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车门防撞梁热冲压试验研究与材料性能梯度优化

作　者: 胡康康
导　师: 彭雄奇
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 优化设计热冲压响应面法车门防撞梁有限元
分类号: U467.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 248次
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内容摘要

随着我国汽车保有量的增加以及道路交通的迅猛发展,汽车在各种交通状况下发生的碰撞事故也呈上升趋势。其中侧面碰撞是发生频率最高和造成人员伤亡最多的交通事故形态之一。汽车侧面是车门,强度较为薄弱。在碰撞过程中,车门内板的侵入速度和侵入距离是造成乘员伤害的主要原因,如何减小车门内板的侵入速度和侵入距离是提高汽车侧面碰撞安全性的重要途径。车门防撞梁作为车门的加强件来抵御侧面碰撞,它能够大大减轻侧门的变形程度,从而能减少汽车撞击对车内乘员的伤害。因此对车门内部的车门防撞梁进行优化设计,提高车门刚度,进而提高汽车侧面碰撞安全性,对提高乘员的安全防护和改善道路交通安全有着非常重要的意义。为了提高车门防撞梁的抗撞能力,改善其吸能性能,进而提升汽车侧面安全,本文提出利用超高强钢定制热成形技术制造强度不均一分布的单一厚度车门防撞梁。为了使定制热成形车门防撞梁的材料梯度分布趋于合理,利用LS-OPT及LS-DYNA对其进行了基于仿真的优化设计。基于响应面数值优化方法,采用部件碰撞仿真分析,对定制热成形车门防撞梁的材料性能梯度分布进行优化设计。首先,本文在热冲压成形工艺分析的基础上,以热冲压后强度级别分别为1.5GPa、1.7GPa、1.9GPa、2.2GPa的热成形马氏体钢板为原料,设计制造热冲压模具,进行了小批量热冲压零件制备。通过调节各工艺参数优化热冲压工艺,成功试制出满足性能要求的热冲压车门防撞梁。采用金相显微镜、显微硬度仪和万能拉伸试验机等分析测试手段对成形件的组织和力学性能进行了分析。然后,本文参照GB15743和美国FMVSS214等车门强度检测试验标准对制得的热成形防撞梁进行了静压强度检测。基于上述实验,利用Hypermesh和LS-DYNA进行有限元建模和边界条件设置,对静压强度检测过程进行有限元模拟分析,通过将仿真分析结果与实验结果进行对比分析,验证了有限元模型的正确性和可靠性。最后,将防撞粱仿真分析结果作为优化设计的基础,采用部件碰撞仿真分析,以此进行单一厚度车门防撞粱材料性能梯度优化设计。根据零件的碰撞安全要求确定优化设计模型的目标、设计变量和约束条件等;采用拉丁超立方抽样在变量设计空间里选取样本点试验;根据结果基于响应面法建立车门防撞梁的二次多项式响应面模型;通过遗传优化算法得到了车门防撞梁材料性能的最优化分布。结果表明,优化后的变强度车门防撞梁在保证抗撞性能的前提下,改善了车门防撞梁的吸能效果,能在事故发生时对乘员提供更有效的保护。本文对汽车车门防撞梁进行材料性能梯度优化设计,在一定范围内得到一种材料最优分布的防撞梁,提高了汽车车门乃至整车侧面的耐碰撞性能。本文的研究方法具有通用性,可广泛应用于各种车型的车门防撞梁。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-20
  1.1 车门防撞梁研究的背景和意义  10-13
    1.1.1 研究背景  10-12
    1.1.2 研究的目的与意义  12-13
  1.2 国内外相关研究现状  13-17
    1.2.1 超高强钢热冲压成形的研究现状和进展  13-15
    1.2.2 结构抗撞性数值模拟及优化设计的研究现状  15-17
  1.3 本文总体研究思路和主要内容  17-20
第二章车门防撞梁热冲压试验研究  20-31
  2.1 引言  20
  2.2 超高强钢热冲压成形原理  20-23
  2.3 车门防撞梁热冲压实验研究  23-26
  2.4 车门防撞梁力学性能分析  26-30
  2.5 本章小结  30-31
第三章车门防撞梁静压强度分析  31-48
  3.1 引言  31
  3.2 汽车碰撞过程仿真的理论基础  31-38
    3.2.1 非线性有限元基本方程  33-34
    3.2.2 时间积分与时间步长控制  34-36
    3.2.3 单元积分与沙漏控制  36-37
    3.2.4 接触算法与摩擦  37-38
  3.3 汽车侧面碰撞相关法规介绍  38-42
    3.3.1 FMVSS214 侧门强度试验方法  39-40
    3.3.2 GB15743-95 轿车侧门强度  40-42
  3.4 车门防撞梁静压强度分析  42-47
    3.4.1 静压分析有限元模型的建立  42-44
    3.4.2 约束设置与边界条件  44
    3.4.3 仿真结果分析  44-47
  3.5 本章小结  47-48
第四章车门防撞梁材料性能梯度优化  48-67
  4.1 引言  48-49
  4.2 优化问题的理论基础  49-56
    4.2.1 响应面方法介绍  49-51
    4.2.2 实验设计方法  51-54
    4.2.3 遗传算法理论基础  54-56
  4.3 车门防撞梁材料性能梯度优化  56-65
    4.3.1 优化模型及方案  57-60
    4.3.2 试验设计方案  60-62
    4.3.3 响应面函数回归  62-63
    4.3.4 基于遗传算法的回归函数优化  63
    4.3.5 优化设计的验证  63-65
  4.4 本章小结  65-67
第五章总结与展望  67-70
  5.1 全文总结  67-68
  5.2 研究展望  68-70
参考文献  70-74
致谢  74-75
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  75-77

车门防撞梁热冲压试验研究与材料性能梯度优化

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