（光学工程专业论文）汽车正面偏置碰撞计算机仿真分析.pdf

、 、 at h e s i si nv 。e h i c l e e n g i n e e r i n g l i l ll li iii i i l lil i ltu l 、t18 4 4 14 5 s i m u l a t i o no ff r o n t a lo f f s e ta u t o m o b i l ec r a s h b yt e n gk e s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a og u a n g y a o n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 点爿1。y， j f，矗i ，吖摩0_ ? i ， ， 0。i。参：羧萋。筐零j_分f，：，r 。泸u r。；0 _ if， 、。 r 、 v 独创性l 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：脉钎 日期： 功口d 、7 、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 - 一 学位论文作者签名：膳争f 签字日期： w qf 兀f 导师签名：廷矿耀 签字目期： w b ，一 i - y 、i歹 ，tl-t 。1 ；k 协l f 。0 、 、 at h e s i si nv 。e h i c l e e n g i n e e r i n g s i m u l a t i o no ff r o n t a lo f f s e ta u t o m o b i l ec r a s h b yt e n gk e s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a og u a n g y a o n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 541 4哪4眦81删y 十，。y， i 。一 f ， ，一，。吐聊j罐 1吖摩i_ p ，；#*，fa ， 事、，备哆 囊 i ji一 ；，誉；o一u r ? “， j i ， l ， ； ： 0 东北大学硕士学位论文摘要 汽车正面偏置碰撞计算机仿真分析 摘要 在当今汽车技术高速发展的趋势下，汽车安全性的研究越来越受到重视。目i i 世界 汽车生产大国都已形成了对汽车的碰撞安全性强制性法规，如美国f m v s s 、欧盟的 e c e ，我国主要参照e c e 法规体系建立了相应的安全法规。 对比各国正面碰撞法规，主要有1 0 0 冈t j 性固定壁障碰撞、4 0 偏置可吸能壁障碰 撞、3 0 。倾角刚性倾斜壁障碰撞试验。其中1 0 0 刚性固定壁障和4 0 偏置可吸能壁障 两种试验方式，前者着重评价乘员约束系统，后者着重评价安全车身，同时碰撞中乘员 的伤害机理也不同，只有同时采用才能较全面的评价车辆的正面碰撞安全性能。近2 0 年来在汽车被动安全性研究中碰撞仿真技术发展迅速，不仅节省费用而且还缩短开发周 期，在汽车的开发过程中发挥了巨大的作用。对有前排假人的汽车碰撞进行计算机模拟， 不仅能预测汽车结构本身的耐撞性，而且能预测人员的响应与伤害程度，从而能更全面 地反映汽车的安全性能。 本文详细学习和研究了碰撞有限元基本理论和有关算法，涉及到的内容包括有限元 求解控制方程、单元离散、沙漏控制、假人及汽车碰撞模拟相关单元、时间积分算法、 接触算法、以及材料模型和本构关系等。 本文对目前较为流行的汽车碰撞分析软件l s _ d y n a 的有关大位移变形碰撞求解 原理、主要功能模块及其应用进行了学习和研究。并以某车型为例建立了整车有限元模 型，然后在此基础上集成了5 0 百分位的h y b r i d i i l 型假人( 包含驾驶员和前排乘员) 和 安全带的乘员约束系统等有限元模型。按照国家标准g b t 2 0 9 1 3 2 0 0 7 乘用车正面偏 置碰撞的乘员保护规定的条件，对整个模型进行了正面4 0 偏置可变形壁障碰撞的模 拟和分析，得出整车的位移、速度、加速度、能量及人体模型的伤害值。为了更全面地 评价汽车正面安全性能，本文同时进行了正面全宽的刚性碰撞仿真，并比较了两种方式 的变形结果，分析两种碰撞方式的特点。实现了对该车正面碰撞过程及碰撞性能的全面 评价。 、 ?关键词：汽车被动安全；正面偏置碰撞；人体模型；有限元；仿真分析 v i i - 、i，i ，lj vkihl 飞，0 lljv 、，i9 ， ； i ， 东北大学硕士学位论文 a b s t f a c t si m u l a t i o no ff r o n t a lo f f s e ta u t o m o b i l ec r a s h a b s t r a c t i nt h er a p i dd e v e l o p m e n tt r e n d so fa u t o m o t i v et e c h n o l o g y , v e h i c l es a f e t yr e s e a r c hi s r e c e i v i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o n c r a s hm a n u f a c t u r e r so ft h ew o r l da l r e a d yh a v em a n d a t o r y s t a t e m e n tr u l e sf o rc r a s hs a f e t y , e g u s a f m v s s e ue c e i no u rc o u n t r y , t h ea p p r o p r i a t e s a f e t yr e g u l a t i o n sh a sb e e ns e tu pm a i n l ya c c o r d i n gt oe c er u l e ss y s t e m c o m p a r e dt h ef o r e i g nf r o n t a li m p a c tr u l e s ，t h e s ea r em a i n l y 10 0 r i g i dw a l lb a r r i e r i m p a c t ，4 0 o f f s e tr i g i do rd e f o r m a b l eb a n d e ra n d3 0 。a n g u l a ri m p a c tt e s t a m o n gt h e s et e s t r u l e s ，10 0 r i g i dw a l lb a r r i e ri m p a c tt e s ts t r e s s e da s s e s s m e n to fo c c u p a n tr e s t r a i n ts y s t e m ， 4 0 o f f s e td e f o r m a b l eb a r r i e rs t r e s s e da s s e s s m e n tc a rb o d ys a f e t y a n dt h ei n j u r e c h a r a c t e r i s t i c si nt h et w ot y p ea r ed i f f e r e n t o n l yu s i n gt h et w ot y p et e s tc o u l do v e ra l la s s e s s f r o n t a li m p a c ts a f e t y o v e rt h ep a s t2 0y e a r s ，t h ep a s s i v es a f e t yo f m o t o rv e h i c l e si nt h e c o l l i s i o ns i m u l a t i o nt e c h n o l o g yr a p i d l yd e v e l o p e d n o to n l yd o e sc o s ts a v i n g sb u ta l s o s h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，i nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s si nt h e c a rp l a y e dag r e a tr o l e v e h i c l e sc r a s hs i m u l a t i o ni n c l u d i n gf r o n tr o wd u m m yc a na c c u r a t e l yf o r e c a s tn o to n l yt h e c r a s hc h a r a c t e r i s t i co fv e h i c l e sb u ta l s or e s p o n s ea n di n j u r yd e g r e eo fp a s s e n g e r si nc r a s h p r o c e s s s ot h ec a rs a f e t yp e r f o r m a n c ec o u l db em o r ef u l l yr e f l e c t e d t h et h e s i sd e t a i l e d l ys t a t et h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt h e o r i e sa n da l g o r i t h m so fi m p a c t i t i n c l u d e sb a s i cc r a s he q u a t i n g ，e l e m e n td i s c r e t i z a t i o n ，h o u rg l a s sc o n t r o l ，r e l a t i v ee l e m e n to f t h ed u m m ya n dc a rc r a s hs i m u l a t i o n ，t i m ei n t e g r a t i o na l g o r i t h m s ，c o n t a c t ：i m p a c ta l g o r i t h m s ， m a t e r i a lm o d e la n dp r o p e r t y t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dm a i nf u n c t i o nm o d u l ea n dt h es o l v i n gp r i n c i p l et h a tr e l e v a n tt h e g r e a td i s p l a c e m e n tc r a s ht h e o r yo fl s - d y n a ，w h i c hi st h ec o m p a r a t i v ep o p u l a ra u t o m o b i l e c r a s hs o f t w a r ei nt h ew o r l da tp r e s e n t t h i sp a p e rt a k eac a ra sa ne x a m p l e t h ec o m p l e t e f i n i t ee l e m e n tm o d e l so fap a s s e n g e rc a ra n dt h eo c c u p a n tr e s t r a i n ts y s t e mi n c l u d i n ga5 0 曲 p e r c e n t i l eh y b r i d l i id u m m y ( d r i v e ra n dp a s s e n g e r ) a n d t h es e a t b e l ts u b s y s t e mw e r ep r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h ep r o t e c t i o no f t h eo c c u p a n t si nt h ee v e n to fa no f f - s e tf r o n t a lc o l l i s i o nf o 厂 p a s s e n g e rc a r , t h e4 0 一o f f s e td bf r o n t a lc r a s ht e s to ft h ec a ra t5 6k m hw a ss u c c e s s f u l l y s i m u l a t e da n dt h er e s u l t si n c l u d et h ec a r sd i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t y ，a c c e l e r a t i o nw i t hc r a s h i i i ； 0； 、0 -、l：i ，。，专 p r o c e s sa n dp e r f o r m a n c e 。i no r d e rt om o r ef u l l ye v a l u a t et h ep o s i t i v es a f e t yp e r f o r m a n c e ，t h i s p a p e rp r o c e e dt h ee n t i r ew i d t ho f t h er i g i dc o l l i s i o ns i m u l a t i o na tt h es a m et i m ea n dc o m p a r e t h et w om e t h o d so fd e f o r m a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i so ft h e c h a r a c t e r i s t i c so ft w ow a y s c o l l i s i o n t oa c h i e v eap o s i t i v ei m p a c to nt h ec a rd u r i n gt h ec o l l i s i o na n df u l le v a l u a t i o no f t h ep e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：p a s s i v e n e s ss e c u r i t y ；f r o n t a lo f f s e tc r a s h ；f e m ；s i m u l a t i o na n da n a l y s i s 【 i v 、 + 0 噎t； 、b10ij， 、 6 东北大学硕士学位论文目录 目，“录 ； 独创性声明j i 摘要i i 。 a b s t r a c t i i i i第1 章绪论1 l 。1j f 既l ；l 1 2 国内外汽车碰撞模拟研究的现状2 1 3 汽车碰撞研究方法4 1 3 1 汽车碰撞过程力学分析4 、1 3 2 研究方法介绍5 1 4 国内外汽车碰撞安全法规简介6 1 4 1 国外汽车碰撞安全法规6 1 4 2 我国汽车碰撞安全法规7 1 4 3 汽车安全技术法规的发展趋势9 1 5 本课题研究的意义l 0 1 6 本课题主要研究内容1 1 1 7 本章小结l1 第2 章汽车碰撞仿真的有限元理论l 3 2 1 有限元基本概念1 3 2 1 1 有限元方法的优势1 3 l 2 1 2 有限元的基本方程k 1 4 2 2 非线性有限元基本理论1 4 2 2 1 几何非线性15 2 2 2 材料非线性1 5 - 2 2 3 接触非线性1 7 ， 2 2 4 非线性有限元求解方程1 7 v 东北大学硕士学位论文 目录 2 3 碰撞仿真的时间积分算法2 2 2 3 1 显式中心差分法2 2 毒 2 3 2 中心差分法的稳定性- o 2 2 i 2 4 沙漏控制2 4 毒 2 5 碰撞仿真的接触界面算法2 6 2 6 碰撞仿真中使用的壳体单元2 8 l 2 6 1h u g h e s l i u 薄壳单元2 8 2 6 2b e l y t s c h k o t s a y 薄壳单元3 0 j 2 6 3 实体单元3 3 2 7 本章小结，3 4 第3 章l s - d y n a 软件介绍和整车模型k 。3 5 3 1l s - d y n a 概况3 5 3 2l s - d y n a 9 7 0 的功能特点3 5 、 3 2 1 材料模型3 6f + ， 3 2 2 单元类型。3 8 3 2 3 约束功能- 3 8 3 2 4 汽车安全性分析3 9 3 2 5l s d y n a 文件系统3 9 3 2 6l s d y n a 的一般分析过程4 0 3 2 7 通用前后处理器4 0 3 3 整车模型4 3 i 3 3 1 建模时关键技术的处理：4 5 lj 3 3 2 建立整车有限元模型。4 7 l 4 3 3 3 联接方式的处理4 8； 3 3 4 材料的使用。4 9 3 3 5 整车及各总成模型4 9 3 4 可变形壁障的有限元模型5 1 3 5 乘员约束系统有限元模型5 2 q 3 5 1 假人有限元模型。，5 2 v i 东北大学硕士学位论文 目录 3 5 2 安全带模型5 3 3 6 碰撞中的接触：j 二5 4 3 7 本章小结。5 4 。 第4 章正面4 0 偏置碰撞仿真分析5 5 4 1 初始条件5 5 4 2 偏置碰撞分析5 5 4 2 1 车体变形分析5 5 i 7 4 2 2 门框变形分析5 7 4 2 3 保险杠变形分析5 8 、 4 2 4b 柱加速度分析5 9 4 2 5 能量变化分析 4 3 偏置碰撞与正面全宽碰撞的对比6 1 4 3 1 偏置碰撞与j 下面全宽碰撞的变形对比6 l 4 3 2 偏置碰撞与正面全宽碰撞的加速度对比6 4 4 3 3 偏置碰撞与正面全宽碰撞的整车速度对比6 5 4 3 4 偏置碰撞与正面全宽碰撞的能量对比。6 7 4 4 偏置碰撞人体响应分析，6 8 4 5 人体伤害指标评价7 0 4 6 本章小结7 4 第5 章总结与展望7 7 5 1 总结7 7 5 2 展望7 8 参考文献7 9 致谢：8 3 v i i 【一 嘻k， u僵i；ii。， l f 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 随着时代的发展，汽车作为一种现代化的便捷的交通工具已经得到广泛普及。并 且随着科技的进步车速也有较大的增加，在给人们的生活带来便利的同时，也造成了越 来越多的交通事故，给人类的生命和财产带来了严重的威胁。我国是世界上道路交通事 故较多的国家之一，每年因交通事故而引发的伤亡人数和经济损失巨大，从表1 1 可以 看出，我国交通事故一直较为严重。为了减少人员伤亡世界各主要汽车生产国都制定了 严格的碰撞安全法规，要求汽车生产和开发都必须严格执行法规标准。我国政府于1 9 8 9 年9 月编辑了中国汽车碰撞安全法规，并对汽车实行了3 8 项强制安全法规。于2 0 0 0 年 1 月1 日实施的关于j 下面碰撞成员保护的设计规则c mv d i 迎9 4 规定从1 9 9 9 年1 0 月以后新申请上目录的车辆必须满足法规的要求，对于达不到法规要求的已上目录的车 辆，要求2 0 0 2 年7 月1 日前通过结构改造达到该法规要求，否则必须停止生产。汽车 安全问题越来越受到有关部门的高度重视，开展汽车安全性研究，提高汽车碰撞安全性， 降低交通事故的死亡率，是汽车制造企业十分紧迫的任务。 表1 11 9 9 8 年- - 2 0 0 3 年我国道路交通事故统计 t a b l e1 1t h es t a t i s t i c a it a b l eo fr o a da c c i d e n ti nc h i n af r o ml9 9 8t o2 0 0 3 汽车的安全性问题可分为主动安全性问题和被动安全性问题。主动安全性是指在交 通事故发生之前采取安全性措施来避免交通事故的发生。主动安全措施有车轮防抱死制 动系统、牵引力控制系统、主动悬架、四轮转向、车距雷达报警系统以及汽车全球定位 导航系统等。被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，利用对车辆结构的设计 以及被动安全装簧，尽可能对车内乘员或行人进行保护，以免发生伤害，或使伤害降低 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 到最小程度。例如安全气囊、安全带、可压溃式转向柱等都属于被动安全装置。交通事 故原因的统计分析表明，以预防事故发生的主动安全性只能避免5 的事故，因此提高 汽车被动安全性日趋重要。而汽车碰撞标准则是检验或评价汽车碰撞安全性能的重要依 据f l 】o 汽车碰撞按速度可分为高速碰撞和低速碰撞，高速碰撞研究车内乘员在发生碰撞时 的受伤程度，低速碰撞则研究车体在发生轻度撞击时车体应尽量避免发生损坏。汽车碰 撞按碰撞形式可分为以下几种形式：正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞和1 8 0 。翻转碰撞。 其中正面碰撞又可分为：全宽碰撞( 1 0 0 r b ) 、偏置碰撞( 4 0 o d b ) 、斜角碰撞。 对于汽车安全性的研究主要从以下几方面考虑： ( 1 ) 车体结构性能研究 主要研究汽车车体结构在各种碰撞模式下的变形形态和能量吸收水平，确定各主要 吸能部件的能量吸收比例，实现能量管理1 2 j 。寻找碰撞载荷有效的传递路径改善车体结 构的耐撞性能，在保证成员生存空间的基础上使车体结构吸收能量最大，而传递给乘员 的碰撞能量最小。 ( 2 ) 乘员约束系统研究 主要研究如何避免或减轻车内乘员与车内部件发生二次碰撞，从而使乘员所受到的 伤害降低到最小。最主要的研究部件有安全带、安全气囊、安全座椅、转向装置、吸能 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 1 ) 研究方向多 包括车体的抗撞性、人体损伤生物力学、乘员约束系统的多参数优化和匹配、法规 性研究、道路交通法规以及交通事故再现与分析等。 ( 2 ) 研究方法先进 实车碰撞试验、台车碰撞试验以及计算机仿真技术的结合。西方发达国家通过大量 的交通事故数据统计，有效的对现实中碰撞事故进行碰撞模式归类，在归类的基础上确 定碰撞强度。然后再通过实车碰撞确定车体耐撞的有效性，通过台车碰撞试验确定乘员 约束系统的安全性，以及通过计算机仿真技术对碰撞中车体结构和乘员约束系统的模拟 缩短了产品开发的试验量和周期。计算机模拟分析研究从上个世纪6 0 年代开始到近2 0 年发展最快。主要原因是随着计算机技术的发展，以大变形非线性有限元为基础的大型 碰撞模拟软件已经达到一定精度。基于显式有限元方法的抗撞性分析软件如l s d y n a 、 p a m c r a s h 等可以模拟计算实际的汽车结构碰撞压溃响应，能真实地描述结构变形， 整车有限元分析方法已成为车体结构抗撞性分析的有效方法。 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( 该方向将是未来1 0 年内碰撞领域的研究重点【2 1 ) ，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，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模拟方面已经具有了相当的 规模，达到了很高的水平i 引。 我国对汽车被动安全性进行系统进行研究是从8 0 年代后期开始的，虽然起步较晚， 但零部件和整车耐撞性的研究也取得了可喜的成绩。清华大学汽车安全与节能国家重点 实验室先后进行了多次整车碰撞实验。东风汽车工程研究院于1 9 9 5 年6 月建成了汽车 碰撞试验设施，可进行模拟碰撞试验和实车f 面碰撞试验，又可用于汽车零部件和整车 的安全法规认证。湖南大学的钟志华等在汽车碰撞模拟中有关摩擦力的计算和碰撞接触 问题的处理方面取得了卓有成效的成果【4 j 。在汽车乘员的计算机仿真研究方面，清华大 学于旭光等应用多刚体系统动力学中的k a n e 方法，建立了二维人体模型，并对碰撞事 故中的安全带对人体保护作用进行了研究【5 】。吉林工业大学的林逸等人，应用r w 方法 建立了二维和三维人体模型，并将其应用于碰撞事故中的乘员运动学和动力学响应的研 究q 丁t 6 1 。 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 汽车碰撞研究方法 1 3 1 汽车碰撞过程力学分析 汽车碰撞过程包括三个阶段，即碰撞前阶段，碰撞阶段，碰撞后阶段。碰撞前阶段 是指从驾驶员意识到有危险到开始碰撞第一次接触这一段时间。碰撞阶段是指汽车发生 碰撞，进行动量交换的瞬间过程。碰撞后阶段指汽车碰撞后车体分离，汽车运动至停止 的过程。汽车碰撞在力学上有如下特点： ( 1 ) 汽车发生碰撞的历程非常短暂，真正碰撞受力的时间更短，一般为6 0 m s 到 1 2 0 m s 之间。 ( 2 ) 汽车碰撞可以看成是强烈的弹塑性变形。在力学上【7 1 ，用恢复系数e 作为区别 完全弹性碰撞、弹塑性碰撞和塑性碰撞的参数。恢复系数p 可以定义为两物体在碰撞刚 体结束时的速度差与碰撞前速度差之比，即： p ：盟 ( 1 1 ) v i o v 2 0 式中：v ，1 ，2 一物体1 ，2 在碰撞后的速度。 l y l o1 ，2 0 一物体1 ，2 在碰撞后的速度。 恢复系数e 表示物体在碰撞后的恢复程度，也表示物体变形恢复的程度，他的取值 范围为o l 。 当o e 1 时，物体在碰撞结束时，变性不能完全恢复，动能有损失，这种碰撞称 为弹塑性碰撞。 当p = 0 时，是极限情况，在碰撞结束时物体的变形丝毫没有恢复，这种碰撞称为非 弹性碰撞或塑性碰撞。 当e = l 时，物体碰撞结束时变形完全恢复，动能没有损失，这是一种理想情况，这 种碰撞称为完全弹性碰撞。 当有效碰撞速度较小时，恢复系数e 较大，接近完全弹性碰撞，随着有效碰撞速度 的增加，恢复系数减小，趋向于弹塑性碰撞喁1 。在引起车辆损坏和人员伤害的碰撞事故 中，有效碰撞速度较大，所以可以把汽车碰撞近似看成是弹塑性碰撞。 ( 3 ) 可将碰撞过程中的汽车局部当作刚体处理，汽车在碰撞过程中因受到冲击而 发生损坏。一般来说这种损坏局限于碰撞接触部位及其附近区域，其余大部分构成上仍 完好。从实车碰撞试验的结果看，在碰撞接触处的冲击减速度最大，持续时问非常短， 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 离开接触点越远减速度最大值越小，持续时间越长。超过一定距离后，减速度不再随时 间而变。 一 ( 4 ) 减速度是造成人体伤害的主要原因。在汽车与汽车相碰撞的事故中，质量大 一 的汽车的乘员不容易受到伤害，而质量小的汽车的乘员往往受到较为严重的伤害，主要 原因是因为质量小的汽车在受到碰撞冲击时，减速度较大，从而造成质量小的汽车乘员 伤亡比率较大。 、 1 3 2 研究方法介绍 j 汽车碰撞研究主要有两种手段，即试验研究和计算机仿真研究。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。虽然计算机模拟具 有试验无法比拟的优越性，但由于计算机模拟方法所建立的模型还有很多局限性，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代替实车试验。目前汽车 生产厂家大多采用试验和计算机模拟相互结合的方法开发新的产品。 ( 1 ) 试验研究， 。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，归纳 起来主要是确保生存空问、缓和冲击、防止火灾等。根据这些目的实验方法可以分为三 大类：实车碰撞试验、台架冲击试验、台车碰撞模拟试验。 ( 2 ) 计算机仿真研究 早期的耐撞性研究主要采用试验手段来进行。由于试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。且由于试验中有一些随机因素的影响，使试验结果往往 不够稳定，可重复性差。因此用试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。计 算机仿真方法有以下有点【9 1 ： ( a ) 所需周期短 _ 使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。 ( b ) 降低成本 t 不需要进行破坏性试验，因此可以节约大量的人力与物力。 ( c ) 具有可重复性 在研究不同的系统参数对安全性能的影响时，在改变某一参数时可以很容易得到该 参数对系统性能的影响。 - 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( d ) 可以容易获得所需数据 利用计算机可以方便的选取某点，观察某部件的参数变化。而实验中要获得较多数 据就必须增加传感器和高速摄像机的数量，而且由于摄像角度的因素有些数据是不可获 得的。 ( e ) 不受时间、空间、气候等条件的限制，可以随时进行。 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 度是非常快的。在我国汽车的被动安全性是汽车安全性研究中的重要课题，而且人们对 汽车的被动安全性的要求也越来越高。我国制定了和国际接轨的系列法规，而且在实验 方面已经具备了开展模拟碰撞试验的能力。当前我国的汽车碰撞仿真的研究主要分为两 个方面：一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；另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。 目前国内应用最多的软件是国外引进的l s d y n a 3 d 、p a m c r a s h 软件。1 9 9 2 年 湖南大学将l s d y n a 3 d 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。1 9 9 6 年，清华大学应用l s d y n a 3 d 软件研究了车架的耐撞性能，在此基础 上，进行吉普b j l 2 1 的车架碰撞模拟仿真。吉林大学与长春汽车研究所合作于1 9 9 7 年， 在s g i 图形工作站上建立了比较完善的汽车碰撞仿真模拟，得到了汽车结构碰撞变形的 整个过程【1 0 】。同时，随着国家安全法规的实施，国内有许多相关单位相继成立了碰撞试 验室，如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、湖南大学汽车碰撞试验室等。 1 4 国内外汽车碰撞安全法规简介 1 4 1 国外汽车碰撞安全法规 世界汽车发达国家在6 0 年代就对碰撞安全性开始制定强制安全法规。目前国际上 有代表性的是美国联邦机动车安全法规( f m v s s ) 和欧洲法规( e c e 和e e c ) 。正面碰 撞试验法规为美国的f m v s s 2 0 8 和欧洲的e c er 9 4 。侧面碰撞试验法规为f m v s s 2 1 4 和欧洲的e c er 9 5 。其他澳大利亚、日本等国家的相关法规基本上是参考美国和欧洲标 准制定的。 美国在1 9 6 8 年制定的联邦机动车安全法规( f e d e r a lm o t o rv e h i c l es a f e t ys t a n d a r d s ，7 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 简称f m v s s ) 是第一个汽车碰撞安全法规。有关被动安全的法规近3 0 项，已经形成了 完整的法规体系。法规中实验内容包括：。 ( a ) 1 0 0 重叠率( 1 0 0 r b 1 0 0 o v e r l a pr i g i db a r r i e r ) 刚性障碍壁前撞试验，碰 撞角度为与障碍墙垂直的+ 3 0 。范围内，碰撞速度为4 8 3k m h 。 ( b ) 可变形移动壁垂直侧撞试验，碰撞速度为5 3 9k m h 。 ( c ) 翻滚试验，速度为4 8 3k m h 。 ( d ) 有关安全气囊、假人和安全带的试验。f m v s s 2 0 3 对乘员的受伤害指标做了具体 的规定，具体包括胸部的加速度、胸部压缩量、大腿和颈部的受力等。 欧洲从2 0 世纪6 0 年代后期也开始制定汽车被动安全法规，制定了e c e 和e e c 安 全法规。试验内容主要包括： ( a ) 4 0 偏置可变形壁障正面碰撞试验，碰撞速度为5 6 砌h 。 ( b ) 移动壁障侧面碰撞试验，碰撞速度为5 0k m h 。 ( c ) 其他e c e 法规如r 1 2 转向机构，r 2 9 商用车辆驾驶室乘员防护，r 3 2 追尾结构， r 3 3 正碰车辆结构性能认证1 4 汽车，r 3 4 燃油系统都有相关的实验要求。 欧洲在研究正面碰撞安全法规时比较重视实际的交通事故形态，于1 9 9 8 年提出了 与实际交通事故最为接近的偏置变形壁障碰撞试验方法。e c er 9 4 0 1 中采用了车速为0 1 5 6 k m h 的4 0 偏置变形壁障碰撞试验。 ： 日本虽是汽车工业强国，但是实车碰撞研究工作要比欧美晚，其法规基本参照了美 国f m v s s 2 0 8 法规。与欧美不同的是，由于日本国土狭窄所以同本道路车辆安全标准特 别重视汽车与行人及摩托车之间的碰撞安全，对汽车外凸物等的规定特别详细。 1 4 2 我国汽车碰撞安全法规 我国的安全法规g b l l 5 5 1 - 2 0 0 3 乘用车正面碰撞乘员保护( c m v d rc h i n am o t o r v e h i c l ed e s i g nr u l e ) 主要以欧洲法规为蓝本，参考美国法规制定。法规中规定的碰撞方 法与欧洲e c e 9 4 基本相同。c m v d r 2 9 4 只规定了汽车垂直于障碍壁碰撞的情况，没有 对侧撞、翻滚等情况作相应的规定。汽车侧面碰撞的乘员保护和乘用车后碰撞燃 油系统安全要求则对汽车侧碰和后碰提出了具体的标准。我国最新实施的法规是2 0 0 7 年4 月3 0 日发布，于2 0 0 7 年1 2 月l 同实施的g b t 2 0 9 1 3 - 2 0 0 7 乘用车j 下面偏置碰撞 的乘员保护。参照e c er 9 4 关于机动车正面碰撞时对乘员保护的认证统一规定( 0 1 版本，2 0 0 3 年) 和g b l l 5 5 1 - 2 0 0 3 乘用车正面碰撞的乘员保护修改而成。 按照g b t2 0 9 1 3 2 0 0 7 的技术要求，对试验车辆碰撞性能的评价可分为对车身的要 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 求和对乘员约束系统的要求、对假人损伤指标的要求和对燃油泄漏的要求等。 ( 1 ) 对车身碰撞性能的要求 ( a ) 碰撞过程中车门不得开启 ( b ) 碰撞过程中前门锁止系统不得发生锁止 ( c ) 碰撞后，不使用工具，每排至少有一个车门能打开 ( 2 ) 对乘员约束系统的要求 ( a ) 碰撞后，安全带系统完好，不能断裂，固定点不得脱落，锁扣不得自动开肩或脱 落，但在锁扣上施加不超过6 0 n 的压力，锁扣应能打开。 ( b ) 碰撞后不应有能够伤害假人的突出物侵入乘员室，假人应能完好地取出。 ( 3 ) 对假人损伤指标的要求 ( a ) 碰撞过程中，假人头部综合性能指标h p c ( h i c ) 1 0 0 0 。 ( b ) 碰撞过程中，假人胸部性能指标t h p c ( 胸骨相对于脊椎的压缩量) 结果后处理，数据的可视化处理 ll ，d与一 结果分析与评价，形成分析报告 图3 3a n s y s l s d y n a 的一般分析流程 f i g 3 3t h eg e n e r a la n a l y s i ss t e pa n s y s l s - d y n a 拓o f t rs u a t ：rc m h d p 砷唿讲 f 一臣黼s 2 0 0 0 0 。9 旃5 0 张溺蕊赫