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[车身benchmark] 提高汽车结构耐撞性的研究

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发表于 2020-3-20 08:29:25 | 显示全部楼层 |阅读模式

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提高汽车结构耐撞性的研究

【中国汽车材料网】考虑汽车结构的安全性,可以在汽车发生碰撞、侧翻等事故时,降低损伤。耐撞性对汽车碰撞安全非常重要。提高汽车耐撞性,可以在发生碰撞事故时,保护驾驶员和乘员安全,减少对行人等造成的伤害,将损失降到最低。

文献[1]介绍了多目标知识库的构建,基于知识库进行耐撞性车身设计;文献[2]对汽车结构耐撞性优化设计进行介绍,在保证汽车轻量化的同时,保证耐撞性;文献[3]对复合材料保险杠吸能盒结构设计进行介绍;文献[4]介绍了一种新型保险杠结构,在发生汽车碰撞事故后,可以自动恢复形状,保证安全性的同时,节约更换保险杠的成本;文献[5]对汽车碰撞事故数据分析方法进行研究,从大量事故中得出结论,可以指导汽车结构设计,提高汽车安全,减少碰撞事故造成的损伤。


1 高耐撞性汽车车身设计方法

汽车应有较好的耐撞性,能够减小乘客、行人和其他汽车在碰撞事故中受到的伤害。对汽车车身部件进行设计,使其在碰撞事件中可以吸收足够的能量,从而保证车厢的完整性。采用多目标知识库方法,可以快速进行车身设计。

在车身概念设计阶段,采用多目标知识库方法,首先根据确定的碰撞情况和车身部件结构,为部件选择合适的横截面几何形状和材料,接着为车身部件设计详细的结构,保证汽车在碰撞事故中可以吸收足够的能量,从而保证当发生碰撞事故时,乘客舱的完整性。

多目标知识库的数据来源于汽车有限元碰撞仿真,通过有限元方法,对大量汽车碰撞过程进行仿真分析,提取车身部件横截面几何形状和仿真结果获得多目标知识库所需数据。由于该方法采用面向性能的设计理念,在进行车身部件结构详细设计阶段所需的优化时间可以大大减少。


2 汽车结构耐撞性优化设计研究

汽车安全变得越来越重要,需要进行提高汽车结构的耐撞性的研究。同时,环境和可持续发展日益受到关注,这又推动了汽车轻量化的研究。汽车行业已对这两个相互矛盾的方面进行了大量研究。其中,汽车结构耐撞性和能量吸收的优化已成为有关社会安全和经济效益的重要研究课题之一。

每年,全球约120万人因车祸死亡,成为现代社会面临的最大的公共健康问题之一,这加重了社会经济负担。研究表明,进行汽车结构的耐撞性设计,可以有效解决汽车安全问题,减少至少43%的潜在伤亡的发生。

为了评估汽车的耐撞性,欧盟建立了新车评价规程(NCAP),可为消费者提供评级结果。另一方面,为了降低汽车油耗及保护环境,研究者已通过结构优化及采用轻量化材料,进行汽车轻量化设计。但是在进行汽车轻量化设计的同时,要保证汽车的耐撞性。过去二十年来,优化设计已成为解决这一问题的有效工具。

进行汽车结构优化设计,需要建立汽车模型,可以使用多个替代模型来提高建模精度和优化效果。同时,为了充分利用高性能计算(HPC)、高效的全局优化(EGO)等,可以使用并行计算方法,从而可以节约时间。随着计算机和软件的发展,通过优化设计方法可以在进行汽车轻量化设计的同时,保证汽车结构的耐撞性。


3 汽车保险杠吸能盒结构的研究

汽车吸能盒是安装在汽车前部的由金属或复合材料制成的薄壁结构。其主要目的是在碰撞事故中吸收因碰撞而产生的能量。吸能盒一般采用铁、铝等金属材料制造,而由复合材料制造吸能盒正处于研发阶段。汽车工业为降低汽车总质量,提高燃油消耗率,可以采用复合材料进行汽车结构设计。

吸能盒在汽车正面碰撞的情况下,起着重要的作用,可以吸收碰撞中绝大部分能量,按设计模式变形,从而降低其他汽车部件的损坏程度,保证车内乘员安全。通常为了减轻汽车重量,汽车零件通常由薄金属片制成,因此金属材料吸能盒的设计难度较大,而复合材料吸能盒刚度高,且重量低,具有较大的优势。

Hussain对由GFRP(玻璃纤维增强聚合物)设计制造的吸能盒的性能进行实际试验研究,研究了不同截面形状GFRP吸能盒,在不同冲击载荷下的性能。对吸能盒中峰值力、吸收能量变化,进行了比较研究,绘制出了每种情况下力与位移的曲线。

结果表明,在吸能盒截面几何形状相同情况下,在不同的冲击载荷作用下,结构对冲击能量的吸收率不同,变形模式不同;在相同冲击载荷作用下,不同截面吸能盒的能量吸收率和变形模式也不相同。研究结果可为GFRP吸能盒结构设计提供指导,设计出在相应冲击载荷作用下,有着预期变形模式的吸能盒结构。


4 一种新型汽车保险杠压溃设计方案

现代社会中公路运输占很大比重,因车祸造成的伤亡事故数量十分巨大。近年来,科研人员不断努力,以提高汽车的安全性。为了减轻汽车发生碰撞事故时,对乘客和被碰对象的影响,设计了汽车折皱区;为了提高汽车耐撞性和能量吸收能力,人们越来越重视能量吸收装置(如保险杠梁)的研发。

目前,汽车上使用的大多数吸能装置,通过永久变形来吸收碰撞能量、增加撞击时间,从而可以吸收大量的冲击能量。在有些情况下,即使汽车发生轻微碰撞,消费者也必须修理甚至更换能量吸收器。

通常对于不同汽车制造商设计标准不同,保险杠梁后方吸能元件有不同形状,如圆管、方管、蜂窝状等,各种形状结构有不同特性,均需要进行各种加载情况下的性能测试。近年来,有关新型能量吸收器的专利数量很多。已有设计中,在保险杠梁后部放置两个挤压罐,试验表明这种设计效果较好,可以吸收更多冲击能量。但是一旦挤压罐或保险杠梁损坏,必须整体更换,成本较高。

Ganilova提出了一种混合型保险杠压溃设计方案,将可以自动恢复形状的管状结构安装到保险杠梁中,用于轻度碰撞情况,而传统的能量吸收装置仍按原有方式布置,用于较大程度碰撞情况。其中可以自动恢复形状的管状结构,是一种可回收结构,由一个空管和一个蜂窝状元件组成。最后,对该结构进行了有限元仿真,表明在轻度碰撞情况下,只有管状结构发生变形,且管状结构可以自动恢复形状,当碰撞程度稍重情况下,管状结构发生永久变形,可以只更换该管状结构。


5 降低汽车碰撞损害方法的研究

对汽车碰撞事故的伤害进行分析,对于预防碰撞发生及降低伤害程度十分重要。通过对大量碰撞事故进行研究,可以为汽车安全装置设计提供指导。要想对碰撞事故进行研究,需要设计出合理的伤害分析和评价的方法。

为了可以科学地分析汽车碰撞事故,Mallory开发了一种用于分析碰撞和伤害数据的方法,通过对大量汽车碰撞结果数据进行研究分析,进而定量确定出不同碰撞情况下,事故的伤害程度及预防方法。

Mallory对2005年至2015年NASSCDS(全国汽车采样系统耐撞性数据系统)的69,597名乘员的病例进行研究,对医院病例的结果进行频率和严重程度分析。其中,病例结果和严重程度,主要包括:死亡、残疾等病例数量、受伤害程度(受伤位置和影响)及事故发生原因和程度。

根据研究结果,可以得到许多有用结论,从而可以预防碰撞事故发生或者降低碰撞程度。研究表明:汽车追尾事故是最常见碰撞事故,损失较小;汽车侧碰及正碰等事故最严重,死亡率最高,损失较大;乘员或行人死亡主要与其头部和胸部受损有关,残疾主要与肢体受损有关。

Mallory开发的碰撞数据挖掘方法,将有助于确定减少碰撞和伤害的方法,用其分析结果指导汽车主动和被动安全系统的研究,可以提高系统性能,更好地提高汽车安全性。


参考文献

[size=1em][1]Dama K K,Babu V S,Rao R N,et al.Multi Objective Knowledgebase Concept Design Methodology of Automotive Space Frame Structures for Crashworthiness by Numerical Methods[J].2017,4:1837-1842.

[size=1em][2]Fang J,Sun G,Qiu N,et al.On design optimization for structural crashworthiness and its state of the art[J].Structural&Multidisciplinary Optimization,2017,55(3):1091-1119.

[size=1em][3]Hussain N N,Regalla SP,Rao Y V D.Comparative Study of Trigger Configuration for Enhancement of Crashworthiness of Automobile Crash Box Subjected to Axial Impact Loading[J].Procedia Engineering,2017,173:1390-1398.

[size=1em][4]Ganilova O A,Jia J L.Application of smart honeycomb structures for automotive passive safety[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering,2017(1):095440701770891.

[size=1em][5]Mallory A,Kender A,Moorhouse K.Opportunities for Crash and Injury Reduction:A Multi-Harm Approach for Crash Data Analysis.[J].Traffic Injury Prevention,2017,18(sup1):S1.



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