汽車前縱梁吸能結構優(yōu)化設計研究分析

張文智

（長沙職業(yè)技術學院 410027)

汽車前縱梁吸能結構優(yōu)化設計研究分析

張文智

（長沙職業(yè)技術學院 410027)

對前縱梁的優(yōu)化設計是為了讓汽車的前縱梁在碰撞過程中吸收更多的能量，本文將通過改變縱梁的斷面形狀，板厚，焊點直徑以及焊點間距等幾個方面，然后利用有限元分析法，并運用LA-DYNA軟件進行仿真碰撞實驗，最后用響應曲面算法作為優(yōu)化算法。來得出汽車前縱梁結構的優(yōu)化設計。

前縱梁；吸能結構；優(yōu)化設計

0 引言

隨著汽車制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車安全性能成為人們購買汽車的關鍵因素之一。汽車安全研究也是車輛工程研究的一個急需完善的方面。如今汽車制造商也將安全問題放在了首要位置。當汽車正面發(fā)生碰撞時，主要是靠前縱梁碰撞之后的變形來吸收能量。

1 汽車縱梁結構的碰撞分析模型構建

資料顯示，在汽車發(fā)生正面碰撞時，70%以上車輛都是由前縱梁吸收碰撞能量使得駕駛室盡可能的保持完整。優(yōu)化設計以后的前縱梁更能充分吸收碰撞時產(chǎn)生的沖擊。由于利用汽車進行現(xiàn)實的實驗費用太高，花費時間太長，這里我們就利用有限元分析法來代替現(xiàn)實中的碰撞實驗。資料顯示，LA-DYNA軟件進行的仿真模擬結果和實車碰撞結果相識度極高。所以在下面的研究中我們利用有限元分析法和LA-DYNA軟件來得出數(shù)據(jù)和進行仿真碰撞實驗[1]。

在優(yōu)化設計過程中，把碰撞參數(shù)和數(shù)值仿真條件設為定值，然后對縱梁的形狀，焊點位置等參數(shù)進行改變，在一定的設計范圍內(nèi)，得出前縱梁吸收能量最多時縱梁的形狀和焊點位置的設計方案。

利用CAD軟件建立前縱梁模型，完成后利用有限元分析法，模型結構帶入有限元分析軟件，抽取中間的面，用網(wǎng)格劃分小區(qū)域，如平均邊長為6 mm的四邊形殼單元，這樣就建立好了有限元分析模型。

我們把碰撞發(fā)生時除前縱梁所需要分析改變的數(shù)據(jù)之外的其他參數(shù)設為是不變的，如剛性壁質(zhì)量為20 000 kg，碰撞時的速度為100 000 mm/s。然后前縱梁的約束自由度我們設為九個，用十自由度全部約束后縱梁，讓后縱梁完全無法移動。然后對剛性壁我們同樣用十個自由度來約束，這樣讓它可以在縱軸向運動，但是無法做其他方向的運動。縱梁結構基本材料結構為彈性模量為220GPa，柏松比為0.4，屈服應力為300GPa。

2 汽車前縱梁結構吸能的優(yōu)化設計

通過對前縱梁使用時的參數(shù)和碰撞發(fā)生時吸收能量的數(shù)據(jù)進行分析，找到一個合理的設計作為約束范圍，把它作為目標函數(shù)進行優(yōu)化設計，然后將折板厚度t1，平板厚度t2，半斷面形狀的邊數(shù)N，焊點直徑D，作為優(yōu)化設計的設計變量[2]。因碰撞過程中需要分析的時間較長，為了方便觀察，優(yōu)化算法選擇曲面響應法。在得到最優(yōu)解以及圓整后結構設計的各種變量后，再與現(xiàn)在的前縱梁結構進行比較。

首先從前縱梁的斷面結構開始優(yōu)化，把斷面形狀從之前的長方形結構優(yōu)化為多邊形結構。通過這種優(yōu)化，斷面周長上面的折點由原來的2個變?yōu)楝F(xiàn)在的6個，這就可以提高縱梁的軸向反力和穩(wěn)定能力。

然后優(yōu)化縱梁的因為壓縮而產(chǎn)生變形的過程，通過對比優(yōu)化前后縱梁壁上所出現(xiàn)的皺紋，可以明顯看出優(yōu)化后的縱梁壁上面的皺紋明顯增多，受壓失穩(wěn)變形造成這種皺紋的產(chǎn)生，這就說明優(yōu)化后，吸收的能量明顯增加。優(yōu)化設計縱梁重量過程中，縱梁的重量減小，但是吸能卻增加了。綜合上述的各個方面我們不難的出結論，優(yōu)化設計以后使得縱梁的碰撞特性大幅提高。

3 結束語

通過研究和仿真碰撞實驗證實，LS-DYNA和響應曲面法方法可行，求解中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，得出的優(yōu)化結果可靠。對設計中的縱梁的截面形狀，厚度，焊點距，焊點直徑等變量進行改變，然后利用響應曲面優(yōu)化法分析得出吸收能量的優(yōu)化設計方案[3]。通過對比優(yōu)化設計和現(xiàn)行設計前縱梁的碰撞結果，可以得出優(yōu)化設計以后可以使前縱梁碰撞時吸收能量的能力顯著提高。這篇文章中提出的汽車前梁結構碰撞優(yōu)化設計研究分析的方法還可以運用到其他結構碰撞分析研究過程中去。

[1]吳廣發(fā).基于LS-DYNA的汽車前縱梁碰撞吸能特性分析及其優(yōu)化設計[D].江蘇科技大學,2012.

[2]陳吉清,周鑫美,饒建強,區(qū)權湛.汽車前縱梁薄壁結構碰撞吸能特性及其優(yōu)化的研究[J]. 汽車工程,2010,32(06):486-492.[2017-08-15].

[3]楊雨澤,孫凌玉,尹奇凡,史國宏,陸百迅,張永闖.兼顧輕量化與吸能性的汽車前縱梁拼焊板設計與參數(shù)優(yōu)化[J].重慶工學院學報(自然科學版),2007,(12):6-11.[2017-08-15].

U463 獻標示碼： A

張文智（1973—）講師，本科，研究方向為汽車節(jié)能技術。