基于碰撞安全性的轿车车身结构轻量化设计.docx
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基于碰撞安全性的轿车车身结构轻量化设计
基于碰撞安全性的轿车车身结构轻量化设计
摘 要
汽车的发展永远离不开社会发展的需求，节能环保已成为当今的鲜明主题。
汽车轻量化技术在基本性能不变的情况下，可以提高车的动力性，减少能耗，降低排气污染，最后实现节能环保，因此汽车轻量化技术成为了汽车研究领域内的一项重要课题，有着十分迫切的需求和广阔的发展前景。
而车身结构轻量化作为整车轻量化的有效途径之一,近年被广泛研究应用。
本文即是基于碰撞安全性，对轿车车身结构进行轻量化设计。
在确保模态基本不变的条件下，追求车身质量最轻，选择车身上的零件，进行厚度的减小，再综合考虑板材的加工工艺和成本对零件进行第一阶段的优化。
接下来，根据安全性再对第一阶段的优化结果进行调整，使轻量化的车身达到安全性的要求。
以此实现了基于安全性的车身结构轻量化设计。
关键词:
轻量化设计车身安全性
LightweightDesignofCarBodyStructureBasedonCollisionSafety
Abstract
Thedevelopmentofthecarcanneverbeseparatedfromtheneedsofsocialdevelopment,energyconservationandenvironmentalprotectionhasbecomeabrightthemetoday.Carlightweighttechnologyinthebasicperformanceofthesamecircumstances,canimprovethevehicle'spower,reduceenergyconsumption,reduceexhaustpollution,andfinallyachieveenergysavingandenvironmentalprotection,sothecarlightweighttechnologyhasbecomeanimportantissueinthefieldofautomotiveresearch,Hasaveryurgentdemandandbroadprospectsfordevelopment.Thelightweightstructureofthevehiclebodyasoneoftheeffectivewayoflightweightvehicle,inrecentyearshasbeenwidelystudiedandapplied.Thispaperusesacartostudy,basedonthecollisionsafety,thecarbodystructurelightweightdesign.Toensurethatthebasicstateofthesameconditions,thepursuitofthelightestbodyquality,selectthepartsonthebody,thethicknessofthereduction,andthenconsidertheplateprocessingtechnologyandcostofthefirstphaseoftheoptimizationofparts.Next,accordingtothesafetyofthefirstphaseoftheoptimizationresultstoadjust,sothatthelightweightbodytoachievethesafetyrequirements.Inordertoachieveasecuritybasedonthelightweightstructureofthebodydesign.
Keywords:
Lightweightdesignofbodysafety
北华航天工业学院
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本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文）
基于碰撞安全性的轿车车身结构轻
量化设计
是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作取得的成果。
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对本设计（论文）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。
因本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。
本毕业设计（论文）成果归北华航天工业学院所有。
本人遵循北华航天工业学院有关毕业设计（论文）的相关规定，提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本。
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特此声明
毕业设计（论文）作者：
指导教师：
年月日年月日
目录
摘 要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1引言1
1.2课题的研究背景和意义1
1.3综合安全性和轻量化的国内外研究现状2
1.4汽车车身轻量化的可行途径4
1.5本章小结5
第2章车身结构轻量化设计中运用的原理6
2.1引言6
2.2车身结构轻量化设计的有限元6
2.3车身结构的基本知识6
2.4小结7
第3章优化设计与模态分析8
3.1引言8
3.2优化分析简介8
3.2.1优化设计简述8
3.3车身结构优化设计9
3.3.1优化设计模型9
3.3.2模态分析9
3.4本章小结15
第4章轻量化设计16
4.1引言16
4.2划分网格图16
4.3轻量化前后模态分析比较17
4.4优化结果分析19
4.5验证第一阶段的轻量化结果19
4.6本章小结23
第5章总结和展望24
5.1全文总结24
5.2研究工作展望24
致谢25
参考文献26
第1章绪论
1.1引言
汽车的出现，彻底的革新了人类生活方式。
汽车出现至今，不再向以前那样仅仅是一个交通工具那么简单，它每时每刻都影响着我们的方方面面。
从经济角度谈，汽车产业和汽车消费对一个国家经济的影响都是显著的；从日常生活讲，汽车方便我们的生活。
可是在享受着种种便利的同时，汽车带来的负面效应已经慢慢展现出来，而且越来越糟糕。
于是汽车变成了一把双刃剑，在推动经济发展，方便人类生活的同时，它又出现了不利于可持续发展的严重隐患。
一方面，汽车的发展损耗着大量不可再生的自然资源。
查阅相关资料发现，截止到2017年3月底，我国拥有的汽车数量已经达到了2亿，全世界汽车的数量已经超过了13亿，这表明汽车的影响已经很大；2016年我国的三大类成品油消费3.13亿吨，其中汽油消费全年大约1.19亿吨，95%以上为汽车消费；另一方面，汽车尾气的排放已造成了严重的大气污染，让人类赖于生存和发展的自然环境得到了破坏；而且，汽车工业对环境的损害不但是此，它牵扯到了相当多的方面和领域。
总而言之，整个世界的汽车行业都在面临着巨大挑战，环境污染和能源消耗十分严重，所以必须着眼于技术革新，方能得到可持续发展。
目前迫切需要解决的两大问题是减少环境污染与节约资源。
西方国家大都采取了相关的措施，比如制定严厉的汽车排放法规、革新技术，实现节约型生产。
可是，就目前的技术手段而言，只有汽车轻量化技术才是提高其燃油经济性、降低能耗、减少污染排放的有效手段；所以，怎样有效地减轻汽车重量成为了目前汽车工业面临的最紧要的问题。
为了今后汽车行业的健康发展，各个汽车厂家都越来越重视汽车的轻量化研究，所以直接推动了汽车轻量化的向前发展。
相信在未来一段时间,轻量化将成为世界各汽车厂商的核心竞争技术。
而车身结构轻量化设计作为有效途径之一,近年来被大力研究。
1.2课题的研究背景和意义
自1886年汽车出现至今，其发展历史已经一百三十多年，汽车早已成为世界向前发展的推力，在使用汽车的这段时间，我们总是不断完善其结构与外观；提高其性能，来满足我们的要求。
随着社会经济的快速发展，当今汽车设计和生产的要求变得十分高，汽车发展和改进的主流方向逐渐朝着环保性、舒适性、安全性、轻量化、信息化等方面，当中对轻量化，安全性的要求最为关键也最为急迫，它也是有效改善环境问题，走向可持续发展的关键。
相关研究指出汽车轻量化技术可以显著地提高汽车的性能。
第一，轻量化设计使得轿车的质心高度下降，使得汽车的安全性和驾驶平稳性得以提高。
减轻汽车质量，还减小了动力和传动系统的载荷，表现出比以前更好的性能。
倘若簧载质量可以下降，那就会提高平稳性和舒适性。
第二，国家的汽车碰撞安全法规逐渐严厉，大大提高了人们对轿车的安全性认识，而汽车轻量化技术可以使得汽车安全性增加；从安全性的角度来考虑，质量减少后汽车的惯性变小，从而缩短了制动距离。
在此同时，汽车上应用了不少拥有较好吸能性能的轻量化材料，较大程度上吸收了碰撞时产生的能量，使得汽车的碰撞安全性提高了很多。
第三，汽车轻量化能够减小行驶过程中受到的阻力，从而减少燃油消耗，节约有限能源。
西方著名汽车研究院所发现，汽车行驶过程中约六成的燃油被汽车本身重量浪费掉，汽车质量每减小10%，可减少油耗6%到8%，排放量降低5%到6%。
而且，车身上大多数零部件的形状都十分的不规则，加工工艺为冲压成形，在汽车自身重量中又占有较高比例。
统计发现，车身质量较小的车辆，车身质量大约占到了整车重量的一半左右在车辆行驶工况下，约七成的燃油消耗被无情的浪费在车身质量上。
于是，车身结构轻量化成了整车轻量化研究的关键部分，也是当前车身设计的主流方向。
为了使汽车走上可持续发展的道路，向着节能环保与安全的大方向健康发展，汽车厂家大力研究汽车的轻量化技术，因此推动了汽车轻量化的发展。
在此背景下我们选择了此次的设计课题。
1.3综合安全性和轻量化的国内外研究现状
计算机有限元分析和仿真技术的快速发展，加快了汽车被动安全性的研究。
经过全球汽车专家的不断攻克，在车身结构的轻量化和安全性方面有了比较深入的研究，下面介绍国内外的研究现状：
孙宏图等将轿车正面碰撞安全性和车身基本力学性能结合起来，对轿车车身上的零件先是进行灵敏度计算分析，找出灵敏度数值小的零件，减轻其质量，实现轻量化。
接着运用有限元模拟仿真软件，对轿车的正面碰撞和假人的实验结果进行了分析计算。
再与轻量化前的结果数值的进行比较，得出了轻量化的结果，车身质量减少5%。
施颐等将轿车的弯曲刚度力学性能与及轿车的侧面耐撞的一些指标结合起来,利用数学方法成功的建立了主要指标接近的近似模型,克服了运用单纯的数学理论进行优化时计算工程量太大、短时间内得不到分析结果的困难。
紧接着,基于自适应的相关理论研究，它们又发现了一种十分好用的优化方法,在保证各种主要指标的条件下,通过减轻重量或改变材料，实现车身零件的优化,进而达到车身轻量化的研究目的。
栾家男采用正交试验法对车辆轻量化进行处理和耐撞性的分析。
在汽车轻量化研究过程中，他发现了5个可以用来衡量正面碰撞安全的主要指标。
考虑碰撞影响大小对车身前端的零部件进行筛选，选出后的零件再对其轻量化，选择运用有限元软件进行仿真分析，节省了实车碰撞所需大量资源。
又对车身前舱进行了一系列的优化研究，经过分析比较，同样满足碰撞安全性的要求。
他在考虑正面碰撞的安全性的前提下，很好的实现了轻量化的设计优化目标，为以后的研究分析提供了基础。
张国胜等建立白车身的有限元模型，并通过有限元软件进行模拟仿真分析，主要考虑了车身的力学性能和模态，验证了计算机模拟仿真分析时，所使用的有限元模型的真是有效性。
在验证了模型有效的基础之上，又综合考虑车身相关的主要力学性能指标，考虑实际生产过程中的生产加工工艺和成本，对轿车车身零部件的制造板材厚度的进行改变，减轻一定质量。
实现了轿车力学性能主要指标基本不变，轻量化后的车身质量大大降低，为以后的车身结构轻量化设计提出了一种可利用的研究方法。
陈晓斌等首次在车身轻量化设计的整车碰撞仿真研究中，综合了正面碰撞与侧面碰撞两个方面，更加全面的考虑了整车安全性。
通过正面碰撞试验的主要衡量指标B柱加速度曲线图的分析比较，验证了正面碰撞的安全性得到满足。
再对侧面碰撞主要衡量指标前后车门侵入量以及它们的侵入速度曲线图进行分析计算，验证了侧面碰撞的安全性。
从两个方面更全面的考虑了安全性，并且实现了车身的轻量化目标，为以后的相关研究提供了指导。
叶辉等提出了车身零件灵敏度的分析方法，之后考虑侧面碰撞的安全性，对轿车车身使用轻量化的设计手段。
先以轿车车身零件的板材厚度为变量,以车身力学性能即模态和刚度作为约束,选取对灵敏度数值最小的几个车身零件,减少其板材厚度。
对白车身进行质量最小的优化分析。
最终取得的成果为白车身总重量减少14.8kg。
最后对轻量化第一阶段取得的成果进行碰撞分析调整，主要进行了的整车侧面碰撞的模拟计算,最后模拟仿真结果表明第一阶段的轻量化满足要求。
这就是实现了在满足碰撞安全性的要求的同时,车身轻量化得到实现。
Ho等人使用了单与多目标的优化方法对拥有泡沫状铝填充物的薄壁方形柱结构进行数值法的轻量化设计，以薄壁梁的板材厚度和填充物的使用密度作为设计变量，以比吸能和最值碰撞力为约束条件，运用数学理论中的一些平均方法得出了相关的数学形式方程式，最后实现了方形柱结构的轻量化设计。
Zhou等人以轻质材料的运用为基础研究了轿车前纵梁的碰撞安全性能：
前纵梁一部分使用轻质材料铝，第部分为了安全性能仍然使用较高强度的钢板材料。
试验结果指出，这样的混合材料以及轻质材料的使用，可以大大的提高纵梁碰撞时吸收碰撞能量的能力，同时使得前纵梁重量的重量大大的降低，实现了其轻量化。
Cui等人对车身上的薄壁结构进行优化设计。
主要方式为运用新型轻质材料，吸能较强的材料对原有材料进行替换。
实验结果现实，通过对零件以及车身部分零件进行新型轻质材料的更换，在考虑加工工艺和企业生产成本的情况下，尽可能的减少轿车车身质量，提高动力性，节能环保的同时优化了汽车车身结构。
Zhang等提出了运用鲁棒优化的设计方法。
文中主要运用这种方法对轿车前纵梁实现优化设计的目标，一方面考虑响应面的因素，另一方面使用试验设计方法，最后得以构造出轿车前纵梁的结构性能函数。
经过计算分析得出优化结果，然后再综合考虑板材厚度、材料类别以及加工生产的影响，应用数学理论中的序列二次规划算法对结果进行调整，使轿车前纵梁的质量下降29.36%。
1.4汽车车身轻量化的可行途径
汽车车身的目的在于确保汽车的被动安全性能、模态和刚度等性能不变的前提下，轻量化汽车车身从而降低整车质量，由此减少车身材料及燃油的消耗，减少尾气污染，提高汽车动力性能。
目前，国内外汽车轻量化技术的方法主要包括：
（1）使用轻质材料，如铝-镁合金、单独钛合金、高强度结构钢、塑料、生态环保复合材料及陶瓷等的应用；
（2）整车车身结构的优化设计，根据以往经验借助计算机有限元进行分析，选出想要分析的；对分析的部分做出最优的调整，找出最合适最优的方案。
（3）汽车生产制造过程中技术手段和新型工艺的不断创新。
例如零部件之间的连接新方法，零件的新工艺，车身结构新的优化设计方法。
新型轻量化材料是指满足原本需要的性能并且质量较原来减轻的新型材料，是当今车身轻量化的重要方式之一，它包含两个大的种类：
一种是密度较低但吸收能量强的轻质材料，如铝-镁合金、钛合金、合成塑料等其他创新材料；另一种是高强度不易变形的材料，如高强度钢等。
根据最新研究统计发现，2010年~2016年，美、日、英、德等发达国家在汽车生产中较多的运用了上述两种材料。
平均每辆车的使用材料重量变化都发生了较大改变，最后基本都实现了整车重量的大大降低。
车身结构优化设计是指在对车身轻量化设计时，运用计算机有限元模拟分析仿真软件，代替实车碰撞试验，减少对能源和资源的浪费，对车身进行一系列的性能分析，大致包括模态，静动力学等等，最后再对分析出来的的一些力学性能，进行理论分析研究。
以此实现对车身的优化设计。
目前的优化技术主要分为三种，即拓扑优化、形状优化和尺寸优化。
在确保车身性能满足设计要求的前提下，让车身质量尽可能的变得更小。
除了以上两种方法，采用先进的零件创新工艺也是车身结构优化分析的一个主要方向。
创新出来的技术有：
变截面薄板技术、连续变截面薄板TRBS、空心连续变截面钢管TRT、喷射成形技术、激光焊接技术、液压成形、半固态铸造技术等等。
这三种轻量化技术并不是独立而不存在任何关系的，反而是紧密相连，互相辅助的，仅仅使用当中的某一种虽然可以实现轻量化，但是不会取得特别满意的轻量化结果。
轻量化设计的最先即是对结构的优化设计，再结合其他两种轻量化方法或安全性，让材料的利用效能达到最大化。
进一步解释即为，在综合结构优化设计和使用轻量化材料时，为了使汽车质量变得更小，往往需要使用创新型的生产加工工艺，而创新行工艺的出现反过来又会扩大优化设计和新材料的适用范围。
1.5本章小结
本章主要介绍了课题的研究背景，轻量化是当前实现环保，安全的最有效的技术手段，已经被世界各大汽车公司大力研究，这都有力的推动了轻量化技术的发展。
接下来主要介绍了基于安全性的轿车车身结构轻量化的国内外研究现状，无论是国内还是国外，研究轻量化技术时，都考虑到了汽车现实中会发生碰撞，即考虑在汽车轻量化是考虑安全性的需要。
最后介绍了实现轻量化的三种途径，分别为使用新型的轻质材料，基于有限元软件的结构优化设计，革新零件的生产工艺。
第2章车身结构轻量化设计中运用的原理
2.1引言
本文在对轿车车身结构轻量化设计时考虑了基本力学性能的影响。
通过对车身零部件进行有限元模态和频率分析，再考虑零件的实际情况，选出对模态影响不大的一些零件。
综合生产成本、生产工艺、碰撞影响大小的情况下对这些零件进行厚度的优化调整，以此实现轿车车身结构的轻量化设计。
2.2车身结构轻量化设计的有限元
有限元分析软件是随着计算机的迅速发展而出现的，它是为了解决用数学方法分析过于复杂的难题。
在有限元出现的初期，这种十分有用的有效的分析方法在结构的静、动态特性分析中就被应用。
后来科学家的大力研究费力推导，最后成功的导出了弹塑性矩阵，加快了有限元法在弹塑性方面的发展进程。
1970年，研究人员又成功的建立了全网格的不同以往小位移小应变，较大的弹塑性有限元法。
1973有人年发现了刚塑性有限元法。
同年，Chung等人建立了热粘弹塑性有限元法。
这一时期对于有限元分析方法的大量研究使得当时出现了大量的研究有限元方法的理论。
这为有限元之后在计算机上或者是现实中的运用提供了强有力的指导。
有限元法在汽车结构分析上的使用可以查找到1976年，可是早期的有限元分析大多仅仅对车身进行简单的分析，而无法真正直线汽车的轻量化。
1976年，美国软件开发公司成功开发出了一款通用的有限元程序DYNA3D，为以后相关的有限元分析所用的有限元程序的产生提供了坚实的基础。
待软件发展完善之后，显式动态有限元方法为汽车整车碰撞安全性研究提供了有力工具，许多汽车研究者开始运用这种方法对汽车碰撞安全性进行一系列的深入研究和分析，还有一部分研究者开始对车身结构轻量化进行的相关设计。
2.3车身结构的基本知识
汽车的车身结构大多按照其受力情况来进行分类。
它可以划分为三种承载方式，分别为非承载式，半承载式和承载式。
这三种方式各有优劣，需要根据具体要求来进行选择。
下面对这三种结构进行大致的介绍。
非承载式的汽车车身具有一个刚性的车架。
把动力传递系统的零部件以及车身上的零部件全都固定在这个刚性的车架上，车架再与车轮相互联接。
这种非承载式车身有一些较大的缺点，往往是比较笨重，提高了重心的高度。
所以一般用在体型较大的车辆上；但是它有高的地盘，就算受到一定的冲击力，也不会传到车身之上。
承载式车身的汽车说白了就是整个车身是一个整体的结构，没有刚性车架。
但是这种承载式车身的稳定性较为强大，质心高度也较低，生产时也较为容易。
经过不断地研究创新，使得这种方式的汽车更加平稳和安全，所以现在的轿车基本上都采用了这种结构方式。
半承载式车身就是介于两者之间的一种结构，它是将车身与底部架子相互接触，使其能够起到车架的一些作用。
轿车的车身大致包括以下部件：
1、发动机盖2、前档泥板3、前围上盖板4、前围板5、车顶盖6、前柱7、上边梁8、顶盖侧板9、后围上盖板10、行李箱盖11、后柱12、后围板13、后翼子板14、中柱15、车门16、下边梁17、底板18、前翼子板19、前纵梁20、前横梁21、前裙板22、散热器框架23、发动机盖。
其车身零部件位置图如下图1所示。
图2-1汽车车身部件位置
2.4小结
本章主要介绍了轿车车身的大致分为三种结构以及其包含的主要零部件所在位置；车身结构轻量化优化设计中运用到的有限元理论知识；有助于下文中的轻量化设计。
这些介绍对于下文的轻量化设计，有这十分重要的帮助。
选出对车身性能影响不大的零件，以达到车身质量减小的目标，又保证轿车的车身整体性能基本不变或在一定的允许范围内。
第3章优化设计与模态分析
3.1引言
首先建立一些零件的模型，之后将其模型导入有限元软件进行简化和其他处理，使其符合相关的要求，可以进行模拟分析。
分析车身零件的一些性能，例如模态分析、非静力分析，选取车身的几个零件进行有限元分析，选取出影响较小的零件作为优化对象，实现第一阶段的轻量化设计。
接下来再检验其是否满足碰撞安全性，验证轻量化设计的可行性。
3.2优化分析简介
结构优化是众多方案选择最佳方案的技术。
一般而言，产品的设计主要分为两种形式，一种叫做功能设计，另一种叫做优化设计。
功能设计强调的是该设计能达到预定的设计要求，但仍能在某些方面进行改进；优化设计是一种寻找确定最优化方案的技术。
3.2.1优化设计简述
所谓“优化”是指“最大化”或者“最小化”，而“优化设计”，指是一种方案可以满足所有的设计要求，而且需要的指出最少。
优化设计有有两种分析设计方法。
由于解析法需要利用数学的方法进行列微分方程，再求解微分方程，这对于复杂的问题来说往往十分的困难，而且计算工程量往往是巨大无比，所以这种方法通常只适合用于理论研究，无法成熟的简单的应用到实际当中来。
以往的结构优化设计往往比较简单。
通常是由有相关经验的设计者编写出几个不一样的优化方案，一起讨论分析作对比。
以便于甄选出最佳的设计优化方案。
这种粗糙方法，往往只适合以前科学技术水平有限时，大多数只是一个有些许经验的设计者提出的，往往不一定是最优方案。
但是计算机发展到今天，我们弯曲那可以依靠计算机完成这些复杂的工作，到目前为止能做这些方面的的软件开发出来的也并不多，美国开发ANSYS软件作为最好用的有限元分析软件，它具有很强大的优化设计功能——结构尺寸优化，其本身提供的算法能满足工程的需求。
结构优化设计时往往在保持产品的一些主要性能参数不变并对其进行添加约束的前提下，通过改变结构中其它一些可以改变的设计变量，是材料的参数或零件的力学特性，来实现目标，就是结构优化设计。
例如本文对一个小轿车的车身结构进行的优化设计就是在保证小轿车主要力学指标和分析指标不变的前提下，对小轿车车身零件进行敏感度分析，减轻零件的质量来追求车身质量的最小化，再根据成本和技术对车身零件的厚度进行调整优化，实现第一阶段的轻
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