（光学工程专业论文）基于虚拟试验的汽车b柱侧面碰撞安全性研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着汽车保有量的不断增加，每年因汽车碰撞发生的交通事故也在不断增加， 因此而造成的社会财产损失和人员伤亡情况也日趋严重，尽管近两年来相比前几 年来有所好转，但是汽车安全性研究依然是世界各国汽车工业的研究重点。在汽 车碰撞的众多形式中，伤害最大就是正面碰撞其次是侧面碰撞，但是正面碰撞的 研究工作从很早就开始研究，防撞措施也是日趋完善，然而侧面碰撞的研究却在 近年来才受到业晃的重视，而我国相比欧美发达国家在这方面的研究更加落后， 我国在2 0 0 6 年7 月才开始实施侧面碰撞的相关法规，对于汽车侧面碰撞的研究 还需要进一步努力使之完善。本文对汽车的侧面碰撞进行了虚拟的试验研究，希 望对汽车安全性研究机构和企业关于汽车侧面碰撞的研究提供一定的参考。 本文通过参考大量文献资料，详细介绍了国内外交通事故的发生情况和改善 情况，总结了国内外对于侧面碰撞的研究情况和未来的发展趋势，确立了本文的 研究对象。本文是在虚拟试验的基础上来研究侧面碰撞安全性的，因此首先简要 阐述了汽车侧面碰撞仿真分析的理论基础，然后结合法规要求建立了移动壁障模 型并对其进行了验证，同时将某国产轿车的整车c a d 模型进行修改、简化，建 立符合本文研究的车身有限元模型，最后建立整个侧面碰撞模型并在l s d y n a 中进行仿真分析。根据仿真结果分析，针对车身侧面b 柱耐撞性的不足处，本 文提出两个改进方案：一个是改变b 柱厚度；另一个是改变b 柱材料。本文对 改进方案的模型也进行了仿真计算，并将计算结果与原模型的多组安全性影响因 素逐一作了对比，最终得到了一个最有效的改进方案，明显减小了侧面碰撞中b 柱的y 方向侵入量，提高了侧面碰撞的耐撞性。本文所建的侧面碰撞模型对汽 车企业侧面碰撞研究仿真分析具有一定的参考价值，部分不足之处还需要进一步 改进完善。 关键词：汽车；侧面碰撞；仿真；b 柱 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r ac t w i t ht h ec a ro w n s h i pi n c r e a s i n gy e a rb yy e a rt h ec a rc o l l i s i o no c c u r r e di nt r a f f i c a c c i d e n t sa r ea l s oi n c r e a s i n g ，s ot h es o c i a lp r o p e r t yl o s s e sa n dc a s u a l t i e sc a u s e db y t h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s c o m p a r e dt ot h ep r e v i o u ss e v e r a ly e a r st h el a s tt w oy e a r sh a s i m p r o v e d ，b u tt h ev e h i c l es a f e t yr e s e a r c hi sa l s ot h ef o c u so ft h ew o r l da u t oi n d u s t r y t h e r ea r em a n yf o r m so fc a rc r a s h ，i nw h i c ht h eg r e a t e s th a r mi st h eh e a d o nc o l l i s i o n a n df o l l o w e di sb yas i d ei m p a c t t h eh c a d o nc o l l i s i o nh a sb e e ns t u d i e dl o n gt i m e ， h o w e v e r , t h es i d ei m p a c tr e s e a r c hh a sb e e nd o n eb yt h ei n d u s t r yi nr e c e n ty e a r s ， c o m p a r e dw i t hd e v e l o p e dc o u n t r i e si ne u r o p ea n dt h eu n i t e ds t a t e so u rc o u n t r yi s f u r t h e rb e h i n di nt h i sr e g a r d ，c h i n ab e g a nt oi m p l e m e n tt h er e l e v a n tl a w sa n d r e g u l a t i o n sf o rs i d ei m p a c ti nj u l y2 0 0 6 ，t h ec a rs i d ei m p a c ts t u d yn e e d e df u r t h e r e f f o r t s b yr e f e r e n c i n g t h e l a r g e n u m b e ro fd o c u m e n t s ，t h i s p a p e r d e t a i l st h e i m p r o v e m e n ts i t u a t i o n so ft r a f f i ca c c i d e n t sa td o m e s t i ca n da b r o a d , a n ds u m m a r i z e d t h es i d ei m p a c ta n df u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n d sa th o m ea n da b r o a d ，s oe s t a b l i s h e dt h e o b j e c to f t h i sp a p e r t l l i sa r t i c l ei su pa tt h ev i r t u a lt e s ts i d ei m p a c ts a f e t y , s oab r i e f d e s c r i b e dt h et h e o r e t i c a lb a s i so fv e h i c l es i d ec r a s hs i m u l a t i o na n a l y s i s ，a n dt h e n c o m b i n e d 、砘mt h er e g u l a t o r yr e q u i r e m e n t st oe s t a b l i s ham o b i l eb a r r i e rm o d e la n d v e r i f yi t , w h i l em o d i f i e da n ds i m p l i f i e dad o m e s t i cs e d a nv e h i c l ec a dm o d e l ，a n d t h e ns e tu pt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eb o d yo - ft h i sp a p e r f i n a l l yt h ee s t a b l i s h e d t h es i d ei m p a c tm o d e la n dt h e ns i m u l a t e da n da n a l y z e di nl s d y n a a c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t sf o rt h ed e f i c i e n c i e so ft h eb p i l l a ro ft h eb o d ys i d e c r a s h w o r t h i n e s s ，t h i sp a p e rp r e s e n t st w oi m p r o v e m e n tp r o g r a m ：o n ei st oc h a n g et h e t h i c k n e s so ft h eb p i l l a r ；t h eo t h e ri st oc h a n g et h eb p i l l a rm a t e r i a l t h i sp a p e ra l s o s i m u l a t e dt h ei m p r o v e m e n tp r o g r a mm o d e l ，a n dc o m p a r e dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s 晰t l l t h eo r i g i n a lm o d e lo fm u l t i s e c u r i t yi m p a c tf a c t o r so n eb yo n e ，f i n a l l yg o to n eo ft h e m o s te f f e c t i v ei m p r o v e m e n tp r o g r a ms i g n i f i c a n t l yr e d u c e dt h eb - p i l l a rs i d ei m p a c t t h eyd i r e c t i o ni n v a s i v ea n di m p r o v et h ec r a s h w o r t h i n e s so fs i d ei m p a c t 1 1 1 ec o l l i s i o n m o d e lo ft h i sp a p e rh a sac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o rt h ea u t oc o m p a n i e ss i d ei m p a c t s i m u l a t i o na n da n a l y s i s ，a n dh a ss o m eo ft h e i n a d e q u a c i e s a l s on e e df u r t h e r r e f i n e m e n t k e yw o r d s ：v e h i c l e ；s i d ei m p a c t ；c r a s h w o r t h i n e s s ；s i m u l a t i o n ；b - p i l l a r i l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着社会经济的不断增加，汽车的私有化程度也日益加剧，然而每年增加的 汽车保有量也使得因汽车碰撞发生的交通事故也在不断增加，因此而造成的社会 财产损失和人员伤亡情况也日趋严重。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高达1 0 0 0 万以上，而造成的财产损失也是十分巨大的【4 】【5 】。 据资料显示，近两年来交通事故的发生率相比前几年来有所减少，但是其死亡率 依然居高不下，所以汽车乘员保护和汽车与行人碰撞安全性研究成为汽车安全性 研究的主要内容。早在2 0 世纪7 0 年代前汽车技术的发展主要重在考虑动力性、 舒适性等方面，而在安全性方面主要研究的也是a b s 这些称为主动安全性的方 面；但是各种汽车碰撞事故的频繁发生使得汽车碰撞被动安全的研究引起的各国 的重视 3 1 。 1 国外道路交通事故状况 根据美国道路安全报告统计显示，全世界每年因道路交通事故而死亡的人数 已经高达1 2 0 万之多，伤残人数在1 0 0 0 万以上，而统计数据表明在发达国家发 生的交通事故次数要明显少于发展中国家，且发生交通事故后造成的人员伤亡和 财产损失程度也呈现同样的趋向。在西方一些经济发达的国家，汽车保有量日趋 饱和，由于汽车安全性越来越受到这些国家的重视，从上个世纪7 0 年代以后， 这些国家的道路交通事故率就在逐年减少，这也与他们的经济情况和道路交通管 理水平密不可分。他们专门设立了道路交通安全管理的研究机构，并且投入大量 人力物力财力来改善道路交通基础设施的条件，并对行人自行车进行安全教育， 尽可能的减少各种安全隐患，使得道路交通事故的发生率由原来的高发变得平缓 并有继续下降的趋势。据预计，在2 0 0 0 2 0 2 0 年期间，道路交通事故死亡人数在 高收人国家将会下降3 0 左右，而在中等收人和低收人国家则会大幅度增加【1 4 1 。 1 2 我国交通事故现状 我国汽车工业起步较晚，交通设施建设还不够完善，对于汽车安全性的研究 的技术水平也相对落后，因此与发达国家相比，我国交通事故相当严重。据中华 人民共和国道路交通事故统计年报资料显示，以每万辆车辆保有量的死亡人数来 计算，我国的交通事故发生率远远高出美国和欧盟等多国，是交通事故发生频率 武汉理工大学硕士学位论文 最高的国家之一【5 】。我国的交通事故明显分为两个阶段，在2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代，我国的经济非常落后，在当时汽车对于普通的老百姓来说别说购买可能都 没有见过，而当时的道路交通也不够发达，根本谈不上交通事故；但是自从我国 改革开放之后，经济能力迅速增长，百姓的收入也日渐提高，汽车私有化越来越 成为趋势，高速公路建设的也让交通事故发生机率显著提高，车速的提高使得交 通事故中死亡的人数比例发生很大变化【3 】。表1 1 是对我国1 9 9 6 2 0 1 0 年的 十五年间交通事故的发生情况进行了统计分析，为研究我国目前的道路交通安全 状况提供了可靠依据。 9 9 6 2 0 0 5 年间，交通事故死亡人数、受伤人数、经济损失等各项数据 首先是逐年增加，从2 0 0 2 年以后又开始慢慢下降，但是万车死亡人数( 平均每 年没万辆机动车的致死人数) 却一直在增加1 3 j 。2 0 0 5 年以后到2 0 0 8 年这段时期， 交通事故的发生起数较以往有了明显的减少，说明国家对道路交通安全引起了高 度重视，并且取得了一定的成效，但是由表1 1 上数据可以看出，事故发生次数 和死伤人数的数量仍然相当庞大。分析2 0 0 9 2 0 1 0 年间发生的交通事故，在：2 0 1 0 年全国共接报道路交通事故3 9 0 6 1 6 4 起，同0 9 年比上升3 5 9 【4 1 。因此对于汽 车主动被动安全性的研究还需要继续努力。( 见表1 1 ) 年份 表卜l 交通事故统计表 事故起数死亡人数受伤人数直接经济损失亿元 2 8 7 6 8 57 3 6 5 5 1 7 4 4 4 7 1 7 2 3 0 0 0 0 07 3 8 6 11 9 0 1 2 81 8 5 3 4 6 1 9 2 7 8 0 6 8 2 2 2 7 2 11 9 3 4 12 8 6 08 3 5 2 92 8 6 0 8 02 1 2 哇 6 16 9 7 49 3 4 9 34 12 7 8 22 6 6 9 7 6 0 3 2 710 6 3 6 75 4 9 0 0 03 0 9 7 7 3 7 3 710 9 3 8 15 6 2 0 7 43 3 2 哇 6 6 7 5 0 710 4 3 7 24 9 4 17 哇3 3 7 5 6 7 7 5 39 9 2 1 74 5 1 8 1 02 7 7 4 5 0 2 5 49 8 7 3 84 6 9 9 1 11 8 8 3 7 8 7 8 18 9 4 5 54 3 1 1 3 91 4 9 8 1 6 4 9 7 3 4 8 4 6 7 7 5 9 6 5 2 2 5 1 - 3 汽车侧面碰撞的研究意义及方法 1 3 1 研究意义 当今社会，各国的汽车业界都越来越重视研究汽车的安全性问题，而各国的 政府部门也对这个研究热点予以了高度重视。汽车碰撞事故的主要几种形式包括 2 町的以吃似晒均均均均加加加加加加加 2 3 1 3 1 _ 0 9 9 _ _ 2 9 5 5 4 l 2 7 4 9 1 0 0 4 5 4 8 0 7 5 3 3 2 2 9 圣1 1 0 0 5 2 2 2 3 5 7 5 8 9 2 6 3 1 3 2 2 2叮加约加趵 武汉理工大学硕士学位论文 正面碰撞、侧面碰撞、追尾以及侧翻等，其中正碰和侧碰危险性相对来说所占比 例最多大约在7 0 以上1 2 j ，由于追尾事故多发生在城市内环交通中，由于车速 的限制本身就降低了碰撞事故发生的危险性，侧翻事故一般发生在车速较大时急 速转弯的情况，发生侧翻也是相当危险的，但是此类事故一般发生的几率相对较 低1 3 j 。图1 一l 和1 2 分别为车辆碰撞部位统计情况和各类碰撞事故损伤成本的比 较。由图可以看出，虽然侧面碰撞发生的几率只有2 7 ，还不到正面碰撞发生 几率的一半，但是在碰撞的损伤成本上，侧面碰撞( 4 2 4 ) 和正面碰撞( 4 9 7 ) 所占的比例几乎相当，由此可见同一起交通事故中发生侧面碰撞比正面碰撞更加 危险，造成的人员伤亡和财产损失更加严重。但是长期以来，在各国对汽车被动 安全的研究中，把大部分精力都集中在研究如何提高正面碰撞中汽车的防撞吸能 的能力上，加上车辆前部结构本身有很大的空间可以用来作为吸能的缓冲区【7 】， 而侧面碰撞没有引起足够的重视，这也是为什么多年来就算事故发生率有所下降， 但财产和人员伤亡的数字一直居高不下的重要原因之一。 艇灏 n ：暖t 掩转x 图卜1 车辆碰撞发生部位统计 曩如壤籀51 。二 糍缀l 4y 。 图1 2 各类碰撞事故损伤成本比较 汽车侧面是整车中强度较为薄弱的部位【8 1 ，与汽车的前部、后部相比，对于 轿车的侧面部位，不像其他部位那样有较大的区域可以作为缓冲吸能的部分，这 样与乘员直接发生接触的概率就大大降低，但是侧面一旦反生碰撞很可能乘员连 生存的空间都没有更不用说还要逃生。所以侧面碰撞相对于其它形式的碰撞更容 3 武汉理工大学硕士学位论文 易对乘员造成伤害，而且这种伤害往往都是致命的，应该引起汽车业界的高度重 视。 在我国，由于城市道路交通以平面交叉路口为主，然而行人和驾驶人员双方 的安全性意识都比较淡薄，加上交通法规的执行情况以及道路使用的特殊性，当 有一方不遵守交通规则强行通过交叉路口时，就最容易引起侧面碰撞的交通事故， 而一旦发生这种事故，其造成的伤害远远高于其他的碰撞。由于我国侧面碰撞导 致的事故发生的概率远远高于国外，大约有i 3 的侧面碰撞事故，虽然侧面碰撞 的死亡率要低于正面碰撞，但其致伤率却居于第一位【6 l 。 1 3 2 侧面碰撞安全研究的试验方法 为了研究汽车在发生撞车事故时的安全特性以及在碰撞事故中汽车本身对 乘员的安全性的影响等方面，就必须进行各种碰撞的试验。一般情况下，碰撞试 验的方法可分为以下几种： ( 1 ) 实车碰撞试验法l 列 最初对于汽车碰撞的研究方法还不是很成熟，侧面碰撞研究也同样都是依赖 实车的碰撞试验方法来进行的。实车碰撞试验主要是用来对已开发出的成品车型 进行法规要求的试验来验证符合法规要求。虽然用实车做碰撞试验来测定轿车安 全性能得到的结果最为可靠，但是需要在实物样机上安装各种测试设备，进行实 地试验，不仅对实验场地有要求有限制，而且试验的成本高、时间长，所以需要 研究一些相对简便但能大量节省人力物力的试验方法。 ( 2 ) 台车碰撞试验法 由于实车试验具有很多缺陷，后来汽车研究人员开发了台车碰撞的试验方法。 这种试验方法是以实车试验的结果为基础来确定试验条件的，这类碰撞试验的成 本低，可重复操作，研究周期短【l o j 。通过试验它可以比较清晰的反映出零部件 在碰撞过程中的能量吸收情况、载荷分布情况、结构抗撞抗冲击变形特性等【l 引。 ( 3 ) 侧面碰撞虚拟试验技术的研究法 随着计算机技术的日趋成熟，各种研究汽车碰撞的应用软件也相继出现，人 们逐渐开始使用计算机来模拟轿车的碰撞试验，这也是汽车碰撞研究技术的一次 重大变革。在这种虚拟的碰撞试验中，可以大致模拟出汽车碰撞的过程，而通过 改变汽车自身的各种参数或试验道路的环境等因素，还可以验证多种设计方案的 可行性，从而达到缩短设计周期、降低开发成本、提高产品质量的目的【1 3 l 。这 种方法虽然不能完全取代实车碰撞试验，因为模拟试验中毕竟有很多因素都不能 与实际情况完全相同，尤其在建立碰撞的模型中，更是有许多约束情况与实际不 相符合，但是作为一种在车辆研发过程( 如概念车设计、样车试制) 的试验方法， 4 武汉理工大学硕士学位论文 它在某种程度上确实能够起到一种试探性作用，大大减少了实车试验的次数和时 间，降低了整车开发和研究的成本。而且这种方法的可重复性强，结果的信息全 面，能够帮助研究人员全面分析汽车安全性各方面的影响因素，因此得到了汽车 业界研究人员的一致认可。 由于计算机模拟试验受到越来越多的汽车研究人员的欢迎，欧美等汽车工业 发达的国家也纷纷投入大量的精力用于研究和开发专门用于研究汽车碰撞安全 的一些相关的软件，有些是用于模拟虚拟试验场的，有些是用于在模拟试验前进 行模型建立的。他们的出现大大增加了计算机模拟试验的效率，在不断的研究改 善下，模拟试验的精度也在逐渐提高。目前世界上用于模拟汽车碰撞过程中车身、 车架的动态响应最常用有限元软件有l s d y n a 3 d 、m s c d y t r a n 和 p a m c r s s h t 埽j 。上述软件的核心部分都是以美国l a w r e n c el i v e r m o r e 国家试验 室在2 0 世纪7 0 年代开发出的d y n a 公开版本的理论为基础。通过实践证明， 它们在分析和研究结构三维动态大变形方面具有较强的功能，特别是在汽车被动 安全领域的研究十分成功【3 】。这些软件在实际的应用中，虽然模拟出来的结果与 真实的情况还存在一定的误差，但是其误差都是在一定的范围以内，对于研究工 作不会产生太大影响，相信随着科技不断发展，技术日渐成熟，计算机模拟的水 平和精度也会逐渐提高。这些有限元软件能够逐渐走向成熟，其前提条件也是在 如牛顿矢量力学、碰撞理论、有限元理论、拉格朗日分析力学、多刚体力学等学 科的不断发展进步的推动下，才能够不断补充完善从而更加快速高效地进行事故 分析，从而使汽车的被动安全性能也将得到进一步加强。 1 4 侧面碰撞研究在国内外的发展状况 1 4 1 国外发展状况 欧美一些发达国家早在上个世纪3 0 年代末和4 0 年代初就已经开展了关于 碰撞安全的各项试验，6 0 年代，美国就已经开发出了当时世界上第一个碰撞模 拟软件s m a c t l 8 j 。在此之后的4 0 年左右，相继出现了很多专门用来研究汽车侧 面碰撞模拟仿真的商业化软件和研究部门。 发达国家在2 0 世纪7 0 、8 0 年代后期就以本国现有车型和交通事故的相关记 录分析并结合汽车碰撞的特点开始制定和执行了有关汽车碰撞安全的技术的法 规，在之后，这些法规不断地得到补充和完善，这其中也包括后来才补充进来的 关于侧面碰撞的安全法规。由于执行了安全法规，这些国家每年发生的汽车事故 中的死亡率下降了约为2 0 ，而且不再出现死亡人数逐年增加的情况。但目前国 5 武汉理工大学硕士学位论文 际上对于侧面碰撞的法规还没有得到一致的意见，各国都是根据自己的国情制定 了相关的法规，其中关于侧面碰撞的安全法规最具影响且法规要求相对完善的有 美国的f m v s s2 1 4 和欧洲的e c er 9 5 两种法规，美国和欧洲是最早发展汽车工 业的，所以他们在研究侧面碰撞的试验技术上也相比其他国家早和先进，大约在 上个世纪7 0 年代就已经开始做与侧面碰撞相关的试验研究。虽然日本也是汽车 工业发展的一个强国，但他们起步相对较晚，所以在研究侧面碰撞方面也比较晚， 直到1 9 9 8 年日本才正式将侧面碰撞法规纳入他们的保安基准【l 引。此外，加拿大、 澳大利亚、沙特阿拉伯、南非、香港、新加坡等国家和地区都有自己的汽车法规， 但这些法规都是参照美国法规和欧洲法规再结合本国具体情况制定的【6 】。 本文主要分析研究了美国和欧洲现有的侧面碰撞法规，发现他们在试验的很 多参数上都有很大差异，其中主要包括：移动变形壁障的质量、尺寸、形状及刚 度特性、碰撞形态、试验所用假人、碰撞速度、碰撞位置、乘员伤害指标等【6 】。 在图1 3 中可以看出两者在碰撞的形态上也有着非常大的差异，比如碰撞的角度， 美国的是台车行驶的方向与撞击方向呈一定的夹角，为2 7 0 ，而欧洲的标准中台 车的行驶方向与被撞车辆的侧面是垂直的【6 j 。 图卜3 美国f m v s s 2 1 4 侧撞形态( 左) 和欧洲e c e r 9 5 侧撞形态( 右) c a ) 移动台辜结构尺寸 ( b ) 吸能块结构尺寸 图卜4 f m v s s 2 1 4 移动变形壁障 6 武汉理工大学硕士学位论文 ，、：- i _ 抽j 口 图卜5e c e r 9 5 移动变形壁障 表卜2 美国、欧洲侧面碰撞法规试验方法及评价指标对比 注键咯 n 匹锻s 2 1 4 ( 益l 碣)e c e 9 5 ( 跤洲) 项 j 私终铡艇鹾掩霏城侏护e c e 翻瓶磁挖震照像扩 移动蹙彩擎繇质皱 1 3 6 5 k c9 卯】c c 磁掩建浚 5 3 6 k i n h5 0 k m l h 射j 轴疑，s 2 s 9 5 6 m m 的 ： 移动变黪镀簿的沿叛轴中壤蕊 辆裢移动蹙黪啭降瓣搀 姆蕾辆，j 二逶过疆掩铡潮籍罐挎 铡铁轴蹈巾。辩瓣 定点的横断蹶的蹈恣晦磊 9 3 9 8 m m 处i ；l 壤巍壤蹴 磁援壤准线线；对予轴铤火f 2 5 m m ；之内。斑试骏翡院确 橼痉疆掩的瓣闫咖翦寝溺拜 2 鞠5 6 弧尔辆在绉动 受鼯键降的罐i 绸姨轴线巾 搠震巍嘶新戳宅豹水平巾闷獭 蕾鼋乎 ：下两个黟既袭撷为 。线辩质姗姗缝哆l 2 5 r a m 豹毕l l i i i 巾闭 臻壤线 s i de n m si d l 谨掩极人 ( 炎闲朔l i t 瑾掩般入)( 欧i f 铭丽磺控彀凡) h i c 葺l 咖 ( 炙黧伤：l 撤标) r n 叠琵( 拨l 】乍) ( 嘲狡搦侥搬鼯)苎9 0 e ( 两 1 乍) 伤 鹈r d c 4 2 m m 拯 勰 ( 物裙蹙髟攒故) 擀 v c 杯 t l 删l ( 触忾擒标) 睃鳃蔽倚2 5 k n 绷述窿_ 1 3 0 9 嚣盆 投筠t 6 l d 呵 7 武汉理工大学硕士学位论文 通过制定和实施汽车安全法规，发达国家的汽车安全性得到了很好的改善， 交通事故的发生概率和伤亡概率也大幅降低。但是由于各国所实施的法规内容都 不尽相同，这给国与国之间的汽车贸易造成了一定阻碍，而汽车工业作为很多国 家经济的主要支柱产业，无疑这也给各国的经济发展带来了不利的影响。所以在 世界范围内将碰撞法规统一已引起各国高度重视，相信经过协调和不断进行相关 研究，不久的将来关于侧面碰撞的安全法规会在世界各国得到统一。目前，世界 各国在侧面碰撞的试验研究上还在不断努力，而实施的法规标准也在不断修改、 完善，随着计算机技术的不断发展其技术指标也在不断提高。表1 2 对美国、欧 洲侧面碰撞法规试验方法及评价指标作了对比。 1 4 2 国内发展状况 与那些汽车工业发达的国家相比，我国的汽车业起步较晚，发展也相对比较 滞后。事实上，我国早在1 9 8 9 年就公布了有关汽车碰撞安全性的国家标准，但 是由于我国汽车行业对汽车被动安全的了解很少，缺乏这方面独立的研究能力和 自主开发的能力，更没有这方面的试验经验和测试能力，所以未能强制实行【3 】。 1 9 9 1 年，清华大学研制出我国第一座汽车碰撞模拟实验台，这是我国真正意义 上对汽车被动安全性研究的一个开端【7 】【8 】。 表卜3 侧门强度实验性能要求 使午f 】蹙彤的挤j 瓦力的 均簸 韧娥耐挠胍力 t l 阐耐挠l 嚣力竣火耐挤j 蓉力 ( a - 1 5 2 m m 挠腹距( 0 - 3 0 5 r a m 挤厩距( 0 - 4 5 7 m m 挤i 医距 离)搿)离) 从率内移出町缝影 小小i ：缓 ：整螯瓶 之1 00 0 0 n1 5 5 6 0 n麓的2 绫或3 l1 2 0 n 晌搠凌的感锋 ( 取，”? 开较小使) 安装晚车内的座掎 不小。l ：整1 ：懿褥质 芝1 00 0 0 n芝1 94 5 0 n 艇的3 5 侪5 33 4 0 n 处于经窟町谰缝霞 ( 取一：栉较小馥) 从我国开始研究汽车被动安全性起，就把重点放在了怎样提高正面碰撞中汽 车的防撞能力上，现如今，汽车正面的防撞能力已经得到全面提高，但是关于侧 面碰撞的研究却在相当长的时期内都是空白的，所以关于侧面碰撞的研究还有很 长的一段路要走。我国真正意义上对侧面碰撞研究的重视是在2 0 0 0 年以后，2 0 0 2 8 武汉理工大学硕士学位论文 年我国汽车标准化委员会将汽车侧面碰撞安全性列入国家标准制定计划，经过几 年的研究，结合我国的基本国情和实际交通情况，主要参照了欧洲e c e r 9 5 法规 的要求，同时也参考了美国和日本的一些法规要求，终于在2 0 0 6 年7 月1 日正 式颁布并实施了汽车侧面碰撞的乘员保护( g b 2 0 0 7 1 2 0 0 6 ) ，该 标准与e c e r 9 5 法规在移动变形壁障的质量、尺寸、形状及刚度特性、碰撞形态、 试验所用假人、碰撞速度、碰撞位置、乘员伤害指标都相同【6 】。轿车在侧面碰撞时， 可能会引起侧向倾翻或横滚，针对这些情况下的安全性考虑国家也制定了相应的 法规轿车侧门强度( g b l 5 7 4 3 1 9 9 5 ) 例，这些可以参照表1 3 侧门强度实验 性能要求。 在我国的高校中，专门从事汽车碰撞研究的比较少，在国内比较具有影响力 的有湖南大学和清华大学，这两所学校投入了大量的人力物力，引进了许多国外 的先进设备，在汽车碰撞研究方面取得了一些重要成果。迄今为止，清华大学碰 撞试验室已经对国内很多车型进行了整车的碰撞试验，在试验的基础上，还开展 了先进的汽车碰撞模拟计算机技术的研究，为国产汽车在设计阶段进行模拟计算 预测，与国外著名的汽车厂家和相关公司开展了多项合作项目，并且取得了非常 宝贵的试验经验【3 】。虽然我国在计算机模拟软件的开发中还存在很多不足，但是 相信凭借目前所取得的经验，我国的汽车业界在不久的将来也会研究出一款用于 碰撞模拟的计算机软件。 如今我国有许多专门从事汽车碰撞研究的机构，有些属于汽车企业，有一些 在国内高校中，这些研究机构对国内外多种车型的侧面碰撞进行了实车和仿真试 验，获得了许多宝贵的经验和研究数据，我国关于汽车安全性的研究正在逐渐走 向成熟。 1 5 本课题的研究背景及主要研究内容 国外从上个世纪6 0 年代中期就开始了计算机模拟碰撞试验的研究工作，尤 其在近4 0 年，计算机碰撞仿真技术得到广泛的应用，这使得汽车研究人员在进 行汽车安全性的研究中事半功倍，在汽车被动安全的研究上更是获得了许多非常 宝贵的试验经验。 自我国正式颁布汽车侧面碰撞的乘员保护( g b 2 0 0 7 1 2 0 0 6 ) 以来，为 了更好的适应市场的需求，降低开发费用，缩短开发周期，我国多数汽车公司都 按照该法规要求对自己公司研发的新车型进行了侧面碰撞的安全性试验，即碰撞 仿真分析。 本文就是以国产某品牌轿车为研究对象，在h y p e r m a s h 中对其进行有限元 建模，同时建立的还有移动壁障车的模型，然后在l s d y n a 的虚拟试验场中进 9 武汉理工大学硕士学位论文 行侧面碰撞的仿真，最后对其仿真结果进行分析，并在假定条件下适当改进试验 车模型的一些重要参数，对比仿真结果，希望通过仿真分析能够优化各种结构参 数，改进该车的侧面碰撞安全性能。 文章的主要内容大致可归纳为以下几个方面： ( 1 ) 在阅读大量文献的基础上对世界交通事故的统计数据进行了简要分析 并指出汽车安全性研究的重要性以及侧面碰撞研究的意义、方法等； ( 2 ) 简要介绍了虚拟试验的基本理论和试验步骤，其中包括了多刚体力学 的相关理论知识及有限元法在侧面碰撞仿真分析建模中的计算理论； ( 3 ) 进行移动变形壁障车及试验车型的有限元模型的开发研究，按照汽 车侧面碰撞的乘员保护( g b 2 0 0 7 1 2 0 0 6 ) 法规标准并结合e c e r 9 5 法规要求建 立用于汽车侧面碰撞仿真分析的移动壁障模型和试验车模型； ( 4 ) 把建好的c a d 模型导入h y p e r m a s h 中进行网格划分，并对模型的单 元属性以及材料进行定义，设定各种约束条件和边界条件； ( 5 ) 在l s d y n a 虚拟试验场下进行模拟仿真，根据汽车侧面碰撞的乘 员保护( g b 2 0 0 7 1 2 0 0 6 ) 法规，对该车体结构进行侧面碰撞仿真分析，并对仿 真的结果进行分析研究，得出相应的结论； ( 6 ) 经过分析研究，找出模型中影响侧面碰撞安全性的关键因素，设定几 种不同改良措施方案，并对方案的模拟仿真结果进行分析、比较； ( 7 ) 总结各种方案措施对于侧面碰撞安全性能的影响，得出优化方案。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章虚拟试验研究方法及仿真理论 从广义的角度来讲，虚拟试验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在 计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代实物试验的各个试验环节，将所有 的试验对象和试验步骤都集合在一个虚拟的环境下进行，当然理论上还是要求这 个虚拟的环境尽量符合真实的环境，虚拟的试验对象也能在各方面尽可能的接近 真实的物体。 而所有这一切的模拟过程都必须建立在计算机模拟软件的开发和应用的基 础上，上一章中已经介绍了很多目前在汽车安全碰撞研究上研究出来的试验软件， 通过这些软件，试验研究人员可以进行对研究对象建立一个虚拟的试验模型，同 时也可以通过这类软件建立一个模拟真实试验场的虚拟试验场，当试验对象和试 验场所都建立好模型之后，就可以利用这些软件来进行虚拟的模拟他们的运动过 程，同时计算出他们运动过程中各种试验需要分析研究的数据，试验人员可以通 过分析这些数据来判断虚拟试验的有效性，并从结果来判断所研究对象是否符合 标准。 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。因此，目前很多汽车厂商都倾向于使用计算机模拟的方法来对汽车 进行各方面的性能测试，即虚拟试验。 榜笨 图像倍号 2 = = = 电信孽 ， ! 二：嚣 裟l 祝 离谜寥功缱歹。h 搏飘 图2 1 传统碰撞试验的组成 l l 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 汽车碰撞虚拟试验方法 汽车的虚拟试验必须以实车碰撞试验的结果和方法为依据，将所有真实试验 环境中涉及试验条件都在虚拟的试验场中模拟出来，根据实际情况建立相应的试 验虚拟模型，然后将设置好各种参数的虚拟模型导入计算分析软件中，从而获得 最终的试验结果【l 引。虚拟汽车碰撞试验的实施主要分为以下几个步骤，如图2 2 所示： 1 ) 原始模型的开发，即针对不同的研究对象建立具有研究侧重点的试验模 型，这种模型通常都是经由两部完成的，最初的模型是在c a d 软件里面建立的， 然后在此基础上建立有限元模型； 2 ) 在虚拟的试验平台上实现需要模拟方针的试验内容，一般情况下，这个虚 拟试验的平台是根据试验所确立的目标来编程设计的一个系统平台，目前有很多 汽车研究机构已经研制出很多已经成熟的汽车虚拟试验平台可供研究人员使用； 3 ) 建立了虚拟试验场以后，就可以将各种虚拟模型导入这个建好的试验模拟 平台中； 4 ) 一般的仿真软件不仅仅是能将试验的过程虚拟的呈现，而且还能计算出 在试验过程中研究人员所需要分析研究的重要数据，所以最后一步就是将计算的 结果进行分析研究并不断改进。 有 限 兀 模 型 修 改 图2 2 模拟试验的步骤 原 始 设 计 改 进 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 虚拟试验的仿真理论基础 目前在汽车碰撞安全的研究领域中，模拟计算采用的方法主要是多刚体力学 和动态大变形非线性有限元法。多刚体动力学可以对大位移系统做运动分析，能 够更好地处理非线性问题，建模方便且计算速度快，在汽车被动安全研究中可用 于研究人体和车辆的动态响应；而有限元法只要用于处理碰撞中的各种接触问题， 还能模拟各种碰撞中的变形过程并作相应的一些计算【3 】。有限元法出现于上个世 纪的五六十年代，但是由于当时的理论不够成熟且当时的计算机硬件还处于萌芽 时期，因此没有得到很好的推广和发展，直到上个世纪七十年代初才得到大力推 广，并且拥有诸多优点，因此很快得到了工程界的认可从而可以实现大规模的发 展并逐渐商业化，现在，有限元法已经在多个领域得到了广泛的应用，它已经成 为工程师们从事工程研究的一个重要的辅助分析工具【2 2 】。 2 2 1 多刚体理论基础 碰撞问题是多刚体动力学中一个重要的研究领域，尤其在汽车碰撞安全性方 面应用的非常广泛。本文在参考了大量文献的基础上，对汽车侧面碰撞问题的刚 体模型进行了研究。 模型中的刚体形状可以是平面、柱面、椭球或超椭球，多刚体模型在碰撞环 境中的接触表面如下图2 3 所示。 椭球1 图2 3 多刚体模型的接触图( 左为椭球与平面、右为椭球与椭球) 对于碰撞来说，它可以描述为一种接触时间很短但是接触力却很大的瞬时接 触过程，在碰撞过程中，物体的位置可以认为不变，而速度则发生跳跃变化。在 汽车碰撞计算机模拟试验中，接触问题的处理是一个重点，作用在汽车零部件上 的载荷通常都非常大，载荷主要来源是接触面法向碰撞力以及切向的摩擦力。这 些巨大的载荷会使得汽车零部件产生较大的塑性变形甚至是断裂。要提高汽车碰 武汉理工大学硕士学位论文 撞仿真计算的精度，就需要精确的处理好接触问题。根据动量守恒定律，多刚体 系统中每个多刚体在进行直线与旋转运动时的运动控制方程由欧拉方法得到。以 下为刚体关于自身惯性中心的运动方程【4 3 】： m i i ：i = f i( 2 - 1 ) j i - ) i + ( i ) i j i ) i = t i( 2 2 ) 式中m i 为质量；j i 为关于惯性中心的惯性矩；( ) j 角速度向量；f i 力向量； 瓦为力矩( 相对于惯性中心) 向量；r i 位移向量。 对于多刚体中的某一个刚体来说，f i 和瓦还包括通过铰作用的力，在不知道 整个系统加速度的前提下铰的约束力也是不知道的。对2 1 式中位移向量取变分， 对2 2 式中的方位取变分，两式相加后可以得到i 个刚体有以下等式【4 3 】： 6 r i m i i ：i f i + f i n i 0 i 0 3 i + ( i ) t j i c a ) i t i = 0( 2 3 ) 若由铰链所产生的约束不被破坏的话，则按照虚功原理，可以得到铰的自由 度对时间的二阶导数表示的方程如下： i i i i = m i j y i j + q i i ( 2 4 ) 式中y i i 是在父刚体( 树状结构的上一层刚体) 坐标系中的线性和角加速度分量 组成的列矩阵，q i jm i j 取决于刚体的惯性及瞬间的集合位置，q i j 还与系统的 瞬时速度和作用的载荷有关。多刚体动力学法被广泛的运用于乘员的伤害保护和 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。 2 2 2 有限元法理论基础 有限元方法是由r 。c o u r a n t 于1 9 4 3 年首次提出并在2 0 世纪5 0 年代由航空 结构工程师所发展起来的。有限元方法之所以得到迅速的发展和广泛的应用，是 因为它具有独特的优越性，如它具有计算网络的灵活性、计算程序的通用性等优 点。有限元方法是求解偏微分方程近似解的一种现代数值方法，用其来求解一般 问题时，大致要经过以下几个过程：1 ) 建立与实际问题相适应的数学模型( 微 分方程及边值条件) ；2 ) 寻找与数学模型相适应的变分问题；3 ) 建立有限元空间、 即选择元素类型和相应的形状函数；4 ) 单元刚度矩阵、单元列矩阵的计算和总刚 度矩阵、总列矩阵的合成；5 ) 边界条件的处理和有限元方程组求解；6 ) 必要的理 论分析：7 ) 误差分析、数值积分影响，等等；回到实际问题中去( 即解释实际问 题) 【4 6 】。 上个世纪8 0 年代之前，有限元法在汽车碰撞分析中的应用很少，而且建立 的计算分析模型也非常简单，单元的数量也很少，与实车有非常大的差距；但是 8 0 年代之后，有限元法在汽车被动安全的研究上也运用的越来越成熟，由于计 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 算机模拟费时少，效率高，而且还节约研究经费，因此在很多方面的研究中逐步 取代了实车的碰撞的工作。如今，有限元方法不仅已建立较完善的数学理论体系， 而且也会伴随相关理论知识的发展而不断完善自己。 汽车碰撞是一个动态的大位移和大变形的过程，对于这种系统的模拟计算则 需要采用动态大变形非线性有限元的方法【3 j ，因此汽车侧面碰撞的虚拟试验的计 算实际上涉及到是一个含未知边界条件的偏微分方程的求解【2 3 1 。下面将与汽车 侧面碰撞分析相关的有限元求解控制方程和理论作简要介绍： 1 ) 运动方程 如图2 4 ，取初始时刻的质点的坐标为x i ( i = 1 , 2 ，3 ) ，在任意时刻t o 该质点的 坐标变化到x i ( i = 1 , 2 ，3 ) ，那么这个质点的运动方程是： x i = x i ( x i ，0 i = 1 , 2 ，3 ( 2 - 5 ) 在t = o 时，初始条件为： x i ( x i ，0 ) = x i x i ( x i ，0 ) = v i ( x i ，0 ) 式中，为质点的初始速度。