摘 要

近几年来，随着汽车轻量化技术的不断发展，汽车的碰撞安全性与轻量化技术紧密地联系在一起。在保证汽车碰撞安全性的条件下，尽量降低汽车的重量以减少对能源的消耗同时降低对环境的污染。

本文利用计算机模拟仿真软件根据GB20072-2006《乘用车后碰燃油系统安全要求》对汽车尾部碰撞进行模拟仿真，同时对尾部部件进行轻量化优化设计。主要做了以下几方面的工作：

（1）利用Hypermesh软件进行汽车尾部与刚性墙的碰撞建模，碰撞初始速度为50km/h。通过对比某款轿车CAE碰撞分析与实车碰撞结果，验证有限元模型的可靠性。

（2）分析碰撞过程中整车的变形情况、汽车尾部重要吸能部件的变形以及能量变化情况。整车的变形在合理的范围内，碰撞过程中后保险杠、吸能盒以及后纵梁吸收大部分的能量，占整车能量的53%。

（3）利用轻质材料铝合金替代原来的钢材对后保险杠、吸能盒、后纵梁进行轻量化优化设计。优化设计后，保险杠的重量降低32%，后纵梁的质量降低34%，吸能盒的重量下降29%。

（4）优化设计满足碰撞的安全性，与优化前相比，后保险杠、吸能盒、后纵梁的吸能效果显著提高。保险杠的吸能效果提升25%左右，吸能盒的吸能效果提升约5.3%，后纵梁的吸能效果提升约7%。

关键词：汽车尾部碰撞、安全性能、轻量化优化设计、有限元模拟

Abstract

In recent years, the safety of car crash and lightweight become the focus of research in car industry around world. We should minimize the weight of the car to reduce energy consumption and environmental pollution under the condition that the safety of car-crash meets the requirements.

In this paper, the computer simulation software is used to simulate the car tail collision according the GB20072-2006 “ The fuel system’s safety requirement in the passenger cars tail collision”. The main work is as follows:

（1）Use Hypermesh establishes the model of collision, the initial speed is 50km/h. Verify the reliability of the finite element model by comparing the CAE collision analysis of a sedan and the actual vehicle collision results.

（2）Analyze the deformation of the vehicle during the collision, the deformation of the important energy absorbing parts at the rear of the car, and the parts‘ change of energy. The deformation of the vehicle is within a reasonable range, During the collision, the rear bumper, the energy box and the rear girder absorb most of the energy, accounting for 53% of the vehicle's energy.

（3）Use the lightweight materials aluminum instead of the steel to design the rear bumper, the energy box and the rear girder. After optimization of the design, the weight of the bumper reduced by 64%, the quality of the rear girder decreased by 34%, the weight of the energy box decreased by 64%.

（4）Optimized design meet the safety of the collision, compared with before optimization, the energy absorption effect of the rear bumper, energy box, rear beam is significantly improved. The absorption effect of the bumper improves about 25%, The energy absorption effect of the energy box is improves about 5.3%, and the energy absorption effect of the rear girder increases about 7%.

Key word：Car rear-end collision, Safety performance, Lightweight optimization design, Finite element simulation.

目录

第1章 绪论 1

1.1 论文的研究背景及意义 1

1.1.1 论文的研究背景 1

1.1.2 论文的研究意义 2

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 汽车碰撞国内外研究现状 2

1.2.2 汽车轻量化设计国内外研究现状 3

1.3 本文研究内容 4

第2章 Hypermesh与Lsdyna软件的介绍 5

2.1 Hypermesh软件的介绍 5

2.1.1 Hypermesh的功能及特点 5

2.1.2 Hypermesh用户界面介绍 5

2.2 Lsdyna软件介绍 7

2.3 本章小结 7

第3章 汽车尾碰模型的建立 8

3.1 整车有限元模型的建立 8

3.2 刚性墙的建立 9

3.3 初始载荷的施加 10

3.4 接触的定义 10

3.5 重力加速度的设置 11

3.6 计算控制参数的定义 11

3.7 本章小结 12

第4章 汽车尾部碰撞仿真结果分析 13

4.1 整车变形分析 13

4.2 后保险杠变形及吸能分析 14

4.3 后吸能盒变形及吸能分析 15

4.4 后纵梁变形及吸能分析 16

4.5 油箱的安全性评价 16

4.6 本章小结 17

第5章 汽车尾部零件的轻量化优化设计 18

5.1轻量化材料与制造工艺 18

5.1.1 轻量化材料 18

5.1.2 轻量化制造工艺 18

5.2 汽车后端部件轻量化优化设计 19

5.2.1 后端部件结构轻量化优化设计 19

5.2.2 轻量化材料优化设计 19

5.3 后端部件轻量化优化性能分析 19

5.3.1 优化后整车的变形分析 20

5.3.2 优化后后保险杠变形及吸能分析 20

5.3.3 优化后后纵梁变形及吸能分析 22

5.3.4 优化后吸能盒变形及吸能分析 23

5.4 本章小结 23

第6章 结论与展望 24

6.1 结论 24

6.2 展望 24

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

1.1 论文的研究背景及意义

1.1.1 论文的研究背景

自从卡尔本茨发明汽车之后，汽车得到迅速的普及。同时，各种新的技术也不断的出现并且运用到汽车上，提高了汽车的安全性、舒适性。但是，随着汽车保有量的增加，与车辆有关的各种问题不断出现。例如交通拥挤、安全事故、环境污染、汽车噪声等。道路交通事故已经成为全球性的问题，每年因为交通事故伤亡的人数不计其数，同时给社会带来巨大的经济财产损失。据估计，自从1886年汽车出现的120多年以来，在全世界范围内已有3300多万人死于车祸，大约1亿人因车辆伤残。目前，在每年的车祸中，大约有120万人死亡，1200万人伤残，每年造成的经济损失多达5180亿元^[1]。由于我国人口基数大，汽车保有量多，因而我国是世界上发生交通事故频率最高的国家之一，因交通事故伤亡的人数也排在世界前列。表1.1为2004-2008年我国交通部门统计的道路交通事故统计表，从表中的统计数字能够得出，这几年当中的事故次数、死亡人数、受伤人数以及造成的经济损失几乎呈现递增状态并且一直居高不下，由于交通事故带来如此巨大的损失，各国都在采取相应的措施预防交通事故的发生，例如制定汽车碰撞法规提高新车的安全性。

表1.1 2004-2008我国道路交通事故表