薄壁構(gòu)件的抗撞性優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、安全、環(huán)保和節(jié)能是二十一世紀(jì)汽車設(shè)計(jì)研發(fā)所面臨的三大熱點(diǎn)問題，而如何提高車輛在碰撞事故中的抗撞性又成為汽車被動(dòng)安全性分析中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，車身結(jié)構(gòu)抗撞性研究主要研究車身吸能裝置對(duì)碰撞能量的吸收特性。而良好的吸能裝置要求碰撞動(dòng)能應(yīng)盡可能不可逆地轉(zhuǎn)換為變形能。因此，金屬薄壁構(gòu)件作為最傳統(tǒng)、最有效的緩沖吸能裝置，在車身吸能體系中得到了最廣泛的應(yīng)用。除構(gòu)件本身的材料特性外，金屬薄壁構(gòu)件的吸能特性還與橫截面形狀、壁厚等幾何參數(shù)密切相關(guān)，所以研究薄

2、壁構(gòu)件的抗撞性與這些參數(shù)之間的關(guān)系己成為車身抗撞性優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)。近年來，金屬薄壁構(gòu)件的抗撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)取得了一系列成果，本文將在前人工作的基礎(chǔ)上，基于顯式有限元數(shù)值求解技術(shù)和響應(yīng)面近似理論對(duì)一些特殊截面的薄壁構(gòu)件進(jìn)行抗撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)。 本文首先綜述了抗撞性優(yōu)化問題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并綜述了多目標(biāo)抗撞性優(yōu)化問題的研究現(xiàn)狀、薄壁構(gòu)件抗撞性優(yōu)化的研究現(xiàn)狀以及高吸能泡沫材料的研究現(xiàn)狀。然后基于顯式有限元數(shù)值求解技術(shù)，給出了在進(jìn)行接觸一碰撞

3、問題的抗撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)所要用到的試驗(yàn)設(shè)計(jì)取點(diǎn)技術(shù)和代理模型近似理論。隨后采用顯式有限元軟件LS-DYNA和響應(yīng)面法等代理模型理論對(duì)一些特殊構(gòu)形的直梁件進(jìn)行了抗撞性優(yōu)化，并將研究構(gòu)形擴(kuò)展到了S形和V形的空間構(gòu)件以及泡沫填充構(gòu)件，從而使得研究結(jié)果更具實(shí)用性。 正方形截面和圓形截面薄壁構(gòu)件是最傳統(tǒng)的薄壁吸能元件，Redhe，F(xiàn)orsberg，Nilsson和Kim等人都曾對(duì)正方形截面薄壁構(gòu)件進(jìn)行過抗撞性研究；Kurtaran，AVal

4、le，Lee和Lanzi等人先后對(duì)圓形截面的薄壁構(gòu)件進(jìn)行了抗撞性研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，首先，以正方形截面薄壁構(gòu)件的壁厚和截面寬度為設(shè)計(jì)變量，以結(jié)構(gòu)的比吸能為優(yōu)化函數(shù)，對(duì)正方形截面的單元胞、兩元胞、三元胞和四元胞構(gòu)形進(jìn)行了抗撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)，并得出了壁厚和截面寬度對(duì)這四種構(gòu)形的吸能特性的影響規(guī)律。其次，對(duì)單元胞構(gòu)形和三元胞構(gòu)形的六邊形截面薄壁構(gòu)件進(jìn)行了抗撞性研究，并對(duì)四種構(gòu)形的壁厚和截面尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。再次，對(duì)端部方錐形

5、和端部圓錐形薄壁構(gòu)件進(jìn)行了比吸能優(yōu)化，并對(duì)單錐形和共線雙錐形薄壁構(gòu)件進(jìn)行了多目標(biāo)抗撞性優(yōu)化；同時(shí)還將研究問題擴(kuò)展到空間結(jié)構(gòu)，對(duì)薄壁構(gòu)件的中性軸進(jìn)行了S形和V形的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，對(duì)正方形截面泡沫填充薄壁構(gòu)件和錐形泡沫填充薄壁構(gòu)件也進(jìn)行了抗撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)。 通過本文的研究發(fā)現(xiàn)，用響應(yīng)面法與顯式有限元分析相結(jié)合的數(shù)值求解技術(shù)來求解接觸-碰撞這樣的強(qiáng)非線性問題，不但計(jì)算效率高，而且還可以得到相對(duì)精確的擬合結(jié)果；對(duì)響應(yīng)面擬合所得的目標(biāo)