汽车后防护装置的碰撞仿真研究.docx

姓名蚕维高职称麴援学位盟指导教师单位名称造奎王猩堂陵邮编垒呈qqzq姓名职称学位副指导教师单位名称邮编申请学位级别王堂亟学科专业名称奎堑王猩论文提交日期论文答辩日期 学位授予单位答辩委员会主席jl巡武这理王太堂学位授予日期评阅人j当k辽_勘2012年5月11111 1 1 fl l r f t ill f i r iiiy2099089独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：臣l垒同期：硷纽：叟，呷关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编 本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库 使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。(保密的论文在解密后应遵守此规定)僦引鹕儿纵翩滏名日期跏2。厂t矽尸武汉理i：人学硕十学伊论文摘要汽车自诞生之同丌始就在促进人类文明的同时也给人类带来了以交通事故 为主要表现的巨大灾难。各种交通事不仅造成了众多人员伤亡也造成了巨大的经 济损失。据统计，发生的各类交通事故当中，追尾交通事故是最为常见的一种。 轿车追尾钻入卡车后部是一种非常危险的交通事故形式，通常会造成乘用车前部 的严重变形和车内乘员的死伤。因此，研究车后下防护装置的碰撞特性及防护性 能的改进对于提高车辆碰撞安全性具有重大意义。本文利用catia软件的曲面造型功能，以国内某一品牌重型货车的下防护 装置为原型，并且严格按照国标gbll56722001(汽车和挂车后下部防护装置 要求)建立后防护装置、壁障和轿车的三维实体模型。使用hyperworks软件对模型进行网格划分以及模型前处理。通过运用ansyslsdyna对此后防护装置进行了移动壁障动态碰撞试验仿真和整车追尾碰撞仿真。详细的分析了后防护 装置的各构件在碰撞过程中的变形、位移、应力、吸能特性等物理变化规律，评 价了它的防护性能。同时，对该后防护装置进行了偏置碰撞仿真，对在发生偏置 碰撞时候防护装置的防护性能进行了研究。分析了壁厚、防撞梁几何尺寸、连接 方式对后防护装置防护性能的影响。通过结合国内外对吸能式后防护装置的研究，此外本文提出了一种新型吸能 式的后防护装置结构，并对这种新型的后防护装置进行了结构优化设计。通过选 定矩形钢管壁厚、防撞横梁壁厚、支架倾角等因素进行了的多指标正交仿真试验， 找出了影响后防护装置耐撞性的显著因素并通过“综合评分法”将多指标评价 问题转换为单指标评价问题。最后通过整车追尾碰撞仿真来验证了优化后的防护 装置的可行性。发生在高速公路上的众多恶劣追尾事故表明，国内厂家生产的后防护装置防 护性能普遍较差，而国家的相关法规也未能得到有效执行。最后本文建议加强汽 车后防护装置的研发，完善后防护装置的相关法规，最大程度的减少追尾碰撞带 来伤害。关键词：汽车后防护装置；追尾碰撞；ansyslsdyna；耐撞性；abstractthe automobile have promoted human civilization largely,but at the same time, it also brings us significant disaster,especially presented as road traffic accidents since the day of its birthall kinds of road traffic accidents caused numerous civilian casualties and significant economic lossesaccording to statistics，rear-end collisions are one of the most common type of accidents。and collision accidents that caf_s crash the trucksrear are extremely dangerous event，usually cause serious distortion of the front body and casualties of the passengers in cartherefore，the study of the rear under-run protection devices is meaningful for the improvement of the vehicle crashpassive safetythis article created the 3d models of rear under-runprotection devicesmobiledeformable barrier and caiaccording to the chinese standard 1 1 5672200 1(thereqmrements of the realunder-run protection devices)then proceed with meshingand finite element method preprocess using hyper worksand next do thesimulating of mobile deformable barrier to rear under-run protection device and car to rear under-run protection device using ansyslsdynaassess the performance of the rear under-run protection device by analyzing the distortion，displacement，energy absorption and stress of the different parts of the realunder-run protection devicestudy the performance of the realunder-run protection device by doing width offset collision simulationanalyze the parametric which may influence the performance of the deviceshowever,according to the domestic and international research of energy absorption type under-run protection，nlis paper designed a new energy absorption type under-run protection device which can improve the energy absorption propertyit selected the thickness of rectangular ripe，me width of beam，me angle of bracket and so forth as optimized factors by a multi indexes orthogonal experimentsthe ordering of impact that factors act on evaluating indicators had been found atier the optimization experimentand it transformed a multi indexes problem into a singleindex problem based on“comprehensive evaluation methodthe feasibility ofimproved structure had been verified by the rear-end collision simulationthe traffic accidents on highways indicate that the crashworthiness of the domestic rear under-run protection device is very poor,and the relate statutes are not executed effectivelyat last，this paper suggests government to improve relevant武汉理i：人学硕十学何论文legislation and to strengthen the research to reduce the damage caused by rear end collisionkeywords：rear under-run protection devices；rear end collision； ansyslsdyna；crashworthiness；武汉理f：人学硕十学位论文目录摘要iabstract。ii第1章绪论l11研究背景及意义l12汽乍后卜部防护装置的相关法规与标准213汽午后下部防护装置的研究方法4lt 31实下碰撞试验4132汽车后下部防护试验台5i32有限元分析法514国内外的研究现状6141国外的研究现状6142国内的研究现状715本文研究的土要内容7第2章汽车碰撞仿真研究的理论与方法921汽车被动安全仿真分析法的发展922显式非线性有限元理论与方法10221物体质点变形方程11222物体的离散化1l223质量控制方程12224边界条件13225动量方程14226能量方程1523薄壳理论与bt壳单元1624沙漏模式1825接触面的处理1925i接触的搜寻19252级域理论和方法20233接触碰撞力的计算方法2l26本章小结21第3章碰撞系统的有限元建模及前处理22 31动态试验碰撞系统的建模22311动态试验碰撞系统的建立23312单元的划分24313后防护装置的材料模型25314动态试验的接触问题26315动态试验的约束与施加载荷2632整车追尾碰撞系统的建模27321碰撞车辆的模型建立27322整车碰撞的接触设置28323整车追尾的约束和施加载荷2833本章小结29第4章后下部防护装置的碰撞仿真研究30iv武汉理l：人学硕十学何论文41典型的后防护装置的碰撞仿真分析30411碰撞模拟的变形分析30412碰撞模拟的能量分析33413加速度与速度特性分析34414应力变形分析3542后防护装置防撞性能的研究36421壁厚对防护性能的影响36422防撞梁接触面对丁防护性能的影响38424影响防护性能的其他冈素3943偏置碰撞动态试验仿真分析4044整车碰撞仿真分析4l441整车碰撞的动态响应42442载荷与能量分析42443车身加速度分析4345本章小结44第5章后下部防护装置的结构优化设计45 51新型吸能式后防护装置结构分析45511吸能式后防护装置的结构设计45512吸能式后防护装置的材料参数分析4652新型后防护装置的结构优化设计47521参数变量的设计47522优化目标函数的没计48523正交优化实验设计49524仿真试验的方差分析与最优组合设计4953基于实车碰撞的仿真验证5l第6章总结和展望5361全文总结5362展望54致谢55参考文献56v武汉理i：人学硕十学位论文第1章绪论1i研究背景及意义汽车从发明至今已经超过一个多世纪，在当今社会，汽车已经成为人们生活 当中不可或缺的交通工具。可是汽车在为人类带束极大的便利性的同时也为人类 带来了诸多的问题。近几年来，随着中国汽车工业的高速发展，中国超越了美国成为世界第一大 产销国。2010中国的汽车产销量分别是1826万辆和1856力辆，产销量纷纷蝉 联世界第一【l】。随着中国汽车保有量的不断增长，所发生的交通事故也在不断的 增长。虽然我国汽车的产销量很大，可是中国汽车的安全技术发展水平仍然较低(见图11)。水辎终埘簌u$埘簌轻蹄020002l20022000242005200620072006年份图11 20002008年全国交通事故统计图12是2009年全国汽车碰撞事故的统计数据，从图中可以看出，追尾事 故已经成为了我国公路交通头号杀手，尤其是大型车辆与小轿车之间的追尾事故。 由于这两种车型在尺寸上的差异非常的大，所以碰撞相容性很差，一旦事故发生 轿车的挡风玻璃和轿车前排乘员头部将直接与卡车尾部发生激烈碰撞，此类事故 中，轿车车身前端变形非常的小，安全气囊难以打开，所以通常会导致轿车乘客 的非死即伤。国家交通管理部门公布的数据显示，2009年我国发生的追尾事故 高达6万次，追尾导致了乘客严重受伤的案例远超过8000起，导致死亡的案例武汉理l：人学硕十学位论文也超过3000起。其他o5图12 2009年全国交通事故统计数据 随着人们对于轿车追尾大型车辆的关注度逐步的提高，国家也为汽车后下部防护装置制定了相关的标准，并不断完善。我国于1989年发布汽车和挂车侧 面及后下部防护装置要求。2000年，国家机械工业局出台了关于汽车和挂 车防护装置的设计规则，规定了机动车后防护装置所需要满足的要求，从而降 低碰撞事故所造成的损伤。除了国家的相关法规的完善，国内外对汽车后防护装 置的抗撞性和吸能性的研究也在不断的深入。国外对于汽车后下部防护装置的研 究早在上个世纪80年代就已经开始，特别是能量吸收型的后防护装置，已经成 为汽车防护装置的研究重点。虽然国内的汽车制造厂商对于汽车后防护装置的重 视程度不够，而且相关的研究起步也比较晚，但是也正在努力迎头赶上。中国汽 车技术研究中心对于货车下防护装置的碰撞试验研究表明，研发的新型吸能型汽 车下部防护装置能够大大的降低碰撞带来的伤害【21。因此，对于汽车防护装置的 碰撞特性的研究对于提高汽车被动安全性有重大意义。12汽车后下部防护装置的相关法规与标准即使是在汽车保护法规比较健全的欧美各国，轿车追尾重型车辆后下部这样 类型的交通事故也往往会造成比较严重的后果。因此发达国家都没有忽视对于追 尾的轿车内乘员的保护。美国在数十年前，美国国家公路交通安全管理局 (nhtsa，national highway traffic safety administration)，制定了美国联邦机2武汉理i：人学硕十学何论文动车安全标准fmvss 223(追尾碰撞防护装置和fmvss 204(追尾碰撞保护。 当欧盟还被称作欧洲共同体的八十年代，就推出了ece r58(欧洲经济委员会法 舰)【引。我国于1994年制定了gb 1156721994汽车和挂车侧面及后下部防护 装置要求，随着时代的进步，又将其升级为gb 1156722001汽车和挂车后 下部防护要求【41。我国的车辆后下部防护装置法舰是在欧洲的法规ece r58 基础上制定而成的，在欧洲标准基础上增加了动态试验。相比之下美国的法规对 于后下部防护装置要求就要稍微详尽一些。首先fmvss对于要求安装后下部防 护装置的车辆种类定义得比较详细，其次对于安装程序和安装连接件都有一定要 求。此外，在静态加载试验中对于后防护装塑性变形的吸收能力也有规定。综合 分析三套的法规，美国的要求最为严格，但是它们对于安装尺寸和试验方法大体 上差别是不大的。国标gbl 156722001规定了了需要安装后下部防护装置的车辆类型：n2、 n3、03、04；而不适用于半挂牵引车、长大货物专用车以及无法安装后下部防 护装置的专用车辆。考虑到后下部防护装置既可由货车厂商来提供或集成设计成 为汽车的一部分，也可由零部件生产厂商独立提供，因此gbl 156722001的技 术要求分为三部分：第一部分主要是车辆后下部防护装置的一些技术要求；有些 车辆还必须同时满足第二部分的要求。如果某些后防护装置没有符合第一部分要 求，可以参考第三部分要求进行弥补。国标gbl 156722001的要求特点是比较 宽松灵活多变，在我国重型车辆被动安全装置市场还不是非常成熟的时候可以一 定的减轻生产厂商和车主们的负担。但是也给许多人提供了钻空子的机会，由于 没有统一具体的规范造成相关部门监督和执法的困难。以下是国标 gbl 156722001对于后防护装置的主要技术要求【5】：(1)形状与尺寸的要求 后下部防护装置横向构件的截面高度不能小于100mm，端部不能弯向后方，尖锐部分不能朝后。横向构件端部圆角半径不小于25mm。 (2)安装位置的要求处于空载状态下的车辆下后防护装置下边缘的离地高度：后下部防护状态可 调节时离地高度不得大于450mm，在不可调的状态时离地高度不得大于550mm。(3)阻挡力的要求 在静载荷试验或者动载荷试验后，防护装置的后部和车辆最后端(不包括空载状态下距离地面3m以上的车辆)的纵向水平距离小于或者等于400mm。此外， 针对动态试验还规定：后防护装置可以变形、开裂，但绝不允许整体脱落。移动 壁障减速度小于409的时候，反弹速度不能大于2rrgs。3武汉理i：人学硕十学位论文13汽车后下部防护装置的研究方法早期汽车被动安全的研究方法主要是实车碰撞试验法。碰撞试验的优点是能 够准确模拟汽车追尾的事故，但是这样的实车碰撞试验往往操作比较复杂。后来 各国相继使用后下部防护试验台装置对汽车后下部装置进行检测。采取试验台装 置的优点在于它的操作简单，周期短，成本低，缺点是受装置本身的制约，难以 真实的模拟出事故发生的情况。随着计算机仿真技术的发展，有限元分析法也被 广泛运用到汽车部件或者结构的碰撞分析中【6j。131实车碰撞试验汽车安全实车碰撞试验(见图13)是汽车安全研究史上实施最早同时也是 事施行时问最长的汽车安全性试验研究方法。一直到今天它也是评价汽车安全性 的最为重要的方法。实车追尾碰撞试验是针对已经研制出的后下防护装置进行碰 撞试验根据国家的相关法规，来检测汽车后下部防护装置防护性能是否合格。汽 车追尾碰撞试验是模拟事故发生情况最为准确的，也是评价后下防护装置最为直 接、有效的方法。可以对后下防护装置进行100的追尾碰撞，也可以进行正面 50和30的重叠碰撞，能够全面的检测出在不同情况下汽车后下防护装置的性 能。在碰撞试验中使用试验假人，可以考察乘员在事故发生中所受到的伤害。试 验的结果说服力很强，同时试验数据还能够为计算机仿真提供有力的参考和验证。 实车追尾碰撞试验的缺点是它所要求的准备时间和试验周期很长，所耗费的成本包很高【7】o。煽菇锄。铹。锄锄|；磁锄翻鑫图1-3实车追尾碰撞试验4武汉理l：人学硕十学位论文132汽车后下部防护试验台汽车后下部防护试验台(见图14)是针对各种汽车后下部防护装置进行加载 试验，来测定其上各点的变形量。它对于检测汽车后下部防护装置的防护性能有 着非常重要的作用。汽车后下部防护试验台的相关技术指标是根据 gbll56722001汽车和挂车后防护要求，在此标准的附录a：静态加载试验 条件和程序中，对加载点的位置，加载装置体积的试验载荷大小都进行了相关的 规定【8】。国家对于汽车后下部防护试验台有许多强制性要求，它能方便而迅速并 检测检查汽车后下部防护装置的性能。但是目前，汽车后下部防护试验台还属于 非标仪器，各厂家都使用各自研发的试验台，实验数据并不一定可靠【9】。图l-4汽车后下部防护试验台132有限元分析法在汽车碰撞安全技术研究的前期阶段，由于计算机的硬件和软件的限制，处 理能力相当有限，而且相关的理论还未成熟，所以没可能使用计算机建模仿真计 算，而只能使用一些简单的经验公式进行粗算，单纯通过实车碰撞试验对结构进 行逐步的改进。所谓计算机仿真法也就是利用在计算机中构建的仿真模型进行试 验分析，并利用其分析结果指导实体结构参数优化的过程。虽然仿真法依托的是 软件计算，但是这些软件都是以很多次试验得出的数据基础上构建的模型库所组 成，所以可以说仿真法的基础是实体试验经验的总结，这样的根源保证了仿真法 在研究中的可行性。但是与实体试验法相比，仿真法研究结果的可靠性和有效性 受更多因素的影响，其中较为典型的是仿真模型的有效性、模型库数据的可靠性、 研究人员操作水平，所以学术界的一般共识是仿真法可以为研究提供理论验证、 数据采集和优化指导，但不能完全替代实体试验法。但是，仿真法具有成本低、 便捷、高效、综合分析性能强的优势，在现代科学研究中有着不可替代的地位，5武汉理i：人学硕十学位论文以辅助者的身份在研究中发挥着越来越大的作用。 ai一年代起计算机安全技术仿真就进入了一个飞速发展的时期，欧美等国相继推出了计算机仿真软件。相关的仿真软件主要可以按其研究对象的不同分为两 种，一种是主要针对碰撞过程中乘员伤害防护的软件，一般称这个过程为cvs (crash victim simulation)，这些软件一般以刚体运动学位为理论基础，辅之以 有限元理论，运用较广的有madymo、mvmazd以及cal3d。另一种是针 对碰撞结构优化的有限元软件，如mscdytran、esipamcrash以及 dyna3d。利用计算机仿真对后下防护装置进行设计相比实车碰撞试验和试验台能够 大大简化操作步骤，节省装置开发的时间和降低成本。通过应用 ansyslsdyna软件能够模拟碰撞过程中后下防护装置每点的变形和应力 传递情况，对于其结构优化是具有非常建设性的。虽然计算机仿真设计具有这些 优点，但还是不能完全取代实车碰撞试验的，比较只有实车碰撞才是检验防护装 置性能的最重要方式。但是仿真可以为新产品的开发降低成本，相信它所应用的 范围会越来越广泛【l o】。14国内外的研究现状141国外的研究现状国外很早就开始了以碰撞试验与计算机安全方针相结合的方式对后防护装 置进行研究。早期对于货车的设计理念更多的考虑是如何保护好货物，而并没有 太多的考虑到对于行人和其他车辆的安全。随着众多轿车追尾卡车的事故出现， 国外在最近十年也开始重视起对汽车后下部防护装置的研究。最近美国著名的汽 车安全评价结构iihs等对于汽车后防护装置的安全性做专门的碰撞试验，发现 许多卡车的防撞装置的防护性能都不能够理想并且建议联邦政府对相关的法规 进行修订以加强车辆后下部防护装置的安全性【ll】。目前国外研究的中心是如何对于重型车辆的后防护装置的相关标准进行改良如文献12】。文献【13】通过实车碰 撞试验验证了ecer58的试验方法并不能在事故中对小车内的乘员进行保护，并 且提供了自己的修改建议。此外，新型的吸能式的后下部防护装置也逐渐成为了研究的热点，例如来自 意大利巴勒莫大学的cappello就提供了一种高效吸能式的后下部防护装置。相比较传统的后下部防护装置，这种新式装置能够抵消相当一部分碰撞所产生的巨大能量，从而大大减少了与卡车相撞的轿车乘员所承受的伤害【14】。文献15】也通过 模拟一款经济性轿车与一辆重型卡车的碰撞来分析了一种新型吸能式的防护装6武汉理l：人学硕十学何论文置，并且详细描述了该装置参数优化设计过程。可是新型吸能式后下部防护装置 还处于理论研究阶段，还并没有比较成型的产品上市，不过相信随着越来越多的 人对其进行研究，比较成熟的产品一定会在不久的将来出现在汽车配件市场上。142国内的研究现状我国关于汽车后下部防护装置的研究虽然起步较晚，但是随着社会对于车辆 追尾事故的重视程度的增加，相关的研究也逐渐多了起来。同前，国务院正式发 布了道路交通“十二五”规划，将道路交通完善工作作为一项重要工作展开。 该规划中指出，至2013年，重中型货运车辆侧面及后下部防护装置、车身反光 标识等安全装置安装率必须达到100，完好率达到80以上。至2015年重型 货运车侧面及后下部防护装置、车身反光标识等安全装置的完好率必须达到90 以上【16】。最近几年，国内对于车辆后下部防护装置的研究也逐渐多了起来。西化大学 交通与汽车工程学院的叶新娜、黄海波等在撰写的货车后下部防护装置的改进 与仿真里，对比研究了槽钢结构和圆钢结构用作后下部防护装置的效果，认为 圆钢结构强度更好【17】。同济大学汽车安全技术研究所的黄学勤等人对后防护装置 的离地高度对其防护性能的影响做了研究，得出结论后防护装置安装的离地高度 月底，在碰撞过程中期吸收的能量就越少，变形就越小【堪】。湖南长沙大学汽车车 身先进设计国家重点实验室的白中浩等人对一种已经获得了专利的新型后防护 装置进行了碰撞相容性的优化设计，建立了该结构的有限元碰撞模型，并通过实 车碰撞试验对模型进行了验证【19】。西化大学的张志勇也通过计算机碰撞安全性仿 真，研究后防护装置的构件在满足国家标准情况下所需要最小壁厚的量化值【20j。 上海机动车检测中心的杨一辉发明了一种介绍了一种n字型的后防护装置，并 分析了该装置的吸能保护机理，通过实车碰撞和仿真分析相结合验证了该结构虽 然简单但是防护性能良好12。国内对于车辆后下部防护装置的研究主要是使用计算机仿真与实车碰撞相 结合的方式进行的。国内的研究重点主要集中在几何尺寸、材料、结构刚度、离 地高度几个方面，此外，各种新式改良的后下部防护装置在不断的涌现。相信不 就的将来，随着对于车辆后下防护装置的研究的深入，我国车辆的被动安全性能 会越来越好。15本文研究的主要内容本文首先介绍了进行碰撞有限元分析的基本理论和数学方法，对汽车后下部 防护装置进行碰撞仿真研究。在比较分析几种方案的基础上对车辆后下部防护装7武汉理l：人学硕学位论文置进行优化设计，具体研究内容如下： (1)描述了汽车被动安全的研究方法以及后下部防护装置的研究意义，介绍研究车辆后下部防护装置的一些主要研究方法以及国内外的研究情况。 (2)介绍了汽车被动安全仿真分析的发展历史，并详细阐述了了显示非线性有限元理论。(3)使用catia、hyper works建立后下部防护装置、追尾实车、移 动壁障的fe模型，进行移动壁障动念试验和整车追尾后防护装置仿真试验，提 交lsdyna进行计算后使用lsrepost进行后处理。通过计算机仿真分析后防护装置在进行j下面碰撞以及偏置碰撞的防护性能。(4)提出一种新型吸能式的后下部防护装置，并对其进行结构优化设计， 最后通过实车追尾仿真实验对优化后的结构进行验证。8武汉理l：人学硕十学何论文第2章汽车碰撞仿真研究的理论与方法在汽车碰撞安全性技术研究的早期阶段，由于计算机软件、硬件以及相关理 论基础的限制，不能对汽车碰撞进行计算机仿真研究，而只能利用一些经验公式 进行简单的估算。仅仅依靠研究人员的经验来进行产品的研发设计，通过一些经 验公式的粗算来对汽车结构耐撞性进行评估。而汽车被动安全防护装置的防护性 能，和对乘员约束系统的性能评价则通常借助于实车碰撞试验。而近年来，随着 计算机技术的飞速发展，有限元理论的成熟，使用计算机仿真末研究汽车被动安 全问题的情况也越来越普遍【221。汽车碰撞仿真是一个涉及多种材料，多个零部件 相互作用，约束系统复杂，接触边界非线性的复杂物理问题。要保证仿真的可行 度就需要了解汽车有限元仿真的一些方法和理论。21汽车被动安全仿真分析法的发展早期针对汽车碰撞安全性的研究主要是在经验的指导之下进行实车碰撞，然 后通过碰撞试验的数据对新车进行设计或者对于已有车型进行改良，使之达到相 关法规要求和满足社会大众的需求。但是汽车碰撞试验法对于汽车安全性的评估 准确率和改进能力取决于试验手段的先进性和测量装置的准确性，受力情况越复 杂，测得结果误差就越大，所需试验测量设备就越先进，试验和设计周期越长， 经费越庞大【23】。为解决实车碰撞的诸多缺点，人们将碰撞安全研究逐步引入力学 和数学理论。20世纪60年代，计算机开始逐步的运用到汽车安全设计开发之中。 最初计算机被用于汽车碰撞分析的解析法中的取解析解。随着力学模型的复杂化 和硬件的升级，逐步的发展出了多刚体动力学理论。图2-1多刚体动力学分析模型9武汉理i：人学硕十学位论文多刚体动力学法被广泛的运用于乘员的伤害保护(如图21所示)和车辆的 碰撞分析。其不足之处在于不能详细描述汽车和人体各部分的实际结构以及分析 结构内部的变形和相互作用12引。随着超大规模集成电路和微处理器技术的进步，和计算机的推广使用，有限 元理论被运用碰撞的仿真计算中。通过有限元计算可对cad离散化的模型进行 较高精度的求解，其力学模型和求解方法都变得复杂很多，能够真实的反应汽车 模型各部件及其联接的真实力学性能和运动方式。有限元法求解的内容可以包括 人体碰撞响应、整车撞击变形动念响应等多种响应量。如图22所示，借助计算 机的强大计算能力可以对车辆碰撞问题进行系统准确的求解计算。求解的结果可 以直接评价车辆或者零部件安全性能，使设计人员完善产品存在的缺陷12引。图22汽车有限元碰撞仿真与实车碰撞的对比 虽然基于有限元法的汽车碰撞仿真的计算精度比较高，但是整车碰撞过程是一个机器复杂的综合系统瞬间冲击响应过程，不但涉及复杂的接触、变形、失效、 断裂等多种物理变化还涉及到乘员和行人保护装置出发、人体伤害等各方面的因 素。完全抛开试验仅仅用有限元分析法来进行汽车被动安全性的改良还十分不现 实，进行碰撞被动安全性仿真的同时仍然需要一定数量的试验来对仿真试验进行 验证和结果修正【25j。22显式非线性有限元理论与方法由于汽车材料的非线性，碰撞过程中瞬间巨大位移和变形，以及接触体变 形过程中边界条件的不确定性，所以有限元法在汽车碰撞仿真中的问题属于非线武汉理r人学硕+学位论文性问题。计算机计算能力的增强和各种类型单元的发展让非线性有限元法实用性 增强，也让汽牟碰撞仿真的精度大大提高。221物体质点变形方程任何一个物体，都是由无数个质点所共同构成。物体之间的相互位置和相互 的作用都可以通过多个质点的相互关系来表现，物体质点的空问物理变换过程可 以决定物体的物理变换过程。物体发生变形时，物体中的各个质点相对位置也在 不断的发生变换。物体质点空问位置的坐标如图21所示。质点口在t=0时刻的三维坐标是以(口=l，2，3)。经过一段时问t，物体发生了物理变化，物体上的质点的坐标值也发生相应的改变。设质点口的位置坐 标在经过一定时间变化后为x，(i=l，2，3)。它是坐标x。和时间t的函数：玉=薯(以，f)(21)2 ，32 ，32 ， x 3 、，、，、，图2-3空间物体的变形过程222物体的离散化要研究物体的接触问题响应就需要研究问题的运动方程。一个连续的表面通 过离散化得到如图24所显示的分离单元，这样的变化过程可以由相互关联的节 点和自由度来进行定义。将本来施加到物体的外力等效的分布到节点上，这样的 做法是使无限个自由度的连续体理想化成为了有限个自由度单元几何，方便进行11【朋】+州o+嘲d=，咖(22)d，o，蠢是时问函数，rext是外力总和，m代表节点质量，e是阻尼系数，k是弹性系数。 解出此方程，可以求出物体的变形量和加速度大小等物理量。将所有节点的物理信息整合起来就可以得到方程式23：【m】西+【c】d+【k】d=r哪(23)这里，更具一般意义的尺删代表【k】d，将2-3解出来，就能够清楚了解节点系统的运动情况了。223质量控制方程对方程23进行更深入研究，将质量矩阵肌1以两种不同的形式表现单元的 质量分布，质量分配方程如下：【m】=m门nl&(24)每一个节点都会分别分配一定的质量，每一个节点和整体都需要满足质量守 恒定律。所以对每个自由度来说，只有一个独立的方程，将这些方程综合起来 进行解析，从而计算得到每一个节点的运动规律和能量变化规律。设风是物体卸时的密度，表示它的方程是：po=po(x)(25)武汉理i：人学硕十学何论文设p是发生变形后的密度，它的坐标控制方程是：p=p(一)(26)根据质量守恒定律可以得到方程：p(t胁。dx：dx3=jpo(x。)dxdx：dx3(2-7)以上方程可以变换为：pc誓地咄如=ipoc以)i等卜啦批c2剐根据27和2-8可以得到：盹c以，l等(29)关系式(28)与(29)表达了物体在变形过程中的质量守恒定律，对于物体 各部分都是适用的。224边界条件边界条件即反映外界对这个接触系统的约束，也反映接触系统内部物体之间 相互关系和作用情况。物体发生接触变形过程中需要满足条件如图25所示。五丑图25接触体的边界条件其中so、s1、s2指代几个面，其中s1面上的边界条件为是：吩=tt(t)(210)武汉理l：人学硕十学仲论文式中，vj(j=l，2，3)为现时构形边界s1的外法线方向余弦； t(i=l，2，3)为s1面上受到的加载力。在s2面上的约束条件是：毛(一，f)=k疋)(2-11)式中，k(f)(i=1，2，3)是的位移一时间变化函数。 当薯+=薯一时，so上的接触内边界条件如下：(气+一一)=0(212)225动量方程物体在变形的过程中必须遵守动量守恒定律。可以假设在某一时间一个空间 区域所含有的总的q动量：qf=，pv，dv(213)其中v代表s上的单位外形矢量，那么可以表达物体上的合力：r=lpf，dv+互t”,d，(2-14)其中ti是加载在表面s上的应力分量，f是单位体积的受力，根据柯西原理可以得到：z=匕(2-15)式中代表的是应力场，吩矢量v的分量，p表示密度。式子(214)可以 变换成：尽=，蹦d矿+f匕以(2-16)由高斯定律可以得到：r=，m+争矿协将牛顿定律代入式子中可以得到：虽q=r(218)式子右边通过积分变形得到：14武汉理l：人学硕十学俺论文詈q=，【秒)+毒(帆彤y(219)由(218)和(219)-7以得到：嵋(刖+毒(酬炒=(卅等渺(220)将(2-20)进行扩展可以z。，10：号c雕，+毒c雕_，2以+等(221)上式的左侧可以变形为：若c户u，+毒c见_，2vc害+毒c鹏卅科鲁+_考， (222)方程变换。，10：望0+(以)=ot a” (223)根据导数的定义可以将式子变形为：pc警+_妻却鲁(224)dvidt是速度对时间的求导也就是质点的加速度。(222)式变为：p茜2p刊i七鲁吼。pjt瓦m。(225)托可i；1暑作pii=pf,+a镕。j(2-26)以上就求得的是动量控制方程。226能量方程在物体的物理变化中，能量变换规律是必不可少的，根据能量转换规律：k+g+e=矿(227)式中，k是系统的动能，g是系统的重力势能，e代表系统内能，形表示的 是外界对系统做的功【24】。物体在某时刻所具有的动能可以表达为：1k=i-专pvflg(2-28)；厶p代表物体的密度，哆则是质点所在体积元dy速度向量的一个分量。重力武汉理l：人学硕十学位论文势能可以写为一下形式：g=p矽(x)dv(229)式中，彩是单位质量物体所具有的重力势能。内能的表达方程是：e=，pedv(230)式中，e是单位质量物体所具有的内能。 将(230)以另一种形式表达：(231)瓦d(k+g+e)=旷式中，旷为单位时间罩，外界对系统做功功率。在一定的物体体积内外界在sn上pa z力对系统做功的功率为：矿=工xividv+工孝_豳(232)根据柯西与高斯定律：rv=ix,v,av+工(v)dv(233)综合上面的式子根据能量守恒、动量守恒可以得到下面的：p丝：仉舌(234)皑尸瓦2勺即能量控制方程：pb=岛(2-35)23薄壳理论与bt壳单元由于汽车零部件中的绝大部分都是由薄壁件冲压而成的，所以在汽车碰撞 过程中的力学特性可以用薄壳理论来描述【261。壳单元通常以一参考平面来表示， 该参考平面可以是三角形或者是四边形，有3个或4个节点。对于碰撞仿真而言， 3节点三角形单元和4节点四边形单元这类的双线性单元是被使用的最多的。众所周知，壳体单元在多个工程领域被广泛运用。对于汽车碰撞仿真而言 主要用到的单元是hughesliu类型单元和belystchkotsay单元(简称bt单元)，本章主要使用的是bt单元故而对其重点介绍。相比较而言，bt单元是lsdyna的缺省单元，bt单元的计算精度虽然稍 差一点，但是计算效率却非常的高。所以本文在建模过程中是用的课题单元就是 bt单元【271。bt单元拥有多种多样的计算形式，并且在计算速度和精度表现出 多种多样的形式。汽车碰撞的有限元仿真过程