（光学工程专业论文）基于某燃料电池轿车乘员安全性的分析方法.pdf

1， a d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o 保密- k2 年 t o n g i iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e r t h e o c c u p a n ts a f e t ya n a l y s i sm e t h o d s o ff u e ic e l lv e h i c l e s c h o o l d e p a r t m e n t ：c h i n a g e r m a n yc o l l e g e d i s c i p l i n e ：v e h i c l ee n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：d e n g x i a n gp u s u p e r v i s o r ：p r o f h o n g y a nw a n g j u n e ，2 0 0 8 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位敝储躲锑珊 2 0 0 8 年0 6 月2 0 日 i 一 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 焱 幺艮 2 0 0 8 年0 6 月2 0 日 摘要 摘要 由于燃料电池轿车的开发初期，仅为动力系统的研究和与原型车的匹配， 所装样车尚不能作实车碰撞试验用，因此采用计算机碰撞仿真模拟的方法对燃 料电池正面碰撞乘员安全性进行分析成为必然。目前汽车业界常用的仿真碰撞 方法主要有分离计算法，车身、乘员一体化仿真法和耦合仿真法，研究各种方 法对仿真结果的影响势在必行。 本课题利用实车激光扫描的方法转换得到整车c a d 模型，利用h y p e r m e s h 有限元软件建立某燃料电池轿车的整车有限元模型，完成从l s - d y n a 计算模型 到p a m - c r a s h 计算模型的转换工作，研究了两个软件环境下模型转换所涉及的 材料、连接、接触的问题，并以纵梁为例，采用有限元模拟计算的方法分析验 证了材料模型的对应关系，为后续的研究提供了基础经验；并利用分离计算法 和一体化仿真法分别建立台车碰撞仿真模型和一体化仿真模型，对正面碰撞中 乘员在约束系统作用下的运动响应进行仿真，对两种方法所得的仿真结果进行 比较，在分析燃料电池正碰乘员伤害指标的同时，比较了两种仿真计算方法的 区别，并对分离计算法进行了一定补偿方法的研究，提出了几种仿真算法的优 缺点，为今后汽车碰撞模拟计算及车辆安全性分析提供了研究基础。 关键词：正面碰撞，乘员安全性分析，l s - d y n a 与p a i 妊- c r a s h 模型转换，计算机 仿真方法。 a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s ea l lt h er e s e a r c hd o i n gn o wi sa b o u tt h ep o w e rs y s t e md e v e l o p m e n ta n d t h el a y o u ti nt h ep r o t o t y p e ，t h es p e c i m e nc a n n tn o tb eu s e di nt h ep r a c t i c a lc r a s h e x p e r i m e n t s ，s oc o m p u t a t i o ns i m u l a t i o nm e t h o d sa r ep o p u l a r l yu s e dt os i m u l a t et h e c r a s hm a da n a l y z et h ef r o n ti m p a c to c c u p a n t ss a f e t yo ft h ef u e l c e l lv e h i c l e t o d a y , t h em a i nc o m p u t a t i o ns i m u l a t i o nm e t h o d sa r es e p a r a t e dm e t h o d a 1 1 i n o n em e t h o d a n dc o u p l i n gm e t h o d a n dn o w , t h es t u d y , w h i c hd i f f e r e n ti n f l u e n c ew i l lb ec a u s e d b yd i f f e r e n ts i m u l a t i o nm e t h o d si so nt h es c h e d u l eo f t o d a y se n g i n e e r s 。 t l l i sp a p e rm a i n l yu s e st h eh y p e r - m e s h 、l s d y n a + v p g 、p a m - c r a s h s o f l w a r e st ob u i l dt h ew h o l ef e mm o d e l c o n v e n et h el s d y n am o d e li n t o p a m c r a s hm o d e la n df i n a l l yt e s ta n dv e r i f yt h ec o n v e r s i o n ；u s e sv i s u a l s a f e s o f t w a r et ob u i l dt h ef r o n ti m p a c tr e s t r a i n ts y s t e mf o ro c c u p a n t sa n db u i l du pt w o k i n d so fc o m p u t a t i o nm o d e lb a s e do nt w ok i n d so fs i m u l a t i o nm e t h o d s ；d o e st h e s i m u l a t i o nc o m p u t a t i o no ft h em o d e lw i t hp a m - c r a s ha n dt h ep o s t p r o c e s sw i t h p a m v i e wt oa n a l y z ea n de v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fb e d ys t r u c t u r ea n dt h e p r o t e c t i o no ft h er e s t r a i n ts y s t e mf o ro c c u p a n t sb a s e do nt h et w ok i n d so fs i n m l a t i o n m e t h o d s ：s e p a r a t e ds i m u l a t i o na n da l l i n o n es i m u l a t i o nm e t h o d sa n df i n a l l yg i v e s s o m eu s e f u la n db a s i ci n f o r m a t i o nf o rf u r t h e ra n a l y s i s k e yw o r d s ：f e am o d e l ，c o n v e r s i o nf r o ml s - d y n a i n t op a m c r a s h ，r e s t r a i n t s y s t e mf o ro c c u p a n t s ，c o m p u t a t i o ns i m u l a t i o nm e t h o d s i i 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 汽车被动安全性研究的意义及现状l 1 2 计算机模拟仿真国内外研究现状及发展动态3 1 3 课题选题情况及意义5 1 4 学术构想与思路，主要研究内容及技术路线6 1 4 1 学术构想与思路6 1 4 2 主要研究内容7 1 4 3 拟解决的关键技术7 1 4 4 创新点7 第2 章汽车正面碰撞的研究介绍9 2 1 汽车正面碰撞的研究分析方法9 2 2 i 集中参数模拟方法1 0 2 2 2 有限元模拟方法1 1 2 2 3 小结1 2 2 2 正面碰撞的试验法规1 2 2 2 i 现行的正面碰撞试验法规1 3 2 2 1 1 美国f m v s s2 0 8 1 3 2 2 1 2 欧洲e c er 9 4 0 1 1 4 2 2 1 3 中国g b1 1 5 5 1 - 2 0 0 3 1 5 2 2 i 4n c a p 与c - n c a p 1 5 2 2 2 正碰试验方法及法规的选择1 7 2 3 汽车正面碰撞安全性能评价体系1 8 2 3 1 乘员伤害指标1 8 2 3 i 1 头部伤害指数h i c ( h e a di n j u r yc r i t e r i a ) 1 8 2 3 i 2 胸部3 m s 合成加速度指标( a 3 m s ) 1 9 2 3 1 3 腿部轴向力荷载1 9 2 3 i 4 各国的乘员保护强制性法规比较1 9 2 3 2 车身结构耐撞性能2 l u i 目录 2 3 3 约束系统性能假人的运动情况2 2 2 4 本章小结2 2 第3 章相关数值模拟理论2 3 3 1 计算机仿真模拟方法简介2 3 3 1 1 分离计算法2 3 3 1 2 车身、乘员一体化仿真法2 3 3 1 3 耦合仿真法2 4 3 2 相关软件的介绍2 4 3 2 1l s - d y n a 基本介绍2 5 3 2 2l s d y n a 主要的前后处理器2 5 3 2 3p a m - c r a s h 的基本介绍2 7 3 2 4p a m - c r a s h 的前后处理器2 9 3 3p a m _ c r a s h 基本理论及应用3 0 3 3 1p a m - c r a s h 的基本理论3 0 3 3 2p a m - c r a s h 的应用及转换问题的研究3 2 3 4 本章小结3 3 第4 章p a m 中燃料电池轿车碰撞有限元计算模型的建立3 4 4 1 燃料电池轿车有限元建模3 4 4 i 1 燃料电池轿车车身有限元建模3 4 4 1 2 燃料电池动力系统有限元建模3 6 4 1 2 1 燃料电池轿车驱动系统介绍3 6 4 1 3 燃料电池轿车驱动系统和车架连接方案3 7 4 2l s d y n a 与p a m - c r a s h 模型的转换及应用3 7 4 2 1 燃料电池轿车有限元模型单元质量检验3 8 4 2 2 材料参数的确定3 8 4 2 3 焊点断裂模拟的转换4 2 4 2 4 运动机构模拟的转换4 4 4 2 4 1 燃料电池车悬架及轮胎有限元模型的建立4 5 4 2 4 2p a m 中整车有限元模型悬架及轮胎模型的应用4 6 4 2 5p a m 中单元穿透及干涉的处理4 9 4 2 6 接触类型的转换5 0 1 v 目录 4 2 6 il s d y n a 接触类型的描述5 0 4 2 6 2p a l 4 - c r a s h 接触类型的描述及转换5 l 4 2 7p a m 中正面碰撞刚墙的定义5 3 4 2 8p a m 中初速度以及重力场的定义5 4 4 2 9 模型结算的控制参数设定5 4 4 2 9 i 时间步长控制5 4 4 2 9 2 沙漏模式控制5 4 4 2 1 0 不带乘员约束系统的整车有限元计算模型5 5 4 3p a m - c r a s h 整车有限元计算模型的验证5 6 4 3 i 车身耐撞性变形分析5 6 4 3 2 乘员的生存空间分析5 8 4 3 3 乘员安全性分析6 9 4 4 本章小结5 9 第5 章两种仿真方法计算模型的建立6 0 5 1 乘员及约束系统有限元模型的建立6 0 5 1 1 假人模型6 0 5 i 1 1 多刚体假人模型6 0 5 i i 2 有限元假人模型6 1 5 i i 3 混合型假人模型6 2 5 i 2 座椅模型6 4 5 i 3 转向系统模型6 4 5 1 4 安全带模型6 5 5 1 5 安全气囊模型6 7 5 2 分离计算法下的计算模型的建立6 9 5 2 i 安全带定义7 0 5 2 1 i 卷收器位置的定义7 0 5 2 i 2 卷收器属性的定义7 0 5 2 i 。3 滑环套的定义7 0 5 2 i 4 织带的定义7 0 5 2 2 接触的定义7 1 5 3 车身、乘员一体化正碰计算模型的建立7 2 v 目录 5 3 1 乘员约束系统装配7 2 5 3 2 带乘员约束系统的某燃料电池轿车计算模型7 2 5 4 本章小结7 3 第6 章基于乘员安全性分析的仿真方法比较与评价7 4 6 1 基于车身、乘员一体化模型的乘员伤害指数分析7 4 6 1 t 头部伤害指数h i c ( h e a di n j u r yc r i t e r i o n ) 分析7 4 6 1 2 胸部3 = s 合成加速度指标( a 3 m s ) 分析7 6 6 1 3 胸骨位移量分析7 6 6 1 4 腿部轴向力荷载分析7 7 6 2 约束系统性能假人的运动情况7 8 6 2 1 假人运动情况。7 8 6 2 2 座椅与安全带对乘员的保护7 9 6 3 分离计算法与一体化仿真法模拟结果的分析与比较7 9 6 3 1 假人运动情况比较分析? 7 9 6 3 2 乘员伤害指数比较分析8 l 6 3 2 1 头部伤害指数h i c 比较8 l 6 3 。2 2 胸部3 m s 合成加速度比较。8 l 6 3 2 3 胸骨位移量比较8 2 6 3 2 4 腿部轴向力比较8 2 6 3 3 车身结构耐撞性比较分析8 3 6 3 4 补偿后分离计算法与一体化仿真法模拟结果比较分析8 6 6 3 4 1 头部伤害指数h i c 比较8 6 6 3 4 2 胸部3 u s 由q 速度比较8 7 6 3 4 3 胸部位移量比较8 7 6 3 4 4 大腿轴向力比较8 8 6 3 5 小结8 8 6 4 本章小结8 9 第7 章全文总结9 0 7 1 结论9 0 7 2 进一步改进方向9 l 参考文献9 2 目录 致谢9 4 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果9 5 i 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 汽车被动安全性研究的意义及现状 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事故的性能，包括可靠性、环境 视见性、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 的交通事故时，能够对车内乘员或车外行人进行有效保护，以免发生伤害或使伤 害减低到最低程度的性能。例“叫 据国家数据统计，我国汽车保有量只占世界的2 ，但是交通事故却占了1 5 ， 已连续数年是交通事故死亡人数最高的国家之一。 表1 12 0 0 4 - 2 0 0 7 年中国道路交通事故统计表 年份事故次数死亡人数受伤人数直接经济损失( 亿元) 2 0 0 44 0 0 3 8 91 0 7 0 7 74 5 1 8 8 02 3 9 2 0 0 54 5 0 2 5 49 9 2 1 74 6 9 9 1 11 8 8 2 0 0 63 7 8 7 8 l8 9 4 5 5 4 3 1 1 3 91 4 9 2 0 0 73 2 7 2 0 98 1 6 4 43 8 0 4 t 21 2 从表1 1 中，我们可以看到，近年来我国平均每天因车祸死亡2 5 8 入，经济 损失近4 7 6 万元，数字触目惊心，中国道路交通安全形势十分严峻，而根据目前 的汽车技术，交通事故的发生虽然在一定程度上由于技术以及法律法规的完善有 所缓解，但是在今后很长一段时间内仍然是不可避免的。因此，汽车被动安全性 技术就成为了保护汽车乘员及行人安全的主要对策，成为了汽车安全性领域研究 的重要内容。 汽车的被动安全性研究在国外始于6 0 年代。许多发达的工业国家都建立了 严格的汽车安全法规和标准。一些实力雄厚的汽车制造厂商为提高自身的市场竞 争力，采用比普通的汽车安全法规更严格的标准。开展汽车被动安全性研究和贯 彻安全法规使得这些国家的汽车事故中的死亡人数明显减少，这说明被动安全性 研究在降低人员伤害方面是很重要的。 汽车被动安全性的研究，主要集中在以下三个方面h 1 ： 1 ：车身结构抗撞性研究，其主要研究汽车特别是轿车车身结构对碰撞能量的吸 收特性寻求改善汽车车身结构抗撞性。在保证乘员安全空间的前提下，使得车身 变形吸收的碰撞能量最大，从而使传递给车内乘员的碰撞能量达到最小。由于计 算机技术的发展，使得采用数学模拟方法成为可能，采用数学模拟方法来研究车 第1 章绪论 身结构的抗撞性，经历了一个由简单到复杂的发展过程：由弹簧质量模型到用多 体动力学理论建立多体模型，发展到现在的整车有限元模型。这些模型各有优缺 点，弹簧质量模型简单，但精度不高。整车有限元模型精度很高，但计算十分 费时，且必须在大型机上进行。圈北、可以根据计算精度及计算量的不同要求， 分别采用不同的模型。 2 ：碰撞生物力学研究，其主要研究人体各部位在不同形式碰撞中的伤害机理、人 体各部位的伤害极限、人体各部位对碰撞载荷的机械响应特性，以及碰撞试验用 的人体替代物。对伤害机理的研究是碰撞生物力学研究的基础，对设计和开发安 全驾驶室内饰组件具有重要的意义。目前主要开展了头部、颈部在前碰和侧碰中 的伤害机理研究，并对肩部、胸部以及骨盆在侧碰中的伤害机理进行了探索。伤 害忍受极限指人体或人体的某一部位对于一个特定的伤害等级所能忍受的力和 加速度级别。在这一领域，最新的研究方向是采用有限元数值模拟的方法来研究 人体各部位的碰撞响应。 3 ：乘员约束系统及安全驾驶室内饰组件的研究，其主要要研究不同形式的安全 带和安全气囊的机械特性，以获得最优的约束性能，使人体避免与驾驶室内饰组 件发生二次碰撞：研究开发安全座椅、吸能式转向器、安全仪表板、内饰组件的 吸能衬垫材料，使得人体与之发生二次碰撞时，所受到的伤害最小。目前，乘员 约束系统主要是安全带约束系统和气囊约束系统。安全带约束系统的作用主要就 是约束汽车前碰和翻滚过程中与驾驶室内饰件发生二次碰撞。为了提高安全带的 约束性能，已在安全带系统中增加了预紧器和卷收器。气囊作为辅助的乘员约束 系统，主要用来防止乘员在正碰事故中与驾驶室内饰件的二次碰撞。 汽车被动安全性研究的方法主要有以下两种： 1 ：试验研究汽车被动安全性研究最早是通过试验来进行的，有关试验可分为台 架冲击试验、台车碰撞模拟试验和实车碰撞试验。台架冲击试验主要用来模拟人 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来对车内乘员的约束系统进行性能评价。实车碰撞试验主要 用来对己开发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。 但无论何种试验，其准备工作是十分费时的，且试验所需费用亦十分昂贵。另外， 由于试验中的随机因素的影响，使得试验结果常常不够稳定，可重复性差。所以 各国的汽车制造商，为了减少汽车新产品的开发成本，缩短开发周期，提高产品 的竞争力，都采取试验模拟与计算机仿真相结合的方法，且试验模拟所占的比重 逐年下降。 2 ：计算机仿真研究随着计算机技术的不断发展，以及各种计算理论的成熟，使 得用计算机仿真方法来进行汽车碰撞过程的研究成为可能。与碰撞试验相比，计 2 第1 章绪论 算机仿真具有周期短、费用低、可重复性高、不受条件限制等优点。汽车碰撞仿 真技术的最大优点就在于它能对还未制造出的产品设计方案进行安全性评估，提 出设计改进方案，从而提高了新车型满足极高的碰撞安全性要求的成功率。在这 方面，仿真技术本身的可靠性起着决定性的作用。 综上所述，研究汽车安全性的最可靠的方法是进行实车碰撞试验，但是实车 碰撞试验要在样车试制出来后才能进行，且碰撞试验是破坏性的，这就导致试验 费用昂贵并且周期长，不利于快速地发现和解决问题。而运用计算机模拟碰撞， 可以节约试验费用，缩短开发周期，并能够方便地进行许多在现实中很难完成的 试验模拟和事故再现，另一方面，计算机模拟仿真还能对还未制造出的产品设计 方案进行安全性评估，提出设计改进方案，从而提高了新车型满足极高的碰撞安 全性要求的成功率，因此达到工程设计精度要求的计算机仿真在车辆开发改进过 程中，可以相对方便快捷的发现车辆设计中的不足，或对设计方案作出初步的验 证分析，为后期开发提供了大量有价值的数据和参照。 近几十年来，计算机碰撞技术迅猛发展，在安全车身的开发、乘员保护措施 的优化、人体生物力学、碰撞用标准假人开发的工作中发挥了很大的作用。利用 计算机仿真方法可以在结构设计阶段对整车的碰撞安全性能进行预测，且通过改 变结构设计方案进行仿真计算可以快速得到满足碰撞安全性能的结构初步设计 方案。但是计算机仿真模型的所需数据还需通过试验中获得，模型的有效性也得 通过试验来验证。同时由于实际结构的复杂性，和环境因素的影响，使得计算机 仿真模型不可能完全反映实际情况，因此计算机仿真方法不能替代试验方法，两 者应有机结合，相辅相成，才能在汽车被动安全性性研究中发挥其越来越重要的 作用。 1 2 计算机模拟仿真国内外研究现状及发展动态 对于汽车的设计和研究来说，建立数学模拟计算模型有着极大的实用价值。 良好的模型可以有效地提供模拟计算的结果，可为车辆的初始设计及改进设计提 供依据。5 1 过去，研究汽车的被动安全性一直以试验为依据，为对车型改进设计往往需 要做多次重复性试验，“样车制造一试验一改进一再造样车”，这期间需要花费大 量的入力、物力并延缓整个开发周期。与实车碰撞试验相比，计算机仿真模拟具 有费用低，开发周期短以及可重复性，不受客观条件的限制等优点，进入9 0 年 代，采用动力学方法和有限元方法的计算机碰撞仿真计算分析法应运而生。近年 来，随着计算机软、硬件的发展以及现代设计方法在产品开发和试验中的进一步 3 第1 章绪论 应用，由于c a e 仿真技术具有以上诸多优点，国外各大汽车厂商和设计公司已广 泛采用该项技术进行安全车的研究，c a e 仿真技术已成为汽车被动安全性研究的 有利工具。 国外在6 0 年代中期就开始了计笪机仿真研究，在硬件设施上，进入9 0 年代 以来，由于巨型电子计算机的出现，车辆碰撞模拟方法已经具备对复杂的碰撞现 象进行高精度、快速的计算能力。预测车辆碰撞时车身破坏特性的大规模有限元 ( f e m ) 的车身结构模拟与检测碰撞时乘员受到的冲击部位和冲击力的模拟研究 分别开始于上世纪8 0 年代中后期，形成了最初的碰撞模拟技术。1 9 9 1 年开发了 的如c r a y 公司的i m p 型号巨型电子计算机，这样的技术试验模拟装备提供了新 车开发的c a e ( 计算机辅助工程) 碰撞模拟方法，并取得了成效。近年来随着计 算机软、硬件的发展以及现代设计方法在产品开发、试验中进一步应用，计算机 仿真技术在汽车产品开发中的作用愈加重要。欧美国家相继推出了用于碰撞仿真 的商业化软件包，国际上在汽车被动安全性研究方面具有代表性的几个商品化软 件有美国c a d s p a rc o r p o r a t i o n 开发的c a l 3 d 软件，荷兰t n o 开发的m a d y m o 软 件，美国l i v e r n o r e 软件技术公司l s t c 开发的l s l s d y n a 3 d 软件，以及法国 e s i 公司的p a m 软件。 国际上大的汽车企业集团都广泛采用了以c a d c a m c a e 技术为代表的汽车 车身现代设计方法，日本丰田公司、美国通用公司、德国大众公司等的c a d c a m c a e 技术已贯穿汽车设计、制造、销售的整个过程。福特公司在应用c a d 、 c a e 和c a m 进行新车型的开发之后，新车型的开发周期从过去的3 6 个月缩短至 1 2 个月，新车型开发后期设计修改减少5 0 ，样车制造和测试成本减少5 0 ，节 约开发费用2 亿美元。 中国汽车被动安全性的研究始于8 0 年代末，当时吉林工业大学和西安公路 交通大学分别开展了道路交通事故的计算机模拟研究，建立了“剐体+ 弹塑性弹 簧”数学模型和“刚体+ 弹簧阻尼”数学模型，应用于道路交通事故的再现与分 析。清华大学黄世霖等于1 9 9 1 年最早建立了汽车碰撞台车试验台，开展汽车被 动安全性的研究。天津中国汽车技术研究中心建立了更大的汽车碰撞模拟试验 场，成为车辆安全法规的官方检测站；1 9 9 5 年西安公路交通大学研制成功汽车 牵引式汽车追尾碰撞模拟试验台，在此试验台上进行了货车尾部护栏模拟碰撞试 验。 目前，我国在汽车乘员的计算机仿真研究方面尚处于初期阶段，仅仅是在各 大高校中如吉林大学，清华大学，同济大学，上海交通大学，江苏大学，湖南大 学，北京理工大学做过一些有益的尝试。 从1 9 8 4 年起，吉林大学汽车工程学院林逸等人就致力于将多刚体系统动力 4 第1 章绪论 学中的r 呷方法应用于到整车动力学分析和人体模型的建立中，并将其应用于汽 车碰撞事故中的乘员运动学和动力学响应的研究中，还率先在国内引进荷兰 t n o ( 国家技术研究院) 开发的m a d y m o 软件，法国e s i 公司开发的p a m - c r a s h 软件 和美国利维莫尔软件技术公司开发的l s - d y n a 软件用于碰撞的模拟丹祈，该学院 还和长春汽车研究所合作利用美国m s c 公司的d y t r a n 软件，建立小红旗车的白 车身有限元模型，结合试验对其抗撞性进行了改进研究。 1 9 9 1 年清华大学旭光先生将多刚体动力学应用于碰撞事故中人体的运动模 拟，研究安全带对人体的保护作用，建立了二维乘员座椅模型； 1 9 9 3 年湖南大学的钟志华教授等探讨了汽车碰撞分析中摩接力的计算方法， 提出防御节点法，并用拉格朗日乘子来表征粘滞状态，用显式算法进行动力学分 析并对轿车前部的碰撞吸能部件和前纵梁单独进行了碰撞研究，模拟了细部弱 化，局部加强以及板厚加强等措施对前纵梁即其他部件的变形和吸能性的影响。 1 9 9 8 年天津大学的王树新教授等人应用有限段方法处理人体的头颈柔性模 型，建立刚柔混合的人体模型，取得了非常成功的成果。 1 9 9 8 年同济大学结合桑塔纳2 0 0 0 型轿车的改进设计工作，建立了一系列车 型的有限元模型，深入研究了单元质量、焊点的模拟方法、沙漏的控制方法、计 算步长的确定，以及运动机构的响应对碰撞模拟计算精度的影响，将我国在这一 领域中的研究推向了一个新高度。 在这一阶段，我国对于乘员保护的计算机模拟一般只对乘员的约束系统采用 多刚体运动学分析进行模拟，而对于乘员损伤情况，也通常是通过车体变形量间 接得到人体伤害指数，但是这样的模拟并不能准确获得由于“二次碰撞 所造成 的人体伤害指数，因此建立安全带和安全气囊等乘员约束系统的力学模型，并将 其纳入整车模型统一进行仿真计算，是国内汽车乘员计算机仿真研究迫切需要发 展的方向和目标。 2 0 0 3 - 2 0 0 4 年同济大学统一车身耐撞性有限元计算分析与乘员在约束系统作 用下的运动响应的多体动力学分析，建立了一个集车辆、人体模型及乘员约束系 统三者于一体的汽车模型，采用整车虚拟碰撞试验法分别对燃料电池轿车超越一 号、超越二号的正面碰撞安全性进行了研究，为汽车乘员计算机仿真研究开启了 全新的一页。 1 3 课题选题情况及意义 课题来源：本课题属于国家8 6 3 项目“燃料电池轿车的开发与研制”的 一个延伸课题研究内容。 5 第1 章绪论 由于本课题中采用的车辆原型是目前尚处于研究中的燃料电池轿车，而燃料 电池轿车由于车载氢气燃料系统和高压电驱动以及储电装置的存在，使其具有许 多不同于普通车辆的总布置问题，而这些不同之处所引起的整车质量分布，载荷 分布以及结构问题在各种碰撞工况中对于整车i 及乘员安全性所带来的影响，更 是需要在研发初期就综合考虑的。更重要的是，燃料电池轿车由于重量的增加， 给碰撞安全性提出了更高的要求，所以研究它的结构耐撞性和乘员运动响应的变 化追在眉睫，但由于现阶段对燃料电池轿车的开发仅为动力系统的研究和在原型 车上的总布置，所装样车不能作实车碰撞试验用，因此国内对燃料电池轿车的安 全性研究开展的并不多。此外，目前燃料电池轿车正处在试验开发阶段，随着燃 料电池轿车核心技术的不断突破，势必要不断地改进汽车的结构形式及总布置 等，而现在实车碰撞试验由于成本等条件限制还不成熟，实车碰撞试验费用昂贵， “样车制造一试验一改进一再造样车 这一施行周期很长，不可重复，并不适合 工业上对产品开发的要求叫。而在采用计算机碰撞模拟的方法研究燃料电池轿车 的安全性，能对尚未制造出的产品设计方案进行安全性能评估，提出设计改进方 案，从而提高了新车型满足极高的碰撞安全性能要求的成功率，而且运用计算机 模拟碰撞，还可以大量节约试验费用，缩短开发周期，由于其具有可重复性，不 受客观条件限制，能够方便地进行许多在现实中很难完成的试验模拟。因此，计 算机方针模拟碰撞的研究方法正越来越多的受到汽车企业及研究部门的重视和 应用，而本课题也正是以计算机模拟仿真方法为切入点，通过分离计算法与车身、 乘员一体化仿真两种不同的仿真方法，考察计算机模拟仿真法在燃料电池正碰乘 员安全性能研究方面的应用。 1 4 学术构想与思路，主要研究内容及技术路线 1 4 1 学术构想与思路 在本课题的研究过程中，由于原始模型是尚不能进行实车碰撞试验的燃料电 池轿车，因此主要利用计算机模拟仿真的方法研究整车正面碰撞乘员安全性的分 析，拟分别采用分离计算法和车身、乘员一体化碰撞仿真模拟的方法进行研究 分析。 在分离计算法中，对整车结构耐撞性有限元计算模型进行模拟计算并得 到冲击波形等必要参数，然后在乘员约束系统模型中进行乘员运动响应分析：而 在车身、乘员一体化仿真模拟方法中，统一了对车身耐撞性有限元计算分析与乘 员在约束系统作用下的运动响应的多体动力学分析，在已有整车模型的基础上， 建立一个集车辆、人体模型及乘员约束系统三者于一体的完整的车辆模型，( 约 6 第1 章绪论 束系统模型包括了安全带系统、气囊、仪表板、座椅、假人等) ，采用整车虚拟 碰撞试验法进行燃料电池轿车正面碰撞的碰撞安全性研究，对正面碰撞的假人在 约束系统作用下的运动响应进行仿真，并将两种方法得出的仿真结果进行分析比 较。 一 1 4 2 主要研究内容 本课题主要研究的是不同模拟仿真方法下基于燃料电池轿车正面碰撞的乘 员安全性的分析与比较，首先利用h y p e r m e s h p a i - c r a s h 有限元软件建立乘员及 约束系统模型，模型包括安全带、座椅、仪表板及转向系统、气囊和假人；根据 所要研究的正面碰撞的初始条件建立虚拟的碰撞场：借助于p a m - c r a s h 和 l s - d y n a 软件采用动力学和有限元的方法分别建立整车结构碰撞计算模型，乘员 约束系统计算模型以及集车辆、人体模型及乘员约束系统于一体的整车计算模 型；并对两种仿真方法下的模型进行模拟计算，对结果进行分析比较，根据乘员 的运动响应分析车身结构和约束系统对乘员的保护效果，研究两种仿真方法在正 碰乘员安全性能方面的应用。 1 4 3 拟解决的关键技术 1 在h y p e r m e s h p a m - c r a s h 中建立乘员及约束系统模型，模型包括安全带、 座椅、仪表板及转向系统、气囊和假人。 2 基于已有的l s d y n a 计算模型，利用v i s u a lf o rd y n a 和v i s u a lf o rp a m 前处理软件建立p a m - c r a s h 中的有限元模型，完成相关转换工作。 3 调试建立的有限元模型，解决模型计算过程中容易出现的计算发散等问题。 4 在v i s u a lf o rp a m 和v i s u a l - s a f e 中建立整车结构碰撞计算模型以及乘员 约束系统计算模型，并利用分离计算法进行仿真模拟。 5 基于已有车辆模型匹配乘员及约束系统模型，建立装配约束系统，修改约 束系统模型与整车模型间的有限元网格干涉或交错，建立带乘员及约束系 统的整车计算模型，并进行模拟仿真计算。 6 根据两种仿真方法的虚拟计算结果对燃料电池轿车带乘员约束系统的乘员 伤害情况进行分析，同时对两种仿真方法进行比较分析，以便今后进一步 利用计算机仿真方法进行整车正碰乘员安全性能的分析和改进。 1 4 4 创新点 1 完成了将l s d y n a 模型转换成p a m - c r a s h 模型的大量工作，积累了一定 7 第l 章绪论 的经验。 2 在分离计算法中以有限元假人模型代替传统的多刚体假人，以获得更真 实的假人运动及变形情况。 3 对车身、乘员一体化仿真与分离计算仿真的结果进行了比较分析，并利 用车身、乘员一体化仿真结果对燃料电池汽车的乘员安全性进行了直观分析。 4 对分离计算法提出改进意见，并在获得改善后的冲击波形后对两种方法 所得的仿真结果再次进行比较分析，从而研究分离计算法补偿的改进的可能性与 方法。 8 第2 章汽车正面碰撞的研究介绍 第2 章汽车正面碰撞的研究介绍 2 1 汽车正面碰撞的研究分析方法 按照交通事故中常见的碰撞形式可将碰撞事故分为：前部正面碰撞、成一定 角度碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞以及侧翻等，但国外对大量汽车碰撞事故的统计 研究表明，在所有这些碰撞事故中，车辆发生前部碰撞的比率占到5 0 以上，并 且乘员也大多是在这一类碰撞事故中受伤或死亡。另外，受伤乘员的比例数还与 相对碰撞速度有很大的关联。因此，从保护大多数车辆乘员的生命意义上来说， 最值得重视和研究的碰撞类型应为中高速行驶的车辆前碰撞。 下面本文就汽车对汽车的正面碰撞进行分析，说明两车碰撞后的基本运动情 况以及两车碰撞与单车对墙碰撞之间的关系。 汽车正面碰撞是属于发生在汽车纵轴上的碰撞事故，因此一般作为一维碰撞 处理。汽车碰撞时，由于减速度很大( 通常是重力加速度的数十倍) ，相比之下， 汽车的滚动阻力，空气阻力、牵引力和制动力等远远小于汽车减速惯性力，因而 可以把它们忽略不计，将这些外力略去后，就可以把相互作用的汽车与物体( 或 汽车与汽车) 看作一个封闭的不受第三者的外力干扰的系统。在该系统中，动量 是守恒的。 重量l i l t 、m 2 的两车在速度v 。、v ：。下碰撞，设碰撞后的速度为v 。：、，则得 确m l + 朋2 v 2 l2m l h 2 + m 2 v 2 2 ( 2 1 ) 设在碰撞过程中两车速度达到相等时的速度为以，则 m lv l l + t n 2 1 吃l = 伽i + m 2 ) 匕 ( 2 2 ) 设两车在碰撞中达到速度的速度变化为砌，则 = k l 一 ，。= 竿一“l 一 ，2 1 ) 所l 十m 2 ( 2 3 ) 2 匕叱t2 甚蠹( h t 一) 车身的变形量取决于这一速度变化、，因此可作为表示碰撞程度的尺度。 把它定义为实效碰撞速度。 相同型号的汽车在速度相等的情况下正面碰撞时，由于埘。= m ：，m 。= - p 2 i ， 故实效碰撞速度为 v 0 1 = = h l ( 2 4 ) 9 第2 章汽车正面碰撞的研究介绍 以n 肭速度与固定壁障碰撞时，由于m 2 = 0 0 ，1 ，2 l = 0 ， 故 r o i2 v 1 1 ( 2 5 ) 因而，相同型号的汽车在速度相等的情况下的正面碰撞，其实效碰撞速度与 同一速度下的对壁碰撞是相同的，故其损害程度也是一样的。 这样，引入实效碰撞速度这一概念，就可把正面碰撞与对壁碰撞作为同一现 象处理。有时也把这个实效碰撞速度称为壁障换算碰撞速度。 实效碰撞速度与各种车辆的碰撞前的绝对速度无关，仅仅取决于相对速度和 重量比。因而两辆汽车正面碰撞时，轻车与重车相比，其实效碰撞速度大，损害 程度也大。 设碰撞时的冲抗系数e 为 p ：) 2 2 - v 1 2( 2 6 ) h 1 一v 2 1 冲抗系数因实效碰撞速度而异，它的关系也要用试验求得。 实效碰撞速度为3 0 k m h 左右的碰撞，e 为0 2 左右；高速碰撞时e 几乎为 零，近似于塑性碰撞。仅仅保险杠接触那样的低速碰撞时，e 接近于1 。 碰撞过程中车辆的变形与碰撞同时增大，至最大变形后，又发生一部分弹性 恢复。碰撞终了时的塑性变形量和碰撞中的最大变形量都与实效碰撞速度成正 比。 在汽车仿真碰撞研究中，为了真实地模拟上述碰撞关系，就需要对计算机仿 真模拟方法进行研究，现今主要的计算机仿真模拟方法可分为集中参数模拟 ( l u m p e d p a r a m e t e r m o