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《吉林大学》 2011年
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基于现代设计方法和提高整车碰撞安全性的车身轻量化研究

陈晓斌  
【摘要】:近年来,国内汽车工业迎来了快速发展期,国内汽车保有量逐年稳步增长,然而由此带来的能源消耗及环境保护等问题则日趋紧张,这必将阻碍国内汽车工业的可持续发展。汽车轻量化技术作为汽车降低能耗、减少排放的有效手段已经成为汽车工业发展过程中的一项关键性研究课题,在不久的将来,轻量化将成为国内外各汽车厂商的核心竞争技术之一。车身轻量化作为汽车轻量化技术的有效途径之一,近年来得到广泛应用。国内外很多学者对车身轻量化进行了广泛的研究,取得了诸多成果,如车身结构优化设计,使用低密度材料如铝、镁合金、复合材料等替换以传统钢材制造的零部件以及使用新工艺等。本文在总结前人研究的基础上,使用车身结构优化设计方法对国产某自主研发品牌轿车的轻量化进行了较为系统和深入的研究,在确保汽车综合性能如车身静、动态刚度及车身结构耐撞性能基本不变的前提下,尽可能降低车身重量,达到减重以及节能减排的目的。 围绕汽车轻量化这一主题,本文主要开展了以下几方面的研究内容: 1.以国产某自主研发轿车为例,介绍了整车开发流程及前期开发过程中有限元数值模拟所涉及的开发内容,同时详细论述了整车有限元建模方法。整车前期开发过程中,一个既能够准确模拟整车结构各种力学特征,又能够使模型计算规模控制在计算机可接受范围内的整车有限元模型是前期开发过程中必不可少的,它为预测整车结构性能及进行结构优化设计提供了支持。基于此,以白车身及动力总成与变速器系统为例,系统阐述了钣金件、焊点、胶连接、MAG焊、螺栓连接等建模方法,同时建立了整车碰撞有限元模型及白车身刚度模型。 2.设计并进行了国产某自主研发轿车白车身模态试验。由试验结果分析得到了白车身结构模态频率和振型,获得了白车身的动态特性。引入了Trimmed Body模型概念,详细论述了Trimmed Body有限元建模方法并建立了Trimmed Body模型,并进行了模态及频率响应计算,同时进行了Trimmed Body模态试验,得出了有关整车振动舒适性的频率响应函数,并与有限元计算值进行了模态置信度MAC(Modal Assurance Criterion)分析,分析结果验证了有限元模型的准确性。该方法已成功应用于国产某自主研发轿车的自主研发过程中。 3.进行了国产某自主研发轿车白车身的灵敏度分析及优化计算。通过灵敏度计算识别出了对刚度及重量影响较大的零件。在进行优化设计时综合考虑了白车身的动静态刚度,并对静态弯曲、扭转刚度的算法进行了详细的论述。通过优化设计实现了白车身第一阶固有频率提高1.2%、车身质量下降5.4%的目标。 4.通过正面碰撞试验的变形时间历程及整车结构变形验证了整车碰撞有限元模型的有效性后,首次将正面碰撞与侧面碰撞的数值仿真联合应用于车身轻量化设计前后的整车结构抗撞性能研究。通过对比正面碰撞试验与轻量化前后B柱及中通道加速度曲线以及轻量化前后侧面碰撞前后车门侵入量、B柱侵入量及侵入速度曲线,验证了本文所研究的车身轻量化结果的可行性,确保了轻量化后整车结构的抗撞性能。同时,本章所引入的侧面碰撞侵入速度限值曲线可为同级别车型开发提供经验上的借鉴。介绍了两种B柱及门槛的结构设计方案,以作为车辆实际结构设计的经验借鉴。 5.提出了基于引擎盖刚度与行人头部保护要求的轻量化设计方法。通过综合考虑引擎盖开发过程中刚度及行人保护头部碰撞性能,以前盖内板结构及内板板厚作为设计变量,利用田口试验设计方法进行试验设计,使用Kriging方法建立了引擎盖刚度与行人保护头部碰撞有限元模型的近似数学模型,并基于Kriging模型进行优化。优化后的前盖刚度及行人保护头部碰撞性能得到了显著改善,质量由13.5kg降为12.6kg,减少6.7%,头部HIC值由1373降低至1156,减小15.8%。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:U463.82

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