基于正面碰撞和新材料的TB新能源汽车前纵梁轻量化

发布时间：2017-10-31 17:14

  本文关键词：基于正面碰撞和新材料的TB新能源汽车前纵梁轻量化

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【摘要】：随着能源危机及环境危机的不断加据,汽车行业的发展受到了极大的影响,我国为适应时代发展需要,于2001年将新能源汽车研究项目列入国家“十五”期间的“863”重大科技课题。新能源汽车由于其车身结构和工作原理与传统汽油车有着很大的区别,对车辆碰撞安全方面也提出新的要求。另一方面新能源汽车对于节能减排、提高续驶里程也有着较为迫切的需求,车身轻量化作为当今汽车工业的研究热点对于车辆的节能减排有着重要意义。如何在保证新能源汽车碰撞安全的前提下实现新能源汽车的轻量化是当代科研工作需要重点研究的课题。汽车前纵梁作为一种钣金件是车辆正面碰撞的主要吸能部件也为前舱前舱各零部件的搭载提供支撑点,其强度、碰撞时的变形量及变形速度不但决定驾驶室的变形程度而且影响前舱各零部件的安全。特别是部分纯电动新能源汽车将动力电池布置在前机舱,一旦车辆发生正面碰撞,如果车辆前纵梁不能为前舱动力电池提供足够的保护,动力电池就有被撞挤压变形甚至发生自燃或爆炸的危险。因此进行纯电动新能源汽车前纵梁轻量化设计时不但要考虑到前纵梁的吸能性能保护乘客的安全,还要考虑到前纵梁的强度保护前舱动力电池,以免碰撞后动力电池发生自燃发生危险。首先,本文根据纯电动新能源汽车前舱布置动力电池的特点利用CATIA软件建立了车辆前纵梁CAD模型,然后引入变截面拼焊板(TB)这种新生产工艺带来的新材料,将原车前纵梁分段焊接的钣金简化成由一块拥有3段不同厚度和材料组成的TB板,然后将CAD模型导入到HYPERWORK软件中进行前处理,建立简化的前纵梁正面碰撞的有限元模型。在这过程中对有限元模型建立过程中遇到的几何清理、网格划分、材料、接触定义、沙漏控制、时间步长控制、积分算法等问题进行了深入的探讨,并生成可用LS-DYNA进行有限元计算的K文件。然后,确定新能源汽车前纵梁优化问题,以汽车前纵梁质量最轻为优化目标,设计了一体化的车身前纵梁,以TB板三段不同位置的板厚和材料的屈服强度为设计变量,以前纵梁正碰时的前纵梁中段的变形量和前纵梁后段的加速度峰值为约束条件,并通过拉丁超立法抽样法获得16组试验设计样本点,求解后应用多项式响应面法和Kriging响应法对函数响应m、a、L进行逼近拟合。最后,利用遗传算法对设计变量和响应函数进行优化求解,并再次进行有限元仿真来验证优化结果。通过优化,前纵梁质量降低了12.5%,但前纵梁中段新能源汽车动力电池布置处的变形量却减小了,同时吸能效果有了明显提升。研究表明,TB板的引入能很好的解决前纵梁吸能特性和结构强度的矛盾;Hyperworks和LS-dyna的联合有限元仿真用于车辆正面碰撞的研究具有一定的实用价值;遗传算法这种智能优化算法能够很好的解决一些复杂的工程优化问题。
【关键词】：新能源汽车 轻量化 TB板 有限元分析 遗传算法
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.326
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 研究背景和研究意义10-12
• 1.2 新能源汽车研究现状12-14
• 1.3 车身轻量化研究现状14-15
• 1.4 汽车被动安全研究现状15-17
• 1.4.1 汽车碰撞法规16
• 1.4.2 新车安全评价规程16-17
• 1.5 本文研究内容17-19
• 第二章 有限元分析理论基础19-25
• 2.1 有限元法19-20
• 2.1.1 有限元法的发展现状19-20
• 2.1.2 有限元法原理20
• 2.2 显式积分法20-21
• 2.3 时间步长控制21-22
• 2.4 接触算法22-23
• 2.5 沙漏控制23-24
• 2.6 本章小结24-25
• 第三章 TB前纵梁正面碰撞有限元模型的建立25-38
• 3.1 变截面拼焊板（TB）25-26
• 3.2 前纵梁CAD模型26-27
• 3.2.1 简化前纵梁CAD模型26-27
• 3.2.2 应用TB板设计前纵梁27
• 3.3 有限元分析软件的选择27-28
• 3.3.1 HYPERWORKS27-28
• 3.3.2 LS-DYNA28
• 3.4 模型特征修复与清理28-29
• 3.5 网格划分29-30
• 3.5.1 网格划分准则29
• 3.5.2 前纵梁网格划分29-30
• 3.6 材料属性30-32
• 3.7 接触、连接方式和配重32-33
• 3.8 设定刚性墙33
• 3.9 正面碰撞有限元模型仿真调试33-37
• 3.9.1 有限元模型可靠性评价34-35
• 3.9.2 仿真结果分析35-37
• 3.10 本章小结37-38
• 第四章 TB前纵梁正碰试验设计38-48
• 4.1 TB前纵梁优化问题描述38
• 4.2 试验设计38-39
• 4.2.1 试验设计思想38-39
• 4.2.2 试验设计方法39
• 4.3 拉丁超立方试验设计39-43
• 4.3.1 数值处理方法41-42
• 4.3.2 编码变换42-43
• 4.4 数学代理模型43-47
• 4.4.1 多项式响应面法43-45
• 4.4.2 Kriging响应法45-47
• 4.5 本章小结47-48
• 第五章 基于变截面拼焊板的前纵梁优化48-56
• 5.1 优化算法48
• 5.2.遗传算法48
• 5.3 前纵梁优化设计48-53
• 5.3.1 优化过程49-52
• 5.3.2 优化结果52-53
• 5.4 优化结果验证53-55
• 5.4.1 前纵梁的变形53-54
• 5.4.2 前纵梁总质量、中段变形量和碰撞时的加速度曲线54-55
• 5.5 本章小结55-56
• 第六章 总结与展望56-58
• 6.1 全文总结56-57
• 6.2 研究展望57-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-63
• 攻读学位期间的论文及科研成果63

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本文编号：1122939