提高汽车碰撞安全性能对于降低道路交通安全事故危害,保障乘员生命财产安全,具有重要意义。汽车理想的抗撞和吸能特性与汽车的车体结构、材料和工艺有密切关系。随着新能源汽车的兴起,轻质吸能材料、结构的应用越来越受到关注。本文在总结已有研究成果的基础上,结合国内目前泡沫铝复合结构生产技术水平情况,针对泡沫铝芯体、薄壁铝管的吸能行为,提出了复合结构及翻转管复合结构改善汽车碰撞安全性的研究问题。结合企业产品的开发过程,提出了吸能式车身结构与填充式前纵梁结构的改进方案,并对改进结构的设计、优化和应用效率进行了量化分析评价与实验研究。研究结果表明,泡沫铝及其复合结构的应用能够显著地改善汽车的吸能特性,提高汽车的碰撞安全性。研究了汽车碰撞安全对理想吸能结构的要求,对吸能结构的特点与材料性能要求作了量化处理,分析疏理了现有的吸能特性评价指标,建立了针对汽车碰撞安全性的车身结构变形特点、最大加速度峰值、侵入量、吸能分布等参数化评价指标体系。研究了轻质吸能材料及其复合结构的力学行为,对泡沫铝材料的胞孔屈服、抗压、吸能的本构机理进行了重点研究,提出了泡沫铝复合结构的组合方式。对泡沫铝复合结构中的铝管、钢管、泡沫铝芯体、以及复合结构的力学特性进行了研究和对比分析,对高速冲击下泡沫铝复合结构的变形和吸能作了阐述和分析。在理论分析的基础上,选取了10种常用的不同孔隙率泡沫铝芯体与不同厚度的薄壁铝管制作了泡沫铝复合结构,分别开展了泡沫铝、薄壁铝管及其复合结构的准静态实验和冲击实验。构建了不同材料孔隙率下或者不同应变率下泡沫铝材料载荷-位移关系的统一模型化方法。采用双三次NURBS曲面模型处理试验点云,生成了相同批次、相同工艺条件下任意密度泡沫铝材料的性能曲线,或者任意应变率下任意密度泡沫铝材料的特性曲线。系统操作流程简单,模型方法先进,精度满足工程要求。研究了泡沫铝及其复合结构建立仿真模型的微观结构方法与要求,借助了实验数据对比验证,完成了适用于汽车碰撞仿真的泡沫铝及其复合结构的建模工作。具体给出了泡沫铝、薄壁圆管、复合结构的压溃吸能仿真模型与实验对比的实例。针对汽车碰撞吸能结构的其它表现形式,开展了分体式泡沫铝复合翻转管的碰撞仿真研究,探讨了在改变压力方向进行压溃实验时结构的变形模式以及稳定性的影响特性,阐述了翻转管填充式复合结构的特点和应用方向,构建了泡沫铝复合结构的应用研究平台。探讨了薄壁圆管厚度、泡沫铝材料密度等参数对结构管的压溃峰值力、单独吸能、总吸能、总质量、比吸能的影响规律,并应用响应面法给出了优选方案。结合企业的目标车型开发项目,选取目标车型作为改进和提高碰撞安全性的对象,建立了整车结构和白车身结构的有限元模型和正碰、侧碰仿真模型,对目标车型的弯曲、扭转刚度以及模态进行分析,验证了车身结构的仿真模型。按照C-NCAP的体系要求开展了目标车型40%偏置碰撞和侧面碰撞的仿真分析。对仿真计算的过程结果和目标车碰撞的实验结果进行了验证。在此基础上,重点剖析了侧面门槛结构和车门结构的变形侵入量、加速度、吸能量等参数的变化情况,对汽车防撞性进行系统量化的评价。研究了正面碰撞前纵梁的变形和吸能情况,提出了目标车型改进结构的目标和方向。根据目标车身结构特点与弱点设计了吸能式车身,进行了多方案与多工况下的汽车碰撞仿真分析,并对结果进行详细研究与对比分析。方案综合运用了泡沫铝及薄壁铝管复合结构所具备的各种特性,发挥它提高刚度、高吸能、轻量化的优势。利用整车碰撞模型开展了吸能式车身的侧碰仿真和参数影响因素研究,在20km/h、50 km/h、80 km/h的不同碰撞工况下,研究了泡沫铝复合结构改善汽车安全性的规律。研究了泡沫铝复合结构在低速、中速、高速工况碰撞中对降低车身最大加速度峰值和减少侵入量的效果,进一步证实了泡沫铝复合结构对提高车身安全性的作用。对吸能式车身的多方案进行了碰撞仿真分析,结果再次验证了泡沫铝复合结构对提高车身刚度,降低车身最大加速度峰值的双效果。制作了吸能式门槛横梁结构样件和原车门槛横梁结构实验件,进一步验证了吸能式门槛横梁改进方案的高效吸能性、仿真分析的可信性和实验对比研究的有效性。对原车门槛横梁结构件与吸能式门槛横梁结构件进行了高空落锤冲击实验,分析对比了改进结构与原车结构在相当于50km/h时速碰撞时在变形吸能、加速度和峰值力等方面所表现的差异,验证了在高速碰撞下吸能式门槛横梁结构突出的抗撞和吸能特性。针对目标车型设计了填充式前纵梁的改进方案。研究了泡沫铝孔隙率与外管壁厚的影响关系,结合汽车前纵梁的防撞特点与结构特点,优化了泡沫铝密度与前纵梁结构的匹配参数。利用目标车型的仿真模型对填充式前纵梁结构进行了仿真分析。研究结果证明经过优化匹配后,泡沫铝填充到前纵梁结构中可以改善目标车型的正碰特性,是一种轻量化的有应用前景的方案。