铝合金保险杠横梁的轻量化设计及其性能研究

学校代号10532学号S10131049分类号TG146.1密级公开硕士学位论文铝合金汽车保险杠横梁的轻量化设计及其性能研究学位申请人姓名万银辉培养单位材料科学与工程学院导师姓名及职称李落星教授学科专业材料加工工程研究方向铝合金汽车轻量化论文提交日期2013年5月6日学校代号：10532学号：S10131049密级：公开湖南大学硕士学位论文铝合金汽车保险杠横梁的轻量化设计及其性能研究学位申请人姓名：万银辉导师姓名及职称：李落星教授培养单位：材料科学与工程学院专业名称：材料加工工程论文提交日期：2013年5月6日论文答辩日期：2013年5月22日答辩委员会主席：张福全Lightweightdesignandproperties’researchofaluminumautomotivebumperbeambyWANYinHuiB.E.(HunanUniversity)2010AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinMaterialsProcessingEngineeringintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorLILuoXingMay,2013I湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密，在______年解密后适用本授权书。2、不保密√。(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日√铝合金汽车保险杠横梁的轻量化设计及其性能研究II摘要近年来，随着经济的快速增长，世界汽车保有量也在逐年增加，但同时也带来了一系列诸如能源枯竭、温室效应、粉尘及有害气体的排放等问题。因此，降低油耗、减少排放、提高安全性是当今全球汽车工业所必须面对的问题，而汽车轻量化则是实现汽车节能减排的一项重要措施。本文在LS-DYNA3D、LS-OPT等有限元模拟仿真软件的基础上，设计出了即能减重又能保证其碰撞安全性能的铝合金保险杠横梁并对其性能进行研究。参照原钢制保险杠横梁的外形及截面形状，在原实车装配空间允许的条件下，设计了弧线形和折线形两种铝合金保险杠横梁。根据原钢制保险杠横梁前端面的刚度及整体刚度的要求，基于LS-OPT等软件对弧线形保险杠横梁的截面进行尺寸优化设计，得出一种中空带两条加强筋的薄壁铝合金挤压件，其质量为2.25kg，较原钢制保险杠横梁减重39.5%。通过三点弯曲及摆锤碰撞仿真验证发现改进设计的弧线形铝合金保险杠横梁的刚度要优于原钢制件。通过不同工况、不同速度的碰撞仿真，研究了三种保险杠横梁在碰撞过程中的变形行为及吸能性能，并与20km/h的实际台车碰撞试验进行对比分析。研究表明：无论是在低速还是高速台车碰撞仿真过程中，两种铝合金保险杠横梁的吸能性能均要优于原钢制件；实际碰撞过程中保险杠横梁的变形结果、加速度曲线均与仿真结果吻合较好；弧线形铝合金横梁台车的加速度变化较原钢制件的更为平缓，最大峰值更小；折线形铝合金保险杠横梁出现明显的向内偏折现象，在整车碰撞过程中可能会损坏横梁后端的水箱、导风板等易损件。分析100%整车正面碰撞过程中的整车变形、假人伤害及气囊匹配等情况发现，在整车碰撞过程中，车身变形状况良好，假人并未受到明显的伤害且与气囊的接触状况良好；车身B柱加速度变化较为平缓，并未出现过大峰值。由此可知，弧线形铝合金保险杠横梁与原车匹配较好，可替代原钢制件使用。关键词：铝合金横梁；尺寸优化；摆锤碰撞；三点弯曲；台车碰撞；整车碰撞硕士学位论文IIIAbstractWiththerapidgrowthofeconomyinrecentyears,theincreasingcarsownershiphasbroughtaseriesofissues,suchasexhaustionofenergy,thegreenhouseeffect,dustandharmfulgasemissions,etc.Aimngtosaveeneryandreduceemission,thelightweightofautomobilehasbecomeoneoftheeffectivemeasures.Inpresentpaper,twoaluminumalloybumperbeamswithagoodweightlossaswellasaexcellentcollisionsafetyperformancearedesigned;oneisarcshape,anotherismansardshape.Accordingtostiffnessoftheoriginalsteelbumperbeam,thesectionsizeofthearc-shapedaluminumalloybumperbeamisoptimizedusingLS-OPTandamediumaltitudebeamwithtwostrengtheningribsisdesigned.Theweightofthisbumperbeamis2.25kgwhoseweightisonly60.5%oftheoriginalsteelbeam.Thethree-pointbendingandpendulumimpacttestisperformedandshowthatthisoptimizedbeamownsabetterstiffness.Theimpactsimulationsofthreekindsofbumperbeamsarecarriedoutunderdifferentconditionsandcomparedwiththeactualsledimpacttestataspeedof20km/h.Theresultsshowthat:Thesetwoaluminumalloybumperbeamsbothhavebetterenergyabsorptionperformanceunderallconditions.Thebeamsdeformationresultsandtheaccelerationcurvesoftheactualsledimpacttestareingoodagreementwiththesimulatedresults.Comparedwiththeoriginalsteelwork,thearc-shapedaluminumalloybumperbeam’saccelerationcurvechangessmoothlyandhasalowermaximumpeak.Themansardaluminumalloybumperbeamappearsanobviousinwarddeflectionphenomenon,whichmaydamagewatertankandwindguideplateinrealvehiclecrash.Thevehiclefrontalcrashtestshowsthatthewholecarownsanexpecteddeformation,andthedummiessuffernosignificantdamageandtheirbodywellcontactwiththeairbags.Atthesametime,theaccelerationofB-pillarchangessmoothly.Itisindicatedthatthearc-shapealuminumalloybumperbeamcanreplacetheoriginalsteelbumperbeamwell.KeyWords：Aluminumalloybeam;sizeoptimization;Pendulumimpact;three-pointbending;sledimpact;vehiclecrash铝合金汽车保险杠横梁的轻量化设计及其性能研究IV目录学位论文原创性声明..................................................................................................I摘要........................................................................................................................IIAbstract....................................................................................................................III第1章绪论...........................................................................................................11.1课题研究背景及意义.......................................................................................11.2汽车碰撞试验方法...........................................................................................21.3汽车保险杠设计国内外研究现状....................................................................31.3.1保险杠设计相关法规标准.........................................................................41.3.2保险杠设计国内外研究现状.....................................................................51.4汽车保险杠轻量化设计方法............................................................................71.4.1保险杠的结构轻量化设计.........................................................................71.4.2保险杠的材料轻量化设计.........................................................................81.5本文研究的主要内容.....................................................................................10第2章有限元仿真建模..........................................