汽車車門防撞梁結(jié)構(gòu)的分析與優(yōu)化
汽車車門防撞梁結(jié)構(gòu)的分析與優(yōu)化,汽車,車門,防撞梁,結(jié)構(gòu),分析,優(yōu)化
金陵科技學(xué)院論文 目錄
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）
設(shè)計(論文)題目： 汽車車門防撞梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與分析
學(xué)生姓名：
二級學(xué)院：
班 級：
提交日期：
金陵科技學(xué)院論文 摘要
目 錄
金陵科技學(xué)院論文 摘要
摘 要 II
Abstract III
1 緒論 1
1.1汽車車門防撞梁研究的背景和意義 2
1.2汽車交通事故的過程與形式 2
1.3汽車的成員損傷機(jī)理 3
1.4汽車被動安全性 4
2 汽車車門方形防撞梁的建模和分析 6
2.1對方形防撞梁進(jìn)行建模 6
2.2對方形防撞梁進(jìn)行分析 8
3 汽車車門U形和雙U形防撞梁模型的建立與分析 11
3.1垂直壁U形截面的模型建立 11
3.2垂直壁雙U形截面的模型建立 12
3.3 對U形防撞梁進(jìn)行受力分析 13
3.4對雙U形防撞梁進(jìn)行受力分析 15
4 車門方形防撞梁的優(yōu)化分析 17
4.1對方形防撞梁進(jìn)行優(yōu)化分析 17
4.2對方形防撞梁再次進(jìn)行受力分析 21
5 總結(jié) 24
參考文獻(xiàn) 25
致謝 26
汽車車門防撞梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與分析
摘 要
本文先是論述了汽車側(cè)面碰撞研究的背景和意義、汽車側(cè)面碰撞的過程和形式、汽車乘員損傷的原因和汽車的被動安全性。緊接著將國外和國內(nèi)發(fā)生交通事故的數(shù)據(jù)作了一些對比,提出車門防撞梁的重要性，并根據(jù)已知的一些條件,建立方形防撞梁的模型并進(jìn)行受力分析，得出最基本的數(shù)據(jù)，再通過對U形防撞梁和雙U形防撞梁進(jìn)行建模和受力分析，然后通過對比，確定方形防撞梁的承受能力和緩沖效果更好，然后再對方形防撞梁的梁壁進(jìn)行優(yōu)化，確定梁壁傾斜10°的方形防撞梁最好。
關(guān)鍵詞：車門；防撞梁;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;受力分析;
Optimization and analysis of the structure of automobile door
Abstract
Firstly, this article discusses the background and significance of the research of vehicle side impact, the process and form of automobile side impact, causes of vehicle occupant injury and the passive safety of automobile. Then there will be a number of foreign and domestic traffic accident data were compared，Put forward the importance of the door crash beam, And according to some known conditions, establish the model of the square beam and carry on the force analysis, Get the basic data, Through modeling and force analysis of the U type anti collision beam and double U type anti collision beam, And then through the contrast,determine the bearing capacity and the buffer effect of the square beam is better.，the wall of the square anti collision beam is optimized. It is the best for the square anti collision beam with inclined 10 degrees of beam wall.
Key words: Car door; Anti collision beam ; Stress analysis; Structure optimization;
II
金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第1章 緒論
1 緒論
碰撞安全性這個指標(biāo)是在汽車碰撞中最為重要的指標(biāo), 由于人們的長期努力，在汽車技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域和汽車的安全領(lǐng)域已經(jīng)有了很大的提升。在我國，汽車已經(jīng)進(jìn)入了大部分人們的家庭，有的家庭甚至有多輛車，汽車的數(shù)量正在急劇的上升，伴隨著汽車數(shù)量上升的同時汽車發(fā)生交通事故的可能性也大大地提高了。發(fā)生的交通事故也是各式各樣的，總的來說可以分為下面幾點：汽車與汽車的正方向碰撞即正面碰撞，汽車的側(cè)面受到撞擊即側(cè)面碰撞，汽車后面遭到撞擊即后面碰撞，還有可能因為一些特殊的原因?qū)е缕嚢l(fā)生側(cè)翻等等。將所有的數(shù)據(jù)匯總之后很明顯就可以看出，在大多數(shù)的交通事故中,因為汽車側(cè)面的碰撞而導(dǎo)致交通事故的比例常年是在第一位，根據(jù)相關(guān)資料顯示2015年車禍死亡的人中由于側(cè)面碰撞死亡的己經(jīng)上升到百分之五十一，由此可見側(cè)面碰撞的交通事故是多么的頻繁。
據(jù)《中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計資料匯編》中的相關(guān)資料顯示,所有在中國發(fā)生的交通事故中,汽車由于側(cè)面碰撞而發(fā)生交通事故的占百分之三十二,遠(yuǎn)比其他交通事故的比例高。而在所有導(dǎo)致人員傷亡的交通事故中,百分之三十是由于側(cè)面碰撞所引起的,遠(yuǎn)高于其他的交通事故。在所有交通事故中死亡人數(shù)最高的也是發(fā)生側(cè)面碰撞的人數(shù)。就是因為如此，汽車被動性安全中的汽車側(cè)面碰撞安全被全國汽車專業(yè)人士和所有汽車制造廠家所重視。并且一直關(guān)注著這一個地方。相比于汽車的其他地方，汽車的側(cè)面是屬于比較脆弱的一個地方，為了汽車的美觀，汽車側(cè)面的車門不可能會和汽車前部防撞梁那樣，有很多空間，所以會缺乏強(qiáng)度導(dǎo)致車門會很脆弱，側(cè)面只要稍微遭受一些過大的力,就不能夠有充足的空間發(fā)生形狀的變化進(jìn)而吸收碰撞時產(chǎn)生的能量，側(cè)面碰撞的撞擊物與汽車?yán)锩娴鸟{駛員和乘車人員之間通常也就隔著20到30厘米的距離,因此側(cè)面撞擊對于乘車人員來說才是最危險的。
發(fā)生側(cè)面撞擊的時候假如你是在斜坡上或在轉(zhuǎn)彎時, 汽車極有可能被撞的翻傾,從而使轎車的車門發(fā)生變形，嚴(yán)重的會直接使轎車的車門打不開，大大的減小駕駛員和乘車人員的活動空間，假如有人想要救援或者自救,這種車門的變形會嚴(yán)重影響進(jìn)度，無法及時脫離危險的地方。所以汽車被側(cè)方向撞擊而對乘車人員造成的傷害與正方向或者后方向撞擊相對比,危險是最大的。因此哪怕在受到碰撞后，只要車門變形打不開，就會影響到別人的施救或者自己的逃生。為了能夠提高汽車安全的指標(biāo)在非常多的公司里面都在車門的內(nèi)部放入防撞梁，用來提高車門的耐撞性和強(qiáng)度。車門安全裝置里面最關(guān)鍵的一個部位就是防撞梁，防撞梁防撞的作用是:當(dāng)汽車的側(cè)面遭到其他物體的碰撞時,防撞梁能使側(cè)門的變形減小,用來減小車內(nèi)成員的危險。所以說，為了能夠更加全面的提高汽車碰撞
3
安全性，我們需要對車門內(nèi)部的防撞梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使其獲得更好性能同時還要提高汽車車門的耐撞性，這對于加強(qiáng)交通安全和加強(qiáng)乘車人員的安全防護(hù)有著非常重要的意義。
1.1汽車車門防撞梁研究的背景和意義
當(dāng)今世界汽車工程領(lǐng)域的三大熱點問題是汽車安全、節(jié)能和環(huán)保，也是大家爭論以及關(guān)注的熱門話題。汽車的安全性會牽連到人的生命安全，財產(chǎn)安全。從上個世紀(jì)八十年代末開始中國的經(jīng)濟(jì)水平正在不斷的提升，家用汽車的數(shù)量逐年都會有增長，然而交通事故中的死亡的人數(shù)仍然超過五萬余人。雖然最近十年來我國發(fā)生交通事故的次數(shù)已經(jīng)有了下降的趨勢，但是人員的傷亡以及各種各樣的損失卻實在是太巨大了。影響交通事故發(fā)生的因素有人、車、路、環(huán)境，只要一項或多項失去平衡就導(dǎo)致了交通事故的發(fā)生。一般的情況下汽車駕駛員是引發(fā)交通事故的主要因素，據(jù)相關(guān)的資料顯示，駕駛員所應(yīng)當(dāng)承擔(dān)直接責(zé)任的大概可以占到百分之七十，而行人以及乘車人員所應(yīng)當(dāng)承擔(dān)責(zé)任的大概只占百分之二十。但是其實在好多的交通事故中，剛發(fā)生交通事故的時候司機(jī)是并沒有什么大的事情的，很多原因都是因為汽車不能很好的承受住外面的力量，從而發(fā)生了大的形變，導(dǎo)致司機(jī)根本沒有一個安全或者可以逃脫的空間，甚至有的時候會直接因為狹窄的空間容不下自身而導(dǎo)致死亡，而在發(fā)生這種情況的時候汽車防撞梁的強(qiáng)度顯得尤為重要。如果防撞梁能夠很好的承受住外面產(chǎn)生的力量和形變，哪怕只是微乎其微，這多出來的一點點空間就可以救下許多人的性命。
1.2汽車交通事故的過程與形式
汽車在行駛過程中由于駕駛員以及其他的一些原因比如說車與車之間，車與人之間或者車與其它障礙物之間，都可能會發(fā)生碰撞或者摩擦，這些都有可能導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。在發(fā)生交通事故的情況下，碰撞可以分為三大過程首先是發(fā)生撞擊之前的所發(fā)生事情，其次是發(fā)生撞擊的時候所發(fā)生的事情，最后是發(fā)生撞擊以后所發(fā)生的事情。在發(fā)生交通事故之前車輛快要相撞的時候，駕駛員肯定會本能的想要回避比如猛轉(zhuǎn)方向或者直接踩剎車制動等等這一系列的操作就稱為碰撞之前的運動。碰撞的時候是指車與車之間或者車與別的物體之間相互撞擊而導(dǎo)致交通事故發(fā)生的過程。根據(jù)好多的數(shù)據(jù)顯示表明，汽車相互撞擊而產(chǎn)生的交通事故，它真正的時間大約就只有持續(xù)零點一秒到零點二秒左右。在汽車發(fā)生撞擊的時候，汽車內(nèi)部可以將被撞擊的部分能量轉(zhuǎn)化，汽車因撞擊而產(chǎn)生的絕大多數(shù)的動能都能被汽車內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和部件所吸收，其中一部分產(chǎn)生的能量在地面摩擦的時候就已經(jīng)消耗掉或者會直接被碰撞的物體所吸收。其他剩下的能量會在發(fā)生撞擊之后，迫使汽車或者撞擊的物體朝著一個方向不停的前進(jìn)，使汽車和行
進(jìn)的路面、空氣之間發(fā)生摩擦或者以其他的一些方式進(jìn)行消耗，直到能量全部用完與路面呈相對靜止的狀態(tài)。正面碰撞、側(cè)面碰撞、追尾事故和翻車是汽車發(fā)生交通事故主要的幾個類型，其中有百分之三十二是側(cè)方向的碰撞，比例是在全部碰撞事故類型中最大的。由此可知，汽車主要碰撞事故類型為側(cè)面碰撞。因此，汽車在防范側(cè)面碰撞尤為重要?，F(xiàn)在正面碰撞其實已經(jīng)不太多了，主要還是側(cè)面碰撞，多在側(cè)面碰撞的地方下功夫才是現(xiàn)在保證汽車事故死亡量的一個關(guān)鍵，在側(cè)方向碰撞的過程中，汽車側(cè)面基本都會受力，除了B柱受力外，其余大部分都是車門受力，車門作為一個關(guān)鍵的地方，我們必須要重視起來。如果我們可以將車門設(shè)計的固若金湯，又或者能夠吸收更多的能量，產(chǎn)生更小的形變，相信這樣的話汽車的安全性就能上升到另一個層次。在發(fā)生交通事故后將會有更少的人死亡，這才是最主要的目的。
車門結(jié)構(gòu)的組成：
1.車門加強(qiáng)橫梁：即是車門防撞梁，有高強(qiáng)度鋼板沖壓成型的，也有封閉的圓管截面的。
2.車門外板：將薄鋼板沖壓到零點六到零點八毫米左右形成外板；
3.車門內(nèi)板：和外板不一樣，內(nèi)板是采用稍微厚一點的薄鋼板，內(nèi)板是汽車重要的板件之一，它里面還可以承載其它的一些汽車附件。擁有下面幾個特點：
首先是需要有門厚所以必須要拉伸和延長一些相對來說深一點的周邊用來形成所需要的門厚；其次是沖壓出各類加強(qiáng)筋，用來提高硬度，減小因振動而產(chǎn)生的噪音；最后是板面上必須沖壓出各類的凹凸臺，用于附件的安裝。
4.車門加強(qiáng)板：對門體局部加強(qiáng)而設(shè)置。
5.車門窗框：大多采取沖壓薄鋼板成型或滾壓薄鋼板成型。
窗框結(jié)構(gòu)斷面要考慮的要點：
1.窗框與內(nèi)、外板的連接結(jié)構(gòu)；
2.杰出的封閉性能，密封條、玻璃導(dǎo)槽的安放和安裝結(jié)構(gòu)；
3.窗框本身剛度，這對密封影響較大；
4.符合玻璃升降的要求；
5.與車身側(cè)圍門框的正確配合。
在這些結(jié)構(gòu)中，最為關(guān)鍵的莫過于防撞梁了，有無防撞梁對于一輛汽車來說就等于人有沒有穿防彈衣一樣，防撞梁運用的合理了，設(shè)計的恰當(dāng)了，既能減少材料的損耗，節(jié)省成本，又能加強(qiáng)硬度以及碰撞后吸收能量的程度，這對于我們來說是再好不過的了。
1.3汽車的成員損傷機(jī)理
汽車側(cè)碰過程中，車門遭到外力作用變形造成了乘車人員的傷亡。側(cè)面碰撞
事故導(dǎo)致乘員死亡率高于正面碰撞和追尾的主要原因，就是由于車門一般都離駕駛員或者乘車人員比較近。汽車在發(fā)生側(cè)面的撞擊的時候有可能會對乘車人員和駕駛員造成一定的損傷，其中主要有機(jī)械損傷，簡單來說就是因為汽車發(fā)生撞擊使人員的身體直接也遭受了同樣的撞擊并對乘員造成一定量的傷害，除了機(jī)械損傷外也會有心理上面的損傷以及生物上面的損傷。心理上面的損傷指的是汽車碰撞的過程使乘員產(chǎn)生心理上面的害怕或慌亂，生物損傷主要是大腦生物功能的損傷。除了我們需要盡可能的減少汽車在發(fā)生側(cè)面撞擊的時候?qū)Τ塑嚾藛T以及駕駛員造成的損傷外，還需要大家多注意汽車本身的一些性能也可以減少甚至避免事故的發(fā)生那就是汽車本身的安全性。
汽車的安全性就是在行車的時候為了保障乘車人員以及駕駛員還有其它行人的安全，汽車自己本身就有一種安全的性能。汽車的安全性可以分為多種，在發(fā)生交通事故的時候汽車自己就會啟動的性能叫做自動也叫主動安全性，只能被動的保護(hù)乘車人員的一些性能的叫做被動安全性，一輛有各種安全性能和一輛沒有任何安全性能的汽車在發(fā)生撞擊的時候差別是十分巨大的，有安全性能的汽車雖然車可能因為撞擊而壞了，但是里面的乘車人員可能問題不大，但是假如說沒有安全性能的汽車發(fā)生撞擊了，那么里面的人是兇多吉少了，所以汽車的安全性能是非常重要的。
各個國家都開展了“試驗安全車”的研究就是為了推動機(jī)動車輛安全標(biāo)準(zhǔn)的研究，就是通過研發(fā)一些專用的車輛對其進(jìn)行實驗得到一些自己想要的數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)就能加速發(fā)展汽車在安全性方面的研究，并且可以用這些數(shù)據(jù)來制定我們現(xiàn)在的安全的標(biāo)準(zhǔn)。通過研發(fā)這種車輛并對其進(jìn)行實驗可以很好的推進(jìn)我們?nèi)ゼ訌?qiáng)和提高有關(guān)汽車安全的一些地方。
1.4汽車被動安全性
在汽車發(fā)生碰撞后被動安全性起到了關(guān)鍵的作用，所以，改良汽車整體或優(yōu)化內(nèi)部的吸能部件的結(jié)構(gòu)是汽車被動安全性的重點之一, 因此需要提升汽車的一些抗撞擊的能力，在發(fā)生撞擊的時候可以讓汽車發(fā)生變形從而盡可能多的吸收撞擊能量來保護(hù)乘車人員和駕駛員。
在現(xiàn)在科技這么發(fā)達(dá)的時代，安全技術(shù)已經(jīng)是十分先進(jìn)的了，但是盡管如此交通事故還是會有發(fā)生，汽車被動安全技術(shù)中的防撞梁就顯得尤為重要。
如何能夠更好的更有效的保護(hù)汽車是如今最需要關(guān)注的。運用前沿的技術(shù)來建立車體內(nèi)外的保護(hù)機(jī)制從而起到智能化的保護(hù)作用。在汽車發(fā)生交通事故的時候一般來說汽車的車門總是離駕駛員比較近，很容易就能縮小駕駛員的空間使其受到傷害甚至有可能直接死亡。所以現(xiàn)階段如何提高汽車車門的被動的安全也是十分重要的，為了提高車門承受撞擊的能力，可以選擇在車門里面安裝防撞梁，這是最簡單和經(jīng)濟(jì)的一個辦法。由此可以知道車門防撞梁的重要性。防撞梁又稱防撞桿。在碰撞的過程中吸收以及緩沖動能和能量的部件就是防撞梁，在發(fā)生碰撞之后，防撞梁能夠吸收大部分的動能，使得成員受到的沖擊力大大的減小。對防撞梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在保證汽車的輕量化的同時使防撞梁能夠更大的承受碰撞力和吸收能量是目前研究的重點。
5
2 汽車車門方形防撞梁的建模和分析
在發(fā)生碰撞的時候防撞梁的作用主要是盡可能多的吸收碰撞的能量，讓車內(nèi)成員能夠有一個安全的環(huán)境，保護(hù)駕駛員和乘車人員的安全。
防撞梁從外面是看不見的。但是無論防撞梁具體的位置是怎么樣的，它都是作為一種吸收能量的裝置設(shè)計的，它能夠吸收撞擊時產(chǎn)生的能量和承受外在的作用力。用計算機(jī)中的有限元分析防撞梁就能很好的減少實驗時候的損耗，減少資源的同時還能得出相對于較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。
2.1對方形防撞梁進(jìn)行建模
本課題是用輕型卡車車門的防撞梁進(jìn)行研究。
圖2.1為防撞梁在車門內(nèi)的位置：
圖2.1 防撞梁在車門內(nèi)的位置
其平面的尺寸和三維模型如圖2.2、圖2.3以及圖2.4所示,汽車前門防撞梁的長度為50mm，寬度為33mm,高度為700mm,厚度為1.5mm。
圖2.2 方形防撞梁平面的尺寸數(shù)據(jù)
圖2.3 方形防撞梁的厚度
圖2.4 方形防撞梁的三維模型
汽車防撞梁的材料選用的是鋼材料， 如下圖2.5所示，為了能夠更好的保護(hù)駕駛員或者乘車人員的安全，因此選用了鋼材料。對于相同體積的鋼材，其強(qiáng)度與其他材料相比是最大的，更能對汽車起保護(hù)作用，所以它是最合適的材料。
汽車前門防撞梁所選用的材料模型為碳鋼，在CATIA內(nèi)對應(yīng)的選項為IRON
碳鋼也叫碳素鋼，它是指含碳量Wc小于百分之二點一的鐵碳合金。碳鋼除了含有碳元素外還含有少量的錳、硫、硅、磷。
碳鋼有許多的優(yōu)點：在制造的時候不需要太多復(fù)雜的工藝，如果需要強(qiáng)化鋼材可以直接用熱處理進(jìn)行強(qiáng)化，加工的時候性能也是極好，具有很強(qiáng)的硬度，價格也低，在生活中碳鋼并不只是在汽車方面有涉及到，在其他很多的領(lǐng)域都是很受歡迎的一種材料。汽車在發(fā)生側(cè)面撞擊的時候和發(fā)生正面撞擊是不一樣的，汽
車前端有非常大的吸能和緩沖區(qū)。汽車側(cè)面的結(jié)構(gòu)離駕駛員比較近，并不會像發(fā)生正面撞擊的時候有特別多的空間用來吸收和緩沖撞擊。所以汽車車門防撞梁主要的作用就是在汽車發(fā)生側(cè)面碰撞的時候可以更有效的吸收能量和減小沖擊力。
2.2對方形防撞梁進(jìn)行分析
將圖2.4的三維模型進(jìn)行靜態(tài)受力分析，首先對建立的方形防撞梁賦予材料，這里的材料就選擇碳鋼也就是Iron這個選項，如下圖2.5所示：
圖2.5賦予材料
三維幾何模型建立好后導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用精確度較高的四邊形殼單元,單元網(wǎng)格尺寸大小為4X4mm,由于表面為復(fù)雜曲面,允許出現(xiàn)部分三角形單元。所以就可以將導(dǎo)入的方形防撞梁的有限元模型,對已經(jīng)建立好的模型進(jìn)行施加約束、載荷及接觸設(shè)置后對其進(jìn)行靜態(tài)受力分析，當(dāng)防撞梁受到1000N的力的時候，觀看其變形之后的變化量以及所受應(yīng)力大小。
網(wǎng)格劃分如圖2.6所示：
圖2.6 對方形防撞梁的網(wǎng)格劃分
對方形防撞梁施加約束如下圖2.7所示：
圖2.7 施加約束
設(shè)置方形防撞梁的接觸點如下圖2.8所示：
圖2.8 設(shè)置接觸點
圖2.8是為方形防撞梁設(shè)置接觸面，并可以通過這個設(shè)置的接觸面對防撞梁施加一個力。
施加1000N的載荷之后，查看防撞梁的應(yīng)力如下圖2.9所示：
圖2.9 方形防撞梁所受應(yīng)力情況
下圖2.10為方形防撞梁的位移量：
圖2.10 方形防撞梁的位移量
從上圖2.10可以看出方形防撞梁的位移情況：位移最多的部分是紅色部分，位移量為：0.19405mm。
圖2.9為方形防撞梁所受應(yīng)力圖，為了方便受力，防撞梁的受力統(tǒng)一設(shè)為1000N,從圖2.8中可以看出防撞梁的變形以及它受力的大小，圖2.9中因為受力，方形防撞梁的形狀發(fā)生了變化，其所受最大應(yīng)力的數(shù)據(jù)為42.891Mpa，最大的位移量為：0.19405mm，這個數(shù)據(jù)為接下來的受力以及比對提供了一個良好的基礎(chǔ)。方形防撞梁在承受了1000N力的情況下發(fā)生的變形并不是很大。因此方形防撞梁確實能很好的承受沖擊和吸收能量。
3 汽車車門U形和雙U形防撞梁模型的建立與分析
防撞梁主要采取了三種截面的形狀:方形、U形和雙U形。
方形的防撞梁在上面已經(jīng)提到并且研究和分析過了。
3.1垂直壁U形截面的模型建立：
垂直壁U形截面的邊長:
其厚度為：
U形防撞梁的截面數(shù)據(jù)如下圖3.1所示：
圖3.1 U形防撞梁的截面數(shù)據(jù)
下圖3.2為U形防撞梁的厚度的圖：
圖3.2 U形防撞梁的厚度
U形防撞梁的建模如下圖3.3所示：
圖3.3 U形防撞梁的三維模型
3.2垂直壁雙U形截面的模型建立：
垂直壁雙U形截面邊長:
其厚度為。
雙U形防撞梁的截面數(shù)據(jù)如下圖3.4、3.5所示：
圖3.4 雙U形防撞梁的截面數(shù)據(jù)
圖3.5雙U形防撞梁的的厚度
雙U形防撞梁的建模如下圖3.6所示：
圖3.6雙U形防撞梁的三維模型
3.3 對U形防撞梁進(jìn)行受力分析：
設(shè)置U形防撞梁的接觸點如下圖3.7所示：
圖3.7設(shè)置U形防撞梁的接觸點
施加1000N的載荷之后，查看防撞梁的應(yīng)力如下圖3.8所示：
圖3.8 U形防撞梁所受應(yīng)力情況
下圖3.9為U形防撞梁的位移量：
圖3.9 U形防撞梁的位移量
從上圖2.8可以看出方形防撞梁的位移情況：位移最多的部分是紅色部分，位移量為：0.196mm。
從上圖3.8中可以看出U形防撞梁發(fā)生的位移量是0.0196mm，要比方形防撞梁的變形程度要大，因此方形防撞梁能承受更大的作用力以及緩沖更大的沖擊，U形防撞梁受到的應(yīng)力為51.212Mpa，但是方形防撞梁所受的應(yīng)力卻只有42.891Mpa，很明顯不管是從圖形還是受力都是方形的防撞梁的結(jié)構(gòu)比較優(yōu)秀。
3.4對雙U形防撞梁進(jìn)行受力分析：
設(shè)置雙U形防撞梁的接觸點如下圖3.10所示：
圖3.10設(shè)置雙U形防撞梁的接觸點
施加1000N的載荷之后，查看防撞梁的應(yīng)力如下圖3.11所示：
圖3.11 雙U形防撞梁所受應(yīng)力情況
下圖3.12為雙U形防撞梁的位移量：
圖3.12 雙U形防撞梁的位移量
從上圖3.12可以看出方形防撞梁的位移情況：位移最多的部分是紅色部分，位移量為：0.40503m。由圖3.11到圖3.12可以看的出來雙U形防撞梁的位移量及受力情況，很明顯雖然雙U形防撞梁也能承受相同的力，但是位移量是0.40503mm，比方形防撞梁的位移量要大。
根據(jù)上面的圖3.8到圖3.12還有方形防撞梁所受的應(yīng)力和位移量的數(shù)據(jù)，U形的最大應(yīng)力是51.212Mpa，雙U形受到的最大應(yīng)力是104.84Mpa，而方形防撞梁所承受的應(yīng)力更只有42.891Mpa，并且方形防撞梁發(fā)生的形變是最小的，變形量只有0.19405mm，從這里就可以看出方形截面的防撞梁抗撞擊能力更好，并且能夠特別明顯的就可以看出，方形防撞梁能夠吸收更多能量，能夠承受更大的撞擊。這只是其中的一種辦法，因此還需要對方形的防撞梁進(jìn)行優(yōu)化分析，使方形截面的防撞梁的梁壁傾斜5°、10°以及15°，分別對它們進(jìn)行受力分析，然后看他們的變形以及所受應(yīng)力，相互比較，驗證能不能通過其他方式獲得更好的防撞能力。
4 車門方形防撞梁的優(yōu)化分析
在汽車發(fā)生側(cè)面撞擊的時候主要就是能夠承受住撞擊力還有更多的吸收能量，因此汽車車門防撞梁的抗撞擊的性能是十分重要的。本論文運用了改變防撞梁截面形狀的這個方式。分別將方形防撞梁的梁壁傾斜、和，然后進(jìn)行受力分析。
4.1對方形防撞梁進(jìn)行優(yōu)化分析：
將方形截面的防撞梁向內(nèi)傾斜, 使方形防撞梁的梁壁傾、和。他們的形狀及尺寸分別對應(yīng)下圖4.1、4.2、4.3所示：
圖4.1 梁壁傾斜5°的方形防撞梁截面數(shù)據(jù)
圖4.2 梁壁傾斜10°的方形防撞梁截面數(shù)據(jù)
圖4.3 梁壁傾斜15°的方形防撞梁截面數(shù)據(jù)
為了確保防撞梁的總質(zhì)量不變，在防撞梁總長不發(fā)生改變的情況下,必須使防撞梁的面積相等。防撞梁截面面積的公式：，公式當(dāng)中L為防撞梁截面的邊長,d為防撞梁的厚度。
原來防撞梁橫截面的邊長為： 。
故橫截面面積。
梁壁傾斜的截面邊長。
則其厚度為。
梁壁傾斜的截面邊長。
其厚度為。
梁壁傾斜的截面邊長。
其厚度為。
根據(jù)第2章所建立的有限元模型的方法,用上面的數(shù)據(jù)與原來防撞梁的數(shù)據(jù)相互替換,觀察其形變和變化量。
下圖4.4所示的是梁壁傾斜5°的應(yīng)力情況：
圖4.4 梁壁傾斜5°的方形防撞梁所受應(yīng)力情況
下圖4.5為梁壁傾斜5°的方形防撞梁的位移圖：
圖4.5 梁壁傾斜5°的方形防撞梁的位移圖
從上圖4.5可以看出梁壁傾斜5°的方形防撞梁的位移情況：位移最多的部分是紅色部分，位移量為：0.17961mm。
下圖4.6所示的是梁壁傾斜10°的應(yīng)力情況：
圖4.6梁壁傾斜10°的方形防撞梁所受應(yīng)力情況
下圖4.7為梁壁傾斜10°的方形防撞梁的位移圖：
圖4.7 梁壁傾斜10°的方形防撞梁的位移圖
從上圖4.7可以看出梁壁傾斜10°的方形防撞梁的位移情況：位移最多的部分是紅色部分，位移量為：0.17637mm。
下圖4.8所示的是梁壁傾斜15°的應(yīng)力情況：
圖4.8 梁壁傾斜15°的方形防撞梁所受應(yīng)力情況
下圖4.9為梁壁傾斜15°的方形防撞梁的位移圖：
圖4.9 梁壁傾斜15°的方形防撞梁的位移圖
從上圖4.9可以看出梁壁傾斜15°的方形防撞梁的位移情況：位移最多的部分是紅色部分，位移量為：0.19362mm。
根據(jù)圖4.4到圖4.9的形狀和數(shù)據(jù)，可以看出梁壁傾斜10°的方形截面的防撞梁所承受的力為41.483Mpa比圖4.4的最大應(yīng)力43.969Mpa和圖4.8的最大應(yīng)
力41.836Mpa中的力要小，并且也比原來方形防撞梁42.891Mpa所受到的應(yīng)力要更小，所以梁壁傾斜10°的方形防撞梁承受撞擊能力更好，從圖4.4到圖4.9和圖2.9到圖2.10中我們可以看的出來梁壁傾斜10°的方形截面的防撞梁要比梁壁傾斜5°和梁壁傾斜15°的方形截面的防撞梁的性能要更好。并且也比原來的方形防撞梁要更好，能承受更大的撞擊。所以梁壁傾斜10°的方形截面的防撞梁能夠吸收更多能量和承受更大撞擊屬于是最好的截面。
本章的受力分析只是在載荷為1000N的時候進(jìn)行受力，因為只有對比了一次，只能說明在載荷為1000N的時候，梁壁傾斜10°的方形防撞梁是能夠承受最大撞擊力和吸收最大沖擊。接下來將施加在防撞梁上面的力替換成5000N，繼續(xù)做對比，看梁壁傾斜10°的方形防撞梁還是不是最優(yōu)的截面。
4.2對方形防撞梁再次進(jìn)行受力分析
根據(jù)4.1、4.2、4.3的截面數(shù)據(jù)說建立的模型再次做受力分析。
圖4.10為施加5000N之后方形防撞梁梁壁傾斜5°的受力情況：
圖4.10 施加5000N之后梁壁傾斜5°的方形防撞梁所受應(yīng)力情況
下圖4.11為施加5000N之后梁壁傾斜5°的方形防撞梁的位移圖：
圖4.11 施加5000N之后梁壁傾斜5°的方形防撞梁的位移圖
從圖4.10到圖4.11中可以看出施加5000N之后梁壁傾斜5°的方形防撞梁的變形情況，并且可以知道其所受的最大應(yīng)力為219.84Mpa，位移量為0.89807mm。
圖4.12為施加5000N之后方形防撞梁梁壁傾斜10°的受力情況：
圖4.12 施加5000N之后梁壁傾斜10°的方形防撞梁所受應(yīng)力情況
下圖4.13為施加5000N之后梁壁傾斜10°的方形防撞梁的位移圖：
圖4.13 施加5000N之后梁壁傾斜10°的方形防撞梁的位移圖
從圖4.12到圖4.13中可以看出，在同樣施加5000N力的情況下，梁壁傾斜10°的方形防撞梁的位移量為0.88185mm，梁壁傾斜5°的方形防撞梁的位移量為0.89807mm。而且梁壁傾斜10°的方形防撞梁所受的最大應(yīng)力為207.41Mpa，梁壁傾斜5°的方形防撞梁所受的最大應(yīng)力為219.84Mpa，很明顯目前為止梁壁傾斜10°的方形防撞梁是最好的結(jié)構(gòu)。接下來將要對梁壁傾斜15°的方形防撞梁進(jìn)行分析。
圖4.14為施加5000N之后方形防撞梁梁壁傾斜15°的受力情況：
第4章 車門方形防撞梁的優(yōu)化分析
圖4.14 施加5000N之后梁壁傾15°的方形防撞梁所受應(yīng)力情況
下圖4.15為施加5000N之后梁壁傾斜15°的方形防撞梁的位移圖：
圖4.15 施加5000N之后梁壁傾斜15°的方形防撞梁的位移圖
從圖4.14到圖4.15中可以看出梁壁傾斜15°的方形防撞梁的變形情況和受最大應(yīng)力情況。剛才已經(jīng)比較過梁壁傾斜5°和梁壁傾斜10°的方形防撞梁，得出梁壁傾斜10°的方形防撞梁結(jié)構(gòu)好，能承受更大的撞擊和緩沖更大的能量。現(xiàn)在將梁壁傾斜15°的方形防撞梁和傾斜10°的方形防撞梁做對比。梁壁傾斜15°的方形防撞梁所受的最大應(yīng)力為209.18Mpa，最大的位移量為0.9681mm，而梁壁傾斜10°的方形防撞梁所受的最大應(yīng)力為207.41Mpa，最大的位移量為0.88185mm，很明顯，梁壁傾斜10°的方形防撞梁的結(jié)構(gòu)性要更好。
通過圖4.10到圖4.15的受力以及分析對比，在施加5000N力之后，梁壁傾斜5°的方形防撞梁所受的最大應(yīng)力為219.84Mpa，最大的位移量為0.89807mm，梁壁傾斜10°的方形防撞梁所受的最大應(yīng)力為207.41Mpa，最大的位移量為0.88185mm，梁壁傾斜15°的方形防撞梁所受的最大應(yīng)力為209.18Mpa，最大的位移量為0.9681mm。明顯就可以看出依然是梁壁傾斜10°的方形防撞梁能夠承受更多的力，而且位移量也是最小的。根據(jù)圖4.4到圖4.9的圖形和數(shù)據(jù)以及圖4.10到圖4.15的圖形和數(shù)據(jù)，在所施加的力相同的情況下，梁壁傾斜10°的方形截面的防撞梁都能夠吸收更多能量和承受更大撞擊，并且也比原來垂直壁的方形防撞梁要更好，所以梁壁傾斜10°的方形防撞梁屬于是最好的截面。
23
5 總結(jié)
本文首先對汽車的主動安全和被動安全發(fā)展歷史、汽車車門防撞梁的研究背景和意義等問題進(jìn)行了詳細(xì)的論述,接著將國外和國內(nèi)發(fā)生交通事故的數(shù)據(jù)作了簡單的比較, 對汽車車門防撞梁進(jìn)行有限元模型的建立以及對模型采取了的受力分析。然后對汽車前門防撞梁進(jìn)行優(yōu)化分析。根據(jù)上面在第2章已經(jīng)建立的有限元的模型，對汽車側(cè)門防撞梁進(jìn)行受力分析。在滿足總重量不變的條件下,使防撞梁截面的形狀發(fā)生改變并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過改變截面的梁壁傾斜角度來提升防撞梁的抗撞擊性能，分別將梁壁傾斜5°、10°、15°的方形防撞梁進(jìn)行受力和分析，得出梁壁傾斜5°的方形截面的防撞梁所承受的最大應(yīng)力為43.969Mpa，最大的位移量為0.17961mm，梁壁傾斜10°的方形截面的防撞梁所承受的最大應(yīng)力為41.483Mpa，最大的位移量為0.17637mm，梁壁傾斜15°的方形截面的防撞梁所承受的最大應(yīng)力為41.836Mpa，最大的位移量為0.19362mm。通過對比得出: 梁壁傾斜10°的方形截面防撞梁能夠承受更大的撞擊，吸收更多的能量，是上面幾種形式當(dāng)中最好的結(jié)構(gòu)。因為只有比較了一次所以數(shù)據(jù)可能缺乏一定的準(zhǔn)確性，所以接下來又分別將進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后方形防撞梁進(jìn)行受力分析，將原本施加的1000N力改為5000N，在進(jìn)行受力和分析之后得出：梁壁傾斜5°的方形防撞梁所受的最大應(yīng)力為219.84Mpa，最大的位移量為0.89807mm，梁壁傾斜10°的方形防撞梁所受的最大應(yīng)力為207.41Mpa，最大的位移量為0.88185mm，梁壁傾斜15°的方形防撞梁所受的最大應(yīng)力為209.18Mpa，最大的位移量為0.9681mm。同樣可以得出：梁壁傾斜10°的方形截面的防撞梁為最好的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)上面的結(jié)論可以得出：梁壁傾斜10°的方形截面防撞梁確實是最好的截面，能夠承受更大的撞擊以及緩沖更大的能量。
參考文獻(xiàn)：
[1] 張偉. 基于簡化模型的汽車防撞梁仿真優(yōu)化研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2010（7）：16-20.
[2] 張振明. 變厚度復(fù)合材料汽車防撞梁優(yōu)化設(shè)計研究[D].湖南大學(xué)，2014.
[3] 王東保. 汽車前門防撞梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D].哈爾濱工程大學(xué)，2009.
[4] 張偉. 汽車碰撞及防撞梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].西南交通大學(xué)，2012.
[5] 馮克建. 汽車車門防撞梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化[D]. 哈爾濱工程大學(xué)，2012.
[6] 李可. 汽車防撞梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013（06）:133.
[7] 朱涵超. 簡析鋁合金汽車防撞梁設(shè)計[J].科技風(fēng)，2014（02）:35-37.
[8] 夏磊. 基于剛度匹配的汽車保險杠防撞梁改進(jìn)設(shè)計 [J].工程設(shè)計學(xué)報，2015（01）：84-88.
[9] 楊琳. 對汽車前門防撞梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的分析[J].河南科技，2013（08）：73-74.
[10] 王 偉. 汽車車門輕量化及側(cè)面碰撞安全性能研究[D].重慶交通大學(xué)，2014.
[11] 智淑亞.汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].北京市:機(jī)械工業(yè)出版社,2014:292-317.
[12] 田晉躍.現(xiàn)代汽車新技術(shù)概論[M].北京市:北京大學(xué)出版社,2014:199-235.
[13] 王偉. 基于碰撞安全性的汽車車門輕量化研究[J].北京汽車,2014（02）：17-31.
[14] 陳國華. 基于有限元的汽車車門靜態(tài)強(qiáng)度剛度計算與分析[D].哈爾濱工程大學(xué),2009.
[15] 白昆程. 基于熱沖壓成型技術(shù)的汽車前防撞梁設(shè)計[J].技術(shù)聚焦,2013,（02）:24-29.
致謝
本論文是在我的老師盧軍鋒老師的細(xì)心教導(dǎo)與引導(dǎo)之下才得以完成的。對論文盧老師總是可以做出很好的判斷，在讓我學(xué)到知識的同時也可以讓我少走了很多不必要的彎路。我要是有任何不理解或者不明白的地方，盧老師就像是黑夜的一盞燈一樣總是可以為我指出一條前進(jìn)的路為我解決疑惑，并且都是引導(dǎo)著我去解決問題，這讓我學(xué)到的東西又變的多了起來。在寫論文的過程中，盧老師的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)方式給我留下了深刻的印象。不管是做什么，盧老師總是授我以漁，培養(yǎng)我獨自解決問題的能力，這讓我很感動也讓我體會到了自己解決問題的喜悅。正是在盧老師的細(xì)心教導(dǎo)和幫助下我才能取得今天的成果，特此向盧老師致以崇高的敬意和衷心的感謝！
特別感謝那些幫助我以及給我建議的人，正是有了這些人的幫助我才能有動力去完成我現(xiàn)在的事情。感謝那些給過我?guī)椭约瓣P(guān)懷的親朋好友，你們才是我的動力所在。祝你們生活永遠(yuǎn)幸福和愉快！
收藏