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汽车前端吸能装置是汽车发生正面碰撞时最重要的保护装置,对提高汽车的碰撞性能以及保护乘员安全起着重要作用,用轻质材料代替传统金属材料可以提高汽车的碰撞安全性和轻量化效果。针对这个问题,本文以汽车的前端防撞梁和吸能盒为研究对象,首先应用等能量吸收的结构厚度预测理论对不同材料吸能盒碰撞吸能特性进行分析,对吸能盒的材料和结构进行了改进研究;然后根据等代设计理论使用碳纤维复合材料替换原防撞梁的材料,进行了碰撞分析对比和铺层优化;最后对防撞梁和吸能盒组成的防撞梁系统采用试验设计的方法进行多目标优化,得出优化结果并进行验证。本文详细研究内容如下:(1)分析了汽车吸能盒结构设计的基本原则、吸能盒材料的选择以及吸能盒碰撞性能的评价指标,为评价钢制吸能盒和铝制吸能盒的碰撞性能提供基础。然后进行吸能盒碰撞分析有限元模型的建立,对非线性有限元方法基本理论和LS-DYNA求解碰撞问题时采用的显式中心差分法进行了分析;根据相应的参数建立了吸能盒的三维模型,进行了网格划分与材料参数设置、接触与约束设置、试验工况与控制卡片设置,其中对LS-DYNA中的仿真过程的接触问题、沙漏控制以及时间步长控制和质量缩放问题进行了详细分析。(2)根据等能量吸收的结构厚度预测理论,得出铝制吸能盒的相关参数,同时对得出的铝制吸能盒厚度进行了分析验证。进行钢制吸能盒和铝制吸能盒的低速碰撞仿真分析,得出铝制吸能盒的各项碰撞吸能性能较均衡,同时有较好的轻量化效果。设计了四种不同内部结构的铝制吸能盒,对比分析得出第三种方案“目”字形结构铝制吸能盒的碰撞性能在这四种方案中是最好的,因此选用第三种方案的结构作为改进的铝制吸能盒结构。(3)参照GB17354-1998《汽车前、后端保护装置》法规要求建立了防撞梁系统低速碰撞有限元模型,针对防撞梁采用等刚度设计方法使用碳纤维复合材料替换原高强钢材料,分析得出碳纤维复合材料防撞梁有较好的碰撞吸能性能和轻量化效果。然后针对碳纤维防撞梁的铺层进行了优化,优化后碳纤维防撞梁的碰撞性能有了明显提高。(4)采用Hyperstudy和LS-DYNA软件对防撞梁系统采用近似建模的方法进行多目标优化。选用最优拉丁超立方方法采集了20组样本点,选用Hyper Kriging近似建模方法构建响应面模型;选用遗传算法进行优化计算并对优化结果进行验证。将优化后的防撞梁系统与原防撞梁系统进行对比分析,优化后的防撞梁系统具有更好的低速碰撞性能,且轻量化效果明显。本文探索了汽车前端吸能装置的轻量化结构及结构优化方法,研究结果表明,优化后的防撞梁系统不仅比原防撞梁系统拥有更好的低速碰撞性能,同时在原防撞梁系统的基础上减重58.9%,对提高汽车前端部件的碰撞吸能性能和轻量化水平具有一定的参考意义和工程应用价值。