一种帽形截面的汽车前纵梁设计方法技术

本发明专利技术针对现有汽车前纵梁设计存在的不足，提出了一种帽形截面的汽车前纵梁设计方法，旨在通过规划纵梁的整体变形模式，使用截面分析和计算方法，实现前纵梁正面碰撞变形模式的可控设计。本发明专利技术的设计方法包括如下步骤：A：规划前纵梁在前碰工况下的总体变形模式：将前纵梁由前至后依次划分为前部叠缩压溃段、中部Y向折弯段、后部微变形支撑段及后部稳定延伸段；B：推导帽形截面前纵梁的平均压溃反力表达式；C：根据前纵梁各段的要求，由前至后依次对前纵梁各段进行设计；D：根据C步骤的设计结果，利用计算机进行模拟分析，并根据模拟结果对设计进行确认或更改。本发明专利技术的设计思路具有很好的实用性，亦可应用于汽车其它部件的设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于汽车安全设计
，涉及前纵梁前碰结构设计，具体地说，本专利技术涉及到一种帽形截面的汽车前纵梁设计方法。
技术介绍
随着城乡居民汽车保有量的迅猛增长，道路交通事故已经在全世界范围内成为威胁人类生命的严重公害。据WHO分析预测：到2020年，道路交通事故将成为世界上仅次于心血管疾病和忧郁症的第三大人身威胁，为此，世界各发达国都对汽车碰撞安全性做出了强制性要求，建立了各自的法规体系，并先后实施了新车评估体系(NCAP：NewCarAssessmentProgramme)，旨在进一步促进汽车碰撞安全性能的提高。汽车被动安全性能指汽车发生交通事故时，车辆能够对车内的乘员或车外的行人进行保护，以防止发生伤害或使伤害降至最低程度的性能。设计人员采用各种方法力求汽车车身结构在碰撞中能够以预定的方式变形，从而有效地吸收碰撞能量，产生良好的碰撞波形以减轻乘员所受冲击伤害，为乘员约束系统的匹配奠定基础。车身结构的抗撞性主要是由薄壁梁形结构和接头组成的框架结构决定的，它们也是碰撞过程中吸收碰撞冲击能的主导，同时为乘员舱提供大部分的刚性。前纵梁是乘用车车身结构重要的纵向受力构件，其基本结构为薄壁梁形，一般地，安全车身要求前纵梁在正面碰撞中吸收30％-50％的能量，并具有一定的结构稳定性能，确保前端结构以特定的方式变形，保证乘员舱的结构完整性。因此，合理设计前纵梁使其能够以预定的方式变形和吸能，是车身结构抗撞性设计的主要内容。针对乘用车前纵梁结构的设计，由于工程中碰撞设计相关的分析和理论目前不够完善，在设计上普遍存在耗时较多的试错式设计方法以及结构材料冗余现象。公告号为CN201310039923.3的中国专利公开了一种前纵梁的设计方法，包括：1、获取对标车正面碰撞时的加速度-时间曲线和压溃距离-时间曲线；2、目标车前纵梁最前端到动力总成前端的长度为X；结合压溃距离-时间曲线获取开始产生压溃时的第一时刻t0，以及压溃距离为X时对应的第二时刻t1；3、获取在t0～t1时间段内对标车的恒定等效加速度a；4、获取目标车试验质量m；获取目标车在t0～t1时间段内受到的等效平均碰撞力F；5、根据在前纵梁最前端到动力总成前端的吸能段内前纵梁所承担的碰撞力的比重，获取前纵梁在t0～t1时间段内受到的等效碰撞力；6、根据前纵梁在t0～t1时间段内受到的等效碰撞力获取前纵梁横截面的长度、宽度、壁厚及材料参数。此法在逆向设计领域确有一定参考价值，但对于全新正向开发没有太多指导意义。公告号为201310388342.0的中国专利公开了一种乘用车前纵梁抗撞性设计方法，旨在克服现有技术传统的“试错法”，即设计汽车前纵梁时需要反复修改计算机仿真模型、反复进行试验测试等问题。所述的乘用车前纵梁抗撞性设计方法分为四步：1、推导多直角截面薄壁梁平均压溃反力表达式；2、设计前纵梁压溃变形部分截面；3、推导矩形截面薄壁梁平均弯矩表达式；4、设计前纵梁弯曲变形部分截面。此法仅适用于矩形截面的纵梁设计，事实上，当前，帽形截面前纵梁已经得到了广泛而成功的应用，而且此专利技术所述方法对前纵梁的整体变形模式缺乏总体规划，没有针对前纵梁变形模式的可控设计方案。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有汽车前纵梁设计存在的不足，提出了一种帽形截面的汽车前纵梁设计方法，旨在通过规划纵梁的整体变形模式，使用截面分析和计算方法，实现前纵梁正面碰撞变形模式的可控设计。本专利技术的帽形截面的汽车前纵梁设计方法包括如下步骤：A：规划前纵梁在前碰工况下的总体变形模式：将前纵梁由前至后依次划分为前部叠缩压溃段、中部Y向折弯段、后部微变形支撑段及后部稳定延伸段；B：推导帽形截面前纵梁的平均压溃反力表达式；C：根据前纵梁各段的要求，由前至后依次对前纵梁各段进行设计；D：根据C步骤的设计结果，利用计算机进行模拟分析，并根据模拟结果对设计进行确认或更改。具体来说，所述B步骤中，所述帽形截面前纵梁的平均压溃反力表达式如下：Fm=32.90M0(Lt)1/3;]]>式中：Fm为平均压溃反力，单位为kN；M0＝σ0t2/4，单位为N.mm；σ0为纵梁钣金材料屈服强度，单位为Mpa；L＝2a+2b+4f，单位为mm；a为纵梁前段内板宽度，b为纵梁前段内板高度，f为纵梁内板焊接边宽度，t为纵梁外板材料厚度。进一步地，概括来讲，所述C步骤中的前部叠缩压溃段的设计过程如下：根据前纵梁总体压溃吸能目标和有效压溃距离，初步确定前纵梁前端的平均压溃反力，进而根据B步骤中的帽形截面前纵梁平均压溃反力表达式和边界条件设计帽形截面薄壁梁的高度、宽度和焊接边宽度。具体来说，所述C步骤中的前部叠缩压溃段的设计过程如下：a、确定所用材料的屈服强度σ0；b、根据布置空间初步确定前纵梁叠缩压溃段结构的截面高度a、长度b及名义周长L；c、利用帽形截面前纵梁平均压溃反力表达式及前纵梁叠缩压溃段的平均压溃反力公式，为达到前纵梁叠缩压溃段结构的目标平均压溃反力，优化前纵梁B1段压溃结构的周长L、壁厚t，确定各个设计变量的设计值；所述前纵梁叠缩压溃段的平均压溃反力公式如下：0.73DFm＝Et，其中D为前纵梁叠缩压溃段结构的纵向长度，单位为mm；Et为前纵梁叠缩压溃段结构的吸能目标值，单位为kJ，Fm是前纵梁平均压溃反力；d、建立前部叠缩压溃段结构轴向压溃的有限元仿真模型，进行前部叠缩压溃段结构的轴向压溃仿真分析，提取仿真所得的前部叠缩压溃段结构的平均压溃力，验证前部叠缩压溃段平均压溃反力是否达到帽形截面前纵梁平均压溃反力表达式的设计目标。进一步地，所述C步骤中的中部Y向折弯段的设计过程如下：a、根据前纵梁中部Y向折弯段折弯位置在整车碰撞中所受到的纵向力的大小和仿真分析力矩值，得出设计目标函数：σ=FxA+My×dyIy+Mz×dzIz>σs;]]>其中，A为前纵梁中部Y向折弯段截面的料厚面积；My和Mz分别为前纵梁中部Y向折弯段截面所受到的Y向和Z向弯矩；Iy和Iz分别为截面图形对于Y轴和Z轴的惯性矩；dy和dz分别为截面上某点到形心主惯性轴Y轴和Z轴的距离，σ为前纵梁中部Y向折弯段折弯位置在整车碰撞中所受到的纵向力，σs为前纵梁中部Y向折弯段折弯位置材料的屈服强度；b、根据设计目标函数确定前纵梁中部Y向折弯段折弯位置材料的屈服强度σs，据此选择前纵梁中部Y向折弯段折弯位置的材料；c、结合前舱总布置空间，以已设计好的前纵梁叠缩压溃段结构截面尺寸为基础，同时考虑前纵梁中部Y向折弯段与下弯纵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种帽形截面的汽车前纵梁设计方法，其特征在于包括如下步骤：A：规划前纵梁在前碰工况下的总体变形模式：将前纵梁由前至后依次划分为前部叠缩压溃段、中部Y向折弯段、后部微变形支撑段及后部稳定延伸段；B：推导帽形截面前纵梁的平均压溃反力表达式；C：根据前纵梁各段的要求，由前至后依次对前纵梁各段进行设计；D：根据C步骤的设计结果，利用计算机进行模拟分析，并根据模拟结果对设计进行确认或更改。

【技术特征摘要】
1.一种帽形截面的汽车前纵梁设计方法，其特征在于包括如下步骤：
A：规划前纵梁在前碰工况下的总体变形模式：将前纵梁由前至后依次划分为前部叠缩
压溃段、中部Y向折弯段、后部微变形支撑段及后部稳定延伸段；
B：推导帽形截面前纵梁的平均压溃反力表达式；
C：根据前纵梁各段的要求，由前至后依次对前纵梁各段进行设计；
D：根据C步骤的设计结果，利用计算机进行模拟分析，并根据模拟结果对设计进行确认
或更改。
2.根据权利要求1所述的帽形截面的汽车前纵梁设计方法，其特征在于所述B步骤中，
所述帽形截面前纵梁的平均压溃反力表达式如下：
Fm=32.90M0(Lt)1/3;]]>式中：Fm为平均压溃反力，单位为kN；M0＝σ0t2/4，单位为N.mm；σ0为纵梁钣金材料屈服强
度，单位为Mpa；L＝2a+2b+4f，单位为mm；a为纵梁前段内板宽度，b为纵梁前段内板高度，f为
纵梁内板焊接边宽度，t为纵梁外板材料厚度。
3.根据权利要求1所述的帽形截面的汽车前纵梁设计方法，其特征在于所述C步骤中的
前部叠缩压溃段的设计过程如下：根据前纵梁总体压溃吸能目标和有效压溃距离，初步确
定前纵梁前端的平均压溃反力，进而根据B步骤中的帽形截面前纵梁平均压溃反力表达式
和边界条件设计帽形截面薄壁梁的高度、宽度和焊接边宽度。
4.根据权利要求3所述的帽形截面的汽车前纵梁设计方法，其特征在于所述C步骤中的
前部叠缩压溃段的设计过程如下：a、确定所用材料的屈服强度σ0；b、根据布置空间初步确
定前纵梁叠缩压溃段结构的截面高度a、长度b及名义周长L；c、利用帽形截面前纵梁平均压
溃反力表达式及前纵梁叠缩压溃段的平均压溃反力公式，为达到前纵梁叠缩压溃段结构的
目标平均压溃反力，优化前纵梁B1段压溃结构的周长L、壁厚t，确定各个设计变量的设计
值；所述前纵梁叠缩压溃段的平均压溃反力公式如下：0.73DFm＝Et，其中D为前纵梁叠缩压
溃段结构的纵向长度，单位为mm；Et为前纵梁叠缩压溃段结构的吸能目标值，单位为kJ，Fm
是前纵梁平均压溃反力；d、建立前部叠缩压溃段结构轴向压溃的有限元仿真模型，进行前
部叠缩压溃段结构的轴向压溃仿真分析，提取仿真所得的前部叠缩压溃段结构的平均压溃
力，验证前部叠缩压溃段平均压溃反力是否达到帽形截面前纵梁平均压溃反力表达式的设
计目标。
5.根据权利要求3所述的帽形截面的汽车前纵梁设计方法，其特征在于所述C步骤中的
中部Y向折弯...

【专利技术属性】
技术研发人员：张迎军，涂金刚，管迪，
申请(专利权)人：奇瑞汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34