曲率薄壁梁彎曲臨界理論的應用案例分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u4434曲率薄壁梁彎曲臨界理論的應用案例分析概述 1162781.1正面100%碰撞分析 156291.2基礎車型正面碰撞波形建立及簡化及目標分解 261141.2.1基礎車型簡化雙臺階波形的建立 2186491.2.2目標車型雙臺階波形的設定 6511.2.3基礎車型彎曲梁目標分解 9288891.3優(yōu)化設計 11149691.4優(yōu)化后地板縱梁有限元模型的建立 12112141.5小結(jié) 161.1正面100%碰撞分析本文通過LS-DYNS對整車模型的分析，可得知汽車發(fā)生100%碰撞時最主要的變形區(qū)域是汽車前端結(jié)構(gòu)中的保險杠縱梁、前縱梁以及副車架。并且可得正面碰撞的傳力路徑基本分為上中下三條，上部路徑主要部件為發(fā)動機艙上邊梁，中部主要部件為前縱梁、保險杠緩沖梁和吸能盒，下部主要部件是前副車架。各部分所占百分比如圖1.1所示。圖1.1汽車正面碰撞傳力路徑由上述信息可得，汽車車身中的縱梁結(jié)構(gòu)的變形在正面碰撞工況中起到重要的作用，所以對縱梁的最大彎曲力矩的研究對改善正面碰撞性具有重要意義。根據(jù)資料可得碰撞速度與車體永久變形量的關系為，其中X為前端可變形區(qū)域長度，即X=D1+D2，為碰撞速度。根據(jù)上述公式可算得碰撞速度大于等于65km/h時，基礎車型乘員艙之前的前端結(jié)構(gòu)才能完全變形。因此本文以65km/h的工況為基礎，改進正面碰撞波形。圖1.2汽車前端尺寸示意圖1.2基礎車型正面碰撞波形建立及簡化及目標分解1.2.1基礎車型簡化雙臺階波形的建立按照上文內(nèi)容中對地板縱梁的處理重新設置薄壁梁屬性并重新導入原來的整車模型。根據(jù)任務書要求本文的主要研究對象為某B級乘用車，整車質(zhì)量為1.3噸，若要此類車前端結(jié)構(gòu)達到最大變形量則其速度應為65km/h，因此對整車性能分析時采用65km/h的正面100%剛性碰撞工況。在汽車正面剛性抗撞設計中，經(jīng)常采取碰撞過程中汽車B柱上的表達出的減速度隨時間變化的曲線為整車碰撞波形，碰撞波形是我們能夠最方便且最重要的波形，其能直觀的表現(xiàn)出汽車碰撞試驗中所表達出的性能，是本次研究的重要目標之一。在碰撞試驗結(jié)束后得到的B柱上的減速度時間波形如圖1.3所示，我們可以直觀的看到其減速度峰值為為457.8m/s2。另外根據(jù)軟件顯示，我們可以得到侵入量，如圖1.4所示。圖1.3減速度時間波形圖圖1.4侵入量波形圖碰撞過程中，在保險杠及吸能盒等結(jié)構(gòu)被完全壓潰之后，作為剛體的發(fā)動機不僅本身不發(fā)生變形，也會在上述結(jié)構(gòu)壓縮后前部空間減小過程中直接受到剛性壁的擠壓從而侵入駕駛艙，而車身中的地板縱梁前端曲率薄壁梁和地板縱梁對前端結(jié)構(gòu)具有重要的支撐作用，尤其是其中的曲率薄壁梁可以有效阻止發(fā)動機對前圍板的侵入，其中地板縱梁前端變形模式主要為彎曲變形，地板縱梁變形模式有壓潰變形和彎曲變形兩種模式，由碰撞結(jié)果中可以得知，以上二者總吸能量為4.2KJ，汽車左右兩側(cè)的縱梁結(jié)構(gòu)彎曲對稱，因此地板縱梁前端和地板縱梁的單側(cè)吸能量為2.1KJ。按照普遍規(guī)定，為了保證在碰撞過程中車內(nèi)乘客的安全，要求前圍板的侵入量最大不超過150mm。其中地板縱梁作為可以有效地阻擋上文中的前端結(jié)構(gòu)向后移動從而發(fā)生侵入的重要結(jié)構(gòu)，本文主要針對地板縱梁進行優(yōu)化設計，在地板縱梁不發(fā)生壓潰變形的情況下，使轉(zhuǎn)向節(jié)處的侵入量降低到150mm以內(nèi)，以降低對駕駛員的傷害。根據(jù)上文中的減速度時間曲線，可以很明顯的看出可以將其簡化為雙臺階波形，其可以將原波形表現(xiàn)得更加簡單不僅能夠?qū)⑴鲎策^程中的能量總和、碰撞發(fā)生的時間等信息表達出來，還可以表達出發(fā)動機和剛性壁的時刻以及車輛發(fā)生最大變形的時刻，并且同時可以得到速度時間曲線和位移時間曲線的簡化波形。綜上，本文采用雙臺階波形對所得波形進行簡化。為得到我們所需要的簡化波形，需得到七個特征點：A為碰撞開始時刻；B和D為簡化波形的兩個特征點；C代表了發(fā)動機與剛性壁碰撞的時刻；E為汽車在碰撞過程中汽車前體發(fā)生最大變形的點；F為碰撞結(jié)束點。還要得到7個參數(shù)，其中包括AB、CD、EF的斜率s1、s2、s3，BC、DE到x軸的距離以及發(fā)動機停止運動的時刻及車輛最大變形的時刻。簡化雙臺階波形應該表型出的信息有詳細的加速度波形的邊界條件以及其相對特征，簡化雙臺階波形要滿足的條件有三個：簡化雙臺階波形與原來曲線表達的發(fā)動機前端空間應該是一樣的，計算方法如下：(1.1)這兩類曲線的最大的動態(tài)壓縮量應該相同即其最大的位移量相等，計算方法如下：（1.2）在碰撞試驗的進行過程中其速度的變化量應該是相同的即汽車自身吸收的能量多少相等，計算方法如下：（1.3）根據(jù)上列公式可球的簡化雙臺階波形圖的特征點為：特征點A的坐標： （1.4）特征點B的坐標： （1.5）特征點C的坐標： （1.6）特征點D的坐標： （1.7）特征點E的坐標： （1.8）特征點F的坐標： （1.9）可確定上述減速度時間波形圖的簡化雙臺階波形圖如圖1.5所示。各個坐標值如表1.1所示。表1.1簡化波形圖坐標點ABCDEF(0.012,0)(0.024,235)(0.036,235)(0.036,386)(0.075,386)(0.086,0)圖1.5簡化波形圖與原波形圖為了直觀的顯示接觸力與車體縱向位置之間的關系，將加速度-時間曲線簡化為接觸力-位移曲線，在LS-PrePost處理器的history工具中生成位移-時間曲線文件，再用ASCII工具生成接觸力—時間曲線文件，最后通過XYplot工具生成接觸力-位移曲線。其雙臺階簡化波形如圖1.6所示。圖1.6接觸力位移曲線1.2.2目標車型雙臺階波形的設定車輛在發(fā)生正面碰撞時自身會吸收碰撞的初始動能之后其速度降為零，在這之后車輛內(nèi)部發(fā)生反彈則停止對乘客艙的侵入。為了更好的解決侵入問題，應增加汽車前端結(jié)構(gòu)對初始動能的吸收能力，降低乘客艙對動能的吸收即可減少乘客艙的侵入量，由此可見侵入量與汽車前端結(jié)構(gòu)的吸收初始動能的能力息息相關。根據(jù)目前對于汽車安全性能的目標要求，一輛汽車在進行百分百正面碰撞的情況下乘客艙的侵入量應小于150mm以及此車的前端結(jié)構(gòu)對于初始動能的吸收量應該大于156.9kJ。在此規(guī)定下對目標車輛進行優(yōu)化。在汽車前端結(jié)構(gòu)受到軸向力是時出現(xiàn)軸向壓縮，其前端部分會一直向軸線方向的后端移動導致材料的堆積從而造成結(jié)構(gòu)末端不會發(fā)生壓縮。以及汽車中的復雜子結(jié)構(gòu)由于相互有運動的影響所以也難以出現(xiàn)壓潰。由于出現(xiàn)這么多的不完全壓潰，汽車前端結(jié)構(gòu)對初始動能的吸收能力降低，在本文中對前端結(jié)構(gòu)的壓縮系數(shù)進行定義為結(jié)構(gòu)由于在受到軸向壓縮時的減少的長度與其原來的長度之比，用字母k表示。在對能量進行計算時應考慮到結(jié)構(gòu)壓縮不充分這一問題，所以要將k代入計算過程中。在有限元模型分析中可得汽車的前端結(jié)構(gòu)到發(fā)動機之間的壓縮系數(shù)與發(fā)動機到防火墻之間的壓縮系數(shù)都為0.85。在本文中定義第一個臺階處的接觸力為F1，第二個臺階處接觸力為F2。F1和F2表示基礎車型正面碰撞力，F(xiàn)1’和F2’表示正面碰撞力的理想值。為了改進抗撞性，由于基礎車型前端結(jié)構(gòu)吸能量為156.9kJ，其根本原理就是增加前端結(jié)構(gòu)在碰撞中吸收的能量，所以本文用以下不等式來表達優(yōu)化后汽車前端的結(jié)構(gòu)對初始動能的吸收量不小于目前所研究汽車汽車前端的結(jié)構(gòu)對初始動能的吸收量：（1.10）除了要充分考慮車體碰撞過程中的不完全壓縮，還要考慮在碰撞過程中的質(zhì)量變化問題。在車體發(fā)生碰撞的過程中結(jié)構(gòu)不斷的進行變化材料也在不斷地流向剛性墻一端并且會停留在剛性墻附近，這將導致汽車整體運動的質(zhì)量減小。并且在碰撞過程中汽車前端的結(jié)構(gòu)及零件會與整車發(fā)生大量分離。如果不考慮質(zhì)量的流失問題的話，將會導致整車的接觸力增大從而增大了汽車前端結(jié)構(gòu)對初始動能的吸收量，雖然是一種理想情況，會使汽車的安全性能大大增加，但是要實現(xiàn)這一目標所花費的人力物力將急劇增大且與現(xiàn)實情況不符合。根據(jù)汽車碰撞中質(zhì)量的不停減小，在本文中定義碰撞前汽車的質(zhì)量與碰撞后的質(zhì)量之比為n，其中定義n1和n2分別為發(fā)動機停止運動前后運動質(zhì)量比n1=0.95，n2=0.9。定義本文研究汽車的安全系數(shù)α1和α2，α1=0.95，α2=1.1。根據(jù)上文內(nèi)容可得，此系數(shù)應該滿足以下不等式：（1.11） 為了控制汽車整體的材料和工藝成本以及安全性設計和實際工藝水平的結(jié)合，還需滿足以下不等式：（1.12）根據(jù)以上不等式的聯(lián)立，可得到如圖1.7的圖像，其中陰影部分定義了F1’和F2’的取值范圍。圖1.7F1和F2的優(yōu)化區(qū)域為了最大的提高汽車前端對與能量的吸收能力，提高汽車整體的抗撞性能，取F1’=280kN，F(xiàn)2’=415kN。結(jié)合以上公式可得：（1.13）根據(jù)上文所得如圖1.8的簡化雙臺階波形圖。圖1.8目標簡化雙臺階波形圖1.2.3基礎車型彎曲梁目標分解由LS-DYNA的后處理功能LS-PrePost求得前端可變形區(qū)域各部件吸能量及其占前端總能量的百分比如表1.2所示。表1.2前端各部件吸能量及所占百分比部件吸能量（kJ）百分比前縱梁55.535.4%保險杠骨架及吸能盒30.019.1%副車架29.819.0%散熱器及支架22.014.0%輪罩4.81.1%上縱梁4.142.6%其它10.796.9%根據(jù)表1.1以及基礎車型的變形特點可知汽車前端結(jié)構(gòu)以壓潰和彎曲兩種變形模式。在汽車前端結(jié)構(gòu)中，Z1段不受發(fā)動機影響，所以以壓潰變形為主；Z2段在碰撞過程中會與Z3段重合，所以也可看做壓潰變形；Z3段由于與Z2段的重合所以以彎曲變形為主；Z4段主要是對前端部分的支撐，以彎曲變形為主。Z4Z3Z2Z1Z4Z3Z2Z1圖1.9前縱梁結(jié)構(gòu)應用目標接觸力-位移曲線可得到表1.3的目標車型前端結(jié)構(gòu)目標吸能量及平均結(jié)構(gòu)力。表1.3目標車型前端結(jié)構(gòu)目標吸能量及平均結(jié)構(gòu)力吸能量（kJ）單側(cè)吸能量（kJ）平均結(jié)構(gòu)力（kN）Z13115.592Z2147101Z384-Z4和Z3段在前端結(jié)構(gòu)中主要起到了支撐前縱梁的變形吸能的作用，在承受Z1和Z2的變形時在彎曲段發(fā)生了彎曲變形，從而在彎曲處產(chǎn)生了塑性鉸。在對原車進行有限元分析之后可以得到地板縱梁彎曲部分的前后變化圖，其中φ為29°φ’為36°，如圖2.15所示。而根據(jù)圖2.14，發(fā)現(xiàn)大部分曲率薄壁梁都是在彎曲角度為7°左右時出現(xiàn)最大彎曲力矩，彎曲角度大于7°后才會發(fā)生明顯的失效。由文獻[21]可知塑性鉸吸能量可以表示為彎矩與轉(zhuǎn)角的乘積，由原車的有限元分析可得地板縱梁曲率薄壁梁的吸能量為0.37KJ，則可以由公式1.14求出Z4段曲率薄壁梁最大彎曲力矩為6066N·m，地板縱梁結(jié)構(gòu)應能夠抵抗前端結(jié)構(gòu)給予的力。根據(jù)表1.3可得前段結(jié)構(gòu)的力，由接觸力位移曲線可得，二者力臂約為0.05m，可得其力矩分別為4600N·m和5050N·m，均小于曲率結(jié)構(gòu)的最大彎曲力矩。（a）地板縱梁結(jié)構(gòu)變形前（b）地板縱梁結(jié)構(gòu)變形后（c）變形前后簡化圖圖2.15地板縱梁的變形及簡化圖（1.14）1.3優(yōu)化設計由于薄壁梁的壓彎及組合特性車身結(jié)構(gòu)件設計中普遍采用薄壁梁。本文以車身結(jié)構(gòu)中常出現(xiàn)的曲率薄壁梁為主要研究對象，其中涉及矩形截面、上帽形截面曲率薄壁梁，針對其在純彎曲工況下的力學特性以及吸能理論預測的相關研究，目的在于為車身曲率帽形薄壁梁的耐撞性概念設計提供理論基礎和指導。目前基于安全性設計考慮的薄壁梁理論已經(jīng)成熟，并且后續(xù)的輕量化設計在整體的汽車設計中愈來愈重要，成為不可少的考慮因素，為了顧及到輕量化及安全性之間的平衡關系，采用多直角薄壁梁的方法正在逐漸普及而且多直角薄壁梁的理論基礎也在迅速發(fā)展，并逐漸成為結(jié)構(gòu)件設計的首選，針對某B級轎車地板縱梁前端曲率梁結(jié)構(gòu)，以降低正面碰撞侵入量為整車抗撞性設計目標。本文為了不與文中使用的整車模型的尺寸以及地板縱梁與周圍零件及總成的限制，難以做大改動，為了驗證階段更好地集成到整車，避免與其他部件發(fā)生干涉，選用與基礎車型相同的帽型斷面，因為薄壁梁形式的限制，所以主題優(yōu)化方案為優(yōu)化薄壁梁的材料、尺寸、截面形式和加強板布置形式。合理選擇薄壁梁的截面形式、尺寸、材料和加強板布置形式可以大大提高整車抗撞性。正面全寬碰撞中主要通過前端結(jié)構(gòu)的變形吸能來提高抗撞性，地板縱梁作為車身中最重要的結(jié)構(gòu)件之一，在正面碰撞安全性設計中也起到了支撐前縱梁來使之按照預定方案變形吸能的作用。但單就地板縱梁本身而言對提高正面全寬碰撞的抗撞性能影響不大。不過如果地板縱梁與前縱梁連接處彎曲變形較大，會導致其對前縱梁支撐不足，使前縱梁壓潰不充分，會大大降低抗撞性。為減少結(jié)構(gòu)修改成本，本文保持原始車型中地板縱梁前端和地板縱梁的截面形狀和尺寸不變，因此本文重點基于薄壁梁理論對地板縱梁第一段與前縱梁連接處進行斷面設計，并改善此處的加強板，以及對縱梁材料進行優(yōu)化。為了選擇合適的縱梁材料與厚度，需要對多種材料進行計算，將厚度與質(zhì)量對比驗證，選擇出最合理的方案。本文基于上文中對曲率薄壁梁的有限元分析已經(jīng)理論計算可得，厚度越大最大彎曲力矩越大，同時愈大的屈服強度也可以增加汽車本身的抗撞性能。選擇截面尺寸為56*64mm的同時選擇屈服強度為412MPa的材料，由于加強板與底板厚度之和不能超過5mm，同時考慮到最大彎曲力矩，所以采用帽和底板厚度為2.4mm、加強板厚度為2.0mm。選定各項數(shù)據(jù)之后，進行計算得到的最大彎曲力矩為6021.5N·m，相較于要求最大彎曲力矩略高。1.4優(yōu)化后地板縱梁有限元模型的建立由于最后工程圖采用車身制圖標準，本文縱梁建模為了與基礎車型坐標一致，同時考慮到前文所述縱梁結(jié)構(gòu)各段長度均與基礎車型相同，因此本文從基礎車型的k文件中用平面生成一個三維模型如圖1.10所示。用CATIA軟件打開縱梁的三維軟件，拾取縱梁結(jié)構(gòu)各段長度方向的邊界，按結(jié)果復制到新的Part文件。此時粘貼過來的邊界線與基礎車型縱梁在坐標系中的位置相同，便于集成到整車進行裝配，而且向二維工程圖投圖時也不用再重復修改坐標系。更重要的是考慮到集成到整車時其他零部件基本不能改動，所以要盡量避免干涉問題，使用基礎車型長度邊界線，可有效避免發(fā)生干涉。以基礎車型的邊界線為引導線，并通過空間樣條線或平面草圖畫出輪廓線，再運用拉伸、掃掠、填充等方式建立的縱梁整體裝配圖.導入hypermesh，對模型進行畫網(wǎng)格操作，并對不合格的網(wǎng)格進行壓線操作。在導入hypermesh軟件并畫完網(wǎng)格后，利用軟件中2D卡片里的qualityindek選項找出不合格的網(wǎng)格并對其進行修復，因為此次模型比較簡單，出現(xiàn)錯誤的網(wǎng)格數(shù)量較少，所以采用拖拽的方式對網(wǎng)格進行修復。圖1.10導出地板縱梁模型導入hypermesh進行網(wǎng)格的處理，清除存在缺陷的網(wǎng)格，由于此零件缺陷網(wǎng)格較少，采用手動拖拽壓線操作。導入地板縱梁的材料等各項數(shù)據(jù)后，即可將所創(chuàng)建模型導入整車模型。圖1.11加強板模型地板縱梁的模型建立完成之后要導入整車模型，在這之前，要先將原來的基礎車型進行有限元模型的分析，基于原車的分析得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的性能優(yōu)化對比。圖1.12網(wǎng)格處理界面之后通過1D-spotweld菜單修改或添加新的焊點，以連接各縱梁各部分，并與整車其他零部件進行連接。經(jīng)Utilitya-errorcheck菜單檢查無誤后，定義65km/h的初速度，其控制卡延用基礎車型的設置不做更改，最后輸出集成后的整車k文件。經(jīng)過LSDYNA計算后得到改進后的地板縱梁彎曲力矩為6125.7N·m，達到設計目標。圖1.13整車有限元模型在對上文中的地板縱梁進行優(yōu)化后導入原始車輛，再對優(yōu)化后的整車模型進行有限元分析，導出其減速度時間波形圖如圖1.14所示，以及其侵入量隨時間變化的波形圖對比如圖1.15所示。圖1.14優(yōu)化后的減速度時間波形圖圖1.15優(yōu)化前后侵入量的對比根據(jù)上文推導出的公式，可以求出優(yōu)化后減速度時間波形圖的簡化雙臺階波形圖，將計算得到的簡化雙臺階波形圖與目標簡化雙臺階波形圖進行對比，如圖1.16所示。圖1.16優(yōu)化車型與目標車型的簡化雙臺階波形圖的對比改進車型的碰撞波形與目標波形誤差為：