车身薄壁梁碰撞吸能高效模拟方法研究

Energy-absorbing car-body design is the latest safety concept of the modern car design. Crash safety of the car-body structure is closely related to the structural design and materials. As a main part of energy-absorbing body, the thin-walled beam plays a vital role in the vehicle's crash safety. Due to the differences in metal crystal structure, the materials used in car-body will exhibit different strain rate effect in the collision process. The material mechanical properties have a serious impact on the validity of the crash simulation analysis and the energy-absorbing structure design of the car-body, but not all the mechanical properties with strain rate effect can be determined accurately by experimental test.. Firstly, In order to improve the reliability of crash simulation analysis, this project puts the focus on the research of the metal material strain rate effect in the collision impact process. Based on the dislocation theory and molecular dynamics simulations, we will go into the mechanism of the change in mechanical properties with strain rate effect, and then a reasonable structure constitutive equation for the material of thin-walled beams can be formed. . Secondly, based on the Frequency-Shift Combined Approximations (FSCA) method and Modal Superposition method, a fast dynamic response simulation method will be founded and experimental comparison with different collision speed will be given for comparison. . At last, the energy absorption characteristics of thin-walled beam on the car-body with strain rate effect will be explored. This project will provide a theoretical basis for the structural design of thin-walled structures.. The project deeply studies the deformation energy absorption mechanism of thin-walled structures with the research of multi-scale simulation methods and Frequency-Shift Combined Approximations algorithm. The conclusion will be of great significance for the forward and lightweight car-body design in our country.

吸能式车身设计是现代汽车设计的最新安全理念，车身薄壁梁作为车辆碰撞吸能的主要部件，吸能效果的好坏直接影响到乘员和行人的人身安全。当前，车身薄壁梁材料的应变率效应标定依赖实验测试，费用高，测试能力有限，导致碰撞仿真分析材料属性无法完整准确设定，严重干扰了分析结果的准确性和结构设计的有效性。本课题针对车身薄壁梁碰撞变形的应变率效应标定问题，进行位错机理研究和分子动力学模拟，探讨以数值模拟补充甚至取代昂贵实验测试的新方法，构造高精度的本构方程，提高碰撞仿真计算结果可靠性。针对碰撞仿真计算量大的问题，采用FSCA移频组合近似方法提高算法分段线性迭代子步计算效率。通过不同碰撞速度薄壁梁变形的仿真计算和实验对比，探讨并总结不同结构和材料对薄壁梁吸能性的影响规律，为薄壁梁的吸能设计提供理论依据。课题结合多尺度模拟方法和FSCA算法对薄壁梁吸能特性进行深入研究，为车身正向设计和轻量化设计提供一条新思路。

目前车身结构的性能主要确定于详细设计及制造与完善产品阶段，而在概念设计阶段这种性能分析及优化的工作完成得很少。当车身局部结构需要进行修改时，势必对某种整体性能造成影响，导致整个设计开发阶段几乎需要重新调整，这将大大增加设计成本。吸能式车身设计是现代汽车设计的最新安全理念，车身薄壁梁作为车辆碰撞吸能的主要部件，吸能效果的好坏直接影响到乘员和行人的人身安全。在此研究背景下本项目进行了如下研究：. （1）对薄壁整车结构快速建模进行了研究，建立了由薄壁梁单元和塑性铰接单元构成的，可用于碰撞设计的整车薄壁结构缩减模型，通过修正模型精度并建立高精度碰撞本构模型，大幅减低模型自由度，提高仿真模拟效率。. （2）对薄壁零部件设计进行了研究，通过建立双排联立和考虑塑性变形的LPM模型，提取零部件力学性能指标，更好地将整车性能分解，指导碰撞过程零部件力学性能设计，这些研究可以为薄壁车身性能的设计和评估提供合理可靠的理论基础。. （3）对碰撞快速仿真算法进行了研究，引入重分析算法，实现了加速碰撞仿真速度，灵敏度分析和优化设计效率的目的。. （4）在大量仿真和实验对比研究的基础上，验证了上述研究方法的有效性和可靠性，并进一步分析了薄壁梁碰撞吸能规律，并拟在将来的研究中引入人工智能算法，指导整车综合性能设计。. 经过课题组成员对项目的理论研究和技术攻关及不懈努力与协调合作，本项目已圆满地完成了项目申请书中规定的任务，本项目在国内外期刊上发表学术论文共11篇，其中被SCI检索6篇，被EI检索5篇；参加国际学术会议2次，研究成果获2018年吉林省自然科学二等奖，同时，通过本项目的研究，将理论成果应用于实际，为车身正向设计和轻量化设计提供一条新思路。