A00电动轿车车头3D设计及碰撞分 毕业论文.doc
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1、本科生毕业设计(论文) I I 摘要 随着汽车保有量的增长,道路交通事故己经成为世界性的一大社会难题。每年有 大量的人因交通事故死亡,交通事故带来的损失日益剧增,研究汽车的碰撞安全性能, 提高其耐撞性成为各国汽车行业研究的重要课题。 本文为了改进某一整车的前碰撞性能,应用计算机仿真技术对该车的前碰吸能部 件进行了碰撞仿真改进研究。设计车头 3D 数模,并根据其各吸能区计算断面结构,由 改进前的整车有限元模型碰撞仿真计算结果与改进后的实车碰撞试验结果的对比表明, 部件的碰撞仿真设计是确保设计车辆具有良好碰撞性能的一种重要的方法和手段。 关键词:车头模型、断面结构、计算机仿真 本科生毕业设计(论文
2、) IIII Abstract With the increasing of car amount, traffic accident has become a serious problem in the world. Many people annually died in the traffic accident,traffic accident gives the life and property safety of people bring serious of disaster. But now because the loss of accident increase grea
3、tly,the study of car crash safety performance attracts the increasing attention of a consequence of car company in the whole world. In order to improve a passenger cars crashworthiness, a computer simulation was done in this paper to study the crash characteristics of the energy absorbing front end
4、of a car .3D digital-analog design front, and areas according to their calculation of the absorption cross section structure .The results showed that the method of the crash simulation was a feasible way to ensure a new designed car having good crash worthiness. Key words: Digital-analog front、Cross
5、 section structure、Computer Simulation 本科生毕业设计(论文) IIIIII 目录 第一章 绪论.5 1.1.课题背景5 1.2.研究的目的和意义6 1.3.汽车碰撞法规的现状及发展趋势6 1.4.研究内容7 第二章 汽车车头 3D 数模9 2.1 CATIA 软件应用介绍9 2.2 车头 3D 数模.10 第三章 碰撞过程中各吸能区的划分及作用.11 3.1车身的概述11 3.1.1 白车身11 3.1.2 车身的作用11 3.1.3 车头结构12 3.2车头骨架设计要求13 3.2.1 空间要求 13 3.2.2 变形控制要求 13 3.3碰撞过程中吸
6、能区的划分13 3.4各吸能区的作用15 第四章 各吸能区断面结构的分析计算.16 4.1 各吸能区的断面结构16 4.2断面结构的分析计算20 第五章 电动汽车车头结构仿真分析及优化设计.22 5.1汽车碰撞22 5.1.1 概要 22 5.1.2 流程应用工具软件 22 5.1.3 汽车碰撞过程的特点 22 5.2HYPERMESH软件介绍及功能23 5.3LS-DYNA软件介绍及功能.24 5.3.1LS-Dyna 概况24 5.3.2LS-DYNA 程序功能 .24 5.4正面碰撞试验条件25 5.4.1 试验场地 25 5.4.2 壁障 25 5.4.3 车辆要求 26 5.4.4
7、正碰目标设定 26 5.5原模型仿真分析27 5.5.1 有限元模型的建立 27 5.5.2 材料强度 28 5.5.3 模拟碰撞局部变形图 30 5.5.4 能量曲线图 31 5.5.5 吸能区域能量分布 32 本科生毕业设计(论文) IVIV 5.5.6 吸能区域各部件吸能 32 5.5.7 整车加速度曲线 33 5.5.8 总结 33 5.6结构优化34 5.7改进后仿真分析40 5.7.1 模型建立 40 5.7.2 材料属性:(前部吸能区)41 5.7.3 碰撞结果 42 5.7.4 能量曲线图 44 5.7.5 吸能区域各部件吸能 45 5.7.6 整车加速度曲线 46 5.7.7
8、 车头相关部位的变形情况 47 5.7.8 对比总结 52 第六章 总结与展望.54 6.1本文总结54 6.2研究展望54 参考文献.56 致谢.58 附录.59 本科生毕业设计(论文) 5 5 第一章 绪论 1.1.课题背景 汽车安全性可分为主动安全性和被动安全性。其中主动安全性是指汽车避 免发生意外事故的能力;被动安全性,则是汽车在发生意外事故时对乘员进行 保护的能力。由于被动安全性总是与广义的汽车碰撞事故联系在一起,故也称 为“汽车碰撞安全性” 。大量数据表明,主动安全性再好,也只能避免 5%的事 故1,95%以上的事故是由于人和环境因素共同造成的。在各种交通状况下发 生的碰撞事故,归
9、纳起来包括正面碰撞、侧面碰撞、追尾、翻滚等2。统计数 据显示,在汽车各类碰撞事故中正面碰撞的发生几率约为 59%3,同时其对车 内司乘人员和生命财产安全的危害性也是最大的。 汽车的安全,尤其是碰撞安全性越来越受到重视,各国各地区都加强了对 安全法规的制定工作。目前,在美国、日本、欧洲及澳洲都有称为 NCAP 的组织 机构,对不同车型进行汽车碰撞安全性评估。汽车碰撞安全性评估主要包括正 面碰撞、侧面碰撞、儿童保护和行人保护四个方面。其中防正面碰撞的车身结 构设计己经成熟,由刚性的乘员舱与前后的吸能区组成,并注意吸能后撞击力 的分流;防侧面碰撞的车身结构设计也正趋完善,重点是放在加强车身刚性和冲
10、击力分流两个方面;为满足保护行人法规要求,整车的造型和汽车前部结构发生 了很大的变化。 目前,汽车安全已经成为制约我国交通运输业和汽车工业进一步发展的重 要因素之一,开展汽车安全性研究是十分必要和紧迫的。为了促进这一领域的 研究工作,中国汽车工程学会于 1995 年 9 月成立了(被动)安全技术专业委员会 4。这一专业委员会的成立,标志着我国汽车被动安全性研究工作正逐渐走上 系统化和正规化的发展道路。我国颁布的第一项汽车安全技术法规 CMVOR294汽车正面碰撞乘员保护的设计规则5于 1999 年 10 月 28 日由国 家机械工业局发布,己列入了新的 40 项强制检测项目中,这表明我国政府己
11、对 汽车的被动安全性有了更全面的评价方法6,2003 年,GBll551 一 2003乘 用车正面碰撞乘员保护7强制性国家标准的颁布则标志着我国的碰撞法规正 逐渐与国际接轨。 随着国家 863 计划电动汽车重大专项的实施,我国在纯电动汽车、混合动 力汽车和燃料电池汽车等新能源环保汽车方面的开发力度正在加强,我国拥有 本科生毕业设计(论文) 6 6 自主知识产权的新能源汽车动力系统技术平台正在逐步建立,通过整车集成配 套技术的研发,实现与传统汽车的技术对接,逐步向产业化延伸。电动汽车的 一个重要特点就是车内装有高电压的动力回路,由数十块甚至几百块储能单元 (如单体电池)串联或者并联组成的储能系统
12、(如动力电池组)的电压远远超过安 全电压,所以相对传统汽车而言,电动汽车对碰撞安全性做出了更高的要求。 本课题是奥杰汽车为东风公司正在设计研发的一款 A00 级电动轿车碰撞试 验中的一部分,即车头的正碰。 1.2.研究的目的和意义 长期以来,轿车安全性能的提高一直是汽车工业界所追求的目标。用实车 碰撞试验可测定轿车安全性能,但因其需要在实物样机上安装各种测试设备, 进行实地试验,成本高,时间长。所以探索新的试验方法一直是汽车工业界非 常关注的课题。随着计算机技术的发展和各种应用软件的出现,轿车碰撞试验 可以用计算机来模拟来实现,利用虚拟现实技术设计的汽车虚拟试验场可逼真 地实现试验过程。通过交
13、互改变汽车设计参数、试验道路环境,可以验证设计 方案,从而达到缩短设计周期,降低开发成本,提高产品质量的目的。与传统 的实车试验相比应用虚拟试验场具有快速、逼真、可重复性等特点,可无危险, 无损坏地进行碰撞、翻倾等极限试验。同时,正面碰撞是汽车碰撞事故中最多, 对人体危害最大的碰撞形式,也是国际上许多安全法规中规定的小型客车和轿 车的最主要标准试验。我国颁布的第一项汽车安全技术法规 CMVDR294汽车正 面碰撞乘员保护的设计规则5,己列入了新的 40 项强制检测项目中。通过 计算机模拟的方法研究电动车正面碰撞问题满足项目的实际需求,同时也符合 国家相关政策,具有良好的现实意义。 本课题研究的
14、意义不仅仅在于能够解决奥杰公司在实际试验中参在的问题, 为实车试验提供实际的参考和指导,而且可以提供一种计算机虚拟仿真的计算 方法,在降低试验成本以及缩短产品试验周期等方面均有着重要意义。此外, 由于目前国内对电动车正面碰撞安全性的研究较少,因此本课题研究对电动车 正面碰撞安全性的相关研究工作具有一定的借鉴和参考价值,有助于我国电动 车被动安全性设计整体性水平的提高。 1.3.汽车碰撞法规的现状及发展趋势 实车碰撞实验是综合评价汽车碰撞安全性能的最基本、最有效的方法。实 车碰撞试验按碰撞形态可分为:正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞、角度碰撞。 本科生毕业设计(论文) 7 7 其中正面碰撞、侧面碰撞
15、为主要碰撞形态。 实车正面碰撞试验形式有正面碰撞、30 度斜碰撞和偏置碰撞等形式。试验 中的基本条件主要包括车质量状态、假人质量、固定障碍壁的几何形状和质量、 固定障碍壁与被试车辆的位置关系等。实车试验中最基本的碰撞壁障有固定刚 性壁了障和变形壁障两种。固定壁障的碰撞试验与实际交通事故的碰撞形式差 异较大。变形壁障偏置碰撞能较好地模拟实际交通事故中的正面碰撞,试验结 果更有说服力。正面碰撞试验以下面三种方式进行: (1)车辆纵轴线与障碍壁表面垂直; (2)障碍壁前放置 30 度的楔形块,碰撞时车辆右前端先接触楔形块; (3)障碍壁前放置 30 度的楔形块,碰撞时车辆左前端先接触楔形块。7 在测
16、量用假人方面,规定使用 Hybrid型假人并给出乘员损伤限值。 欧洲汽车工业发达国家虽然对汽车也进行了长时间的研究,但一直没有形 成统一的法规,直到 1992 年才提出一个 ECE 草案。草案规定碰撞速度为 50km/h,固定障碍壁为刚性表面,并且障碍壁前放置一个 30 度的楔形块,碰撞 时车辆驾驶员侧先接触。该草案与 FMVSS88(美国联邦机动车安全法规2)法 规的区别是:车辆只进行一种方式的碰撞试验,并且楔形块表面安装有防滑装 置,以防止碰撞时车辆沿楔形块表面滑脱。欧洲在研究正面碰撞安全法规时比 较重视实际的交通事故形态,提出了与实际交通事故最接近的偏置变形壁障碍 碰撞试验方法。但是由于
17、偏置变形壁障碰撞试验方法对碰撞试验条件的控制十 分苛刻,当时的碰撞试验设备无法满足该试验要求,故在 1995 年颁布 ECE94/00 时先采用了车速为 50km/h 的 30 度斜角碰撞试验方法作为过渡。但欧 洲专家认为美国 FMVSS208 中的斜角碰撞试验中光滑的斜角壁障使碰撞车产生滑 移而减轻了车辆碰撞的强烈程度,使试验结果与实际交通事故不同。为了防止 斜角碰撞中车辆前端面的滑动,欧洲 ECE R94/00 中的貌一新 30 度斜壁障上装 设了标准的防滑块阻止碰撞中试验车前端面的滑动。到 1994 年,ECE R94/01 中采用了车速为 56km/h 的 40%的偏置变形壁障碰撞试验
18、。 1.4.研究内容 本课题研究的具体内容包括以下方面: (1) 电动轿车车头吸能区域的结构分析并进行优化 利用 CATIA 建立车头骨架 3D 模型,对模型进行结构上的分析,首先 在结构上进行优化,保证吸能区有足够的压溃长度;其次在连接的选择 上分析焊接与螺接的区别进行优化。 (2) 各吸能区的断面结构的分析计算 本科生毕业设计(论文) 8 8 通与成功车型的断面结构进行对比分析,选择合适的断面形状,保 证碰撞受力时达到预订的变形要求。 (3) 利用 CAE 软件进行仿真分析并进行优化设计 利用 CAE 软件进行碰撞仿真,与法规进行对比,进行局部的优化, 在理论上满足整车的基本要求。 本科生
19、毕业设计(论文) 9 9 第二章 汽车车头 3D 数模 2.1 CATIA 软件应用介绍 CATIA 是法国达索飞机公司在 70 年代开发的高档 CAD/CAM 软件,是世界 上一种主流的 CAD/CAE/CAM 一体化软件。CATIA 是英文 Computer Aided Tri- Dimensional Interactive Application(计算机辅助三维交互式应用) 的缩 写。目前在中国由 IBM 公司代理销售。 CATIA 是汽车工业的事实标准,是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核 心系统。CATIA 在造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特的长处,为各种 车辆的设计和制
20、造提供了端对端(end to end )的解决方案。CATIA 涉及产品、 加工和人三个关键领域。CATIA 的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上 市时间。 一级方程式赛车、跑车、轿车、卡车、商用车、有轨电车、地铁列车、高 速列车,各种车辆在 CATIA 上都可以作为数字化产品,在数字化工厂内,通过 数字化流程,进行数字化工程实施。CATIA 的技术在汽车工业领域内是无人可 及的,并且被各国的汽车零部件供应商所认可。从近来一些著名汽车制造商所 做的采购决定,如 Renault、Toyota、Karman 、Volvo、Chrysler 等,足以证 明数字化车辆的发展动态。 Scania 是
21、居于世界领先地位的卡车制造商,总部 位于瑞典。其卡车年产量超过 50,000 辆。当其他竞争对手的卡车零部件还在 25,000 个左右时,Scania 公司借助于 CATIA 系统,已经将卡车零部件减少了 一半。现在,Scania 公司在整个卡车研制开发过程中,使用更多的分析仿真, 以缩短开发周期,提高卡车的性能和维护性。CATIA 系统是 Scania 公司的主 要 CAD/CAM 系统,全部用于卡车系统和零部件的设计。通过应用这些新的设计 工具,如发动机和车身底盘部门 CATIA 系统创成式零部件应力分析的应用,支 持开发过程中的重复使用等应用,公司已取得了良好的投资回报。现在,为了 进一
22、步提高产品的性能,Scania 公司在整个开发过程中,正在推广设计师、分 析师和检验部门更加紧密地协同工作方式。这种协调工作方式可使 Scania 公 司更具市场应变能力,同时又能从物理样机和虚拟数字化样机中不断积累产品 知识。 本科生毕业设计(论文) 1010 2.2 车头 3D 数模 图 2-1 车头 3D 模型 本科生毕业设计(论文) 1111 第三章 碰撞过程中各吸能区的划分及作用 3.1车身的概述 车身是汽车的“上层建筑” ,是整车的四大组成部分之一。汽车的更新换 代很大程度上取决于汽车车身技术的发展。汽车车身涉及美学、空气动力学、 环境学、计算机、机械工程学、人机工程学、材料和化工
23、等。车身一般由白车 身、内饰、外件、附件组成。 3.1.1 白车身 白车身:英文 body in white,是指车身本件及覆盖件的总成,包括车身 焊接本体、翼子板、四门两盖(五门一盖) ,不含附件及装饰件的未涂漆的车身。 如下图: 图 3.1 白车身结构 3.1.2 车身的作用 1)实现整车功能的作用 2)为乘员提供舒适的乘坐环境 3)为乘员提供安全保护措施 本科生毕业设计(论文) 1212 4)减少空气阻力 5)增强汽车的美观性 其中,为乘员提供安全保护措施是本课题研究的主要内容,即车头碰撞安 全性的研究。 3.1.3 车头结构 下图为本课题研究的电动车的整车效果图 图 3.2 整车效果图
24、 车头主要由前保险杠、车头顶盖、翼子板和车头内部骨架组成。由于该纯 电动车车头较短,在碰撞过程中起主要作用的是车头内部骨架结构,如下图所 示: 图 3.3 车头骨架结构 本科生毕业设计(论文) 1313 3.2车头骨架设计要求 3.2.1空间要求 要有足够的空间安装汽车悬架,动力总成以及其他附件。 3.2.2变形控制要求 1)最大变形量的控制,这一许可变形区的实现是密切相关的。车体结构侵 入乘员空间造成的接触伤害是主要的伤害成因之一,在汽车碰撞中应尽量避免 对乘员的接触伤害,绝对保证乘员舱结构的整体刚度,避免自身塌陷或其他结 构的侵入造成乘员伤害。因此,必须控制最大变形量,将碰撞变形限制在一定
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