汽车前纵梁吸能结构优化设计研究分析

张文智

（长沙职业技术学院 410027)

汽车前纵梁吸能结构优化设计研究分析

张文智

（长沙职业技术学院 410027)

对前纵梁的优化设计是为了让汽车的前纵梁在碰撞过程中吸收更多的能量，本文将通过改变纵梁的断面形状，板厚，焊点直径以及焊点间距等几个方面，然后利用有限元分析法，并运用LA-DYNA软件进行仿真碰撞实验，最后用响应曲面算法作为优化算法。来得出汽车前纵梁结构的优化设计。

前纵梁；吸能结构；优化设计

0 引言

随着汽车制造业的蓬勃发展，汽车安全性能成为人们购买汽车的关键因素之一。汽车安全研究也是车辆工程研究的一个急需完善的方面。如今汽车制造商也将安全问题放在了首要位置。当汽车正面发生碰撞时，主要是靠前纵梁碰撞之后的变形来吸收能量。

1 汽车纵梁结构的碰撞分析模型构建

资料显示，在汽车发生正面碰撞时，70%以上车辆都是由前纵梁吸收碰撞能量使得驾驶室尽可能的保持完整。优化设计以后的前纵梁更能充分吸收碰撞时产生的冲击。由于利用汽车进行现实的实验费用太高，花费时间太长，这里我们就利用有限元分析法来代替现实中的碰撞实验。资料显示，LA-DYNA软件进行的仿真模拟结果和实车碰撞结果相识度极高。所以在下面的研究中我们利用有限元分析法和LA-DYNA软件来得出数据和进行仿真碰撞实验[1]。

在优化设计过程中，把碰撞参数和数值仿真条件设为定值，然后对纵梁的形状，焊点位置等参数进行改变，在一定的设计范围内，得出前纵梁吸收能量最多时纵梁的形状和焊点位置的设计方案。

利用CAD软件建立前纵梁模型，完成后利用有限元分析法，模型结构带入有限元分析软件，抽取中间的面，用网格划分小区域，如平均边长为6 mm的四边形壳单元，这样就建立好了有限元分析模型。

我们把碰撞发生时除前纵梁所需要分析改变的数据之外的其他参数设为是不变的，如刚性壁质量为20 000 kg，碰撞时的速度为100 000 mm/s。然后前纵梁的约束自由度我们设为九个，用十自由度全部约束后纵梁，让后纵梁完全无法移动。然后对刚性壁我们同样用十个自由度来约束，这样让它可以在纵轴向运动，但是无法做其他方向的运动。纵梁结构基本材料结构为弹性模量为220GPa，柏松比为0.4，屈服应力为300GPa。

2 汽车前纵梁结构吸能的优化设计

通过对前纵梁使用时的参数和碰撞发生时吸收能量的数据进行分析，找到一个合理的设计作为约束范围，把它作为目标函数进行优化设计，然后将折板厚度t1，平板厚度t2，半断面形状的边数N，焊点直径D，作为优化设计的设计变量[2]。因碰撞过程中需要分析的时间较长，为了方便观察，优化算法选择曲面响应法。在得到最优解以及圆整后结构设计的各种变量后，再与现在的前纵梁结构进行比较。

首先从前纵梁的断面结构开始优化，把断面形状从之前的长方形结构优化为多边形结构。通过这种优化，断面周长上面的折点由原来的2个变为现在的6个，这就可以提高纵梁的轴向反力和稳定能力。

然后优化纵梁的因为压缩而产生变形的过程，通过对比优化前后纵梁壁上所出现的皱纹，可以明显看出优化后的纵梁壁上面的皱纹明显增多，受压失稳变形造成这种皱纹的产生，这就说明优化后，吸收的能量明显增加。优化设计纵梁重量过程中，纵梁的重量减小，但是吸能却增加了。综合上述的各个方面我们不难的出结论，优化设计以后使得纵梁的碰撞特性大幅提高。

3 结束语

通过研究和仿真碰撞实验证实，LS-DYNA和响应曲面法方法可行，求解中产生的数据稳定，得出的优化结果可靠。对设计中的纵梁的截面形状，厚度，焊点距，焊点直径等变量进行改变，然后利用响应曲面优化法分析得出吸收能量的优化设计方案[3]。通过对比优化设计和现行设计前纵梁的碰撞结果，可以得出优化设计以后可以使前纵梁碰撞时吸收能量的能力显著提高。这篇文章中提出的汽车前梁结构碰撞优化设计研究分析的方法还可以运用到其他结构碰撞分析研究过程中去。

[1]吴广发.基于LS-DYNA的汽车前纵梁碰撞吸能特性分析及其优化设计[D].江苏科技大学,2012.

[2]陈吉清,周鑫美,饶建强,区权湛.汽车前纵梁薄壁结构碰撞吸能特性及其优化的研究[J]. 汽车工程,2010,32(06):486-492.[2017-08-15].

[3]杨雨泽,孙凌玉,尹奇凡,史国宏,陆百迅,张永闯.兼顾轻量化与吸能性的汽车前纵梁拼焊板设计与参数优化[J].重庆工学院学报(自然科学版),2007,(12):6-11.[2017-08-15].

U463 献标示码： A

张文智（1973—）讲师，本科，研究方向为汽车节能技术。