吸能盒焊点有限元模拟及其位置优化研究

论文摘要

我国汽车的数量随着人民生活水平的提高和国内道路状况的改善而不断增加,同时,汽车碰撞事故也成增长的趋势。在这种背景下,对汽车及车内乘员保护的重要性也就不言而喻。汽车发生碰撞时,其车身连接的失效将严重影响整车的碰撞性能。而车身结构中最主要的连接形式是电阻点焊,所以对焊点模拟的研究对提高汽车碰撞的模拟精度有非常重要的意义。本文以吸能盒的焊点为研究对象,通过对多种焊点模拟方法优劣的探讨确定不同情况下的最佳焊点模拟方法,然后采用最佳的焊点模拟方法对焊点分布位置进行研究,通过减少车身焊点的数量降低汽车的生产成本。具体的研究工作总结如下：首先,采用高强度与低强度梁单元对焊点进行模拟,使用HyperMesh进行汽车吸能装置简化模型的建立、网格的划分、各种参数的设置等操作,并导出关键字文件供LS-DYNA3D软件进行计算。在吸能盒吸能特性的四个评价参数中,两个模型的最大变形量相同、最大碰撞力相近,而最大吸能量和平均碰撞力两个参数相差非常大,说明焊点的模拟方法对吸能装置的模拟精度有非常大的影响。其次,以帽型梁为研究对象,使用HyperMesh建立采用九种焊点单元模拟焊点的有限元模型。在ANSYS中分别进行计算模拟分析后,综合考虑模拟精度、建模工作量以及对焊点断裂的模拟情况三个因素确定最佳的焊点模拟方法,即焊点会发生断裂时使用单个梁单元模拟焊点,而焊点不会断裂时则使用刚性梁单元。最后,使用刚性梁单元模拟焊点,获得吸能盒对焊点密度的要求以及在OptiStruct中使用拓扑优化技术对焊点位置的评估结果后,确定四种新的焊点分布方案。经过四个模型碰撞模拟的结果比较,最佳焊点分布方案为6个焊点分布方案,该方案既能满足吸能要求,同时焊点数量也最少。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究目的和意义
• 1.2 汽车主动安全性与被动安全性
• 1.2.1 汽车主动安全性
• 1.2.2 汽车被动安全性
• 1.2.3 汽车碰撞吸能装置简介
• 1.3 研究现状综述
• 1.3.1 焊点模拟方法研究方面
• 1.3.2 焊点位置优化方面
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 点焊工艺及显式非线性有限元理论
• 2.1 点焊工艺简介
• 2.1.1 点焊工艺特点
• 2.1.2 汽车生产对点焊质量的要求
• 2.2 显式非线性有限元理论
• 2.2.1 弹性力学
• 2.2.2 材料非线性理论
• 2.2.3 接触理论
• 2.3 本章小结
• 第3章 焊点模拟方法对吸能装置模拟精度的影响
• 3.1 软件简介
• 3.1.1 HyperWorks简介
• 3.1.2 LS-DYNA3D简介
• 3.2 吸能盒吸能特性的评价参数
• 3.3 焊点模拟方法对碰撞模拟精度的影响
• 3.3.1 模型建立与网格划分
• 3.3.2 相关参数设置
• 3.3.3 吸能盒压缩变形情况的对比
• 3.3.4 碰撞模拟结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 帽型梁的焊点模拟方法研究
• 4.1 模态分析概述
• 4.2 帽型梁模态分析
• 4.2.1 梁单元模型
• 4.2.2 刚性梁单元模型
• 4.2.3 实体单元模型
• 4.2.4 公用节点模型
• 4.2.5 壳单元模型
• 4.2.6 九种模型试验结果对比
• 4.3 单个梁单元与刚性梁单元碰撞结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 吸能盒的焊点位置优化
• 5.1 传统的焊点布置方法
• 5.2 吸能盒对焊点密度的要求
• 5.3 使用拓扑优化技术评估焊点位置
• 5.4 焊点重新分布后的模拟结果分析
• 5.4.1 吸能情况分析
• 5.4.2 碰撞力变化情况分析
• 5.4.3 平均碰撞力对比
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢