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汽车车身结构正面碰撞有限元仿真分析,汽车,车身,结构,正面,碰撞,有限元,仿真,分析
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毕 业 设 计（论 文） 设计(论文)题目： 汽车车身结构正面碰撞有限元仿真分析 学生姓名：二级学院：班级：提交日期： 目录目 录摘 要IIIAbstractIV1 绪 论11.1研究的背景11.2 汽车安全性的介绍11.3国内外仿真研究的现状11.4课题的主要研究内容和研究手段22 有限元法的理论基础和方法32.1有限元法的基本思想32.2有限元算法及理论基础33 汽车碰撞理论63.1理论阐述63.2客车车身结构结构特点63.3客车车厢前部要求73.4理想的车体结构74 客车车身结构正面碰撞分析94.1碰撞有限元分析过程：94.2 建立车身三维实体模型94.3建立车身结构有限元模型114.4求解结果165 客车正面碰撞结果分析215.1碰撞加速度的分析215.2 碰撞速度分析215.3能量转化分析225.4应力分析225.5 碰撞车架的耐撞性能分析236 结 论25参考文献26致 谢28II 摘要汽车车身结构正面碰撞有限元仿真分析摘 要本文就客车车身结构在发生正面碰撞时产生的变形及应力情况进行分析，从而对客车结构安全性进行评价。首先利用三维建模软件Catia对已有的客车骨架进行建模，然后将模型的igs.格式导入有限元分析软件Hyper works进行碰撞模拟分析，从而得到正面碰撞之后的速度、加速度、能量转化关系图，以及整个碰撞过程中的应力变形情况。在分析整个碰撞过程后，对车辆的结构性能作出评价并提出可行性建议。关键词：模拟仿真；车身正面碰撞；车身局部变形；有限元Finite element simulation analysis of frontal collision of automobile body structure AbstractThis article mainly analyed when the front collision of the car occured, what the changes in the deformation and stress of automobile body structure and to evaluate the safety of the bus structure.First, we use the 3D modeling software Catia to model the existing passenger car skeleton,and then import the model (igs. Format) into the finite element analysis software Hyper works for collision simulation analysis.From the analysis,the velocity, acceleration, and energy conversion graphs after the frontal collision are obtained,so as the the stress and deformation in the whole collision process.After analyzing the whole collision process, we should evaluated the structural performance of the vehicle and put forward more feasibility suggestions.Key words: Simulation; Frontal collision of the car body; Local deformation of the car body;Finite element;IV 1 绪论1 绪 论1.1研究的背景当前，汽车安全，节能，环保作为汽车行业的三大热点词，社会经济意义很重要，得到了各相关企业与政府部门的高度重视。与此同时，汽车的安全性与个人家庭的生命财产安全息息相关。随着我国汽车保有量、产销量的不断增长，作为世界第一大汽车市场的中国也在面临着日益严峻的由此带来的社会问题，交通安全问题尤为突出，需要进一步的关注。1.2 汽车安全性的介绍提到汽车安全，主要考虑其主被动两方面1。简言之，主动安全即预防车辆事故发生的能力，一般通过汽车的底盘制动系统和诸如ABS防抱死系统、防撞、防滑、限速报警等车辆内预警装置来实现。被动安全即在事故已经产生后降低碰撞强度，以期保护成员，避免造成重大伤害的能力。其主要依靠车身的自身强度，抵抗变形的能力，车身材料的吸能结构或者如安全带，安全气囊等附加安全措施来起到控制车身的变形模式保护成员安全性的目的。目前为止，碰撞是汽车产生交通事故的重要类型之一，当碰撞产生时，车上的乘客与驾驶员和车身结构之间发生接触造成生命财产损失。碰撞主要有正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞和侧翻碰撞等形式。而客车属于汽车的一种类型，汽车碰撞的研究内容和方法同样适用于客车。根据相关数据统计，客车的正侧面碰撞占客车事故总量的40%-60%。由此可见，对于在客车正面碰撞过程中所能导致的安全性问题进行探讨非常有必要。1.3国内外仿真研究的现状碰撞安全研究经历了很多个阶段，从早期的实车碰撞试验到上世纪二十年代，美国率先采用翻滚和正面固定壁障碰撞试验，而在上世纪50年代出现的台车碰撞试验则很大程度上提高了模拟碰撞的速度。上世纪70年代，人们开始了对计算机碰撞模拟研究的探索，这一实践随着90年代计算机的快速发展，汽车碰撞模拟研究得到了大力的发展。目前而言，汽车碰撞模拟研究领域的常用软件有：LS-DYNA、HYPERWORKS、RADIOSS.ABAQUAS等2。一般而言，碰撞模拟研究包括四个方面：汽车碰撞事故模拟；碰撞过程中车身结构大变形模拟；人体整体动力学的响应模拟；人体局部结构的生物力学模拟。而在我国，汽车碰撞的仿真研究直至上世纪80年代才得以开展，虽然起步晚，但通过这些年的努力，成果还是很显著的。目前，除了已经建立的几个实车碰撞基地外，也对车身耐撞性、乘员约束系统、行人保护等方面做进行了实验和模拟仿真。相关科研工作人员就客车正侧面碰撞安全性，车身结构抗撞性，汽车吸能部件吸能性，乘员人体损伤及行人保护方面做了大量研究分析。同时，结合利用PAM-CRASH和CAD有限元模型对汽车局部结构进行仿真分析，大大加强车身部件的安全性与使用性能，优化相关参数3。1.4课题的主要研究内容和研究手段资料表明，汽车碰撞安全性在很大程度上与车身结构的设计有关，具有良好碰撞性能的车身结构能起到很好的缓冲吸能和保护车内成员安全的作用。发生正面碰撞是，汽车前部骨架起抵抗变形和缓冲吸能的作用。当正面碰撞发生时，汽车的前部骨架起到抵抗变形和缓冲吸能的作用，而车身作为一整体，其中部和后部对碰撞产生的能量的吸收作用也不容忽视，因此应将车身结构作为整体分析。而汽车前部骨架的碰撞性好坏直接影响整体结构的碰撞安全性，因此开展车身碰撞安全性的研究具有重要的指导意义4。课题通过基于大量文献资料的搜集总结，对汽车的正面碰撞开展研究分析。 阐述有限元模拟仿真基本理论。以某客车为例，根据其几何模型，基于Hyper Works软件建立整车模拟仿真有限元模型。根据正面碰撞考核指标，分析正面碰撞有限元分析对的评价方法及仿真分析结果的影响因素。根据仿真结构，分析正面碰撞在汽车前部的变形特征以及驾驶员生存空间的变化，对仿真结果进行评价。从控制整车安全性响应指标出发，找出薄弱结构，提出改善性建议。2 2有限元法的理论基础和方法2 有限元法的理论基础和方法汽车碰撞是指在较短时间内承受剧烈碰撞冲击的复杂的非线性动态响应过程。其中，涉及到诸如大位移和大转动引起的几何非线性问题，材料大变形引起的材料非线性问题以及相对复杂的碰撞接触非线性问题等等。利用有限元处理相关问题有2个基本特点。首先是采用动态大变形非线性有限元法代替常规的线性有限元法，其次是采用动态显示求解技术。与隐式求解技术相比，其在处理大变形，复杂接触和强冲击问题上具有巨大的优越性，具有计算速度快，稳定性准确，精度高的特点。目前，用于汽车模拟仿真分析的软件有：PAM，CRASH,LS.DYNA3D，ANSYS/LS等。除计算功能强大外，还富含丰富的材料库，相关模型和壁障等。本次设计采用Hyper works软件进行碰撞的模拟分析，需要初步学习一些方法和理论，下面进行介绍2.1 有限元法的基本思想有限元法的基本思想即是在力学模型上将一个原来连续的物体离散成有限个具有一定大小的单元由节点连接，同时用等效力替代实际外力。遵循分块近似的思想，通过简单函数表征其位移的分布情况，按能量原理建立力与位移关系。最后将这些关系集合起来，就得到一组以节点位移为未知量的方程组，解之即可得到离散节点上的位移分量5。2.1.1Hyperworks软件的优势作为一在前后处理上表现出高性能的处理器，软件在前处理环节可以直接输入已有的三维模型，减少重复工作，简化建模流程，提高工作效率。在后处理方面，能广泛求解多种仿真效果，同时能转化为各种格式的的图形以及动画文件，直观性强。2.2有限元算法及理论基础2.2.1 理论基础有限元法是一种离散化的数值计算方法。对结构分析而言，理论基础是能量原理。通常在有限元中常用的理论有2种，对于非线性弹塑性问题，虚位移原理比较适用。而弹性力学问题通常考虑最小势能原理。2.2.2有限元法求解问题的基本步骤有限元法作为数值计算方法，遵循相同的基本步骤，其基本步骤如下。（1） 确认问题的分类：识别分析，确认其包含的深层次物理问题，如是静力学还是动力学问题，要怎样的认识，如何选取求解方法。（2） 建模：在处理有限元离散化及数值求解问题时，首先需要分析问题并设计相关计算模型，这一步包括讨论决定哪种特征为重点问题，从而忽略不必要的细节，最后决定采用某种理论或数学公式描述结果。因此，通常采用的方法是忽略几何不规则性，确定集中载荷，并把某些支撑看做是固定的。同时理想化材料为线弹性和各向同性的。从而依据问题的维数、载荷以及理论化的边界条件，决定采用梁理论、板弯曲理论、平面弹性理论还是一些其他分析理论描述结构性能。值得注意的是在求解中我们要运用分析简化问题，并建立问题的模型。（3）连续体离散化：即有限元网络划分，将连续体划分为有限个具有规则形状的单元的集合，两相邻单元之间通过节点连接。节点的设置、性质、数目等随问题的性质、描述变形的需要和计算精度而定，例如二维连续体的单元通常可为三角形、四边形，三维连续体的单元可考虑为四面体、长方体和六面体等。其次为合理有效地表示连续体，需要适当选择单元的类型、数目、大小和排列方式。离散化的模型与原来模型区别：单元之间只通过节点相互连接、相互作用，而无其他连接。因此要始终满足变形协调条件。离散化是将一个无限多自由度的连续体转化为一个有限多自由度的离散体过程，因此会存在误差。主要有建模误差和离散化误差。建模误差可通过改善模型来减少，离散化误差可通过增加单元数目来减少。从而可以看出单元数目较多，模型与实际比较接近时，所得的分析结果就与实际情况比较接近6。（4）单元分析选择位移模式：主要有位移法，力法，混合法3种。分析单元的力学性质：根据单元的性质，应用几何物理方程建立节点载荷位移方程式，从而可以得到一个刚度矩阵。即计算等效节点载荷：由于力的传递性质在实际和理论中的差别，需要引入等效节点力。组成物体的整体方程组：建立节点载荷与位移的关系式，即,以边界及初始条件为已知项求解方程组。求解有限元方程和结果解释：由于求解的状态变量的结果为一近似值，因此需要校核结果，看是否符合设计规范，来评价计算结果的可靠性。简言之，有限元处理分析过程包含前处理、求解和后处理。前处理阶段建模划分网络;后处理阶段提取分析采集结果。由于在实际工程问题中，结构件的几何形状、边界条件、约束条件和外载荷一般比较复杂，需要进行相应的简化。这种简化必须尽可能反映实际情况，且不会使计算过于复杂。在进行力学模型的简化时要注意以下几点：判别实际结构是属于哪一种类型，是属于一维问题、二维问题还是三维问题。如果是二维问题，要分清是平面应力问题还是平面变力问题，若能简化成平面问题的就不要用三维实体单元去分析。注意实际结构的对称性，如果对称，可以利用结构的对称性进行计算简化。对实际机构建模时可以去掉一些不必要的细节，比如倒角等。简化后的力学模型须是静定结构或是超静定结构。8 3汽车碰撞理论3 汽车碰撞理论3.1理论阐述3.1.1塑性碰撞理论分析汽车碰撞产生后，若车辆间不存在相对运动，我们把这种碰撞称为塑性碰撞。数据表明，塑性碰撞多发生在较高的碰撞速度的情况下，并伴随有能量损失。考虑到能量守恒定律以及在塑性碰撞前后汽车车速不变的定律，得出碰撞前车速不影响实际碰撞的严重程度，但相对速度起重要作用，成正比函数关系，质量与损毁程度成反比函数关系。同时，根据相关数据统计，塑性碰撞发生的过程中，能量损失与在碰撞前两车之间的相对速度的平方成正比，而与质量成反比。3.1.2刚性碰撞理论分析刚性碰撞即在汽车碰撞后，车体基本无损伤且产生较小的能量损失并处于局部变形位置的碰撞7。此次课题研究的汽车正面碰撞即是刚体碰撞的一种类型。在刚体碰撞的情况下，减速度情况决定人体伤害程度和车辆能量守恒和动能守恒。即可以得出碰撞严重程度与车速无关，而与相对速度成正比，质量成反比关系的结论。即质量小发生事故时危险反而高。3.1.3弹塑性碰撞理论分析若在碰撞过程中，同时产生弹性和塑性变形两种情况，此时需要同时考虑这两者。在此提出了e为恢复系数并以此区分汽车的碰撞性质。当e=0需要结合塑性碰撞理论分析情况，当e=1则需要考虑刚体碰撞这一理论，当0e1000mm，但与驾驶员到保险杠的距离相比仍有不足，即碰撞发生时的缓冲吸能距离不足9。因此在客车前部设计中应加强相关要求9。3.4理想的车体结构理想的客车车身结构需要具有良好的缓冲吸能装置，当产生碰撞时，需要通过车身结构的变形吸收碰撞能量，降低碰撞加速度，从而减少一次伤害。同时必须控制乘员区车身结构的变形，以降低二次伤害。在分析过程中，为了便于分析，通常将客车车身分为乘员安全区A以及缓冲吸能区B，如图3.2所示。图3 2客车成员安全区以及缓冲吸能区示意图其中要求A区变形尽可能小，即要求B区有较大的刚度，这与同时需要良好的缓冲吸能性矛盾。为此，通常将结构设计为“外柔内刚”型。即AB区连接处需要有较大的刚性，以保证生存空间和完整的结构。同时B区边缘要刚性较小，缓冲吸能性较好。考虑到以上结构要求，为保证正面碰撞发生时乘员安全性，在设计过程中车辆应考虑的基本特征为:为保证为驾驶员和乘员预留足够的生存空间，乘坐室不应发生过大的碰撞变形除乘员室外，车体的其他前部结构应尽可能多变形以更多吸收撞击能量，从而避免作用于驾驶员和乘员上的力与加速度超过耐受极限，以保护乘员安全。 4客车车身机构正面碰撞分析4 客车车身结构正面碰撞分析4.1碰撞有限元分析过程：用有限元方法分析汽车碰撞过程是20世纪80年代开始发展和完善。一般可分为3个阶段：前处理、计算和后处理过程。在长时间的运用与发展过程中，针对汽车碰撞这一复杂过程，通常采用有限元分析，并形成常用的分析流程10：确定研究目的，根据汽车结构、荷载等特点确定简化方式。由于结构相对复杂，不宜在有限元软件中直接建立实体模型，因此常需借助三位软件建立实体模型并初步优化，做好有限元分析的前期准备。将三维实体模型导入Hyper mesh软件，检查模型是否完好，并初步改善。根据结构特点，选择合适的单元类型，划分网络，选定材料，确定边界条件和约束，从而建立有限元计算模型。对计算结果进行分析和检验。对结构做出评价并提出可行性改进意见。总体来说，基于Hyper works的有限元分析模型的主要步骤如下：Hyper Works有限元分析的主要步骤如下：导入文件设置模版几何清理建立材料卡片建立几何及单元集划分单元单元检查与优化建立载荷集施加载荷建立载荷工况设置计算参数输出有限元文件利用Optistruct/Analysis求解器球求解Hyper Mesh或Hyper View后处理11。（1） 前处理其任务是包括：a建立分析结构的几何模型。对于几何结构复杂的结构，可以直接读取CAD软件的相关格式。b根据分析对象和目的，确定有限元网格划分方案（但愿类型、单元的密度和数量）和装配方案（连接关系和位置），建立有限元分析的计算模型。（2）计算：是形成总刚度方程并通约束处理后求解大型联立线性方程组，最终得到节点位移的过程。（3）后处理：是对计算机输出的结果（包括各种应力、位移或振型等）进行必要的处理并按照一定的方式（如等应力线、变形图、振型图等）显示打印出来，以便对分析的对象的性能或设计的合理性进行分析。评估，从而做出相应的改进或优化。注意：在Hyper Works中求解时可以根据分析的对象的要求选择不同的求解器，一般的分析问题可以用Analysis或Optistruct求解，优化问题则必须使用Optistruct求解器来完成，后处理可以直接用Hyper mesh的后处理器功能，也可以选用Hype view。 4.2 建立车身三维实体模型4.2.1整车参数的确定某客车总长10.4m，其整车结构材料特点如下：车身结构为全承载式结构发动机后置，空调顶置骨架主要为Q345钢材料参数如表4.1所示： 表4.1 车身骨架参数总长/mm10400发动机位置后置总宽/mm2500额定乘员数/座37+1+1总高/mm3050整车整备质量/kg120004.2.2 三维实体模型建立三维软件Catia V5 建立白车身实体模型。为了便于之后的有限元分析，对模型进行了部分的简化，简化遵循以下原则12:忽略所有倒角（包括矩形方形构件和槽型梁），保持截面尺寸形状不变简化发动机及变速箱忽略悬架结构所能造成的影响忽略车身结构中包括的内外饰，玻璃，加强版等结构用直梁结构替代短弯曲结构忽略工艺孔和安装孔忽略车身包含的所有相关附件利用Catia软件建立的车身三维简化实体模型如图4.1所示，车身三维视图如图4.2所示。图4. 1车身模型图图4. 2基于不同视角的车身结构图4.3建立车身结构有限元模型4.3.1 前处理的工作内容基于有限元软件的前处理工作一般设计到模型的简化，单元类型尺寸的选择，材料模型的参数设定，网格划分，计算参数的确定等等，如图4.3所示：图4. 3前处理的工作内容4.3.1.1模型的简化由于有限元方法是一种数值求解的近似方法，若完全按照相关尺寸结构建立模型在理论上的确可以得到相对精确的数值，但是考虑到客车车身大部分结构是空间薄壁梁连接而成以及在整个碰撞过程中车身的变形特点，如需完全如实反映车身结构数据，那么整个分析过程中的工程量会尤为巨大，尤其是在数据前期准备以及有限元分析的前处理计算后处理过程中会显得尤为冗杂。因此在考虑到工作时间，追求的分析结果，计算机软件处理性能以及相关数据对的前提下，一般通常会对数据结构进行优化，如面体的重新生成，管材处面的拆分等等13。4.3.1.2材料模型的设定汽车碰撞时在缓冲吸能上主要是依靠结构的塑性变形完成的，因而为了能够更好地反映材料的应力应变关系以便更为真实的反映结果的正确性，这是恰当的选用力学模型尤为重要。在材料模型定义模块，需要输入真实的应力应变曲线。因而需要基本了解曲线的基本概念，才能有效的输入正确参数。在单向拉伸试验中常用金属材料的应力应变曲线如图4.4所示图4. 4常用金属材料在单向拉伸时的应力应变曲线由上图不难看出：当应力低于屈服极限时，我们通常将材料看作是弹性变形，当超出材料的后，塑性变形将无法消除。在计算机仿真分析中为了便于计算，通常采用相对简单的模型来近似表述材料的应力应变关系14。如线性强化弹塑性力学模型若在分析过程中，需要考虑材料的强化性质，那么此时理想弹性力学模型就不再适用了，需要考虑线性强化弹性力学模型。其应力应变曲线如图4.5所示:图4. 5线性强化塑性材料应力应变曲线这种强化弹性力学模型与上述理想弹性力学模型的区别在于，AB即塑性阶段的应力应变曲线与应变之间存在一夹角，这种方式可以近似表示塑性阶段的应力应变曲线，相比与第一种力学模型更准确，其解析表达式为： 。由于这种力学模型同时考虑了弹性和塑性阶段的应力应变关系，因此是具有足够的计算精度的。在整个计算过程中，材料参数的设定要考虑密度，弹性切线模量，泊松比和屈服应力。在此次客车车身正面碰撞的分析中采用这种线性弹性塑性力学模型比较合适15。4.3.1.3单元类型的选择目前的客车骨架大部分是由方形矩形和槽型断面的型材等通过焊接而连在一起的，构件长度远比壁厚大，由此我们通常将其视为薄壁梁结构的材料。在有限元中对客车骨架简化和划分网格单元时，常用壳单元和梁单元。有上述对构件的分析中，不难看出，在整个碰撞过程中，薄壁梁表现为在轴向的屈曲和在端面的压溃形式，故薄壁梁的网格划分一般采用壳单元划分，由于其比梁单元更能反映变形特征16。下面如图4.6对SHEEL163做个简单介绍：对于某个方向比其他方向都薄很多的构件来说，壳单元划分是常用方式。SHELL163采用平面应力条件（单元法向应力），常用的有以下几种：图4. 6 SHEEL163单元示意图BT单元（特点：最简单的壳单元，计算快，但翘曲时易出错）Belytschko-Wong-Chiang壳单元（特点：速度是BT单元的1.25倍，适用于翘曲）Belytschko-Leviathan壳单元（特点：CPU时耗BT单元的1.4倍，可物理沙漏控制的单元）S/R co-rotational Hughes-Liu 壳单元（特点：CPU时耗是BRT单元的8.8倍，无沙漏）.17对比上述几种算法，我们发现选择BT单元计算效率高且节省CPU资源，由此节省了很多的计算时间。虽然对于大变形问题会产生沙漏变形，不是罪稳定可靠的，但是可以通过人为设定控制在可控范围内18。4.3.2有限元模型的建立1. 文件导入：将Catia中建立的三维模型保存为*.igs格式导入Hyper works软件中.2. 定义坐标系：采用oxyz的直角坐标系，设定当车架处于平衡时，x轴平行水平地面指向前方，即确定碰撞方向。3. 选择材料点击Hypermesh中的Material按钮，类型选择All,材料卡片选择MATL3，点击创建Credit,输入材料参数并新建属性，定义带有厚度的壳体，厚度选择3mm。点击assign，将属性赋予单元，如图4.7所示。图4. 7创建材料4.创建刚性墙Shift+F4设置节点，向X方向正向移动base node 选择与运动方向相反，在碰撞中起阻止作用salves 撞击原则选择all在card image中有个Fric表示摩擦系数设为0.5点击Creat,创建刚性墙，如图4.8所示。图4. 8创建刚性墙之后的模型图5.创建初始速度。Shift+F2取点，隐藏刚性墙。创建Step,施加初始速度40km/h(方法：ToolsCreat cardsinitial_velocity_Generation)由于软件速度以mm为单位，此时设置为11111即表示40km/h)6. 设置接触面（单面接触）card image 选择automatic,距离200 检查图像是否点焊完整.如图4.9所示：图4. 9 检查点焊方法7. 设定求解 时间设定200/11111=0.018，全部设定为1.000e-004，如图4.10所示。 DBplot导出求解。图4. 10 求解时间设定4.4求解结果1.打开求解之后的文件，设定时间Time 0.01,初始0.01，点击按钮，即下一步，分别得到0.01s,0.02s,0.03s,0.04s的车架变形图。如图4.11和图4.12 所示可以得到在0.02s和0.04s时的车身变形图。图4. 11 0.02s时车身变形图图4. 12 0.04s时车身变形图由上图4.11和图4.12可以得到，当以40km/h的速度撞击刚性墙之后，随着碰撞的进一步产生，车身前部的变形程度不断加深。车架的底部变形尤为严重，在驾驶员座椅附近出现峰值。2.碰撞过程中的应力图，选择Result Type中的Stresst项，重复上述操作，点击按钮，得到不同时间段的应变图。如图4.13和图4.14所示。图4. 13 0.02s时的车架应力图图4. 14 0.04s时的车架应力图图4. 15车架前部应力放大图如图4.13和图4.14所示，随着碰撞的发生，应力变化明显呈逐步加深的过程。而同时由图4.15可以看出，车架底部以及驾驶员位置的应力更加集中，而在车架的上部，应力基本保持应力平衡的状态。3. 车架速度变化图：Result Type 中选择Velocity(v)项，重复上述操作，点击按钮。如图4.16和图4.17所示。图4. 16 0.02s时的车架速度变化图图4. 17 0.04s时车架速度变化图由图4.14和图4.15可以看出车架的速度变化随着碰撞的进一步产生呈减弱趋势，在碰撞刚发生时，变形速度快，在驾驶员位置尤为明显。而随着碰撞的进一步发生，反而呈降低趋势，车架速度变化趋于平缓。5.切换成2D模式，打开glstat文件，在Y Type（输出项）中选择Energy即能量项，然后选择Total Energy,Internal Energy,Kinetic Energy 3项，点击输出能量转化图即可得总能量，动能，内能3者之间的变化关系图。6.输出速度变化曲线，仍在glstat文件中，在Y Type项选择Velocity即速度项，此时需要注意速度的方向为与X轴平行的方向，并且为一减速过程，由此可以得到速度的变化曲线。从而可以对速度的进一步变化进行分析。7.输出加速度变化曲线，由于加速度即为速度的求导过程，所以重复上述操作，在Y Type项选择Global Velocity-X项得到加速度变化曲线图。20 5客车正面碰撞结果分析5 客车正面碰撞结果分析5.1碰撞加速度的分析在客车车架发生碰撞的整个过程中，加速度情况始终保持变化。从图5.1可以整个碰撞过程为0.05s。在客车骨架的起步阶段，由于还未接触到刚性墙，加速度不变。而从车架前端接触到刚性墙的刹那，加速度急剧变化，0.0165s可达到反向最大，而后在整个碰撞加速度主要呈减小趋势直至为0.图5 1加速度变化曲线图5.2 碰撞速度分析如图5.2所示，与加速度一致，客车在碰撞过程的速度变化曲线在碰撞还未发生时，保持不变，始终为初始值40km/h.在碰撞发生后车速先是短时间能线性递减，当加速度度达到最大时，客车车架发生变形以及弯曲，车速变化加快同时车架前部的变形加大，直到0.035s时，变形达到最大值。同时由于刚性墙对车身前部会产生一个反作用力，以及惯性力存在的情况下，客车会产生回弹现象，此车客车速度几乎保持不变。图5 2 速度变化曲线图5.3能量转化分析如图5.3所示，在车身骨架的整个碰撞过程中，总能量遵循能量守恒定律始终保持不变，而动能和内能则相互转化。从碰撞发生开始，由于存在初始速度，所有动能主要依靠车架前端的塑性变形吸收，同时由于摩擦的存在，这些能量大部分转化为了内能。图5 3能量输出图5.4应力分析当车架与刚性墙发生碰撞的整个过程里，整体变形量较小，但是速度变化尤其车架前半部分的速度变化快，导致其所受应力值也较大；同时在驾驶员座椅的位置附近应力峰值的出现将会导致碰撞过程中作为驾驶员的危险系数的提高；图5 4 0.05s时车架前端应力放大图在整车的数据对比中，我们可以发现整体而言，处于车前端的乘客比后部乘员危险，这是由于前部的加速度大，在碰撞过程中第一排乘客会有被甩出座椅的风险。通过仿真分析，可以发现，当发生正面碰撞时，若骨架前半部分变形过大，则会威胁驾驶员及前排乘员的安全性。对于客车结构的改进，暂提出以下建议：若车架前部过硬，则需进行软化处理，使车架的不论从强度刚度还是碰撞发生后变形程度控制在一定允许值范围内为保护驾驶员的行车安全（驾驶室位置相比其他位置在碰撞时应力过大），需要保证驾驶室车架需要有足够的刚度和强度选择合适的车架前端吸能件，并对吸能区的结构进行谨慎的优化，通过这种方式减少碰撞是能量尤其是内能的急速增加，提高安全性19。5.5 碰撞车架的耐撞性能分析5.5.1车架的耐撞性分析从车架与刚性固定壁的碰撞仿真结果上来看，这种车型的骨架在正面碰撞过程中存在以下问题：（1）车架前端受到的应力最大，而车架的缓冲吸能效果不够好，将会导致驾驶员受到的碰撞冲击力过大，从而影响驾驶员的安全。（2）车架在碰撞过程中的变形不够明显，可能会将碰撞中产生的冲击力传递给车内乘员，从而影响乘员的安全。（3）乘员区相对比较安全，因碰撞冲击力过大而死亡的可能性明显小于驾驶员。5.5.2提高耐撞性能措施针对客车车架变形吸能效果不理想，驾驶员座椅前方缺乏必要的缓冲吸能区域，驾驶员的危险系数很大等方面的不足，对客车整体骨架提出了如下改进措施：（1）改进车架结构，提高变形吸能能力。可以在车架前端与保险杠之间增加一定的缓冲吸能装置，降低碰撞冲击力的峰值；加长车架前端部分纵梁的长度，以使车架较早地参与变形吸能；对部分的车架总量采用腹板弱化或者边缘弱化等措施，使纵梁能够产生理想的褶皱变形，从而吸收更多的碰撞能量等等20。（2）改进驾驶员座椅附近的骨架结构，提高驾驶员的生存可能性。可以通过加强驾驶员地板骨架以及附近的侧围骨架刚度，减弱地板骨架和车架的连接刚度，采用吸能式方向盘等方法来降低驾驶员在碰撞过程中所受到的伤害。（3）加强车身骨架关键部位的刚度和强度，减小整体的变形量。可以改变前围骨架、车门门框骨架、侧围风窗立柱等部分的截面尺寸、薄壁件厚度或者使用新的材料等来提高局部结构的刚度和强度，从而提高车内乘员在碰撞过程中的安全性和顺利逃生的可能性21。（4）第一排乘客的前方区域比较空旷，在客车碰撞事故中，第一排的乘客很有可能会被甩出座椅，撞到前挡风玻璃上甚至会被甩出车体，对此，可以采取在第一排乘客前方增加安全护栏，并在头部碰撞位置增加安全气囊等措施来增加第一排乘客的安全性。24 6 结论6 结 论本文通过有限元法研究了客车车身结构在正面碰撞时的应力变化和变形分析。在目前交通安全事故屡见不鲜，安全标准逐步提高的现实状况下，具有十分重要的现实意义。本次分析主要完成的工作如下所示：通过查阅相关文献，对国内外汽车碰撞安全性的具体研究现状及未来发展作出大致了解。学习使用了三维软件CATIA和有限元分析软件Hyper works，并掌握了相关分析处理方法。参照相关资料，完成了对客车骨架的正面碰撞模拟分析。通过此次分析过程，学习掌握了客车车身正面碰撞有限元分析的一般方法。利用分析结果，对改善安全性的措施方法提供可行性建议。25 7 参考文献参考文献1 兰凤崇,钟阳,庄良飘等.基于自适应响应面法的车身前部吸能部件优化J.汽车工程,2010（5).2 李博闻.有限元分析方法在汽车碰撞研究中的应用J.天津汽车,2008(03).40-42.3 钟志华,张维刚,曹
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