轿车偏置碰撞安全性及前纵梁耐撞性优化研究

论文摘要

随着汽车保有量的增长,道路交通事故己经成为一个世界性的社会问题。道路交通事故不但会造成巨大的经济损失,而且会给人的生命健康安全带来严重的灾难。统计表明,在致人伤害的道路交通事故中,包含斜角碰撞在内,发生正面碰撞的概率高达40%,远高于其他类型的碰撞形式。而在正面碰撞中,重叠率为30%40%时乘员的重伤率最高,同时死亡率也仅次于全宽碰撞高居第二。因此,如何提高汽车正面偏置碰撞安全性成为一个重要课题。文章首先在进行大量文献研究的基础上阐述了国内研究汽车碰撞安全的历史和现状,介绍并比较了国内外相关的碰撞安全法规。概述了用于汽车碰撞安全仿真分析的有限元方法,对典型的试验设计方法,近似代理模型以及优化方法也分别进行了简要介绍。按照Euro-NCAP法规的要求建立并验证了国内某车型整车正面偏置碰撞有限元模型。结合NCAP对乘员舱侵入量的评分要求,对该车的偏置碰撞安全性进行了分析和评价。根据分析从拓扑结构、板材厚度和材料等方面提出改进方案,并用仿真计算验证改进效果。最终整车加速度峰值降低了6.6%,转向管柱和脚踏板的侵入量以及A柱后移量都有了显著的减小,NCAP罚分由原来的2.86分减少至1分,乘员的损伤风险大大降低。提出一套车身结构耐撞性优化的方法,并将其应用于该车前纵梁的耐撞性优化中。建立该车的纵梁-台车有限元模型,并用台车试验对其进行验证。结合均匀实验设计、有限元方法、人工神经网络和遗传算法,以纵梁吸能、重量和最大冲击载荷为目标,对该纵梁进行了耐撞性优化设计,得到了纵梁拼焊前后端及内外板4个部分板材厚度的最优组合,分别为:t1=1.6mm, t2=2.2mm, t3=2.0mm, t4=2.6mm,使得在最大冲击载荷和纵梁重量增加不多的情况下吸能增加12%。在之前改进后模型的基础上,将优化后的纵梁替换原来的纵梁,再用整车偏置碰撞仿真实验对纵梁优化效果进行验证,发现加速度峰值下降了10.8%,前舱主要吸能部件的吸能也有所增加,使得整车偏置碰撞安全性得到进一步的提高。研究结果表明:通过从拓扑结构、板材厚度和材料方面对相关车身结构件进行有针对性的改进可以使得整车的偏置碰撞安全性得到很大的提高;结合均匀实验设计、有限元方法、人工神经网络和遗传算法的优化方法在车身结构的多参数优化设计中可以取得良好的效果;基于台车试验的部件耐撞性优化对整车安全性改进有良性的引导作用,可以作为整车优化的重要参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景、目的及意义
• 1.2 国内外研究历史和现状
• 1.3 汽车正面全宽碰撞与正面偏置碰撞的比较
• 1.4 汽车正面偏置碰撞安全性法规
• 1.4.1 国外汽车正面偏置碰撞安全法规
• 1.4.2 国内汽车正面偏置碰撞安全法规
• 1.4.3 国内外汽车正面碰撞安全法规对比
• 1.4.4 新车评价程序
• 1.5 本文研究的目的和主要内容
• 1.6 研究课题来源
• 第2章 汽车碰撞仿真分析和优化方法
• 2.1 有限元方法
• 2.2 试验设计方法
• 2.2.1 全因子试验设计
• 2.2.2 正交试验设计
• 2.2.3 均匀试验设计
• 2.3 代理模型
• 2.3.1 响应表面模型
• 2.3.2 径向基函数模型
• 2.3.3 Kriging 模型
• 2.3.4 神经网络模型
• 2.4 优化方法
• 2.4.1 遗传算法
• 2.4.2 蚁群算法
• 2.4.3 粒子群算法
• 2.5 本章小结
• 第3章 整车正面偏置碰撞有限元模型的建立和验证
• 3.1 引言
• 3.2 整车有限元模型
• 3.3 偏置变形壁障有限元模型
• 3.4 整车正面偏置碰撞有限元模型的建立
• 3.5 整车正面偏置碰撞有限元模型的验证
• 3.5.1 模型可靠性验证
• 3.5.2 车辆在碰撞过程中的形态变化对比
• 3.5.3 碰撞完成后车身的变形对比
• 3.5.4 B 柱加速度曲线对比
• 3.6 本章小结
• 第4章 整车正面偏置碰撞安全性分析及改进
• 4.1 引言
• 4.2 乘员舱变形对NCAP 评分的影响
• 4.2.1 头部部位评分
• 4.2.2 胸部部位评分
• 4.2.3 小腿、脚及脚踝部位评分
• 4.3 原模型偏置碰撞安全性分析
• 4.3.1 前舱各部件吸能情况
• 4.3.2 碰撞冲击力传递情况
• 4.3.3 关键车身结构件的变形
• 4.3.4 NCAP 评分情况
• 4.3.5 偏置碰撞安全性总结
• 4.4 正面偏置碰撞安全性改进
• 4.4.1 车身结构改进方案
• 4.4.2 模型改进后的偏置碰撞安全性
• 4.5 本章小结
• 第5章 前纵梁耐撞性优化及验证
• 5.1 引言
• 5.2 优化方法流程
• 5.3 优化模型
• 5.3.1 优化问题描述
• 5.3.2 有限元模型的建立与验证
• 5.4 前纵梁耐撞性优化设计
• 5.4.1 优化设计空间
• 5.4.2 训练样本的采集
• 5.4.3 人工神经网络的训练和测试
• 5.4.4 构建优化目标函数
• 5.4.5 遗传算法寻优
• 5.5 整车验证
• 5.5.1 加速度曲线对比
• 5.5.2 前舱主要部件吸能情况对比
• 5.5.3 乘员舱侵入量大小对比
• 5.6 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录