【摘 要】
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薄壁梁结构是汽车车身重要的吸能结构,由于其具有强度高、吸能效果好、质量轻等优点而被广泛应用于汽车车身结构中。在汽车碰撞事故中,车身薄壁梁结构受力复杂,表现出较为复杂的变形式。车身薄壁梁大量采用具有整体曲率、多个加强板加强且截面复杂的结构。薄壁梁的压溃和弯曲是两种最基本的变形和吸能方式,因此,分析矩形截面曲率薄壁梁和帽形截面曲率薄壁梁在纯弯曲工况下的弯曲变形机理,建立相应吸能理论预测模型是前纵梁和地
【基金项目】
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国家重点研发计划(2017YFB0103703); 河北省级自然科学基金(E2019202201);
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薄壁梁结构是汽车车身重要的吸能结构,由于其具有强度高、吸能效果好、质量轻等优点而被广泛应用于汽车车身结构中。在汽车碰撞事故中,车身薄壁梁结构受力复杂,表现出较为复杂的变形式。车身薄壁梁大量采用具有整体曲率、多个加强板加强且截面复杂的结构。薄壁梁的压溃和弯曲是两种最基本的变形和吸能方式,因此,分析矩形截面曲率薄壁梁和帽形截面曲率薄壁梁在纯弯曲工况下的弯曲变形机理,建立相应吸能理论预测模型是前纵梁和地板纵梁耐撞性设计的理论基础。本文的研究工作主要体现在:(1)基于弹性力学基本原理,通过改进截面上顶板屈曲系数和有效翼缘宽度的经验公式,使得无曲率矩形截面薄壁梁和无曲率加强帽形截面薄壁梁在纯弯曲工况下的最大弯曲力矩理论预测公式与有限元仿真计算结果一致性更高。(2)根据圆轴曲率矩形截面薄壁梁在纯弯曲工况下的应力分布状态,确定了圆角半径以及曲率大小对矩形截面曲率薄壁梁纯弯曲工况下抗弯性能的影响;推导出矩形截面曲率薄壁梁在纯弯曲工况下的最大弯曲力矩公式和塑性变形失效后的吸能预测理论公式。利用有限元仿真的和理论分析相结合的方法,验证了8组不同截面尺寸、不同材料、不同厚度和不同圆角半径的矩形截面曲率薄壁梁在纯弯曲工况下的最大弯曲力矩以及塑性变形失效后的吸能量,其中最大弯曲力矩误差在10%以内。(3)帽形截面曲率薄壁梁通常应用于车身前纵梁、地板纵梁和B柱等。为完善多种常见截面曲率薄壁梁的理论基础,推导出上帽形截面曲率薄壁梁和下帽形截面曲率薄壁梁的最大弯曲力矩和塑性变形失效后的吸能理论预测公式。利用有限元仿真和理论分析相结合的方法,分别验证了8组不同截面尺寸、不同材料、不同厚度和不同圆角半径的帽形截面曲率薄壁梁的最大弯曲力矩以及塑性变形失效后的吸能量其中最大弯曲力矩误差在10%以内。(4)选用某B级轿车为研究对象,针对65 km/h初速度的100%正面碰撞工况,提出曲率薄壁梁的耐撞性设计目标。利用限度分析的方法,对目标结构进行概念性优化设计。结合上述帽形截面和矩形截面曲率薄壁梁的最大弯曲力矩公式,推算达到目标结构耐撞性设计目标所需的截面尺寸、材料和厚度等参数的选取。加速度峰值降低72.4 m/s~2,左脚处侵入量降低21.1 mm,转向节处侵入量降低25.8 mm达到了预期的设计目标。
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