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 6 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
第一章 绪论
1
第一章 绪论
本章主要介绍了课题的来源及研究意义，并分析了国内外研究现状及需要进
一步研究的问题，提出了本文的主要研究内容。
§1.1 课题来源及研究意义
§1.1.1 课题来源
本课题来源于上海市教育委员会科研创新项目：变径管吸能元件液压成形与
翻卷吸能规律研究。该项目主要研究了变径管液压胀形与折叠成形机理以及轴向
压缩、冲击翻卷吸能规律，并制定了变径管吸能元件的设计准则。项目研究的成
果为保护乘员和贵重物品的安全，提高结构的耐撞性奠定了基础。
§1.1.2 课题研究意义
在中国经济飞速发展的今天，作为我国经济发展的支柱型产业——汽车工业
也得到了迅速的发展。据中汽协的相关统计数据显示，2010 年，中国汽车产销量
以几乎每个月 30%的增长幅度攀升，全年销量达到 1800 万辆，同比增长 32%。这
意味着，中国连续第二年在产销数据上超越汽车大国美国。截止至 2010 年10 月，
我国汽车保有量已经达到 8500 万辆。在当今世界汽车发展的三大主题“安全、节
能、环保”中，安全问题是处在第一位的[1]。汽车在给人们的生活带来了巨大改变
的同时，由于它的安全性问题如道路交通事故，也给人们带来了生命和财产等方
面的威胁。
有关数据显示，2009 年我国共发生交通事故逾 23 万起，造成 6万多人死亡，
超过 27 万人受伤，直接财产损失超过了 9亿元；其中，特大交通事故（一次事故
死亡 10 人以上）多大 24 起。截止到 2010 年初，中国汽车数量占世界总的汽车数
量在 3%以上，然而因道路交通事故而死亡的人数却占世界的 17%。以美国为例[2]，
仅1994 年，约有 2000 万车辆发生了碰撞事故，造成了 4.3 万人死亡，因交通事故
造成的财产损失相当于美国该年 GNP 的2%。碰撞安全问题在我国更为严峻，1995
年的统计数据表明，我国的百车事故率和事故死亡率远远高于国际水平。在美国，
事故数与死亡人数之比为 28:1，德国为 216:1，日本为 179:1，韩国为 21:1，而中
变径管自由翻卷吸能元件及在保险杠中的应用
2
国为 6:1。在出现的各种汽车交通事故中，大多数情形的碰撞都会或多或少的涉及
到汽车保险杠系统，因此，近年来越来越多的国内外专家和学者对汽车保险杠的
碰撞特性以及在碰撞中保险杠的吸能特性进行了研究，这些研究成果将对汽车的
被动安全和在碰撞时汽车的安全性有着极其重要的意义。
汽车在发生交通事故时其发生碰撞的形式是复杂的多样的，根据其碰撞的部
位不同大抵可以分为以下几类：汽车前部的正面碰撞、侧面碰撞、汽车尾部的追
尾碰撞、侧翻等。通过对国内外汽车碰撞事故的研究和统计[3]，可以发现，在汽车
发生以上各种碰撞形式中汽车前部的正面碰撞的比率最高，可以达到 50%以上，
如图 1-1 所示。而根据乘员在碰撞中受伤或死亡的概率统计[4-5]，如表 1-1 所示，
汽车前部的正面碰撞所产生的危害也是最大的。另外，在汽车发生碰撞时其相对
碰撞速度△𝑉对乘员的受伤情况也起了决定性的作用，汽车相对碰撞速度和乘员受
伤比率的关系如图 1-2 所示。因此，在研究汽车保险杠的吸能特性时需要重视汽车
速度对其的影响，只有考虑到这个因素，才能最大限度的提高汽车的安全性以保
护乘员的生命安全。
图1-1 汽车碰撞的发生部位统计
Fig.1-1 Collision parts statistics of vehicle
表1-1 汽车事故类型对乘员的伤害程度统计
Table 1-1 Vehicle accident type statistics of countries
国 家
正面碰撞
（%）
侧面碰撞
（%）
后面碰撞
（%）
翻车
（%）
伤害程度
美 国
54
29
3
14
死亡事故
日 本
49
27
9
15
死亡事故
德 国
63
40
4
3
重伤和死亡事故
法 国
57
31
2
10
重伤和死亡事故
意大利
57
25
12
6
轻伤、重伤和
死亡事故
英 国
64
22
3
7
重伤和死亡事故
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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