摘 要

汽车在大多数碰撞事故中，汽车的前保险杠系统是碰撞发生时首先触碰到的位置，它对于车身和乘员的保护起到了至关重要的作用。保险杠系统主要由外板、缓冲材料、防撞横梁等结构组成，其中防撞梁作为一种典型的汽车薄壁类零件，在发生碰撞时是主要的吸能结构。因此，对其性能进行分析对于汽车碰撞研究有着十分重要的意义。

本文的主要工作如下，首先学习分析了国内外汽车保险杠低速碰撞性能的研究方法和发展现状，并且以此为研究基础，按照国家标准《GB 17354-1998汽车前、后端保护装置》中的规定，汽车低速碰撞试验标准确定性能分析方案，在CATIA中对现有的钢制模型进行模型清理和填补等前处理，然后基于ANSYS有限元分析软件，对处理后的模型进行有限元网格划分，通过修改材料模型，将碳纤维复合材料和传统高强度钢材料防撞梁的静态性能以及低速碰撞性能通过设计方案进行对比分析，探索了利用碳纤维复合材料代替传统高强度钢作为汽车防撞梁材料的可能性。
关键词：保险杠防撞梁；碳纤维复合材料；有限元分析

Abstract

In most collisions, the front bumper system of the car is the first place to contact when the collision occurs. It plays a great role in protecting the body and the crew. The bumper system mainly includes the outer plate, the cushioning material and the collision prevention beam. As a typical automobile thin-walled part, the collision avoidance beam is the main energy absorption structure in the collision. Therefore, the analysis of its performance has important guiding significance.

In this paper, the study and analysis of the research methods and development status of the low speed collision performance of automobile bumpers both at home and abroad are studied. On the basis of this, the performance analysis scheme is determined according to the vehicle low speed impact test standard stipulated in the national standard "GB 17354-1998 car front and back end protection device", and the existing steel model is used in the CATIA. The model is divided into finite element meshes based on ANSYS finite element analysis software, and the static performance and low velocity impact performance of CFRP and traditional high strength steel material anti-collision beams are compared and analyzed through the design scheme. The possibility of using carbon fiber composite material instead of traditional high-strength steel as the material of automobile anti-collision beam is explored.

Key words: Bumper collision beam; carbon fiber; composite finite element analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1国内外复合材料汽车保险杠研究现状 2

1.2.2国内外汽车保险杠低速碰撞研究现状 3

1.3本文主要研究内容 4

第2章 保险杠系统及相关碰撞法规介绍 5

2.1保险杠系统的概述 5

2.2汽车碰撞安全性评价指标 6

2.2.1耐撞性 7

2.2.2相容性 7

2.2.3吸能型评价指标 8

2.2.4乘员伤害指标 9

2.3汽车保险杠碰撞安全性及相关法规要求介绍 11

2.3.1车身结构碰撞安全性基本要求 11

2.3.2国内外相关碰撞法规介绍 12

2.4本章小结 14

第3章 碳纤维复合材料车身轻量化技术应用概述 15

3.1复合材料汽车车体设计技术 15

3.2复合材料汽车车身制造技术 17

3.3复合材料汽车部件连接装配技术 19

3.4碳纤维复合材料防撞梁的碰撞性能测试 20

3.5本章小结 26

第4章有限元分析相关基本理论介绍 27

4.1ANSYS线性静态结构分析介绍 27

4.1.1线性静态结构分析基础 27

4.1.2线性静态结构的分析流程 27

4.2ANSYS结构动力学分析介绍 28

4.3显示非线性有限元理论基础 29

4.4非线性分析的有限元法 31

4.4.1非线性的类型 31

4.4.2非线性有限元分析的基本步骤 32

4.4.3非线性静力分析的一般流程 33

4.5本章小结 34

第5章 高强钢/碳纤维防撞梁静力分析 35

5.1防撞梁静力模型的建立 35

5.1.1几何模型的建立 35

5.1.2有限元模型的建立 36

5.2仿真结果及分析 39

5.3本章小结 46

第6章 高强钢/碳纤维防撞梁低速碰撞分析 47

6.1引言 47

6.2防撞梁低速碰撞系统模型的建立 47

6.2.1几何模型的建立 48

6.2.2有限元模型的建立 48

6.2.3提取显示动力学分析结果 50

6.3本章小结 53

第7章 总结与展望 55

7.1总结 55

7.2展望 56

参考文献 57

致谢 60

第1章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

由于世界各国汽车的保有量逐年提高，对温室效应和化石能源能源短缺等全球性问题的影响逐日凸显，节能环保等全球性问题逐渐成为了世界各国重视的问题。近几年来，我国在汽车节能减排、油耗标准等方面颁布的法规日益严苛。例如，我国工信部、质检总局等部门发布的乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法就自2018年4月1日起实行。实现节能减排的主要途径中，轻量化设计是比较有效的一种。在众多轻量化材料中，碳纤维复合材料的比强度和比模量高，密度仅为钢的1/5左右，在等刚度或等强度下，碳纤维复合材料比钢可减少50%以上，具有独特的轻量化效果；

同时，碳纤维复合材料的高强抗冲击性和极佳的能量吸收能力（其能量吸收能力比金属材料高4-5倍）可以非常好的改善汽车的安全性能。通常情况下，汽车的碰撞类型被分为正面相碰、侧面碰撞、追尾，除了两车碰撞的事故外，还有撞行人或者撞障碍物的情况等。在这样一些交通事故中，由于发生碰撞的类型大有不同，因此发生这些形式碰撞的比例以及人员的死亡概率也不尽相同。从下面的图1-1和图1-2可以看出， 67%左右的事故都是由正面碰撞引起的，针对这种情况，国内外大量技术人员对汽车正面碰撞问题进行了分析研究，并采取了相应的改进措施，因此正面碰撞的人员死亡数量只占到碰撞事故死亡总人数的31%，由此可见，对正面碰撞的分析研究是十分有必要的。

图1-1 不同碰撞形式发生的比例 图1-2 不同碰撞形式的人员死亡率