毕业设计（论文）-SUV汽车正面碰撞以及行人保护加强方案设计.doc

上海工程技术大学毕业设计 SUV汽车正面碰撞以及行人保护加强方案设计目 录摘 要4ABSTRACT50 引 言61 本文研究的意义和主要内容71.1 本课题研究的背景和意义71.2 国内外汽车碰撞模拟研究的现状81.3 汽车被动安全性研究的内容101.3.1车身结构的耐撞性研究111.3.2 汽车结构耐撞性研究方法121.4 本文研究的主要内容152 车身制造四大工艺152.1 车身冲压工艺性162.2 车身焊装工艺性172.3 车身涂装工艺性192.4 车身总装工艺性203 本文选题研究的主要理论方法203.1 有限元的基本思想和理论203.2 碰撞模拟的非线性有限元基本理论213.2.1 物体的构形描述及质量守恒方程233.2.2 运动微分方程233.2.3 能量方程253.2.4 结构有限元离散化263.2.5 时间积分算法274 SUV车的介绍与正碰校核及加强284.1 产品市场定位与碰撞要求284.1.1 本车的目标市场294.1.2 白车身强度及碰撞要求294.2 NCAP法规的介绍294.3 本SUV车主要吸能结构304.4 前纵梁弯曲刚度计算314.4.1 前纵梁弯曲刚度计算概述314.4.2 有限元模型314.4.3材料324.4.4 计算内容324.5 防撞梁低速碰撞分析及修改方案364.5.1 原方案的分析364.5.2 加强方案384.5.3对比结果及建议404.6 根据NCAP法规加强前纵梁的耐撞性414.6.1 前纵梁的耐撞性研究概述414.6.2 与RX350纵梁的比较与仿真模拟424.6.3 16Km/h低速碰撞444.6.4 50Km/h正面碰撞454.6.5 车身结构改进方案475 根据NCAP行人保护的校核485.1 行人保护的目的485.2 参考标准485.3分析内容485.4 行人保护校核结果516 全文总结51参考文献53译 文55原文说明66摘 要随着汽车保有量的增长，道路交通事故己经成为世界性的一大社会问题。全世界每年死于道路交通事故的人数估计超过50万人，道路交通事故给人类的生命和财产安全带来了严重的灾难。因此汽车被动安全技术的研究己经成为当今世界汽车科技研究的一大严峻课题。在汽车正面碰撞事故中，主要承受碰撞冲击力的部件有保险杠系统、前纵梁、翼子板、发动机罩等部件，在正撞时这些部件吸收的能量占总吸收能量的 50%左右。其中，最主要的吸能部件是保险杠系统和前纵梁，因此本文在进行白车身的碰撞仿真之前，首先单独对这些部件进行全面的碰撞仿真，从动力响应特性和吸能特性两方面对结构的碰撞性能进行分析，从中获取提高结构碰撞性能的措施，指导后来的车身结构设计。本文以SUV车的正面碰撞试验为例，利用CATIA和HyperMesh软件建立了由壳单元、梁单元、三维实体单元组成的整车有限元模型。进行了正面碰撞的模拟，结合仿真结果，确定了整车车身结构耐撞性方面的薄弱环节，并据此探讨了结构件耐撞性改进的办法。关键词：SUV车，正面碰撞，耐撞性，仿真ABSTRACTWith the increasing of automobile amount, traffic accident has become a serious problem in the world. The number that the whole world annually died in the road traffic accident estimates to exceed 50 myriad peoples, road traffic accident give the life and property safety of mankind bring serious of disaster. So the research of automobile passive safety technique has already become an austere lesson of nowadays world car technology research.In early period automobile side impact safety research repeat test primarily is adopted, automobile structural crashworthiness, occupant restraint system and performance test depend on experiment and experience, this demand a very long research period, it also demand a lot of manpower，material resources and the financial power, even if such, the result that repeat test got is also uncertain ideal. With the modem science technique developed deeply, appearance of a passel of advanced automobile virtual testing soft offer nicer foundation for research of automobile side impact passive safety. Main advantage of virtual testing is: in the design stage of automobile product we can imitate and analyze automobile product, And we can expediently actualize the analysis and research of impact form which real car experiment can not implement, completely find and solve the problem, shorten developing period and reduce research expenses.According to some SUV vehicle frontal crash test, the whole vehicle CAE model is built which is composed of shell, beam and solid parts. Comparing to test data, the model is proved feasible. Key factors for simulation are pointed out, and some results have been obtained.Key words: SUV, Frontal Crash, Crashwothiness, SimulationSUV汽车正面碰撞以及行人保护加强方案设计傅其刚 02610780 引 言随着汽车速度的提高，汽车保有量的增加，汽车交通事故逐年增多，尽管各种安全措施不断加强，但是从根本上说交通事故在很长一段时期内是无法避免的。从全世界的统计数字来看，每年因道路交通事故而死亡的人数己高达50多万人，伤1000万人以上，因此汽车的碰撞安全性问题己成为近十多年来汽车工业的主要研究问题和攻关方向。目前世界各主要汽车生产国都制定了严格的汽车碰撞安全法规要求，汽车开发和生产都必须通过严格的执行法规。汽车安全性分为“主动安全性”和“被动安全性”。所谓“主动安全性”，也称为事故预防性能，是指汽车能够识别潜在的危险因素而自动减速，或者当突发因素作用时，能够在驾驶员的操纵下避免发生碰撞的性能，包括可靠性，环境可见性，操纵稳定性和加速制动性。而“被动安全性”则是指汽车发生不可避免的汽车产品的被动安全性，以满足正面碰撞实验的要求。并且力争在汽车新品开交通事故时，能够对车内乘员或车外行人进行保护，以免发生伤害或者将伤害减到最低程度的性能。根据目前的汽车技术和事故统计，交通事故的发生在今后很长一段时间内仍不可避免。因此，各汽车制造厂商都正在抓紧时机提高其现有的发中，提高产品的被动安全性，力图以核心竞争力的提升占据市场竞争的制高点。1 本文研究的意义和主要内容1.1 本课题研究的背景和意义CMVDR294法规规定汽车生产厂家，在每一种新车型上市之前，必须到国家汽车碰撞实验中心，进行48公里/小时的实车正碰实验。并且对己获得认证的在生产车型还必须进行两年一次的碰撞抽查。但实车碰撞实验要在样车生产出来之后进行，而且碰撞实验是破坏实验，这种“试错性实验”导致汽车设计周期长、费用高，不能在设计早期快速的发现问题和解决问题，所以碰撞实验只能作为全面的最终质量检验实验，不适合开发阶段需要。虽然国内己经有研究单位和大的汽车企业建立了汽车碰撞实验室，通过昂贵的仪器设备和复杂的实验方法来解决汽车的安全性问题，但这种实验方法不但花费太多、耗时太长，且不能在设计阶段估计汽车碰撞的安全性问题。随着计算机技术的发展和计算机成本的迅速降低，以有限元法为主的计算机仿真技术得到飞速发展，使得计算仿真技术和产品的设计研究相结合，使得新车型的被动安全性在设计研发阶段就得到控制，减少设计费用，缩短开发周期。同时计算机仿真技术可以为汽车安全部件生产厂家提供汽车被动安全性的资料。例如，在汽车安全气囊的开发中，通过汽车碰撞仿真技术，获取有关数据，减少实车的碰撞次数，为企业减少费用，缩短开发周期。车身结构耐撞性研究：主要是研究轿车和微型客车的车身结构对碰撞能量的吸收特性，寻求改善车身结构耐撞性的方法，使得车身结构在外力冲击下能以预计的方式变形，其变形能量控制在一定的范围内。在保证乘员安全空间的前提下，车身变形吸收的能量最大，从而使传递给车内乘员的碰撞能量降低到最小，尽可能使乘员受到的减速度最小。通过车身结构的耐撞性分析，使车身满足理想的正面碰撞变形特性。当低速碰撞时，变形以及变形力值都比较小，以保护行人或车辆自身；当发生中速碰撞时，变形应尽量均匀，以最大限度地降低撞击加速度峰值；当发生高速碰撞时，为了阻止变形扩展到驾驶室，从悬架到车身前围板之间的变形应急剧上升。1.2 国内外汽车碰撞模拟研究的现状国外对汽车碰撞研究比较早，技术水平也比较高。最早开始碰撞研究的是美国。早期的汽车碰撞研究主要是进行各种条件下的碰撞试验，包括实车碰撞试验和各类模拟实验。六十年代人们开始了计算机碰撞模拟技术。七十年代美国开始用计算机辅助交通事故分析，分析软件有NHTSA（美国道路安全局）的SMAC、CRASH3、EDCRASH等。而近20年计算机碰撞模拟技术得到了迅速的发展，已经有了许多成熟的用于碰撞模拟的商业化软件。目前，在国际上汽车被动安全研究方面，具有代表性的商业软件有:美国的CDL3D软件、DYNA3D软件、ANSYS/LS-DYNA软件，荷兰的MADYMO软件，法国的PAM-CRASH软件。根据建模的方法和功能不同，可以将这些软件分成两类：一类是CVS（Crash Victim Simulation）碰撞伤害软件，主要模拟在汽车碰撞事故中乘员与环境的相互作用，以CDL3D和MADYMO为代表；另一类是采用显示有限元理论建模，主要用来描述车身结构的抗撞行，以DYNA3D、ANSYS/LS-DYNA和PAM-CRASH为代表。总的来说，这些软件能够进行标准假人在碰撞过程中的动态响应分析，人体生物学和碰撞假人的开发，碰撞受害者模拟，碰撞受害者保护措施的优化；对车身结构碰撞大变形进行模拟，安全车身开发，汽车结构抗撞行模拟；在碰撞法规试验中进行碰撞模拟。由此可见，国外在汽车碰撞计算机模拟方面已经具备了相当的规模，达到了很高的水平。 国内在汽车碰撞仿真方面虽然起步较晚，但是在引进国外的先进软件之后，发展速度也是非常快的。目前在我国，汽车的被动安全性是汽车安全性研究的重要课题，而且人们对汽车的被动安全性的要求也越来越高。尽管我国对汽车被动安全性的研究不足十年，但取得了显著的成绩，不仅制定了和国际接轨的系列法规，而且在试验研究方面已经具备了开展模拟碰撞实验以及整车的碰撞试验能力。汽车被动安全性的碰撞模拟研究工作已经迅速发展起来。当前我国的汽车碰撞模拟仿真的研究工作主要分为两个方面：一个方面是应用有限元的方法研究在碰撞过程中的汽车车身、车架的变形情况，速度和加速度的值，以及各部分的应力分布情况；两一方面应用多刚体动力学研究汽车在碰撞过程中，人体各部分的动态响应和人体各部分的伤害值。动态非线性有限元方法适用于计算结构变形，它能够得到汽车各个部件在碰撞过程中的变形情况。在计算方法上，采用显式积分法中的中心差分法。目前国内应用最多的软件是国外引进的LS-DYNA3D、ANSYS/LS-DYNA和PAM-CRASH软件。1992年湖南大学将DYNA3D软件引入我国，并应用该程序进行了假人碰撞试验的有限元分析。该校的钟志华教授提出了汽车碰撞的有限元方法，还应用驾驶员和安全带构造了碰撞模拟模型。1996年，清华大学应用DYNA3D软件研究了车架的耐撞性能，在此基础上，进行了背景吉普BJ121的车架的碰撞模拟仿真。吉林大学与长春汽车研究所合作于1997年在SGI图形工作站上建立了国内比较完整的汽车碰撞模拟，并通过了可视化技术得到了汽车结构碰撞变形的整个过程。应用多刚体动力学，可以研究汽车在碰撞过程中人体各部分的动态响应和人体各部分的伤害值。目前，国内使用的软件有MADYMO、CAL3D软件。1992年，清华大学引进美国的CAL3D软件应用多刚体动力学，研究人体在汽车碰撞过程中的动态响应，建立了二维的成员座椅模型。1998年，清华大学合作开发了汽车碰撞人体运动响应三维模拟计算软件系统MUL3D，并应用该软件对汽车撞行人的运动响应进行了模拟计算。同时，随着国家安全法规的实施，国内有许多家单位相继成立了碰撞实验室：长春国家汽车技术检测中心、天津国家汽车技术检测中心、上海市机动车检测中心、湖南大学汽车碰撞实验室等。它们的建立，极大的促进了实车试验和整车模拟研究的结合。1.3 汽车被动安全性研究的内容汽车安全性分为主动安全性和被动安全性口主动安全性是指汽车能够识别潜在的危险因素自动减速，或当突发的因素作用时，能够在驾驶员的操纵下避免发生碰撞事故的性能。被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员或车外行人进行保护，以免发生伤害或使伤害降低到最低程度的性能。汽车被动安全性研究内容包括车身结构的耐撞性研究、人体碰撞生物力学研究、乘员约束系统及安全驾驶室内饰组件的开发研究等。1.3.1 车身结构的耐撞性研究自身保护区低速防护区相容区力变形距离保险杠图1.1 车辆前部理想变形曲线车身结构耐撞性研究主要是研究轿车和微型客车的车身结构对碰撞能量的吸收特性，寻求改善车身结构耐撞性的方法，使得车身结构在外力冲击下能以预计的方式变形，其变形量能控制在一定的范围内。在保证乘员安全空间的前提下，车身变形吸收的能量最大，从而使传递给车内乘员的碰撞能量降低到最小，尽可能使乘员所受到的减速度最小。通过车身结构的耐撞性分析，使车身满足理想的正面碰撞变形特性，其特性曲线见图1.1所示。在低速碰撞时，变形以及变形力值都比较小，以保护行人或车辆自身;当发生中等速度的碰撞时，变形应尽量均匀，以最大限度地降低撞击加速度峰值;当以发生高速碰撞时，为了阻止变形扩展到驾驶室，从悬架到车身前围板之间的变形应急剧上升。1.3.2 汽车结构耐撞性研究方法有限元法是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物，它是随着计算机的发展而迅速发展起来的一种现代化研究方法。一般说来，汽车耐撞性的研究主要有两种手段，即实验研究和计算机仿真研究。在汽车耐撞性的研究中，受技术要求、时间和资金的限制，通常在不同的研究开发阶段，采用相应的研究方法。汽车耐撞性的研究最早是通过实验来进行的。1）实验研究由于汽车碰撞事故形态千差万别，安全性能的评价也必须从不同的角度进行，但归纳起来主要是确保生存空间、缓和冲击、防止火灾等。根据这些目的，试验方法可分为四大类：实车碰撞实验、台架冲击实验、台车碰撞模拟实验和静态强度实验。实车撞车试验：实车撞撞试验是综合评价撞车时车辆安全性能的基本实验方法，主要用来对己开发出的成品车型进行按法规要求的实验，以鉴定其是否达到法规要求。1989年我国参照各国法规制定了国家标准。作为整车碰撞最终实验法规标准主要有三项指标：汽车乘员碰撞保护，防止转向机构对驾驶员的伤害和汽车碰撞时燃油泄露。实车碰撞试验准备工作十分复杂，并且很费时，而且要使用实车碰撞，作为破坏性试验，它的费用十分昂贵。台架冲击实验：台车冲击试验主要用来模拟人体不同部位与车辆有关部件之间的碰撞。评价其冲击吸能性能。如为了满足FMVSS203法规的要求，人们常采用形状和质量类似人体肢干的质量块冲击转向器，测量转向器与人体产生的碰撞力的大小。实验装置有射出式、落下式和摆动式试验机，可进行头部冲击试验、胸部冲击试验、部件冲击试验等。台车碰撞模拟实验：台车碰撞模拟实验目前流行的主要有两种类型，即冲击型和发射型。冲击型模拟碰撞与实车的碰撞过程相仿，它是将安装有实验件的台车加速到规定的速度与固定障碍壁相撞，模拟实车的碰撞过程及实现法规的冲击波形。发射型模拟碰撞实验是用预先积蓄好的能量将安装有实验件的平台发射出去，给予加速冲击。与实车碰撞实验不同，台车碰撞模拟实验不仅要控制碰撞速度，也要控制速度波形，而实车碰撞试验只控制碰撞速度。静态强度实验：静态强度实验可代替一些动态过程进行评价，但主要作为动态实验分析的辅助实验。这种方法是分析各种动态实验及事故再现实验等测得的对象部位或零件上产生的负荷，然后评价其静强度的模拟实验（或代用试验）。2）计算机仿真研究汽车结构耐撞性分析的目的是确定车身等部件的变形与吸能特性，从而达到保护车内乘员的日的。早期的耐撞性研究主要采用试验手段来进行。由于实验需要相同样车试制出来才能进行，且费用和时间消耗巨大，同时也不可能对所有的碰撞方案进行尝试。并且，由于实验中有一些随机因素的影响，使实验结果往往不够稳定，可重复性差。因此，实验方法研究汽车结构的耐撞性有很大的局限性。随着计算机技术在计算速度、内存容量以及图形功能等方而的发展，使得采用计算机仿真方法来进行汽车被动安全性研究成为可能。与实验方法相比，计算机仿真有以下优点：（1）所需周期短。计算机仿真与CAD/CAM相结合，使得新产品的被动安全性能在产品的开发过程中就可以得到控制，减少产品的开发研制周期。（2）所需费用低廉。由于在实验中，通常的数据采集系统为光测量和电测员相结合的系统，费用很昂贵。但在进行整车被动安全性仿真时，不需要进行破坏性实验，因此可以节约大量的人力与物力。（3）具有可重复性。由于实验过程受很多随机因素的影响，因此在研究不同的系统参数对安全性能的影响时，不易得到明确的结果，而计算机仿真依赖于计算机硬件本身，所以，当改变某一参数时，可以很容易地得到该参数对系统性能的影响。（4）可以获得任意所需数据。实验中要获得较多的数据，就必须增加传感器和高速摄像机的数量，而且传感器的安装位置要求以及不可摄像点的存在，有些数据是不可获得的。而计算机仿真在数据获得方而是不受限制的，只要在所关心的点上建立一个描述坐标即可。（5）不受时间、空问、气候等条件的限制，可以随时进行。虽然计算机模拟具有实验无法比拟的优越性，但由于计算机模拟方法所建立的汽车整车模型或部件模型，还有很多局限性，并不可能完全反映真实的碰撞过程，所以计算机模拟现在并没有完全脱离实验或完全代替实验。同时，由于计算机性能和模拟方法的限制，计算机模拟的周期也很长。日前，汽车生产厂家大多采用实验和计算机模拟相互结合的方法开发新的产品。1.4 本文研究的主要内容本文通过计算机模拟作为研究手段，采用理论分析和计算机模拟相结合的方法，针对某SUV车正面碰撞中出现的结构吸能问题展开研究。本论文主要从以下几个方面对某SUV车的正面碰撞试验和仿真进行了比较系统的研究：（1）以某SUV车的正面碰撞试验为例，根据试验结论，列出了该车在正面碰撞中存在的一些问题。（2）对车辆碰撞分析的非线性动态有限元方法进行了比较系统的论述。阐述了有限元单元理论、结构板壳单元等对碰撞模拟比较关键的理论，并以碰撞分析软件LS-DYNA为例，介绍了显式差分方法的具体算法。（3）建立了SUV车的整车有限元模型，并进行了仿真。根据仿真结果，结合试验结论，找出了问题的根源，并提出了相应的改进措施。（4）针对SUV车正面碰撞中吸能的典型结构件前纵梁，分析了影响其吸能效果的主要因素。2 车身制造四大工艺车身制造四大工艺包括：冲压，焊装，涂装，总装2.1 车身冲压工艺性尽量减少拉伸深度：浅拉伸深度可能避免使用高价的高性能材料，增加采用高强钢材的可能性，减少废料，减少工续，从而减少模具和生产成本。 尽量增大曲率半径：比较大的R角可能减轻产品局部变形程度，减少缩颈、开裂几率，从而提高产品质量，降低生产成本。见图2.1, R1、 R2 4T, R3 6T图2.1 曲率半径的选择 在功能性允许的情况下尽量增大拔模斜度，以利于产品成型和使拔模方便易行。减少卡模的可能性，也减少表面擦伤。具体说明见图2.2。两个B是推荐的方式，工艺性均优于A方式。图2.2 拔模角的选择造型不合理类:在做产品造型时应充分考虑到工艺的可行性，不能片面追求形状而忽略工艺，如：造型复杂模具寿命低图2.3 造型不合理2.2 车身焊装工艺性1） 冲压件的可移性零件的形状易于被抓起和移位，不割手，不变形，不超重。A. 大型组件要求形成框架结构，防止变形；如形状 、 ，减少U型、X型及其它异型。B. 尽量避免设计易变形的大型组件（如地板面版），C. 易变形的大型组件上设计增加刚度的小结构，D. 单个零件要便于存放、拿取、放件时不易扭曲变形。E. 尽量避免设计需要两个人搬运或机械搬运的大型零件。2） 冲压件的焊装可/易夹性尽量不夹在外表面上以及其反面，以减少损伤及打磨修理工作量。夹紧面应该设计成平面，以利于简化夹具。最好是单一平面，（X平面，Y平面，和Z平面）以利于夹具设计和尺寸控制。3) 焊装易定位性以孔/销定位方式为首选，型面定位方式为次选，不得已情况下采用边缘定位方式。A. 定位孔尽可能在主平面上；B. 各定位孔尽可能互相平行；C. 定位型面尽可能要求在平面上，减少曲面定位，杜绝交接面定位。定位点位置、数量及方向设计合理。定位顺序设计合理，以保证定位的唯一性。4) 焊装可/易焊性所有焊点均可由公司的焊枪完成。（无焊点设在焊枪死角）A. 有足够的焊钳进出零件的空间；B. 能够实现点焊面与焊钳极臂垂直；C. 有电极焊接时的运动空间；D. 有足够的可视空间，至少能看见一个极臂与板件的接触点；E. 零件不能与焊钳钳身、悬挂钢缆、焊钳转盘相干涉。同一工位焊枪能达到所有预定焊点位置，不换或少换焊枪。A. 零件形状所构成的焊接面能适合普通X型、C型焊钳焊接；B. 同一焊接工位焊接实现使用尽可能少的焊钳种类，以减少换焊枪的时间；C. 能够使用同一型号焊钳焊接的焊点，焊接料厚尽可能接近，以便于参数统一，以减少切换焊接参数的时间。5) 结构胶/密封胶可/易加性结构胶简单易加。加密封简单易行。缝隙均匀密合适合涂胶。尽量减少需要人工填塞的老鼠孔。外观件内结构支撑件与外观件之间涂敷膨胀结构胶间隙要求为35mm，最大6mm。表2.1 点焊三层板搭接顺序要求No.搭接状态说明料厚要求1薄板在中间，厚板在两侧1、 最薄料厚：最厚料厚1：32、 侧边最薄料厚：其余两料厚之和1：42厚板在中间，薄板在两侧3薄板、厚板按顺序叠加6) 压边可/易压性压边简单易行。符合模具包边的要求。7) 四门两盖、翼子板的可装配性装配件的结构便于装配，平度和间隙易保证，安装点位置和数量要合理。2.3 车身涂装工艺性1) 与其他车型的运载通融性（柔性生产的考虑）此项检查，其目的是本车型的柔性程度，如与本公司其他车共用定位点。下部定位是否符合柔性生产的要求（具有与现有车型相同的定位孔）吊具不同车型能混线生产（具有与现有车型相同的吊孔）挂吊的车身强度查核,重心核查。2) 喷涂死区尽量从设计上消除喷涂死区。避免增加步骤。3) 喷涂工艺器具和辅具简单易行需要的喷涂工艺器具少，辅具机构简单，易设计，易制造，易使用2.4 车身总装工艺性总装模块安排的合理性：1.零部件安装的分块要简单。2.零部件安装的分块要合理。3.零部件数目最小化。零部件安装的分块要遵循：安装操作尽量简单，易保证装配质量的原则。3 本文选题研究的主要理论方法3.1 有限元的基本思想和理论在科学技术领域内，对许多力学问题和物理问题，人们已经得到了它们应遵循的基本方程(常微分方程和偏微分方程)和相应的边界条件。但能用解析法求出精确解的只是少数方程性质比较简单，且几何形状相当规则的问题。对于大多数问题，由于方程的某些特征的非线性，或由于求解区域的几何形状比较复杂，则不能得到解析的答案。因此人们就要寻找另外的一种求解途径和方法。有限元就是在这种背景下提出的。特别是近三十年，随着计算机的飞速发展和广泛应用，有限元已经成为解决实际工程问题的主要方法有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模型化集合形状复杂的区域。有限元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每个单元内假定的近似函数来分片地表示全求解域上代求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数来表示。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量(即自由度)，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插植函数计算出各个单元场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然随着单元数目的增加，也即单元尺寸的减少，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的精确程度将不断提高。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解3.2 碰撞模拟的非线性有限元基本理论汽车碰撞是一个瞬态的复杂物理过程，它包含以大位移、大转动和大应变为特征的几何非线性，以材料弹塑性变形为典型特征的材料非线性和以接触摩擦为特征的边界非线性，这些非线性物理现象的综合作用使汽车碰撞过程的精确描述和求解十分困难。描述汽车碰撞过程的众多变量不仅是空间坐标变量的复杂函数，同时一般也是时间变量的复杂函数。汽车碰撞过程的仿真一般是基于有限元方法的空间域离散技术和基于有限差分法的时间域离散技术。空间域离散有多种方法。这些方法对应不同的有限元单元，如壳体单元、实体单元和梁单元。汽车中的大部分零件是采用金属薄板冲压而成，通常用壳体单元就能较好地描述其变形特征。时间域的离散也可以用不同形式的有限差分法，如中心差分法或牛曼法。采用中心差分法时，可通过将质量矩阵对角化而避免求解联立方程组，采用牛曼法时，由于未知变量的系数矩阵既包含质量矩阵，也包含刚度矩阵，无法实现对角化，因此必须求解联立方程组，这就是所谓的隐式仿真算法。显式仿真算法的特点在于不求解联立的方程组，从而不需存储系数矩阵，占内存小，且单项求解速度快，无收敛性问题，但显式仿真算法存在数值稳定性问题，即仿真时间步长不能超过其临界值。隐式仿真算法的特点是要求解联立的方程组，每步求解都需要迭代，且存在收敛性的问题;但它是无条件稳定的，即仿真时间步长可以任意大而不会导致数值稳定性问题。由于汽车碰撞过程是具有很强的非线形特征，且是一个瞬态过程，其物理本质决定了它的仿真只能采用足够小的时间步长，否则就会带来收敛性问题后过大的计算误差，再考虑到隐式仿真算法必须迭代求解，其无条件稳定性特征在汽车碰撞仿真中并无太多优势。因此，在本课题中，采用显式仿真算法。汽车碰撞属于高速碰撞现象，描述这类现象的主要方法有Euler法、Lagrange法和ALE(Arbitrary Langrangian一ulerian)法。Euler法多用于流体力学问题，在固体力学中用的很少;ALE法是处理流体-固体相互作用的较好方法，适用于高速碰撞现象描述，其理论与算法较复杂，在具体编程和工程中不易实现；Lagrange法是目前描述固体碰撞行为的最成熟最方便的方法。采用Lagrange法描述的有限元法可以处理高速碰撞工程中复杂的边界条件和复杂的材料本构关系，并且对接触滑移面描述非常方便。在汽车碰撞的计算机模拟中，应用最为广泛是Lagrange法。Lagrange法描述的基本方程主要包括连续介质力学的质量守恒、动量守恒、能量守恒方程。3.2.1 物体的构形描述及质量守恒方程在固定的直角坐标系中，B为物体的初始构形，经过一定时间t后，其现时构形为b. B中任意一点Xa (a =1,2,3)经时间t后成为现时构形中的点:(i = 1,2,3)口在连续介质力学中，假设物体及其变形和运动都是连续的，它表明B中每一个点X。与且仅与b中一个质点对应，反之亦然,使用Lagrange描述法，现时构形以初始构形表示: （3.1）令t=0，即可求得初始条件为 （3.2） （3.3）质量守恒可表示为: （3.4）式中，为当前质量密度；o为初始质量密度；J为相对体积系数；即Jacobi矩阵的行列式值。3.2.2 运动微分方程设想在物体上取任意一闭合面S, S面内包围的体积V。如果V内单位体积的介质受到体力(如重力等)为为介质密度，为单位质量的介质上受到的外力，则V内介质所受的总的体力为。除体力外，闭和面内的介质还将受面力的作用。设在闭和面上的任意点选取一面元ds，如果ds上的总的应力(单位面积上的力)分量为，则ds面上用力为。因此，闭和面内介质所受的合力为。如果介质内各点之间的相对位移忽略不计(根据小变形假设)，且以表示S面内某点的位移矢量，则根据牛顿第二定律有: (3.5)将代入，得 （3.6）利用高斯定理可得 （3.7）上式可化为 （3.8）由于S面是任意取的，可令它收缩为一点，此时有= （3.9）式3.9即为所讨论的运动方程微分表达式，简称运动微分方程。它揭示了物体内某点力与加速度之间的关系。对应不同的边界分别满足:1)在边界ab，满足牵引力边界条件: （3.10）2)在边界ab,满足位移边界条件: （3.11）3)在内部边界,上，当时，满足接触连续条件: （3.12）以上各式中，为柯西应力张量; 为边界外法向单位矢量;(i =1,2,3)为面力载荷;D (1=1, 2, 3)为给定的位移函数。3.2.3 能量方程能量方程为: （3.13）式中: V为现时构形的体积:为应变率张量；q为体积粘性阻力偏应力张量:静水压力 （3.14）伽辽金法弱平衡可写作:（3.15）其中，在边界上满足所有位移边界条件。对式3-15应用散度定理有 （3.16）并注意到分步积分 （3.17）于是，式3.17可改写成虚功原理变分列式 （3.18）3.2.4 结构有限元离散化若对物体进行有限元单元离散化，则单元内任意点的坐标用坐标节点坐标插值表示为: （3.19）其中，为以参数坐标表示的形函数;k为单元节点数;表示单元第j个节点在i(i =1,2,3)方向上的位移。对整个物体的n个单元的虚功进行求和，有 (3.20)即： （3.21）其中：将式3.11写成矩阵形式，有: （3.22）其中N为形函数矩阵，为柯西应力矢量: （3.23） （3.24）b为体积力矢量，t为牵引力矢量b= t= (3.25)对式3.25进行单元计算合并后，可得离散化后的系统平衡方程: (3.26)式中，M为组集后的整体对角质量矩阵， 为总体节点加速度矢量，P为总节点载荷矢量，F为单元应力场的等效节点矢量组集而成： （3.27）对式3.27运用显示中心差分法进行求解。3.2.5 时间积分算法求解系统平衡微分方程式3.26时，由于各系数矩阵是进行对角化解藕的。为了提高计算效率，对此微分方程采用数值积分方法来求解。如果在计算周期t+At内，位移与此段时间内的加速度无关的话，则称为显式法。时间积分程序是大多数结构动力学程序的核心部分，这一课题已经得到广泛的研究。概括来说，隐式积分法对于结构动力学问题是最有效的，而显式积分法最适于波传播问题。己经发现，对波传播问题，隐式法的时间步长必须大致同显式法的时间步长相同，以满足精度要求。由于隐式法每个计算周期的计算量大大超过显式积分，所以现在隐式法的应用一般限于材料的整个响应比波传播细节更为重要的一类问题。对象汽车碰撞这样的低速碰撞仿真，要求在大规模下保证计算效率，显式法是一种当然选择。在积分格式中最广泛使用的一种显式积分算法是二介中心差分法。将运动微分方程3.26用中心差分法进行积分，积分算式如下所示: （3.28） （3.29）式中，为t时刻的节点加速度矢量，为时刻节点速度矢量，是时的节点位移矢量。求得节点位移矢量后，加上初始构形便可得到现时构形: （3.30）仅管存贮位移矢量需要更多的空间，计算结果却对舍入误差不敏感。4 SUV车的介绍与正碰校核及加强4.1 产品市场定位与碰撞要求根据某公司领导的指示，本车（X22）是一款细分市场的SUV车型，作为X21及X23的车型扩展，是一款中高档SUV车。轴距2700mm左右的SUV在国内市场有数十种，而在国外市场则较多。国内具有代表性的产品有北汽生产的三菱欧蓝德，东风生产本田CR-V，郑州日产帕拉丁和山东华泰圣达菲等作为高档SUV代表，以长城赛弗和哈弗，江铃陆风、长丰猎豹和奇瑞瑞虎等作为经济型国产车代表。由于国外的SUV市场十分成熟，相反，国内SUV厂家生产的SUV均强调外形，而在功能上均与国外厂家产品无法比拟：缺乏SUV的Offroad性能和安全性，更无智能四轮驱动功能，同时其内部装饰档次低，空间利用率缺乏综合考虑以及舒适性差等也是国内SUV的共同特点。根据07-08年市场发展预计，我国的SUV市场将呈现与国际市场接轨的特点，同时在价格上凸现其竞争优势。具有代表性的产品为本田CR-V，现代圣达菲和长城哈弗的后续产品以及雷克萨斯（凌志）RX系列等4.1.1 本车的目标市场08年我国大陆市场，主要以沿海地区和城镇等地为主要市场对象；09年北美和欧洲市场（英联邦国家除外），但在法规上按照欧共体和北美市场（美国、加拿大）进行设计。因此，本车应当符合欧洲碰撞标准NCAP法规。4.1.2 白车身强度及碰撞要求碰撞方面满足NCAP各项指标不超过最大值的80%。必须在16km/h，50km/h碰撞实验中达标。4.2 NCAP法规的介绍含义：新车评价规程的英文缩写New Car Assessment Programme。性质：独立于法规及管理体系之外，综合评价汽车安全性能，由具公正地位和权威性的机构实施。作用：向全社会提供公正、客观、透明的汽车安全性能信息。促进生产企业提高汽车安全性能。减少碰撞事故损失和人员伤害。试验项目：16km/h正面40偏置碰撞，50km/h正面碰撞，29km/h侧面柱碰撞(选做)由于必须满足法规的要求,本SUV车需要对车辆前舱总程中的前防撞梁、前纵梁等主要吸能结构进行深入的分析和研究。4.3 本SUV车主要吸能结构汽车发生正面碰撞时，主要由车身前部“压溃区”的塑性变形来吸收碰撞动能，并且主要是由端部底架结构的大变形来缓和冲击和吸收冲击动能。在汽车碰撞中，典型的吸能部件吸能比例如图4.1所示。图4.1 主要吸能结构件吸能比例由图4.1可见，纵梁的吸能量可取总能量的3050。对SUV车来说，车架结构上的纵梁是主要的吸能部件。纵梁的吸能特性和变形模式将决定车体在撞击时的加速度和力的相应值，对乘员保护有非常重要的作用。根据经验，主要影响该SUV车耐撞性能的因素为纵梁吸能不足。为了使该SUV车具有较好的正面碰撞性能，主要的办法就是改善整车前端的碰撞吸能能力，可以采用如下的三种办法：软化整车前部主要碰撞吸能件、在纵梁前端添加吸能器、为整车匹配合适的安全气囊。对于已经量产的车辆，修改前端主要吸能件涉及到巨大的零部件修定和模具的重新研发，需要大量的资金和时间。而作为普通的SUV车，增添气囊的成本又会显得更高，所以相对于该SUV车，最佳的改善办法就是不改变结构件的前提下，在纵梁的前端设计吸能部件来优化正面碰撞能力。4.4 前纵梁弯曲刚度计算4.4.1 前纵梁弯曲刚度计算概述应用国际通用的有限元分析软件NASTRAN对前纵梁弯曲刚度进行计算。4.4.2 有限元模型根据提供的CAD数模，建立白车身有限元模型，该CAE模型情况如图4.2：图4.2 白车身网格划分4.4.3 材料表4.1 材料参数材料弹性模量（MPa）泊松比密度(t/mm3)钢2.1E50.287.85E-9玻璃200.351.1e-9胶6.9e40.32.5-94.4.4 计算内容1) 车身前部弯曲刚度计算（1）边界条件约束及载荷情况如图4.3所示：约束约束FF F 垂直加载 1000N约束图4.3 约束及载荷情况 （2）前端弯曲刚度计算结果实际测得值= 12488N/mm期望值 10000 N/mm图4.4计算结果由图4.4可知计算结果符合期望值，结果满意。2) 前纵梁前端Y向弯曲刚度（1）边界条件约束及载荷情况如下图所示：约束Dx Dy Dz Tx Ty Tz加载 Y = 2 000 N图4.5 约束及载荷情况 （2）前纵梁前端Y向弯曲刚度计算结果实际测得值=346 N/mm 期望值 500 N/mm图4.6计算结果由上图可知计算结果不符合期望值，结果不满意。3） 前纵梁前端Z向弯曲刚度（1）边界条件约束及载荷情况如图4.7所示：约束Dx Dy Dz Tx Ty Tz加载 Z = 2 000 N图4.7 约束及载荷情况 （2）前纵梁前端Z向弯曲刚度计算结果实际测得值=552 N/mm 期望值 500 N/mm图4.8计算结果由上图可知计算结果符合期望值，结果满意。4） 静力加载应变要求(1) 边界条件约束Dx Dy Dz Tx Ty Tz1.加载 Y = 2 000 N期望值 500 N/mm2.加载 Z = 2 000 N图4.9边界条件 （2）静力加载应变要求计算结果实际Y向值 =2000/3.9 =490 N/mm实际Z向值 =2000/3.5=571 N/mm图4.9计算结果 综上所述：从以上计算结果可以看出，前纵梁