变径管自由翻卷吸能元件及在保险杠中的应用

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.57MB 77 页 15积分
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摘 要
随着中国经济的飞速发展，汽车工业也得到了快速的发展。据有关数据统计，
截止 2010 年底，我国的汽车保有量为 8500 万辆，仅 2010 年全年的汽车销售量就
达到了 1800 万辆，这意味着中国已经连续第二年在产销数据上同时超越了汽车大
国美国。伴随着汽车工业的蓬勃发展，汽车安全问题也越来越受到了人们的重视。
本文研究了变径管液压成形与折叠、自由翻卷吸能及其在汽车保险杠中的应用，
以增强保险杠碰撞时的能量吸收能力，提高汽车的被动安全性。
本文按照管材液压成形理论，分别对变径管自由翻卷吸能元件进行了液压胀
形和液压折叠成形工艺设计，建立了变径管自由翻卷吸能元件的有限元仿真模型，
并对仿真试验按照不同的轴向进给补料、管材液压成形力、翻卷圆角半径和摩擦
系数进行了正交试验设计。利用 ABAQUS 软件模拟了变径管自由翻卷吸能元件的
液压成形过程，对比模拟成形结果得出了影响成形区最大减薄率主要因素包括零
件形状、膨胀率、成形区长度、加载曲线和材料力学性能（𝑛值和𝑟值）。在同样条
件下，𝑛和𝑟越大，最大减薄率越小，成形区壁厚分布越均匀。在零件形状和材料
一定的条件下，减少壁厚减薄最有效的措施是控制加载曲线和减少送料区摩擦，
向成形区多补料。
对比变径管吸能元件在 ABAQUS中碰撞仿真和准静态压缩试验结果得出了变
径管自由翻卷吸能元件在碰撞压缩时变形模式稳定，变径管自由翻卷吸能元件在
整个变形过程中翻卷变形分为两个阶段，即非稳定阶段和稳定阶段。在非稳定阶
段时载荷会迅速增加，而在稳定阶段载荷基本保持平稳，并且吸能元件翻卷后形
成的中管平直、稳定。而变径管自由翻卷吸能元件的有效行程均大于理论计算所
需的行程，且计算得变径管自由翻卷的比吸能为 35.86J/g，因此该吸能元件具有较
大的比吸能。
通过仿真和实验结果的对比，变径管自由翻卷吸能元件能够符合作为汽车保
险杠中吸能元件的各种评判标准，因此，该吸能元件应用于汽车保险上可以增强
汽车碰撞时的能量吸收能力。
关键词：液压胀形 液压折叠 吸能元件 准静态压缩 自由翻卷
ABSTRACT
With the rapid development of economy in china, the auto industry as Chinese
important pillar industry also obtained development. By the end of 2010, the data show
Chinese auto possession of 85 million vehicles, and the auto sales reached 18 million in
2010 of China, this means that China beyond America in product and sales of vehicles
for the second year. With the auto industry development, more and more people
attention to the automobile safety. This paper studies hydraulic bulging and hydraulic
folding and free inversion absorption, and it’s application in bumper, in order to enhance
energy absorption of bumper and improve the car’s passive safety.
According to the theory of tube hydroforming, design the technology forming of
hydraulic bulging and hydraulic folding, then build the finite element simulation model
of free inversion on variable-diameter tube absorption element, and according to
different axial feeding fill material, hydroforming force, roll round radius and the
friction coefficient design the orthogonal test. Simulate the free inversion on
variable-diameter tube absorption element hydraulic forming by ABAQUS software.
Influence the forming thinning rate of the largest area main factors was the parts shape,
expansion ratio and forming length, load curve and material mechanics performance (n
value and r value). According to the forming a wall thickness of the biggest thinning
rate and forming effect, it’s concluded that the hydraulic forming the optimal
parameters combination.
Comparing the free inversion on variable-diameter tube absorption element
standard compression test result and the simulation of collision, it’s indicated that free
inversion on variable-diameter tube absorption element has stability deformation mode
during collision, and the free inversion on variable-diameter tube absorption element
can be separated into two stages which called the stable stage and the unstable stage in
the roll deformation. The load quickly increases in the stable stage, but the load keep
smooth in the unstable stage, and the free inversion on variable-diameter tube
absorption element folding formation tube straight and stable. The free inversion on
variable-diameter tube absorption element effective roll trip was greater than the
theoretical calculation, and it’s calculation suction about 35.86 J/g, so the free inversion
on variable-diameter tube absorption element has the large absorption. Through the
simulation and experimental results contrast, the free inversion on variable-diameter
tube absorption element can qualify for bumper, and accord with the criteria, therefore,
the free inversion on variable-diameter tube absorption element can enhance energy
absorption ability when collision.
Key Words: hydraulic bulging, hydraulic folding, energy absorption
element, standard static compression, free inversion
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ...................................................... 1
§1.1 课题来源及研究意义 ......................................... 1
§1.1.1 课题来源 .............................................. 1
§1.1.2 课题研究意义 .......................................... 1
§1.2 国内外的研究现状 ........................................... 4
§1.3 本文的主要研究内容 ......................................... 5
第二章 变径管自由翻卷吸能装置的方案与结构设计 .................... 6
§2.1 汽车碰撞安全法规 .......................................... 6
§2.1.1 国外主要碰撞安全法规简介及比较 ........................ 7
§2.1.2 我国的汽车安全法规 .................................... 9
§2.2 方案设计及工作原理 ....................................... 10
§2.2.1 设计方案研究 ......................................... 10
§2.2.2 变径管吸能装置的工作原理 ............................. 10
§2.3 结构设计与变径管自由翻卷吸能特性分析 ..................... 11
§2.3.1 变径管自由翻卷吸能装置的机械结构设计 ................. 11
§2.3.2 变径管自由翻卷吸能特性分析 ........................... 12
§2.4 本章小结 ................................................. 16
第三章 变径管吸能元件的成形原理与工艺设计 ....................... 17
§3.1 管材液压成形简介 ......................................... 17
§3.2 变径管吸能元件的成形原理 ................................. 18
§3.2.1 管材液压成形应力应变分析 ............................. 18
§3.2.2 管材液压成形影响因素 ................................. 21
§3.2.3 变径管吸能元件的结构设计 ............................. 22
§3.3 变径管吸能元件的成形工艺设计 ............................. 24
§3.3.1 液压胀形工艺设计 ..................................... 24
§3.3.2 液压折叠成形工艺设计 ................................. 29
§3.4 本章小结 ................................................. 29
第四章 变径管吸能元件的液压成形与碰撞模拟 ....................... 30
§4 .1 有限元数值模拟理论 ....................................... 30
§4.1.1 有限元法简介 ......................................... 30
§4.1.2 非线性有限元理论基础 ................................. 31
§4.2 变径管吸能元件的液压成形模拟 ............................. 34
§4.2.1 有限元模型的建立 ..................................... 34
§4.2.2 液压成形正交试验设计 ................................. 38
§4.2.3 液压成形模拟 ......................................... 41
§4.2.4 液压成形模拟结果分析 ................................. 43
§4.3 变径管吸能元件的碰撞压缩模拟 ............................. 44
§4.3.1 典型破坏模式 ......................................... 44
§4.3.2 碰撞压缩模拟 ......................................... 45
§4.4 本章小结 ................................................. 46
第五章 变径管吸能元件的模具设计及成形设备 ....................... 47
§5.1 模具设计的要点和基本要求 ................................. 47
§5.1.1 模具设计的基本要求 ................................... 47
§5.1.2 模具设计的要点 ....................................... 48
§5.2 变径管吸能元件的模具设计 ................................. 49
§5.2.1 模具的结构和材料 ..................................... 49
§5.2.2 模具设计 ............................................. 49
§5.3 液压成形设备 ............................................. 52
§5.3.1 液压成形机的组成 ..................................... 52
§5.3.2 液压成形机的主要技术参数 ............................. 53
§5.3.3 液压成形机系统 ....................................... 54
§5.4 本章小结 ................................................. 54
第六章 变径管吸能元件液压成形和准静态压缩实验 ................... 55
§6.1 变径管吸能元件液压成形实验 ............................... 55
§6.1.1 实验系统介绍 ......................................... 55
§6.1.2 实验结果分析 ......................................... 55
§6.2 变径管吸能元件准静态压缩实验 ............................. 60
§6.2.1 实验系统介绍 ......................................... 60
§6.2.2 实验结果分析 ......................................... 60
§6.3 本章小结 ................................................. 65
第七章 结论与展望 ............................................... 66
§7.1 结论 ..................................................... 66
§7.2 展望 ..................................................... 67
参考文献 ........................................................ 68
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 72
致谢 ............................................................ 73
摘要：

摘要随着中国经济的飞速发展，汽车工业也得到了快速的发展。据有关数据统计，截止2010年底，我国的汽车保有量为8500万辆，仅2010年全年的汽车销售量就达到了1800万辆，这意味着中国已经连续第二年在产销数据上同时超越了汽车大国美国。伴随着汽车工业的蓬勃发展，汽车安全问题也越来越受到了人们的重视。本文研究了变径管液压成形与折叠、自由翻卷吸能及其在汽车保险杠中的应用，以增强保险杠碰撞时的能量吸收能力，提高汽车的被动安全性。本文按照管材液压成形理论，分别对变径管自由翻卷吸能元件进行了液压胀形和液压折叠成形工艺设计，建立了变径管自由翻卷吸能元件的有限元仿真模型，并对仿真试验按照不同的轴向进给补料、管...

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