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车门防撞梁热冲压试验研究与材料性能梯度优化

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车门防撞梁热冲压试验研究与材料性能梯度优化

作者：胡康康上海交通大学

学位级别：硕士

随着我国汽车保有量的增加以及道路交通的迅猛发展,汽车在各种交通状况下发生的碰撞事故也呈上升趋势。其中侧面碰撞是发生频率最高和造成人员伤亡最多的交通事故形态之一。汽车侧面是车门,强度较为薄弱。在碰撞过程中,车门内板的侵入... 详细信息

随着我国汽车保有量的增加以及道路交通的迅猛发展,汽车在各种交通状况下发生的碰撞事故也呈上升趋势。其中侧面碰撞是发生频率最高和造成人员伤亡最多的交通事故形态之一。汽车侧面是车门,强度较为薄弱。在碰撞过程中,车门内板的侵入速度和侵入距离是造成乘员伤害的主要原因,如何减小车门内板的侵入速度和侵入距离是提高汽车侧面碰撞安全性的重要途径。车门防撞梁作为车门的加强件来抵御侧面碰撞,它能够大大减轻侧门的变形程度,从而能减少汽车撞击对车内乘员的伤害。因此对车门内部的车门防撞梁进行优化设计,提高车门刚度,进而提高汽车侧面碰撞安全性,对提高乘员的安全防护和改善道路交通安全有着非常重要的意义。为了提高车门防撞梁的抗撞能力,改善其吸能性能,进而提升汽车侧面安全,本文提出利用超高强钢定制热成形技术制造强度不均一分布的单一厚度车门防撞梁。为了使定制热成形车门防撞梁的材料梯度分布趋于合理,利用LS-OPT及LS-DYNA对其进行了基于仿真的优化设计。基于响应面数值优化方法,采用部件碰撞仿真分析,对定制热成形车门防撞梁的材料性能梯度分布进行优化设计。首先,本文在热冲压成形工艺分析的基础上,以热冲压后强度级别分别为1.5GPa、1.7GPa、1.9GPa、2.2GPa的热成形马氏体钢板为原料,设计制造热冲压模具,进行了小批量热冲压零件制备。通过调节各工艺参数优化热冲压工艺,成功试制出满足性能要求的热冲压车门防撞梁。采用金相显微镜、显微硬度仪和万能拉伸试验机等分析测试手段对成形件的组织和力学性能进行了分析。然后,本文参照GB15743和美国FMVSS214等车门强度检测试验标准对制得的热成形防撞梁进行了静压强度检测。基于上述实验,利用Hypermesh和LS-DYNA进行有限元建模和边界条件设置,对静压强度检测过程进行有限元模拟分析,通过将仿真分析结果与实验结果进行对比分析,验证了有限元模型的正确性和可靠性。最后,将防撞粱仿真分析结果作为优化设计的基础,采用部件碰撞仿真分析,以此进行单一厚度车门防撞粱材料性能梯度优化设计。根据零件的碰撞安全要求确定优化设计模型的目标、设计变量和约束条件等;采用拉丁超立方抽样在变量设计空间里选取样本点试验;根据结果基于响应面法建立车门防撞梁的二次多项式响应面模型;通过遗传优化算法得到了车门防撞梁材料性能的最优化分布。结果表明,优化后的变强度车门防撞梁在保证抗撞性能的前提下,改善了车门防撞梁的吸能效果,能在事故发生时对乘员提供更有效的保护。本文对汽车车门防撞梁进行材料性能梯度优化设计,在一定范围内得到一种材料最优分布的防撞梁,提高了汽车车门乃至整车侧面的耐碰撞性能。本文的研究方法具有通用性,可广泛应用于各种车型的车门防撞梁。

关键词：优化设计热冲压响应面法车门防撞梁有限元

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车门防撞梁局部热冲压模具设计与工艺研究

车门防撞梁局部热冲压模具设计与工艺研究

作者：于晓凯哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

热冲压成形技术使高强钢广泛应用于汽车领域，保证汽车安全性的同时减轻车体重量，是一项非常有前途的工艺。车门防撞梁的抗碰撞性和装配焊接性要求其中间部位的强度高和两端的塑性好，故提出了局部热冲压成形的概念。高强钢的强度高低... 详细信息

热冲压成形技术使高强钢广泛应用于汽车领域，保证汽车安全性的同时减轻车体重量，是一项非常有前途的工艺。车门防撞梁的抗碰撞性和装配焊接性要求其中间部位的强度高和两端的塑性好，故提出了局部热冲压成形的概念。高强钢的强度高低取决于材料奥氏体向马氏体转变的程度，组织转变的程度取决于成形件的冷却速度和冷却均匀性，即要求冷却系统要以大于27°C/s的冷却速度对成形件进行冷却才能使之完全马氏体化，从而使高强钢强度大幅提高。合理设计热冲压模具冷却系统，为车门防撞梁局部热冲压数值模拟奠定基础。首先，应用SolidWorks三维绘图软件对热冲压模具结构和冷却系统进行合理设计，初步探索了热冲模及其冷却系统的设计准则，解决了冷却管道参数、冷却管道排布等关键技术问题。其次，为提高计算效率，对模具进行合理的简化，利用ANSYS CFX流体分析模块对保压淬火阶段进行多工艺循环数值模拟。研究保压力、保压时间、水流速、工艺循环次数和冷却水入口温度对凸、凹模及成形件温度场分布的影响，分析各工艺参数对成形件温度场的影响规律，通过模拟正交试验确定了关键工艺参数。最后，对热冲压过程中板料的变形方式进行了阐述，利用ABAQUS Explicit模块对不同初始温度的板料成形和淬火两阶段进行了数值模拟，研究板料初始温度对成形件温度场、应力场和应变场的影响，得出了最低板料初始温度以及成形件温度场与应力场和应变场的对应关系，并分析出成形件成形中容易破裂的部位。

关键词：车门防撞梁局部热冲压冷却效果数值模拟

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泡沫铝填充结构车门防撞梁优化设计

机械设计 2016年第2期33卷 44-47页

作者：徐平沈佳兴阮德灵于英华辽宁工程技术大学机械工程学院辽宁阜新123000

为最大限度地提高汽车的安全性和环保性,首先对前期设计的泡沫铝填充结构车门防撞梁的吸能量、比吸能率进行理论分析并建立了相应的数学模型;然后应用MATLAB软件对其进行结构优化设计得出最优结构;最后将优化前后的泡沫铝填充结构车门... 详细信息

为最大限度地提高汽车的安全性和环保性,首先对前期设计的泡沫铝填充结构车门防撞梁的吸能量、比吸能率进行理论分析并建立了相应的数学模型;然后应用MATLAB软件对其进行结构优化设计得出最优结构;最后将优化前后的泡沫铝填充结构车门防撞梁的各项指标进行对比分析。结果表明,优化后的泡沫铝填充结构车门防撞梁在提高汽车安全性及环保性方面有明显提高。

关键词：车门防撞梁泡沫铝 MATLAB 优化设计

高强钢梯度性能热冲压工艺及车门防撞梁耐撞特性研究

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高强钢梯度性能热冲压工艺及车门防撞梁耐撞特性研究

作者：叶知春哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

一直以来汽车工业发展的目标都是安全、节能和环保,汽车的轻量化技术是实现这些目标最为重要的手段。而实现轻量化目标的最有效的措施之一便是设计与制造出具有梯度性能的零部件,不同区域具有不同强度的零部件既满足了节能与环保的目标... 详细信息

一直以来汽车工业发展的目标都是安全、节能和环保,汽车的轻量化技术是实现这些目标最为重要的手段。而实现轻量化目标的最有效的措施之一便是设计与制造出具有梯度性能的零部件,不同区域具有不同强度的零部件既满足了节能与环保的目标,又满足了安全的标准。目前,梯度性能钢已在汽车行业中广泛应用。传统炉内加热存在升温速度慢、能耗高等缺点,且由于炉内温度场均匀,保温时间长,坯料的温度分布均匀,不利于制造出性能梯度的零件。自阻电加热技术是依靠板材自身的电阻,将电能转化为热能,该方式具有加热速度快、能量利用率高等优点。随着自阻电加热工艺的成熟,将其作为板材热成形的加热方法日益增多。本文首先研究了自阻加热与炉加热回火中工艺参数对22Mn B5钢性能的影响规律,进而通过分区加热及局部回火制备出性能梯度试样,通过实验手段分析其综合性能。最后将实验数据导入至有限元模型中,通过与不同性能均一防撞梁的对比,分析了性能梯度车门防撞梁的安全性能。本文主要研究内容有:(1)在自阻加热实验中,保温时间为30 s时,22MnB5抗拉强度达到1534 MPa,伸长率为11%。温度从710℃上升至910℃的过程中,材料的硬度强度值增大,伸长率降低,组织从铁素体加珠光体组织变为铁素体加高碳马氏体,最后稳定为板条状马氏体组织。(2)在回火实验中,淬火试样随回火温度升高,强度降低,韧性增加。经420℃回火后,马氏体开始回复,析出碳化物;经620℃回火后,马氏体消失,形成铁素体,碳化物长大。420℃回火后断口形貌为韧窝和解理面,620℃回火后为细小均匀的韧窝。原始试样淬火后晶粒尺寸减小,回火后晶粒长大,峰值向右移动。(3)开发出自阻分区加热装置,实现坯料加热过程中不同区域达到不同温度,并成形出梯度性能的U形件。高强度区平均硬度约为500HV,低强度区的硬度随温度的降低而下降,硬度在200-460 HV范围以内,过渡区的宽度约为12 mm。(4)通过局部自阻加热,对22MnB5模冷板材局部回火处理,实现了高强钢板材的梯度性能。高强度区硬度约为500 HV,低强度区硬度在200-260 HV之间。高强侧组织以马氏体为主,向低强度区过渡过程中逐渐出现贝氏体组织,而低强度区域主要以铁素体和碳化物为主。(5)在车门防撞梁的有限元仿真中,通过对比性能梯度和性能均一材料的防撞梁静压与刚性圆柱体碰撞仿真结果,性能梯度车门防撞梁的接触力、吸能和加速度等关键指标均处于中间位置,证明了性能梯度的车门防撞梁具有最好的综合性能。

关键词： 22MnB5钢自阻加热热冲压工艺性能梯度车门防撞梁

基于DYNAFORM的车门防撞梁热冲压数值模拟

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基于DYNAFORM的车门防撞梁热冲压数值模拟

作者：陈伟超吉林大学

学位级别：硕士

随着科学技术的不断发展，利用科学研究来改善我们的生活环境已经成为一种不可逆转的趋势。热冲压成形技术的出现，使得高强钢在汽车领域内得到了广泛的应用，使用超高强钢可以满足节能减重和碰撞要求，成为改善环境的一个有效的途径。... 详细信息

随着科学技术的不断发展，利用科学研究来改善我们的生活环境已经成为一种不可逆转的趋势。热冲压成形技术的出现，使得高强钢在汽车领域内得到了广泛的应用，使用超高强钢可以满足节能减重和碰撞要求，成为改善环境的一个有效的途径。热冲压成形技术是对高温钢板进行冲压成形同时在带有循环水冷却的模具里快速冷却下来，获得超高强度的马氏体组织。钢板成形后延伸率为8%左右，抗拉强度为1400600MPa，其强度及硬度远高于冷冲压成形件。虽然热成形零件其力学性能较冷冲压件有所提高，但由于热冲压技术在钢板的成形过程中涉及到传热、变形及相变过程，研究整个冲压过程的复杂性远高于冷冲压成形，此外，由于成形温度较高，需要考虑更多边界问题。在整个冲压过程中，钢板的性能参数随温度变化而时刻改变，这些变化的性能参数将会对热冲压结果造成显著的影响。本文应用DYNAFORM有限元分析软件对汽车车门防撞梁热冲压成形过程进行模拟分析，即采用热-力耦合分析方法对钢板成形过程进行分析。本文选取22MnB5高强度钢板作为成形材料，采用2G55CrMnMo作为模具材料，选取6*作为高强度钢板料及模具材料的热分析模型，其中不受工艺流程影响的参数主要包括杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、黏性指数及热导率等;受工艺流程影响的参数则主要为热辐射系数、传热系数和摩擦系数等。本文模拟了整个热冲压成形过程，并对成形过程中及成形后的温度场、应力场及应变场变化进行了对比分析。最后，基于PAM-STAMP有限元分析软件对车门防撞梁淬火保压过程中的组织转变及成形零件马氏体含量进行了分析讨论。本文的主要研究意义在于，通过对比不同初始加热温度及边界条件的钢板在热冲压成形时的温度场、应变场及应力场的变化情况，分析讨论了汽车车门防撞梁在热冲压成形时最佳初始加热温度，以及加热温度、变形量和冷却速度等热力学参数对相变过程的影响，从而获得优化的工艺参数，并为实际工业生产提供了一定的理论指导。

关键词：热冲压车门防撞梁 DYNAFORM 数值模拟相变

复合材料/金属车门防撞梁的侧面抗撞性分析及优化

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复合材料/金属车门防撞梁的侧面抗撞性分析及优化

作者：孙佳睿上海工程技术大学

学位级别：硕士

随着我国汽车销量和保有量的增长,能源、环境以及交通安全等问题也日益严重。业内对于汽车的安全性和能源消耗提出了更高的要求,汽车轻量化和新能源技术的使用是改善当前问题的重要途径。近年来,类似碳纤维复合材料(CFRP)等新型材料的... 详细信息

随着我国汽车销量和保有量的增长,能源、环境以及交通安全等问题也日益严重。业内对于汽车的安全性和能源消耗提出了更高的要求,汽车轻量化和新能源技术的使用是改善当前问题的重要途径。近年来,类似碳纤维复合材料(CFRP)等新型材料的应用已成为汽车轻量化的重要途径。汽车车门防撞梁作为保护汽车乘员安全的重要防护零部件,探索其复合材料的应用替代具有重要意义。复合材料/金属混合结构结合了轻质高强的复合材料和低成本、易成形的金属材料的特点,在车用吸能装置应用上展现了经济高效的巨大潜力。本文基于侧面碰撞有限元仿真方法以及复合材料/金属混合结构样件的试验对车门防撞梁的混合结构进行了轻量化研究。主要研究内容如下:第一部分基于FMVSS 214侧面碰撞法规,建立了车门防撞梁侧面柱碰撞仿真模型,分析了防撞梁的承载能力和吸能能力等耐撞性评价指标。同时对比不同几何形状的防撞梁的耐撞性能,结果表明帽型结构的车门防撞梁性能优异且可设计性高。接着对帽型防撞梁进行优化设计,以峰值载荷(F)和总吸能量(EA)为目标,通过BP神经网络模型和多目标遗传算法(NSGA-II)相结合,最终得到其最佳外尺寸为a=16 mm,b=38 mm,c=17 mm和θ=95°,并为车门CFRP/金属防撞梁提供了几何尺寸。第二部分主要通过碳纤维复合材料(CFRP)/铝合金(Al)混合圆管的横向受载试验,建立可靠的复合材料/金属混合结构有限元模型。首先通过材料测试标准得到了CFRP和Al的基本性能参数,其次比较了CFRP/Al混合管双层壳和连续壳的横向受载有限元模型的精确度,研究表明连续壳的建模方法更准确,误差小于5%,可用于CFRP/金属混合薄壁结构的有限元建模,为车门CFRP/金属防撞梁的建模提供了基础。第三部分基于等刚度替换原理,建立了车门CFRP/Al混合防撞梁的仿真模型并与原钢制帽型防撞梁进行对比,其比吸能提高了0.92倍,质量降低了44.2%。根据CFRP的可设计性,讨论了铺层厚度、铺层角度和铺层顺序对防撞梁耐撞性的影响。在保证耐撞性能的要求下,以轻量化为目标,通过复合材料三步优化法对CFRP/Al混合防撞梁进行了铺层结构(角度、厚度和顺序)优化,最终得到质量为0.853 kg,比优化前降低了9.3%,最佳铺层顺序为[45/-45/0/0/45/-45/0/0/0/45/-45/0/0/0/45/-45/90/90],每层厚度为0.1 mm。最后,分析了不同碰撞工况下优化前后CFRP/Al混合防撞梁的碰撞结果,在柱碰工况下,优化后的CFRP/Al混合车门防撞梁承载能力提高7%,比吸能提高23%;在台车碰撞工况下,优化后的混合防撞梁降低了车门内板的最大侵入量和侵入速度峰值,有效地提高了车门的耐撞性能。

关键词：复合材料/金属混合结构车门防撞梁侧面碰撞结构优化

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车门防撞梁的热冲压试验研究

汽车工艺与材料 2011年第6期 19-22页

作者：陈鹰董瀚惠卫军张英建时捷钢铁研究总院结构材料研究所先进钢铁材料技术国家工程研究中心

在热冲压成形工艺分析的基础上,利用具有自主知识产权的薄板热成形马氏体钢中试线,以自主开发的热冲压后强度级别分别为1.5 GPa、1.7 GPa、1.9 GPa、2.2 GPa的热成形马氏体钢板为原料,设计制造热冲压模具,进行了小批量热冲压零件制备。... 详细信息

在热冲压成形工艺分析的基础上,利用具有自主知识产权的薄板热成形马氏体钢中试线,以自主开发的热冲压后强度级别分别为1.5 GPa、1.7 GPa、1.9 GPa、2.2 GPa的热成形马氏体钢板为原料,设计制造热冲压模具,进行了小批量热冲压零件制备。通过调节各工艺参数优化热冲压工艺,成功试制出满足汽车用户要求的热冲压车门防撞梁。

关键词：热冲压热成形马氏体钢车门防撞梁

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微合金化超高强热成形车门防撞梁性能验证

汽车工艺与材料 2023年第8期 29-37页

作者：冯毅黄光杰路洪洲张龙柱蒲霞重庆大学重庆400044 中国汽车工程研究院股份有限公司重庆401122 中信金属股份有限公司北京100004 河钢集团邯钢公司邯郸056001 重庆长安汽车股份有限公司重庆400023

将某新开发的微合金化1.8 GPa热成形钢牌号与传统钢牌号进行了从材料到零件级的安全性能测评。结果表明:相比于普通钢种,微合金化1.8 GPa热成形钢基于组织细化、第二相析出、残余奥氏体三大关键因素,具有更加明显的安全性优势。建立了2... 详细信息

将某新开发的微合金化1.8 GPa热成形钢牌号与传统钢牌号进行了从材料到零件级的安全性能测评。结果表明:相比于普通钢种,微合金化1.8 GPa热成形钢基于组织细化、第二相析出、残余奥氏体三大关键因素,具有更加明显的安全性优势。建立了2种材料的动态断裂模型,微合金钢在相同应力状态下具有更高的极限断裂应变,显示了更强的断裂抗力。对2种1.8 GPa热成形及1.5 GPa高强钢车门防撞梁进行了落锤冲击试验,微合金钢1.8 GPa热成形车门防撞梁有更加优异的抗碰撞侵入及碰撞吸能性能。

关键词：热成形钢车门防撞梁强韧性微合金化安全性能

CFRP/AL车门防撞梁热变形有限元仿真与分析

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汽车工程学报 2014年第4期4卷 259-266页

作者：王立司索王华上海交通大学上海市复杂薄板结构数字化制造重点实验室上海200240

由于热膨胀系数不同,异种材料结构在环境温度变化时会发生变形,并影响最终的装配性能。基于ABAQUS平台建立CFRP/AL车门防撞梁有限元模型,对防撞梁在温度变化时的变形进行了研究。基于仿真分析结果,利用二次样条函数对仿真结果进行插值,... 详细信息

由于热膨胀系数不同,异种材料结构在环境温度变化时会发生变形,并影响最终的装配性能。基于ABAQUS平台建立CFRP/AL车门防撞梁有限元模型,对防撞梁在温度变化时的变形进行了研究。基于仿真分析结果,利用二次样条函数对仿真结果进行插值,预测CFRP层合板的变形,快速计算CFRP/AL车门防撞梁在不同温度下的变形。通过仿真运算及插值结果针对试验数据的分析及比较,验证了有限元模型的准确性,并利用二次样条插值函数匹配CFRP/AL车门防撞梁非线性趋势,为装配变形补偿提供依据。

关键词：复合材料车门防撞梁热变形分析有限元分析样条插值