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薄壁梁轴向压溃特性的研究及其在汽车碰撞吸能元件中的应用

作　者: 吴晓杰
导　师: 崔振山
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料工程
关键词: 薄壁梁轴向压溃弯曲汽车碰撞吸能元件
分类号: U467.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

一个世纪以来,随着汽车数量的增加以及随之而来的交通事故,使得人们对汽车安全性的要求日益提高。为提高乘员安全性,除了广泛使用安全装置(安全带、气囊)外,汽车的结构设计还需要包含碰撞吸能元件,以吸收碰撞能量,缓冲碰撞力,减小对乘员的碰撞伤害。汽车的正面碰撞是发生频率最高的事故,用于碰撞安全的汽车吸能元件主要采用薄壁梁结构。薄壁梁结构重量轻、强度高,作为吸能元件,主要包括轴向压溃、弯曲和扭转三种变形模式。在正面碰撞中,如果薄壁梁产生规则的“手风琴”式的褶皱变形即轴向压溃,则可以表现出很好的吸能特性。但其本身变形机制的理论表达比较复杂,实际碰撞过程中轴向力也存在偏心等其他多变情况,因此对薄壁梁塑性变形的研究及对其设计参数的控制等便成为一个十分必要的课题。本文首先对薄壁梁的三种基本变形模式的变形机制、吸能原理等基础理论进行了阐述。在此基础上,应用Visual Crash Studio(VCS)模型和正交实验法,研究了设计参数对轴向压溃力和压溃效果的影响规律,分析了既能使薄壁梁保持一定吸能水平,又能降低压溃力的波动范围促使变形更稳定的途径。建立了有限元模型分别对上述研究结果进行了模拟验证。基于这些方法,可以通过控制设计参数来实现薄壁梁的轴向压溃变形。其次,针对受偏心的轴向力作用的薄壁梁进行了理论和数值上的研究。偏心的轴向力可看作一个无偏心轴向力和一个弯矩的组合载荷,受压、弯组合载荷作用的薄壁梁可能产生轴向压溃和弯曲两种变形。本文研究了压、弯组合载荷条件下,产生轴向压溃变形的条件,同时运用诱导设计有效地避免了弯曲的产生。最后,在上述结论的基础上,运用VCS进行分析与设计,建立了100%正面碰撞的整车模型并进行了碰撞的模拟。其中对主要吸能元件吸能盒和前纵梁结构进行了详细的分析,使其满足了正面碰撞的变形要求。最后将VCS模型的碰撞模拟结果与原始试验和目标曲线进行比较后发现VCS模型的模拟结果优于原始试验值而与目标曲线基本接近。

薄壁梁轴向压溃特性的研究及其在汽车碰撞吸能元件中的应用

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