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基于乘员保护的汽车正面碰撞结构设计与变形控制研究

作　者: 王大志
导　师: 宋健；黄世霖
学　校: 清华大学
专　业: 机械工程
关键词: 汽车正面碰撞车辆-乘员动力学模型薄壁梁弯曲吸能能力变形控制
分类号: U491.62
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

汽车正面碰撞乘员保护是汽车碰撞安全的基本研究方向。本文分析、总结了平头轻客、微客和轿车车型正面碰撞车辆加速度变化对乘员响应的影响,建立了车辆-乘员正面碰撞模型。模型从非线性的汽车碰撞过程中提取碰撞加速度放大因子、加速度时间历程、乘员约束系统刚度和乘员约束系统间隙这四个关键参数来描述碰撞过程,具有明确的物理意义。通过模型的参数分析,提出了车辆碰撞加速度与约束系统的匹配方法,设计了汽车正面碰撞设计、改进的流程,为汽车正面碰撞安全设计与改进提供了有效的指导。汽车前纵梁在碰撞中发生稳定的褶皱变形,是实现碰撞加速度设计目标的保证。本文采用模拟计算与试验验证相结合的方法,分析了方截面薄壁梁的抗弯设计方法和变形引导结构的特性,设计了具有较强吸能和抗弯能力的约束引导梁,作为汽车碰撞的主要变形吸能结构,能够适应更大倾角的斜向碰撞并有助于减轻汽车重量。为保证乘员空间完整性和碰撞加速度设计目标的实现,在主要碰撞承载结构变形控制的基础上,系统地提出了汽车正面结构的设计和变形控制方法。对车辆最大变形量、结构变形模式、变形次序以及结构有效性进行全面控制。采用本文的研究技术,改进了福田海狮、金杯海狮、昌河铃木系列多种车型的正面碰撞安全性,使它们通过了我国正面碰撞安全法规。论文研究应用的项目提高了汽车安全设计的自主开发能力,获得2003年汽车工业科技进步二等奖和2005年教育部推荐国家科技进步二等奖。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章引言  9-23
  1.1 课题研究背景与意义  9-11
    1.1.1 汽车碰撞安全标准发展现状  9-10
    1.1.2 我国汽车碰撞安全研究现状  10-11
    1.1.3 课题研究意义  11
  1.2 汽车碰撞安全与结构设计研究  11-22
    1.2.1 整车碰撞乘员保护的车体缓冲（Ride-down）概念  12-13
    1.2.2 汽车碰撞安全研究方法  13-15
    1.2.3 薄壁梁变形特性的研究及发展  15-22
  1.3 论文主要内容  22-23
第2章正面碰撞车辆加速度变化与乘员保护分析  23-60
  2.1 汽车正面碰撞系统化研究的意义及难点  23-24
  2.2 汽车正面碰撞过程分析  24-28
  2.3 车辆－乘员模型建立  28-44
    2.3.1 车辆－乘员模型基本描述  28-29
    2.3.2 车辆碰撞加速度模型  29-36
    2.3.3 乘员响应模型  36-40
    2.3.4 车辆－乘员模型的有效性验证  40-44
  2.4 模型参数分析与正面碰撞乘员保护  44-51
    2.4.1 基本参量取值范围  44-46
    2.4.2 车辆的碰撞加速度波形对乘员响应的影响  46-48
    2.4.3 不同的约束系统对乘员响应的影响  48-50
    2.4.4 不同刚度的约束系统在不同间隙下的工作情况  50-51
  2.5 汽车正面碰撞安全设计与改进的流程  51-59
    2.5.1 汽车正面碰撞安全设计流程  52-55
    2.5.2 汽车耐撞性改进设计流程  55-59
  2.6 本章小结  59-60
第3章吸能抗弯方形截面薄壁梁设计  60-113
  3.1 矩形截面薄壁梁轴向压缩特性综述  60-69
    3.1.1 失稳载荷  63-65
    3.1.2 最大轴向载荷P_(max)  65-66
    3.1.3 平均载荷P_2  66-69
  3.2 有限元模型与数据分析方法  69-71
    3.2.1 基本有限元模型  69-70
    3.2.2 薄壁梁变形过程载荷特性描述方法  70-71
  3.3 薄壁直梁的弯曲变形分析及抗弯设计方法  71-81
    3.3.1 汽车碰撞中梁的单轴向弯曲变形  73-74
    3.3.2 影响薄壁直梁弯曲变形的因素  74-79
    3.3.3 提高薄壁直梁抗弯能力的方法  79
    3.3.4 薄壁直梁抗弯设计方法的试验验证  79-81
  3.4 具有较高吸能能力的约束梁结构设计  81-90
    3.4.1 约束梁结构概念设计  81-84
    3.4.2 约束梁结构详细设计  84-90
  3.5 约束引导梁的结构设计  90-112
    3.5.1 变形引导结构保持薄壁梁的外延变形  90-91
    3.5.2 变形引导结构基本要求  91-92
    3.5.3 变形引导结构类型  92-94
    3.5.4 三种变形引导结构的效果分析  94-103
    3.5.5 变形引导结构对于边界条件变化的适应性  103
    3.5.6 约束引导梁结构设计、分析与试验验证  103-112
  3.6 本章小结  112-113
第4章汽车正面碰撞车身变形控制方法及应用  113-133
  4.1 控制主要耐撞结构的碰撞变形  113-118
    4.1.1 合理的许可变形区设计  113-114
    4.1.2 控制主要耐撞结构的变形以控制整车碰撞变形  114-118
  4.2 汽车正面耐撞结构设计  118-120
    4.2.1 汽车正面碰撞结构变形控制要求  118
    4.2.2 理想汽车正面碰撞耐撞结构设计  118-120
  4.3 汽车正面碰撞变形控制  120-131
    4.3.1 最大变形控制  120-123
    4.3.2 变形模式控制  123-127
    4.3.3 变形次序控制  127-129
    4.3.4 保证结构有效性  129-131
  4.4 本章小结  131-133
结论  133-135
参考文献  135-141
致谢  141-142
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  142-143

基于乘员保护的汽车正面碰撞结构设计与变形控制研究

内容摘要

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