（光学工程专业论文）大客车顶部结构强度分析及翻滚碰撞性能研究.pdf

摘要 汽车作为现代社会的罩要交通工具之一，在给人们带来极大便利的同时，也因其造 成的交通事故而给人类的生命、财产安全带来了严重威胁，其中尤以大客车的交通事故 所造成的损失和影响最大。目前，世界各主要汽车生产企业都开展了有关汽车安全性及 其车身耐撞性的设计研究；国际上也颁布了多项有关客车结构的安全性法规( 如联合国 欧洲经济委员会的e c er 6 6 等) ，并严格按照法规要求对客车产品进行强制安全认证。 如何能够提高大客车碰撞安全性，降低其交通事故的伤亡率，已经成为各客车企业和科 研机构研究的重要课题。 本文首先论述了汽车碰撞安全性研究的重要性及具体研究方法，分析了国内外采用 计算机模拟仿真对汽车碰撞进行研究的概况，探讨了国内在大客车碰撞安全性研究上的 不足和差距。最后，在参照2 0 0 6 年联合国欧洲经济委员会最新修订颁布的欧洲安全法 规( e c er 6 6 ) 的基础上，采用有限元分析方法对某型大客车的翻滚碰撞试验进行了计算 机模拟仿真，并分析了车身尤其是顶部骨架结构的耐撞性能。 本文主要包括以下几方面内容： ( 1 ) 通过合理选择单元类型及网格划分，对车身结构进行简化，建立了规模适当的大 客车车身结构的有限元模型。 ( 2 ) 在大客车车身结构有限元模型基础上，对车身及顶部骨架结构进行了弯曲、扭转 及紧急制动三种典型工况下的结构分析，并校核了其刚度和强度。 ( 3 ) 在模态分析中，对大客车车身结构有限元模型的稳定性进行了有效验证，并通过 对振型和频率的分析，验证了车身结构在随机载荷作用下的动强度。 ( 4 ) 按照欧洲安全法规( e c er 6 6 ) 对该型大客车进行了翻滚碰撞计算机模拟仿真， 分析了车身尤其是顶部骨架结构的耐撞性能。 ( 5 ) 采用模拟仿真计算方法，针对一起发生交通事故的大客车及其车身结构进行了翻 滚碰撞模拟，通过其仿真结果与前样车的仿真结果对比分析，以及对事故客车仿真模拟 改进设计后的再次模拟，结果表明仿真结果与实际结构具有较好的相似性，且改进效果 显著。 关键词：客车：顶部结构；强度：被动安全；有限元分析：翻滚；碰撞；改进设计 a b s t r a c t v e h i c l e ，w h i c ha c ta so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr o l ei nm o d e ms o c i e t y , b r i n gu sn o t o n l yg r e a tf a c i l i t a t i o n si nd a i l yl i f e ，b u ta l s os e r i o u st h r e a t se s p e c i a l l yb u sa c c i d e n t sc a u s e s n o w a d a y s ，m o s to ft h ea u t o m o b i l ee n t e r p r i s e si nt h ew o r l dh a v ed e v o t e di n t ot h er e s e a r c ho f t h ev e h i c l e - c o l l i s i o ns a f e t ya n dt h es t r e n g t h a n a l y s i so ft h ev e h i c l e s t r u c t u r e m e a n w h i l e ， o b l i g e dr e g u l a t i o n so fb u s c r a s hs a f e t y , s u c ha se c er 6 6e d i t e db yu n e c e ，h a v eb e e n c o n s t i t u t e di ni n t e r n a t i o n a lf i e l do r d e r l y h o wt oi m p r o v et h es a f e t yo fb u s c o l l i s i o na n d r e d u c et h ec a s u a l t yh a sb e c o m et h eu r g e n tt a s ko fa u t o m o b i l em a n u f a c t u r e s t h i sp a p e rb r i e f l ys u m m a r i z e dt h ei m p o r t a n c eo fr e s e a r c ho nb u s c r a s hs a f e t ya n dt h e t e c h n i c a lm e t h o d so ni t ；b a s i c a l l ya n a l y z e dt h er e s e a r c hs i t u a t i o na b o u tb u s c r a s hs i m u l a t i o n o np ci nh o m ea n da b r o a d ，t h e n ，m a i n l yd i s c u s s e dd i s a d v a n t a g e so ft h er e s e a r c hi nd o m e s t i c b u s i n d u s t r y ；f i n a l l y , a c c o r d i n gt oe c er 6 6e d i t e db yu n e c e ，t h ei d e ao fu s i n gf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) t oa c c o m p l i s hb u s b o d yf r a m ec r a s hs i m u l a t i o ni sp r e s e n t e d t h ep a p e rm a i n l yd i s c u s s e da sb e l o w ： ( 1 ) f e am o d e l ：a f t e rt a k i n gt h er e a s o n a b l et y p e so fe l e m e n t sa n dd i s t r i b u t i o n so f 面d ， t h eb u s - b o d ys t r u c t u r ei ss i m p l i f i e da n df e am o d e lo fb u s - b o d yf r a m ef o rr o l l o v e rc r a s h s i m u l a t i o ni se s t a b l i s h e d ( 2 ) t y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n sa n a l y s i s ：i nt h eb a s e so ff e am o d e l ，t h i sp a p e r a n a l y z e db u s b o d ys t r u c t u r eu n d e rt h r e et y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n s ，a n dc h e c k e di t ss t r e n g t h a n dr i g i d n e s so f t o p b o d yf r a m e ( 3 ) m o d ea n a l y s i s ：t h r o u g ha n a l y s i so fn a t u r a lf r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nm o d eo f b u s - b o d ys t r u c t u r e ，w eg o tt h ec h a r a c t e r i s t i co fb u s b o d ys t r u c t u r ev i b r a t i o n ，a n dp r o v i d e dt h e c r i t e r i o nf o rl a t e rd e s i g n ( 4 ) r o l l o v e rc o l l i s i o n ：a c c o r d i n gt oe c er 6 6e d i t e d b yu ，n e c e ，t h i sp a p e r d i s c u s s e dt h er o l l o v e rc o l l i s i o no np c s i m u l a t i o n ，t h e na n a l y z e dt h es t r e n g t ho fb u s b o d y s t r u c t u r ee s p e c i a l l yt h et o pp a r to fb u s f r a m e ( 5 ) c o n t r a s td e s i g n s ：o nt h eb a s i so fe a r l ys i m u l a t i o n sm e t h o d s ，t h i sp a p e rs i m u l a t e d a n o t h e rb u so ft h es i m il a rs t r u c t u r e ，w h i c hi n v o l v e di nar e a lt r a f f i ca c c i d e n t ，s ow eo b t a i n e d r u l e so fb u sr o l l - o v e rc o l l i s i o na f t e rc o n t r a s t i n g k e yw o r d s ：b u s ；t o p s t r u c t u r e ；s t r e n g t h ；p a s s i v es a f e t y ；f e a ；r o l l - o v e r ；c o l l i s i o n ；i m p r o v e dd e s i g n 1 l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 加譬年月t 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 卒猗 p 移 瑚年彳月l 日 。2 p 噼g 月乙召 长安人学硕i ：学位论文 1 1 引言 第一章绪论 我国进入二十一世纪后，随着经济和社会的发展，人民生活水平不断提高，汽车已 经成为人们生活生产中不可缺少的一部分。其中，客车作为公路客运的主要交通工具， 与轿车、载货汽车一样是众多工业产品和科学技术的结晶，它不仅给人类社会带来了巨 大的经济效益，也推动了人类社会的向前发展。 汽车在给人们带来极大便利的同时，也因其造成的交通事故给人类的生命和财产安 全带来了严重威胁。近年来，随着我国道路条件的改善和车辆的迅速增加，事故增长迅 速，交通事故死伤人数也不断上升，事故率及死亡率远高于发达国家，并持续保持平均 每年死亡7 万人以上，其中，2 0 0 1 年2 0 0 3 年连续三年死亡人数突破l o 万。2 0 0 6 年。 全国共发生道路交通事故3 7 8 7 8 1 起，造成8 9 4 5 5 人死亡和4 3 1 1 9 3 人受伤，直接财产损 失1 4 9 0 亿元。交通事故不仅造成巨额的直接经济损失，而且导致残疾人口上升和家庭 不幸等诸多社会问题。据统计在2 0 0 6 年全国发生的3 8 起特大事故中( 公安部规定一次 死亡2 0 人以上) ，客运汽车事故约占8 0 ( 公路客运占旅客运输总量的9 0 - - 0 4 ，周 转量占5 6 6 3 ) 【l 】。表1 1 为自1 9 9 6 年以来全国道路交通事故统计。 表1 11 9 9 6 , - - 2 0 0 7 年全国交通事故统计表 年份事故次数( 次)死亡人数( 人)受伤人数( 人)直接损失( 亿元) 1 9 9 62 8 7 6 8 57 3 6 5 51 7 4 4 4 71 7 1 2 1 9 9 73 0 4 2 1 77 3 8 6 l1 9 0 1 2 81 8 1 5 1 9 9 83 4 6 1 2 97 8 0 6 72 2 2 7 2 11 9 3 0 1 9 9 94 1 2 8 6 0 8 3 5 2 9 2 8 6 0 8 02 1 2 4 2 0 0 06 1 6 9 7 19 3 8 5 34 1 8 7 2 12 6 6 9 2 0 0 l7 5 4 9 1 91 0 5 9 3 05 4 6 4 8 53 0 8 8 2 0 0 27 7 3 1 3 71 0 9 3 8 15 6 2 0 7 43 3 2 4 2 0 0 36 6 7 5 0 71 0 4 3 7 24 9 4 1 7 43 3 6 9 2 0 0 45 6 7 7 5 39 9 2 1 74 5 1 8 1 02 7 7 0 2 0 0 54 5 0 2 5 4 9 8 7 3 84 6 9 9 l l1 8 8 0 2 0 0 63 7 8 7 8 18 9 4 5 54 3 1 1 9 31 4 9 0 2 0 0 73 2 7 2 0 98 1 6 4 93 8 0 4 4 21 2 4 8 第一章绪论 表1 1 中的数据表明，汽车交通事故造成的大量人员伤亡所导致的一系列社会、经 济问题严重影响了人们的正常生活。为此，对汽车安全性能的要求越来越高，相应的研 究工作也越来越受到重视。目前，我国已经加入世界贸易组织( w t o ) ，中国经济与世 界经济的关联度越来越大，汽车工业不仅在国际上而且在国内也面临着激烈的国际竞 争，汽车工业的发展在某种程度上代表我国工业的发展水平。为应对日益严重的城市道 路交通压力和日益短缺的能源威胁，国家积极支持和鼓励公共交通发展，这对客车行业。 发展提供了重要的机遇。要巩固国内市场并进入国际市场同其他同行竞争，就必须加强 我国汽车安全性能方面的研究，以适应国外严格的安全法规【2 】。因此，加强汽车安全性 的研究，提出相应的技术措施并改进现有产品结构就显得非常迫切和重要。 1 2 汽车碰撞安全性研究概述 节能、安全、环保既是当今人类面临和关注的三大主题，也是当今世界汽车工程领 域的三大主题，是具有重要社会、经济意义的研究重点和热点。提高汽车安全性就是提 高汽车产品市场占有率，就是汽车生产者对道路使用者的关怀，对稳定社会、保持经济 繁荣有着十分重要的意义3 1 。 1 。2 1 汽车安全性概念 汽车安全性研究按照交通事故发生的前后可分为两类，即主动安全性研究和被动安 全性研究。 1 、主动安全性( a c t i v es a f e t y ) 所谓主动安全性是指在交通事故发生前采取的安全措旌，这些措施应尽可能的避 免交通事故的发生，是使汽车能够识别潜在的危险因素自动减速，或当突发因素作用时， 能够在驾驶员的操纵下避免发生交通事故的性能。目前，已发展成熟的主动安全性装置 和技术主要包括：车轮防抱死制动系统( a b s ) 、牵引力控制系统( t c s ) 、主动悬架、四轮 转向、四轮驱动、车距雷达报警系统和汽车全球定位导航系统( g p s ) 等。但是，汽车主 动安全性并不能完全预防大部分交通事故的发生，因此提高汽车本身在发生交通事故时 保护乘员、行人免受或减轻伤亡的汽车被动安全性也是汽车安全研究的主要课题。 2 、被动安全性( p a s s i v es a f e t y ) 所谓被动安全性是指当汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员或车外 2 长安人学顾十学位论文 行人进行保护，以免发生伤害或使伤害减低到最低程度的性能。汽车被动安全性研究着 眼二f 如何合理地进行车身结构安全性设计，利用车身结构的变形尽可能地吸收能量以减 少对乘员的冲击和防止乘员生存空间车厢的变形。同时，又要利用乘员约束系统， 防止和减少乘员与车厢部件发生再次冲击造成的“二次伤害”。车身结构的安全性设计 和乘员约束系统的采用，两者相辅相成，密不可分。目前，汽车被动安全性的研究内容 主要包括车身结构抗撞性研究、碰撞生物力学研究以及乘员约束系统和安全驾驶室内组 件的开发研刭4 1 【5 1 。 1 2 2 汽车碰撞事故研究 1 、单车事故和多车事故 汽车碰撞事故可分为单车事故和多车事故，单车事故又可细分为翻车事故和障碍物 碰撞事故。翻车事故通常是由于汽车高速转弯或驶离路面造成的，其严重程度主要取决 于事故车辆的车速和翻车路况。障碍物碰撞分为前撞、尾撞和侧撞，前两者较为常见。 单车事故中汽车可受到各个方向的冲击载荷，因此障碍物的特性如刚度、质量、尺寸、 形状和运动状态等对交通事故的影响较大3 】【5 1 。而多车事故则多为高速公路上和气候恶 劣条件下的追尾事故，一般发生在阴雨雾霾天气，其严重程度主要取决于车辆的总数与 车辆行驶速度【5 l 。 2 、汽车碰撞事故乘员伤害的主要来源 在汽车发生碰撞时，车身结构发生变形，汽车某些部件侵入乘员生存空间( 如发 动机后移与驾驶员接触等) ，使乘员受到伤害； 碰撞过分剧烈，冲击加速度超过了人体承受的极限； 在汽车碰撞过程中，乘员受惯性作用移动，与汽车内部结构( 如方向盘、仪表盘 等) 发生多次二次碰撞而造成伤害； 在汽车碰撞过程中，由于乘坐室的严重变形，乘员缺乏足够的生存空间而产生伤 害【5 】o 3 、提高汽车被动安全性的相应对策 提高汽车结构的安全性，吸能部件的塑性变形应尽可能大，吸收较多的碰撞能量。 同时保证乘坐室足够的强度和刚度，变形不能过大以确保乘员的生存空间： 降低汽车减速度的峰值，尽量缓解一次碰撞的强度： 使用成员保护系统( 安全带、安全气囊等) 对乘员加以保护。通过安全带的拉伸 第一章绪论 变形和气袋的排气节流阻尼吸收乘员的动能，使二次碰撞得到缓冲，以达到保护乘员的 目的【5 1 。 4 、车身结构耐撞性的研究内容 主要指在车身结构产生较大变形时，吸收足够的碰撞能量并保证乘员最小的生存空 间。为了提高汽车车身的耐撞性能，人们提出了汽车耐撞性的设计原则： 碰撞动能应尽量不可逆地转换为变形能，对于金属管等主要转换为塑性变形能； 在碰撞过程中，吸能结构的变形模式应当稳定，具有可重复性和可靠性，即吸能 结构在随机的碰撞事件中能以相对固定的模式吸收碰撞能量； 在能量吸收过程中应能够控制质心加速度以保护乘员的安全，并将加速度引起的 惯性力控制在人体伤害极限范围内； 为了吸收更多的动能，吸能结构应能提供足够长的变形过程，且在变形前不占据 过大空间，变形后不造成次生破坏( 如碎片飞裂等) ； 在节能方面，要求装置在汽车上的吸能结构应该质量较轻，并具有良好的“比吸 能”( 单位质量所吸收的能量较高) ； 吸能装置通常为一次性使用结构，要求成本低，易于制造和更换【4 1 【5 1 。 1 2 3 汽车碰撞安全性设计与仿真技术的发展 在汽车被动安全研究领域，对于车身结构耐撞性的研究方法主要有两类： 通过试验检验整车及相关安全部件( 如乘坐室的耐撞性) ，这类研究主要是汽车 生产商测试整车及安全部件是否符合各国相应的安全法规： 基于有限元理论的汽车碰撞性能数值仿真。 以上两种方法从降低成本、改变试验环境等条件出发，往往需要在试验定型和制造 前采用仿真试验方法 8 】【9 1 。 1 、实验研究 早期主要通过试验来进行汽车被动安全性研究，有关汽车被动安全性研究的试验有 台架冲击试验、台车碰撞模拟试验和实车碰撞试验。 台架冲击试验用来模拟人体的不同部位与车辆有关部件之间的碰撞，以评价车 辆部件本身的安全性能。 台车碰撞模拟试验主要用于对车内乘员约束系统进行性能评价，其原理是利用 可调的机构( 如缓冲器、程序器、活塞针阀等) 使台车获得可重复的、接近于实车碰撞 4 长安人学硕士学位论文 的减速度波形。 实车碰撞试验用来对已开发出的成品车型进行按法规要求的试验，以鉴定其是 否达到法规要求。如f v s s z 2 0 4 ( 转向控制装置的向后位移) 、f m v s s 2 0 8 ( 乘员碰撞保 护) 、f m v s s 2 1 2 ( 挡风玻璃的安装固定) 、f m v s s 3 0 l ( 燃油系统完整性) 等。这些标 准均要求进行速度为4 8 k m h 的实车与固定障壁的前部碰撞试验。这种试验是从总体上 对汽车的被动安全性做出评价，是检验汽车被动安全性的最直接、最有效的方法。 无论是台车碰撞模拟试验还是实车碰撞试验，都涉及到试验数据的采集与处理，常 用的是电测量和光测量相结合的数据采集系统。此外，试验中要还用到大量的传感器和 高速摄像机。这些数据采集系统以及试验中采用的假人在试验前都要进行严格的标定， 因此试验准备十分费时。另外，被动安全性试验特别是整车试验都是破坏性试验，所需 费用十分昂贵；并且，试验中有一些随机因素的影响，往往致使试验结果不稳定，可重 复性差。随着计算机技术在计算速度、内存容量和图形功能等方面的迅猛发展，以及有 限元和多体系统动力学建模方法的不断完善，使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【8 】。 2 、计算机仿真研究 计算机辅助工程技术c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 计算机技术和数值分 析技术相结合的新兴学科就在这种形势下应运而生。目前，c a e 的发展已经达到较高水 平，许多大型的通用分析软件已经相当成熟并已商业化。c a e 软件分析的对象也逐渐由 线性系统发展到非线性系统，由单一的物理场发展到多场耦合，并在航空航天、机械、 汽车、船舶、建筑、电子等领域获得了成功的应用。现在，许多大的软件公司己经采用 互联网对用户提供技术支持。随着互联网技术的不断发展和普及，通过网络信息的传递， 不仅对某些技术难题，甚至对于全面的c a e 分析过程都有可能得到异地专家的技术支 持，这必将在c a e 技术的推广应用方面发挥极为重要的作用。 目前，计算机模拟仿真技术已经成为汽车行业进行被动安全性研究的核心技术。在 工程实践中，有限元分析软件与c a e 系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，也 使汽车的碰撞性能c a e 研究成为汽车工业中的应用热点( 见图1 1 ) 。其主要表现在以 下几个方面【9 】： 1 ) 模拟各种试验方案，可重复性好，减少试验时问和经费； 2 ) 增加产品与工程的可靠性一在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； 3 ) 采用优化设计，降低材料的消耗或成本； 第一章绪论 4 ) 设计成本低廉，缩短设计和分析的循环周期； 5 1 结果信息全面，方便进行机械事故分析，查找事故原因。 图1 1 汽车偏碰撞的计算机仿真模拟 汽车碰撞是非常复杂的力学问题，虽然计算机模拟不能完全取代昂贵的碰撞试验， 但是为了减少新产品的开发成本，缩短开发周期，提高产品的竞争能力美日欧各大汽 车制造商纷纷采取了试验模拟与计算机仿真模拟相结合的方法，且计算机仿真所占的比 重逐年上升。我国在建成了几个台车碰撞和实车碰撞试验系统，并初步具备了汽车被动 安全性试验研究条件的基础上，一方面要尽快建立企业c a e 评价标准，积极开展汽车 被动安全性领域的计算机仿真研究：另一方面，要积极吸收国外成熟的评价数据与方法， 加快丌发自己的计算机分析软件，以尽快缩短与国际先进水平的差距。 1 3 国内外汽车碰撞安全法规及其研究现状 3 1 汽车碰撞安全法规 1 、国外安全法规 为了减少汽车事故所带来的巨大损失与人身伤害，世界各发达国家都对汽车碰撞安 全性做出强制性要求，并针对汽车碰撞事故中常见的人体损伤和其他危害制定了相应的 汽车碰撞安全法规。日前，世界上实车碰撞试验法规主要有美国的f m v s s ( 美国联邦 机动车安全法规) 和欧洲的e c e ( 欧洲安全法规) 两大体系。除此以外我国及其他国 家如日本、加拿大、澳大利亚等也都先后参照上述两个法规体系制定了适合本国国情的 碰撞安全法规，如澳大利亚的a d r ；加拿大的汽车安全标准( c m v s s ) ；日本的道路 k 安人学硕士学位论文 运输车辆法等。更有一些实力雄厚的汽车制造厂商为提高自身的市场竞争力，制定了 自己一套比国家汽车安全法规更为严格的标准。在积极开展被动安全性研究以及认真贯 彻各项安全法规的作用下，使得这些国家的汽车事故发生率和事故死伤人数大为减少， 取得的效果也极为明型1 】【9 1 。 汽车安全法规一般包括防止事故发生、减轻碰撞事故发生时对乘员的损伤以及发生 事故后防护等内容。除了国家所颁布的强制性法规外，目前还有很多有关碰撞的标准。 国外从事汽车碰撞试验研究的机构主要有：美国公路安全保险协会( i i h s ) 、欧洲新车 评价程序( e u r o n c a p ) 、荷兰国家技术研究院( t n o ) 、英国米拉试验室( m i r a ) 和法国汽车、摩托车、自行车联合会( u t a c ) 、澳洲新车评价程序( a n c a p ) 及日本 汽车研究所( j a r i ) 等。在这些机构中，n c a p 组织( 星级评价组织或新车评价体系) 是目前公认的较权威的机构。从1 9 7 8 年美国成立星级评价组织以来，这个组织就成为 专门从事汽车安全性能测试的权威机构。它不依附于任何汽车企业和团体，所需经费由 政府直接提供。在星级评价试验中，以高于法规试验的碰撞速度对所选样车进行正面、 侧面等碰撞试验，以检测样车的被动安全性能。对车辆而言，其最重要的性能要求就是 要满足法规关于碰撞安全性方面的要求，因此星级评价在给广大用户提供了可靠易懂的 汽车安全性能评估的同时，伴随而来的是越来越多的得到各方面的认可，从而促进各个 汽车厂商不断投入巨资以研制开发安全性能更加优异的产品【2 1 。 2 、国内安全法规 ，： 我国的汽车碰撞安全法规相对于欧、美、日等汽车工业发达的国家和地区来说制定 较晚。1 9 8 9 年我国颁布了中华人民共和国标准法，明确规定将涉及人体健康、人身 财产安全、减少污染和能耗及资源利用等方面的问题纳入强制性标准，并规定：凡是不 符合强制性标准要求的产品，不得生产、销售和使用。19 9 5 年我国将涉及汽车安全、环 境保护和节能方面的6 6 项标准纳入强制性标准体系，其中主动安全标准3 7 项，被动安 全标准1 3 项，这些标准大都是参照e c e 法规和e e c 指令制定的。在汽车安全性方面， 2 0 0 2 年开始实施法规标准，目前法规涉及的主要内容多为车辆前部正面碰撞，其中最主 要的是法规c m v d r 2 9 4 关于正面碰撞成员保护的设计规则。此外，国家标准委员会 发布的汽车侧面碰撞的乘员保护标准( g b 2 0 0 7 1 2 0 0 6 ) 及乘用车后碰撞燃油系统安 全要求( g b 2 0 0 7 2 2 0 0 6 ) 已于2 0 0 6 年7 月1 日起正式实施。继正面碰撞强制性标准实 施后，侧面和后面两项强制性标准的实施被看作是我国汽车标准完善的重要一步，有关 方面表示，此后我国还将会陆续出台翻滚碰撞等强制性标准，逐步与国际标准接轨i i j 。 7 第一章绪论 客车工业是我国加入世贸组织以后发展前景比较好的产业。目前，我国已正式成为 全球车辆法规论坛w p 2 9 19 9 8 年协定书的缔约国之一，系统采用e c e 汽车技术法 规成为我国客车产品国际化发展的技术依据。 我国最初采用国际客车技术法规是从e c er 3 6 关于就一般结构方面批准大型客车 的统一规定开始，除了修改采用e c er 3 6 0 3 、e c e r 5 2 0 1 轻型客车结构安全要求 和e c er 6 6 有关大型客车上部结构强度认证的统一技术规定( g b t 1 7 5 7 8 1 9 9 8 ) 外， 客车座椅极其固定件强度等同采用e c er 8 0 0 1 版，双层客车标准也等同采用e c e r 1 0 7 。特别值得一提的是，在汽车的安全法规中，g b t 1 7 5 7 8 1 9 9 8 客车上部结构强度 的规定的颁布与实施是我国客车被动安全领域的罩程碑。这些法规从可能产生险情处 着眼，主要内容包括保证进出车无阻碍、保护乘客、维持同驾驶员联络、提供警示和应 付紧急情况等内容，对改善公共交通安全起到了明显作用【l0 1 。 1 3 2 国内外关于汽车碰撞安全的研究现状 l 、国外研究发展现状 在汽车诞生和发展的百余年来，汽车安全是其发展的永恒课题。上世纪4 0 年代， 梅赛德斯一奔驰公司第一次进行碰撞试验，揭开了规模型研究汽车碰撞的篇章。上世纪 6 0 年代末，美欧一些国家的汽车巨头如通用、宝马、大众等也相继着手研究汽车相对障 碍物的碰撞。自上世纪8 0 年代来，随着计算机技术的飞速发展，世界各汽车生产大国 对汽车碰撞研究不断发展。1 9 8 5 年，德国大众公司构造的p o l o 车正面碰撞有限元模 型中包括5 5 5 5 个壳单元和1 0 6 个梁单元，并分别进行了偏置、侧面、后部、翻滚的碰 撞试验研究，树立了微型车被动安全性研究的典范。1 9 9 8 年，福特汽车公司在对某型轿 车建立整车计算模型时，已对整车所有主要部件均建立了精确几何模型，不做任何简化， 即模型中各部件几何参数和物理参数均与真实情况一致，从而保证了计算结果的精确 性。同时，该碰撞模型对车体所有部件均采用细密网格划分，使之可用于整车正面碰撞、 侧面碰撞以及追尾等多种碰撞情况的仿真计算，具有良好的通用性。虽然模型的讨算规 模己达到1 2 5 0 0 0 个单元( 包括2 5 0 0 0 个实体单元和8 8 0 0 0 个板壳单元) 但计算机硬软 件水平的提高完全可以保证计算的顺利完成。2 0 0 1 年，德国宝马公司对b m wx 5 车建 立的正面碰撞有限元模型所包括的单元数目超过了5 0 万，并通过试验联系模拟的方法 对计算机模拟的模型进行了评定。与此同时，客车行业也开始严格按照法规生产，奔驰、 沃尔沃等都采用了对丌发的新客车品种，以试验满足法规来控制质量和工艺规程1 1 。 k 空 学碗t 哗位皓立 2 、国内研究发展现状 随着c a e 技术的发展和试验条件的不断改善，以及国家和市场对汽车安全性要求 的不断提高，我国汽车行业也开始了对汽车碰撞安全性能的研究。其中，汽车碰撞计算 机仿真研究虽然起步较晚，但也逐步得到了部分汽车企业、高等院校和科研院所的重视， 并进行了人量研究，取得了一定成果。1 9 8 8 年吉林工业大学、西安公路交通大学分别 建克了“刚体+ 弹塑性弹簧”数学模型和“刚体+ 弹簧阻尼”模型。1 9 9 2 年，湖南大学 引入d y n a 3 d 软件，对驾驶员和安全带模型进行碰撞模拟。清华大学黄世霖教授等也 开始了对汽车碰撞安全的研究，利用y n a 3 d 软件进行了b j 2 1 2 车架的碰撞模拟，根据 计算对车架进行了改进设计，并建立了目前我国第一个关于汽车安全的国家重点实验 室。江苏理工大学的刘星荣等人参照美国联邦机动车安全法规f m v s s 2 0 8 以及国标 g b t 1 1 5 5 1 8 9 d 的要求，对某小型客车的正面碰撞进行了计算机仿真模拟( 如图1 2 所 示) ，并给出了该车的变形、速度、减速度及吸能特性一时间历程曲线，评价了该车的 耐撞性能，模拟了改善该车碰撞性能的一些结构改动措施的效果。 图1 2 国内某客车的碰撞仿真研究 1 9 9 8 年吉林工业大学贾宏波、黄金陵、郭孔辉等从某型国产车在改型设计中提出 的具体要求出发，建立了国内第一个用于碰撞分析的整车车身结构有限元模型，整车模 型共有3 9 0 0 5 个节点7 种单元类型，共4 3 4 2 4 个单元在s g i1 ：作站上，模拟碰撞后 9 0 m s 的变形过程共耗时约2 0 0 个小时。2 0 0 2 年，清华大学汽车安全与节能国家重点实 验室建立了阳内某微型客车的白车身碰撞有限元模型，并对正面碰撞性能做了研究。 2 0 0 4 年，沈阳航窄工业学院王忠良等结合目前客车设计巾被广泛采用的整体承载式车身 第一章绪论 的骨架结构特点，阐述了高地板客车在f 面碰撞、追尾和侧面碰撞过程中的安全性问题， 提出采片j 先进工艺，使用新材料，改进骨架结构和借鉴轿车的安全性开发成果等方法， 以提高客车安全性能，但并未对客车碰撞问题做模拟计算。2 0 0 5 年6 月1r ，安凯汽车 股份有限公司在湖北襄湖实车碰撞试验基地进行了侧翻试验并取得了圆满成功，中国客 车“第翻”就此诞生i 洲i i “。 可见我固在汽车碰撞研究领域虽然开展了大量的工作，但仍然处于初、中期研究 阶段，碰撞试验研究和计算机模拟碰撞研究的基础还很薄弱。特别是大客车的翻滚碰撞 试验费用昂贵、工作量大、技术要求比较复杂，目前在这方面丌展的工作还仅是个别厂 家的个案而对大型客车的碰撞模拟研究，也仅足在近几年才n i n i ) f 始。 1 4 课题的研究背景与内容 14 1 课题研究背景 随着我幽交通、旅游事业的e 速发展，如何加强客车安全、预防重大事故中对乘客 的伤害己成为综台治理公路交通安全的首要问题。2 0 0 7 年4 月2 3 同，一辆开往重庆的 中型客车山十夜晚f 雨后路而湿滑，弯道超速行驶失控，冲出路面并坠落8 米深的桥下， 当场造成2 6 人死i 二，5 人受伤的群死群伤特大交通事故，使乘员的生命财产遭受了重大 损失( 见图13 ) 。而这样的特大交通事故全国每年都要发生数1 。起因此汽车的被动 安全性受到了伞社会的极大关注。 图1 3 重庆一起特大交通事故现场 汽乍碰撞事故中，发生侧面碰撞和翻车碰撞的机率很高。对我国道路交通事故中不 k 女人学硕l ：学位论文 同事故形态死亡人数的比例分析不难看出，翻车造成的伤亡比例占大多数。然而，由于 受资金、人力和试验条件的限制，目前我国大多数客车生产企业还没有条件对整车安全 性进行分析，而且开展碰撞试验也是少数企业的个别车型( 如安凯的大客车侧翻试验) 。 致使大客车的结构安全性特别是翻滚碰撞性能还不能完全满足法规要求。因此，开展车 身尤其是顶部结构强度以及翻滚碰撞性能的分析研究具有十分重要的意义2 】【5 】。 1 4 2 课题研究内容 本课题的研究目的主要是结合企业实际需求，确定客车碰撞安全性的研究方法和实 现手段，对客车进行碰撞安全性能分析。通过对客车翻滚碰撞仿真计算，分析客车顶部 骨架在耐撞性能设计上的不足，并提出改进方法与改进措施，以提高整车碰撞安全性能。 本课题以某6 1 2 8 型旅游大客车为例，利用a n s y s l s d y n a 显示动力有限元分析 软件，尝试对交通事故中的客车翻滚碰撞进行数值模拟计算，探讨客车侧翻碰撞数值模 拟计算方法并对样车进行实际数值模拟计算，以期得出有益结论和变形规律，为国产大 型公路客车及同类客车车身结构的设计和改进提供有益的帮助和建议。研究内容主要涉 及以下方面： l 、按照企业委托要求，与课题组其他成员共同合作，建立客车车身结构有限元计 算模型，并进行弯曲、扭转和紧急制动等几种工况分析，对车身尤其是顶部结构进行强 度和刚度校核。 ； 2 、对客车有限元模型的振动模态进行分析，并与同类车型进行比较，以验证模型 的有效性。 3 、按照欧洲安全法规e c er 6 6 进行客车翻滚碰撞的模拟计算，并对弱势部分做出 改进设计，以满足碰撞后对客车顶部结构变形的限制要求。 4 、针对国内的一次翻车事故，真实模拟碰撞过程，分析客车顶部变形，并与真实 结果进行对比，进一步验证改进设计的可靠性。 5 、分析两辆样车模拟计算的结果，对顶部骨架的弱势部分加以改进设计，并进行 对比分析，为以后整车结构设计优化和新产品的开发提供参考。 第二章汽乍研掩模拟计算的自限己法及仿真软件简介 第二章汽车碰撞模拟计算的有限元法及仿真软件简介 2 1 汽车碰撞模拟计算的有限元法 2 1 1 汽车碰撞力学模型及基本算法 汽车结构所发生的碰撞变形过程是一个复杂的瞬态物理过程，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。采用有限元法处理这些非线性问题涉及到多物体接触系统 动力学，以及有限元离散方法、材料弹塑性理论和接触与摩擦计算处理方法等。在按照 汽车碰撞模拟所建立的有限元模型中，其单元运动方式为大变形、大位移和大旋转形式， 单元类型有壳单元、体单元、梁单元以及不断引入的其他单元等，材料设置方式有弹性 材料、塑性材料、吸能泡沫以及其他材料等。有限元算法既能够给出材料的本构方程， 又能够提供材料的状态方程；在接触面算法处理上，采用紧密连接接触表面算法、分布 参数接触面算法、空隙自动搜索面算法和自身作用接触面算法。此外，在模拟过程中还 设有刚性墙接触面，用来模拟车辆结构及各部件与固定壁障的撞击作用i l 。 1 多物体接触碰撞系统基本概念 汽车碰撞过程是多个零部件的大变形和相互作用的过程，可视为一个多物体接触碰 撞系统。现以两个物体的接触系统来说明有关基本概念。如图2 。1 所示。 图2 1两物体接触系统示意图 图中石、z ：、筋表示系统参考坐标系x ，q “表示第n 个接触物体在时刻t 的空 间域，则o q l 和o q 2 分别表示第1 个接触物体和第2 个接触物体在t = o 时的空间域； 1 2 长安大学硕l ：学位论文 q 1 和q 2 分别表示它们在t = y 时的空间域。 碰撞发生后，接触物体所占用空间域q “除该接触物体自身的空间域q “外，还应 包括一部分边界域r ”，并满足： q “= 。q “u f “ ( 2 1 ) 根据给定条件的不同，可将每个接触体的边界r n 分为：给定边界位移的边界域 r “d 、给定表面力的边界域r “，和发生接触的边界域i “c 三部分，它们满足： f n _ f “du f “fu f “c ( 2 2 ) 研究碰撞接触问题实质上就是研究给定的接触物体系统从某一参考时刻t = o 到某一 给定时刻f _ 吖p 缈时域内的响应，即在给定表面力边界域o r f 、边界力q 和接触物体空 间域o q 上体积力b 条件下，求解时域 o , t ir h 接触物体的位移场u ( x , o e 13 1 。 2 弹塑性材料简化的力学模型 发生碰撞时汽车结构的塑性变形是汽车碰撞吸能的主要形式，因此，选择合理的弹 塑性力学模型，使之能i f 确地反映材料的应力应变关系是十分重要的。常用金属在单向 拉伸试验中的应力应变关系如图2 2 所示。 c r 应蹙g 图2 2 典型弹塑性材料的应力应变关系曲线 当材料所受应力低于弹性极限o - e 时材料的变形认为是弹性的，即当材料所受应力 超过弹性极限仃e 时，材料产生塑性永久变形。虽然该应力一应变曲线可以真实反映材 料的非线性特性，但在仿真计算中，为了方便计算，通常采用相对简单的数学模型近似 第一二常汽乍碰掩模拟计算的有限元法及仿真软件简介 描述真实的应力应变关系。 在许多工程实际工程中，弹性应变比塑性应变要小得多，因而可以忽略弹性应变， 即刚塑性力学模型。在这种模型中，应力未达到屈服极限吼之前的应变为零。若不考虑 强化性质，力学模型如图2 3 ( a ) 所示；若考虑强化性质，则力学模型如图2 3 ( b ) 所示【1 4 l 。 1 4 长安大学硕 ：学位论文 ( 3 ) 初始条件 接触系统的初始位移缈和初始速度v 缈分别为： “仪缈= u x o q ( 2 5 ) ，缈= v x o q ( 2 6 ) ( 4 ) 边界条件 边界条件包括边界接触点位置关系和载荷关系。假设两物体接触时的接触点分别为 u p 和p 2 ，在接触点上定义法向单位矢量n 。，切向单位矢量n ：和n ，互相垂直。 当物体未接触时，物体a 与物体b 在边界域r d 上的边界位移1 u 和u 2 应等于位移 边界条件u 1 和卜u 2 边界域r e 上的边界载荷，q 1 和q z 应等于已知边界力q 1 和石2 ，即： u i _ - - t _ 1 uu 2 = t 一2 u ( 2 7 ) q l = 卜q 1 q 2 = 。石2( 2 8 ) 当物体间接触时，由于接触力和摩擦力的存在，其边界位移和边界载荷是未知的， 但需满足以下约束条件： 两接触点间法向接触力只能是压力，即： q 1 0( 2 9 ) 切向摩擦力q 。和法向接触力q ，间必须满足库仑定律； t q 。= ( t q 2 ) 2 + ( t q ，) 2 】gt q 。 ( 2 1 0 ) 式中，q ：和q ，为切向摩擦力分量，厂为摩擦系数。 当摩擦力q 。小于f q 。时，两物体接触点间处于纯粘附状态，不存在相对切向 滑移，此时相对速度v 满足： v = 。v 1 一v 2 = 0 ( 2 1 1 ) 式中，v 1 和v 2 分别为物体a 和物体b 接触点处速度。 当摩擦力q 。达到极值f q 。时，两物体接触点之问处于滑动状态，此时切向滑 动速度为： 第二章汽乍碰撞模拟计算的自限无法及仿真软件简介 t v 。= ( 1 + 生p ) ( 1 - 2 p ) 1 q ； 式中，e 为材料弹性模量，为材