摘 要

通过应用有限元系列软件HyperWorks，将某微型车模型进行了网格划分，定义了部件材料和属性、连接、接触及约束等信息，以及对整车模型状态、计算输出控制卡片等方面进行了设置和检查。为了便于计算，模型中不设立假人模型，并对内饰结构进行了合理简化。根据2018版C-NCAP法规中正面碰撞试验的有关规定，基于上述模型设置了100%正面碰撞的试验工况，完成了正面碰撞模型的建立，并对碰撞仿真结果进行了分析。

试验数据表明，在正面碰撞中前纵梁是主要的吸能部件，因此在耐撞安全性的优化中，对前纵梁的优化十分重要。本研究针对组成前纵梁的内、外板部件之间厚度搭配的方案进行优化，以提高前纵梁的耐撞性能。通过建立了前纵梁碰撞分析试验台架——落锤试验的仿真模型，并在ISIGHT中采取了拉丁超立方算法抽取出30组厚度尺寸的抽样点，对应在碰撞简化模型中改变参数，依次在LS-DYNA中求解，应用响应面法得到正面碰撞前纵梁优化的代理模型。使用广泛使用的NSGA-II算法，获得用于厚度匹配的Pareto前沿最优解。最终将结果代入模型中计算验证，选取的最优方案相较原始的方案，前纵梁的比吸能增大了5.7%、峰值载荷减小了4.5%，实现了提高安全性和轻量设计的目标。

关键词：正面碰撞；前纵梁；响应面；拉丁超立方

Abstract

The finite element method has important significance in automobile collision analysis. Based on the Hypermesh pre-processing platform， the components of a micro-car model were classified， and the parts connection and contact， materials and attributes， as well as the vehicle model status and calculation output control card were checked. In order to facilitate the calculation， the dummy model is not set in the model， and the interior structure is reasonably simplified. According to the C-NCAP standard frontal crash test standard， the relevant loading， constraint and contact definitions of the model were carried out， and the finite element model of the car frontal collision was established. The results of the collision calculation are analyzed.

The front longitudinal beam is one of the most indispensable components in the frontal collision safety analysis. The matching scheme between the thickness of the inner and outer plates of the front longitudinal beam was selected to optimize the research object. In the ISIGHT， the optimal Latin hypercube algorithm is used to extract 30 sets of sample points of thickness. The parameters are changed in the simplified model of the collision， and then solved in LS-DYNA to obtain the proxy model for longitudinal beam optimization before front collision. Using the widely used NSGA-II algorithm， the Pareto frontier on thickness matching is obtained in Matlab. Finally， the results are substituted into the vehicle model for calculation and verification. It is found that compared with the original scheme， the specific energy absorption of the front longitudinal beam is increased， the peak acceleration of the b-pillar is reduced， and the quality is also lightened， and the safety is improved. Focus on lightweight design goals.

Key words: frontal collision; front longitudinal beam; response surface; optimal Latin hypercube

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 汽车有限元仿真研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 有关碰撞法规的发展研究现状 2

1.3.1 国外研究现状 2

1.3.2 国内研究现状 3

1.4 汽车部件优化设计研究现状 3

1.5 研究内容 4

第2章 车辆正面碰撞试验仿真模型的建立 6

2.1 有限元理论 6

2.2 软件介绍 8

2.2.1 Hyperworks介绍 8

2.2.2 LS-DYNA介绍 9

2.3 模型建立过程 9

2.3.1 几何清理 10

2.3.2 网格划分 10

2.3.3 零部件定位 13

2.3.4 材料和属性设置 13

2.3.5 连接和接触设置 13

2.3.6 加载和约束设置 15

2.3.7 沙漏控制 16

2.3.8 计算设置和输出控制 16

2.4 仿真模型结果分析 17

2.4.1 能量变化曲线 17

2.4.2 变形云图 18

2.4.3 加速度计曲线 19

2.5 本章小结 20

第3章 前纵梁耐撞吸能特性分析 21

3.1 关键吸能部件前纵梁变形分析 21

3.2 前纵梁耐撞性能评价指标 22

3.2.1 压溃力峰值 22

3.2.2 平均压溃力 23

3.2.3 总吸收能量 23

3.2.4 比吸能（SEA） 23

3.3 动态落锤试验仿真模型的建立 23

3.4 本章小结 24

第4章 前纵梁厚度搭配优化 25

4.1 试验设计 25

4.2 响应面模型的建立 25

4.3 厚度搭配的多目标优化 28

4.3.1 算法介绍 28

4.3.2 优化求解 28

4.4 本章小结 29

第5章 总结与展望 30

5.1总结 30

5.2展望 30

参考文献 31

致谢 33

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着人们生活水平的提高，我国奔向小康社会的步伐稳步前行，我国汽车保有量不断飞速增长，大约每户家庭都有自己的汽车。车辆极大地方便了人们的出行，但也带来了一系列的社会问题，包括多发的交通安全事故，这些问题必须得到重视。

1979年，美国首先宣布并实施了NCAP系统，即新车评价规范。随着消费者的安全意识不断提高，各国已经制定自己的NCAP评价标准，其中包括中国的C-NCAP体系。目前人们从实车碰撞实验和计算机模拟仿真两个方面结合来研究车辆的碰撞安全性，由试验来指导仿真，由仿真来减少试验，极大的降低了过去以实车试验为主的时期的项目开发成本和时间效率。因此利用计算机的碰撞数值模拟仿真技术在汽车企业的项目开发的早期设计时期和阶段性调整修改中占有重大地位。

正面碰撞是交通事故中最常见的，发生率高达49%，这意味着正面碰撞的研究具有重大意义。前纵梁是正冲击情况下的主要变形能量吸收部件，其性能对于车辆安全性能在正冲击事故中的影响极为重要。所以，必须对提升前纵梁结构的耐撞安全性能的各因素进行充分研究并展开相应的优化设计。一方面需要充分考虑结构的安全性，在碰撞中能吸收尽可能多的能量；另一方面，随着人们环保意识的提升，各国二氧化碳排放量和节能法规的日趋严格，轻量化在设计中也是不可忽视的目标。在影响前纵梁安全性能的因素中，对板材的厚度尺寸进行修改是有成效且低成本的方法。本研究对前纵梁的内、外板部件之间厚度搭配的方案进行优化。

1.2 汽车有限元仿真研究现状

1.2.1 国外研究现状

汽车碰撞的相关研究在很早的时候就已经有企业开展，最早可以追溯到30年代美国的福特汽车，并随着对汽车技术的需求变化一直在发展。直到1970年代，欧美、日等地区才开始使用计算机数值模拟仿真的方法对车辆碰撞中车身零部件的耐撞性能进行分析。多年来的发展到如今，在碰撞有限元分析中使用比较多的软件有LS-DYNA3D、MADYMO及PAM-CRASH等，这些软件以显式有限元理论为基础核心，基本能真实准确地描述结构的应力应变变化，模拟碰撞过程中的大变形、大转动的精度已允许对工程进行指导^[1]。它们不仅在科技研究工作中，而且在各大汽车公司譬如通用和宝马的被动安全性能研究中得到了大量应用。

1.2.2 国内研究现状

我国车辆被动安全性研究起步比较晚，上个世纪80年代末期，当时国内的研究主要针对已有车型进行实车检测，也展开了少数基于数值模拟的仿真试验;清华大学等大学和研究所先后建立了有关汽车的碰撞试验基地，并完成了一系列碰撞试验，为国内碰撞安全研究奠定了基础^[1]。

1993年，湖南大学钟志华教授提出了一种获取车辆接触摩擦的算法，即“防御节点法”，能够精确但简便地计算碰撞过程的法向接触力，提高了模拟碰撞接触过程中大变形、大位移的精确度，为提高数值模拟碰撞精度做出了很大贡献^[2]；上海交通大学林中勤、朱平、施欲亮等人对车辆耐撞性仿真中的网络尺度控制方法和点焊连接关系的有限元仿真进行了研究和分析，建立起了有关碰撞性的焊点有限元模型，为在轻量化车身上拼焊板结构的设计提供了一套实用的设计方案^[3]；张维刚等提出一种能够以高的效率搜索多目标多学科问题的最优解的遗传算法，并依托回归分析建立了整车碰撞中相应的近似模型，分别建立了40%偏置和100%正面碰撞的试验工况，进行了一定的研究。

随着近年来各高校、企业的工作逐渐开展深入，汽车碰撞与计算机仿真的研究主要从两方面发展：一方面从改进研究方法出发，致力于提高数值仿真的精度和效率，一方面体现在乘员约束系统的匹配与优化方面，吉林大学、湖南大学的相关人员在该领域做了大量工作，取得了重大进展^[4]。

1.3 有关碰撞法规的发展研究现状

1.3.1 国外研究现状

据美国路管局的统计报告，在车祸事故中，正面碰撞所占比例是最高的，几乎达到了一般，因此从减少交通事故的角度来看，车辆碰撞安全的相关研究主要是正面碰撞。1970年末颁布的美联邦机动车安全标准FMVSS208《乘员碰撞保护》是较为早涉及评价车辆正碰的标准，现如今世界上的正撞标准法规主要分为两大系统：美国的FMVSS208和欧洲的ECE R94。此外，我国的CMVDR 294（GB11551）法规及其他地区的强制性安全法规也都是在欧美已实行法规的基础上针对本国国情吸收修改而制定出来的。于要求最低安全要求的强制性法规不同，汽车行业纷纷采用由新车评价规程组织制定的NCAP（New Car Assessment Program）标准，NCAP规则对新车型遵守更严格的要求开展各项碰撞安全性能试验，最后综合评价结果以星级评定，星级最低为1星级，最高为5 。其目标在于精益求精，鼓励行业对碰撞安全加大研发投入，提高市面上车型的安全性，减少因事故造成的伤亡。各国各地区因地制宜，根据自身情况制定自己相应的标准，如欧洲的Euro-NCAP、中国的C-NCAP等。

1.3.2 国内研究现状

国家相关部门对我国车辆碰撞安全性研究十分重视，发布了一系列法规和强制性标准， 1999年的《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》CMVDR294是国内最早的国家级车辆安全法规，2003年，基于CMVDR294，推出了《乘用车正面碰撞的乘员保护》，相关正面碰撞试验也首次纳入新车检测项目。中国的新车评价程序（C-NCAP）从最早的2006版本到如今的2018版已历经了数个版本，国内汽车安全研究不断进步，法规标准不断完善，对新车型不断提出更高的要求，推动着汽车行业的发展^[5]。

1.4 汽车部件优化设计研究现状

在提高车辆耐撞性能的研究中，一般从两个角度来考虑车身相应部件的设计与优化：一方面来说，改变原有结构，增加新的结构特征特性来提高耐撞性能：湖南大学的段利斌等人对汽车变厚度前纵梁结构（TRB）进行了研究，提出来一种新型结构的TRB帽型薄壁结构，并对其功能区域进行了划分，取得了一定成果^[6]；武汉理工大学的莫易敏，石志华等人研究了不同截面形状的薄壁梁结构对纵梁结构的轴向吸能压溃规律，发现通过设置更多交叉折叠单元的数量并增加相邻边之间的角度，可以显着改善薄壁梁的能量吸收特性，使变形模式更加稳定、规则，为前纵梁结构的创新设计提供了重要的理论基础^[7]。另一方面在原结构的基础上，调整结构本身的结构参数，如对前纵梁的长宽比、厚度搭配、诱导槽分布等参数的控制来进行优化，使较于原结构，在安全性能上得到一定提升：因为简单可行、成本低，目前大多数研究都集中在结构参数的优化^[8-10]； 科斯塔斯等人应用基于多目标替代的优化混合冲击吸收器的耐撞性^[11]；Acar等人提出了一种多级优化框架，用于设计以获得最佳的能量吸收结构^[12]；徐增宓、刘立中等人基于响应面和克里金基模型对汽车B柱进行了优化，提高了碰撞性能，并且改善了结构的轻量化^[13]；莫易敏、沈鹏等人创新地使用多目标骨干粒子群算法，对前纵梁的厚度匹配优化进行了研究，得到了分布更均匀的解集，取得了很好的效果^[14]。

1.5 研究内容

本设计研究的内容是依据已有的某微车整车模型，通过有限元软件Hypermesh建立整车碰撞CAE模型，明确汽车正面碰撞仿真模型建立步骤并掌握；将所建模型提交计算，对模型仿真计算结果进行处理及分析，包括对系统的能量变化、变形模式以及加速度的变化规律等方面进行分析；建立前纵梁的动态落锤试验仿真模型并探究汽车前纵梁内、外板的厚度匹配对提高纵梁耐撞性能的影响；依托建立的模型，通过数值分析的方法，优化设计出合理的前纵梁厚度搭配，使得安全性及轻量化均得到显著提升。技术路线图如图1.1所示。

图 1.1 技术路线图

（1）整车正面碰撞模型的建立及分析

明确现有整车模型建立方法，掌握cad建模方法，掌握几何清理、网格划分方法，对网格质量进行检查，对模型进行模型检查和状态确认，即对部件连接及接触、材料和属性，以及整车模型状态、计算输出控制卡片等方面进行了检查。而对整车正面碰撞有重大影响的关键零部件也是研究的主要零部件前纵梁，采用更加细化的网格尺寸。由于整车模型进行计算计算量过大，在精度允许的情况下可以通过适当简化来减少不必要的计算量，省略假人模型并使用质量块等效处理对车身结构进行合理简化。依托C-NCAP法规中相关正面碰撞试验的规定，对模型进行了相关工况设定，建立了汽车正面碰撞有限元模型。并在Hyperworks系列后处理平台查看能量变化曲线、变形云图、加速度计曲线图等，对模型仿真结果进行分析。

（2）建立前纵梁碰撞试验近似模型

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