对结构的影响等。
此外程序采用材料失效和侵蚀接触,可以进行高速弹丸对靶板的穿甲模拟计算。
4)汽车安全性分析
LS—DYNA的发展一直与汽车碰撞模拟密不可分,用LS.DYNA的壳单元、实体单元构造完整的汽车模型,可以选用金属、塑料、橡胶等各种材料模型。
程序的Automatic-Single-Surface接触功能可以保证汽车全部构件内外表面,与假人、气囊、安全带之间,以及外部障碍物表面相互接触时不穿透,可以相对滑动,考虑摩擦,实现汽车高速碰撞时全过程的数值模拟和有关数据的输出,可以说LS—DYNA是汽车碰撞模拟用的“标准”软件。
5.2正面碰撞试验条件
5.2.1试验场地
试验场地应足够大,以容纳跑道、壁障和试验必需的技术设施。
在壁障前至少5m的跑道应水平、平坦和光滑。
5.2.2壁障
壁障由钢筋混凝土制成的刚性墙,前部宽度不小于3m,高度不小于1.5m。
壁障厚度应保证其质量不低于7×104kg。
壁障前表面应铅垂,其法线应与车辆直线行驶方向成00夹角,且壁障表面应覆以2cm厚状态良好的胶合板(见图1)。
如果有必要,应使用辅助定位装置将壁障固定在地面上,以限制其位移。
壁障的方位应使碰撞角为00。
图5.1壁障碰撞
5.2.3车辆要求
试验车辆应能反映出该系列产品的特征,应包括正常安装的所有装备,并应处于能够正常运行状态。
一些零部件可以被等质量代替物代替,但要求这种替换确实不会对以后的测量结果造成明显的影响。
5.2.4正碰目标设定
1)车身B柱加速度对正碰的影响:
乘用车碰撞现状:
根据国内外对市场在售车型试验统计:
Euro-NCAP
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