一种帽形截面的汽车前纵梁设计方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于汽车安全设计技术领域，设及前纵梁前碰结构设计，具体地说，本发明 设及到一种帽形截面的汽车前纵梁设计方法。
【背景技术】
[0002] 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屯、 血管疾病和忧郁症的第Ξ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:New Car Assessment Programme)，旨在进一步促进汽车碰撞安全性能的提高。
[0003] 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，W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W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W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W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W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。
[0004] 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W及结构材料冗余现象。
[000引公告号为CN 201310039923.3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to， W及压溃距离为別寸对应的第二时刻ti;3、获取在to~ti时间段内对标车的恒定等效加速度 曰;4、获取目标车试验质量m;获取目标车在to~ti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 to~ti时间段内受到的等效碰撞力;6、根据前纵梁在to~ti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。
[0006]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，而且此发明所述方法对前纵 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。
【发明内容】
[0007] 本发明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。
[0008] 本发明的帽形截面的汽车前纵梁设计方法包括如下步骤：
[0009] 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；
[0010] B:推导帽形截面前纵梁的平均压溃反力表达式；
[0011] 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；
[0012] 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。
[0013] 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：
[0014]
[001引式中：Fm为平均压溃反力，单位为kN; Mo = 0otV4，单位为N. mm; 00为纵梁饭金材料屈 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。
[0016] 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。
[0017] 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 服强度〇〇;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 长レ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Bi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。
[0018] 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：
[0019] 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：
[0020]
[0021] 其中，A为前纵梁中部Υ向折弯段截面的料厚面积;My和Mz分别为前纵梁中部Υ向折 弯段截面所受到的Υ向和Ζ向弯矩Jy和Ιζ分别为截面图形对于Υ轴和Ζ轴的惯性矩;dy和dz分 别为截面上某点到形屯、主惯性轴Y轴和Z轴的距离，0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，Os为前纵梁中部Y向折弯段折弯位置材料的屈服强度；
[0022] 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〇s，据 此选择前纵梁中部Y向折弯段折弯位置的材料；
[0023] C、结合前舱总布置空间，W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向折弯段与下弯纵梁的连接，初步确定前纵梁中部Y向折弯段折弯位 置截面的高度、宽度及名义周长;基于前纵梁前段截面形貌，结合前舱设计空间（如轮胎包 络大小、动力总成尺寸及安装位置、纵梁折弯位置规划），W及纵向承力要求确定前纵梁中 部截面Z向高度和Y向宽度进而确定截面的名义周长；
[0024] d、结合a步骤中所述的设计目标函数，为满足前纵梁中部Y向折弯段折弯位置最大 正应力设计目标，确定前纵梁中部Y向折弯段折弯位置的壁厚t;上述a、b、c^步骤是从物理 逻辑上从前往后依次进行的，前纵梁中部Y向折弯段折弯位置的壁厚t是基于结合a步骤中 所述的设计目标函数，a步骤已知最大正应力、My、Mz、レ、Iz、dy、dz，据此反求出A，而c步骤也 得到了截面的名义周长L，根据物理知识，壁厚t的临界值就可W求出来了（t = A/L)，具体取 值是由迭代优化得到的；
[0025] e、W设定的轴向受力要求和输入的力矩值所设计出的折弯位置截面结构的几何 和材料参数为基础，建立整车碰撞仿真模型，进行整车碰撞分析，并提取前纵梁中部Y向折 弯段折弯位置的力矩值和纵向力-时间曲线；
[0026] f、验证前纵梁中部Y向折弯段折弯位置截面纵向力最大值Fx-max是否达到设计目标 Fx-max〉F，其中，F为前纵梁中部折弯段的纵向受力阔值；
[0027 ] g、重复截面优化步骤，整个过程迭代到满足Fx-max〉F为止；
[0028] h、从前到后，依次使用同样的方法对前纵梁中部Y向折弯段各弯折位置的截面进 行设计。
[0029] 进一步地，所述d步骤中，前纵梁中部Y向折弯段折弯位置的壁厚t<A/L，其中A为 前纵梁中部Y向折弯段截面的料厚面积，L为前纵梁中部Y向折弯段截面的名义周长。
[0030] 进一步地，如果计算发现前纵梁中部Y向折弯段各弯折位置截面破坏趋势和策略 规划的需求不一致时，可通过如下方法进行调整:a、增加腔体内部加强板，W调整截面惯性 矩和主惯性轴角度，从而改变截面应力最大点位置;b、在前纵梁表面增加诱导结构，W更改 弯折位置所受到的力矩方向。
[0031] 所述后部微变形支撑段的设计过程如下：后部微变形支撑段的设计过程与中部Y 向折弯段的设计过程类似，只是保持运个区域尽量少变