摘 要

时代飞速发展，科技不断进步，随着人均收入的提升，私家车的数量也变得越来越多，人们在日常出行中也更加倾向于选择私家车，人们对于私家车的安全及舒适也有了更高的要求。在当今社会，汽车的轻量化、舒适性、环保性与耐撞性越来越受到我们的关注。汽车前纵梁是正面碰撞过程中的主要传递力量和吸收能量的部件，汽车的前纵梁设计结构及材料优化有利于提高汽车的安全性，因此越来越多的学者开始关注前纵梁的耐撞性的提升。目前国内外通常采用新材料和新结构来提高吸能效果,通过控制前纵梁的变形减少驾驶室的变形，从而减少正面碰撞对驾驶舱的入侵，进一步提升了驾驶的安全性。

泡沫铝是一种新型的多孔金属材料，并由于其结构性与功能性受到了学术界的普遍关注，并成为了各大研究室的研究重点。它与一些传统材料相比本身同时兼具金属和泡沫的特性，本身很轻但是却具有很高的强度和比刚度，同时也具有吸声、缓震、吸热、阻燃、屏蔽电磁、减震等功能，因此广泛用于汽车工业、航空航天以及建筑工业等制造业和一般工业。我们通过对汽车前纵梁的安全性能指标的研究，兼顾提高汽车正面碰撞性能和汽车轻量化的条件，对采用泡沫芯结构的汽车前纵梁的碰撞吸能进行控制变量的研究，从而得出不同前纵梁面板材料等属性对前纵梁吸能的影响，分析结果，以获得理想的汽车前纵梁的结构，使其实现在正面碰撞过程中对乘员的最大保护。本文具体开展的工作如下：

（1）搜集大量的有关中英文文献，翻译外文原文，对仿真软件和课题相关知识有一定程度的了解。

（2）将在catia简化后的碰撞模型导入有限元前处理软件Hypermesh中，对其进行几何清理和网格划分，并根据其真实的材料力学特性和应力应变曲线来设置其材料和属性，定义了接触和约束，并设置其相关参数。

（3）对该正面碰撞的过程进行仿真计算，改变前纵梁面板的各种属性以及泡沫芯的属性，研究这些因素在汽车正面碰撞时对汽车前纵梁的影响，详细分析前纵梁的侵入速度和侵入量以及形变程度，并对其进行总结，得出一般性的结论：前纵梁面板选择Q235低碳钢，泡沫芯选择泡沫铝45的综合性能最好。

关键词：前纵梁;泡沫芯;汽车轻量化;正面碰撞;碰撞吸能;有限元分析

Abstract

With the rapid development of The Times and the continuous progress of science and technology, the number of private cars has become more and more with the increase of per capita income. People are more inclined to choose private cars in their daily travel, and they have higher requirements for the safety and comfort of private cars. In today's society, more and more attention has been paid to the lightweight, comfort, environmental protection and crashworthiness of automobiles. Vehicle front rail is the main part that transmits power and absorbs energy in the process of frontal collision.  At present, new materials and new structures are usually used at home and abroad to improve the effect of energy absorption. By controlling the deformation of the front girder to reduce the deformation of the cab, so as to reduce the invasion of frontal collision on the cockpit and further improve the safety of driving.

Foamed aluminum is a new kind of porous metal material, and because of its structure and function, it has been widely concerned by the academic circle, and has become the research focus of various research laboratories.We through the study of automobile safety performance index of the front longeron, both to improve the vehicle frontal crash performance and the conditions of automobile lightweight, the auto front longeron of using foam core structure of collision energy absorption control variables are studied, thus different front longeron panel material properties such as the impact on the front longeron energy absorption, the results of the analysis, in order to obtain the ideal car front longitudinal beam structure, make is now the biggest protection for the occupants during the process of frontal crash. The specific work of this paper is as follows:

1. Collected a large number of relevant Chinese and English literature, translated the original language, and had a certain level of understanding of simulation software and subject-related knowledge. 
2. The simplified collision model by catia was imported into the finite element pretreatment software Hypermesh for geometric cleaning and mesh division, and its materials and properties were set according to its real mechanical properties of materials and stress-strain curve, contact and constraint were defined, and relevant parameters were set. 
3. Of the frontal crash simulation calculation, the process of changing the front longeron panel of various properties and the properties of the foam core, the research of these factors on the impact of positive impact on the car's front longeron, a detailed analysis of the front longeron intrusion speed and invade the amount and degree of deformation, and carries on the summary, a general conclusion：the front longeron panel is made of Q235 mild steel and foam core is made of aluminum foam 45.

Key Words：Front longitudinal;Foam core;Light-weight vehicles;Front impact;Collision energy absorption;Finite element analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究现状 3

1.3 本课题研究的目的及意义 4

1.4 本文主要研究内容 4

第2章 基于正面碰撞的有限元仿真技术 6

2.1 汽车正面碰撞 6

2.1.1 正面碰撞研究的重要性 6

2.1.2 前纵梁在正碰中的重要意义 6

2.2 汽车碰撞有限元的基本理论 7

2.2.1 常用软件的介绍 8

2.2.2 材料模型 8

2.2.3 仿真中要控制的因素 9

2.3 本章小结 9

第3章 基于HyperMesh的有限元模型的建立 10

3.1 前纵梁有限元模型的创建 10

3.1.1 汽车碰撞分析 10

3.1.2泡沫铝本构模型的建立 10

3.2 前纵梁正碰模型的创建 11

3.2.1 简化模型 11

3.2.2 划分网格 13

3.2.3 材料的选取和属性设置 14

3.3 正碰模型的搭建 19

3.3.1 定义接触和约束 19

3.3.2 定义初速度 20

3.3.3 沙漏控制和时间步长设置 20

3.4 本章小结 21

第4章 前纵梁正面碰撞有限元仿真 22

4.1 碰撞模型的仿真验证 22

4.2 系统碰撞仿真 23

4.2.1 前纵梁变形模式的分析 24

4.2.2 碰撞力图像的对比分析 25

4.2.3 前纵梁面板与泡沫铝耦合度的分析 28

4.3 本章小结 29

第5章 全文总结与展望 30

参考文献 31

致谢 33

第1章 绪论

1.1 引言

近几年汽车工业发展迅速，随着经济的快速发展，制造业的飞速崛起，人均汽车保有量的增长速度开始变的越来越快。身为人口大国，据有效信息统计，2018年我国汽车产量和销量分别完成了2808万辆和2820万辆，创下了世界汽车的历史最高。随着我国汽车产业的高速发展，人们的生活质量以及出行方式越来越与汽车行业息息相关，汽车工业在促进我国经济高速发展的同时，也给人们的日常生活带来了极大的方便，人们的出行方式变得更加多种多样，同时，由于汽车科技和人因工程的发展，汽车的舒适性越来越高，人们的乘车体验也越来越好；但是与日俱增的私家车数量也带来了许多不可避免的严肃问题，比如由于私家车数量的与日俱增所带来的巨大燃油消耗导致了能源短缺的速度加剧，而越来越多的汽车也导致了越来越严重的尾气污染，致使二氧化碳含量变高使得全球变暖温室效应等，而最最严重且不可避免的是，私家车数量的增加也大大提高了交通事故发生的几率，这也严重威胁到了人们的人身和财产安全。这些都是汽车工业飞速发展给我们带来的严重问题。

自从进入21世纪以来，节能、环保、安全、轻量化等都是汽车产业发展的一大课题。相关数据显示，汽车重量下降50kg时，可将耗油量每2km减少医一升，如果车身重量每减轻1%，则可增加0.61%的速度。与此可见降低汽车质量可以非常好的解决汽车领域两大核心问题,新能源汽车技术、汽车的轻量技术、能源和环境保护作为现代汽车产业目前的热点，中国还处于起步阶段，很多技术还没有完全把握，有几个研究方法还不成熟。所以，我国要大力推进汽车轻量技术的发展，汽车的轻量技术，中国还处于起步阶段，很多技术还没有完全把握。有很多研究方法还不成熟。所以，我国必须大力推进汽车轻量技术的研究，大力支持汽车轻量化的相关方面的研究。