（固体力学专业论文）大客车翻滚碰撞性能研究及改进设计.pdf

摘要 丈客车的碰撞安全性问题是近几年来人们普遍芙注的问题，而客车的翻滚碰撞是事故伤亡率 较高的一种情况。现如今国内没有针对大客车的碰撞安全性的强制性法规，当然也没有具体的翻 滚碰撞实验。最近，有关部门正在参考欧洲标准( e c er 6 6 ) 起草关于大型客7 i 三上部结构强度要 求的一项法规，此法规的实施将在很大程度上降低事故的伤亡率。 由于没有法规标准限制，国内针对大客车车架的分析局限于静态分析目前尚未见对其进行 碰撞性能分析的文献发表。本文参照欧洲标准( e c er 6 6 ) 对国产某大型客车的车身骨架进行翻 滚碰撞的仿真分析，在分析的基础上，对客车骨架进行了一定的改进设计，改进后的骨架结构可 以保证满足翻滚碰撞事故的结构要求。研究主要包括以下几个方面： 1 )静态分析，依照厂家的要求，在三种典型工况下，校核了车身骨架的强度和刚度，并且 确定了结构的薄弱环节，为改进设计提供了依据。 2 )模态分析，对车身骨架的固有频率及振型进行了分析，验证了固有频率避开了主要外激 振频率，满足设计要求。同时采用了类比法验证了模型的正确性。 3 )翻滚碰撞分析，按照欧洲法规对客车车身骨架进行仿真分析，依照分析结果进行了改进 设计最大程度地满足法规要求。 4 )针对近年发生的一次典型碰撞事故资料，仿真分析了翻滚碰撞的过程，根据仿真结果改 进了结构设计。 关键词：被动安全，有限元，翻滚，碰撞，人客车，改进设计 l i a b s t r a c t c o l l i s i o ns a f e t yo fb u sh a sb e e np a i dm u c ha t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s ，r o l l o v e rc o l l i s i o ni so n eo f t h eh i g h e s tc a s u a l t yr a t i oc o n d i t i o ni nt r a f f i ca c c i d e n t s n o w a d a y s ，o b l i g e dr e g u l a t i o n s0 1 1c o l l i s i o n s a f e t yo fb u sh a sn o tb e e nc a r r i e do u ti nc h i n a , o fc o u r s e ，e x p e r i m e n t sa b o u tr o l l - o v e rc o l l i s i o nh a v e n o tb e e nd o n e r e c e n t l 5t h eg o v e r n m e n th a sb e g u nt od r a f to u tt h er e g u l a t i o na b o u tu p s i d es t r u c t u r e s 仃e n g t ho fb u sr e f e r r i n gt oe c er 6 6 ，a n dt h ee x e c u t i o no ft h i sr e g u l a t i o nw i l lg r e a t l yr e d u c et h e c a s u a l t y b e c a u s et h e r ea r en os t a n d a r dr e g u l a t i o n s ，a tp r e s e n ta n a l y s i sa b o u tb u sc h a s s i si sl i m i t e dt o s t a t i cc o n d i t i o n ，a n db e f o r en o wt h e r ea r en ol i t e r a t u r e sp u b l i s h e d i nt h i sp a p e r , s i m u l a t i o na n a l y s i so f r o l l * o v e rc o l l i s i o nh a sb e e nd o n eo nt h ef r a m eo f c e r t a i nk i n do f c i v i lm a n u f a c t u r e db u sa c c o r d i n gt o e c er 6 6i nt h i sp a p e r b a s e do ns i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ed e s i g no fb u sf r a m e sh a sb e e no p t i m i z e d ，t h e o p t i m i z e do n ec a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so f c o l l i s i o ns a f e t y t h er e s e a r c hw o r km a i n l yi n c l u d e s ： 1 ) s t a t i ca n a l y s i s ：c h e c k i n gs t r e n g t ha n dr i g i d n e s so ft h ef r a m eu n d e rt h et h r e et y p i c a lw o r k i n g c o n d i t i o n s ，a n df m d i n gt h ef r a g i l ep a r to ft h es t r u c t u r e ，a n dp r o v i d i n gt h ec r i t e r i o nf o r d e s i g n 2 )m o d a la n a l y s i s ：a n a l y z i n gn 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 e ，a n dp r o v i n gt h a tn a t u r a l f r e q u e n c ya v o i d st h em a i ne x c i t i n gf r e q u e n c ya n dm e e t sd e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n dv e r i f yt h e m o d a lb yu s eo fa n a l o g ym e t h o d 3 ) r o l l - o v e rc o l l i s i o na n a l y s i s ：s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n so ft h ef r a m ea r ec a r r i e do u tr e f e r r i n gt o e c er 6 6 ，t h e ni m p r o v e dd e s i g nb a s e do na n a l y s i sr e s u l t s ，s a t i s f y i n gt h ee c er 6 6t ot h ef u l l e x t e n t 4 ) a c c o r d i n gt ot h ed a t ao fat y p i c a lt r a f f i ca c c i d e n tt h a th a p p e n e dr e c e n t l y , t h ep r o c e s so f r o l l - o v e rc o l l i s i o ni ss i m u l a t e d t h es t r u c t u r ei si m p r o v e db a s e do ns i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：p a s s i v es a f e t y , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，r o l lo v e r 9c o l l i s i o n ，b u s ，i m p r o v e dd e s i g n l l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 钾舂r n 时间： 里年? 月2 ；日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 钾永刚 时间：训i 年3 月25 日 导师签名：厢 1 爱时间：眄年弓月哆日 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 近年来，由于我国道路车辆的不断增加，交通事故死伤人数也不断上升，近几年持续保持平 均每年死亡7 万人以上，其中，2 0 0 1 年突破1 0 万。而近儿年( 据统计，1 9 9 5 , , - 2 0 0 0 年间) 公路客运 占旅客运输总量的8 8 - - , 9 0 ，周转鼍占5 1 - - 5 6 ，1 9 9 5 1 9 9 7 发生的4 4 起特大事故( 公安部规 定一次死亡2 0 人以上) 中客车占4 0 起( 图1 - 1 ) 。因此，随着我国交通旅游的e 速发展，加强客 车安全、预防重大事故中对乘员的伤害，是综合治理公路交通安全的重要措施之一 围卜 一起交通事故理场 2 0 0 3 年3 月5 日，一辆载有5 3 入的大客车，困雨雪天路滑，弯道上超速行驶失控，坠落路 边3 0 多米深的山崖下，造成1 6 人死亡，3 7 人受伤。 2 0 0 3 年6 月6 日，一辆定员3 1 人的大客车，实载4 6 5 0 人，下坡转弯路段时，行车速度比 较快，进入弯道操作失误，冲出道路翻f1 5 6 米山坡后坠落2 0 米深的尔江中，步e 亡人数超过3 2 人。 2 0 0 4 年1 月1 4 凌晨，江西昌樟高速公路药湖路段发生特大交通事敌，一辆装载37 人的丈 客车冲下l o 余米高的药湖高架桥，造成16 人死亡，21 人受伤( 圈1 2 ) 。 2 0 0 4 年0 5 月1 2 日下午2 点3 0 分左右，杭州长途运输有限公司的一辆载客3 3 人的大巴，在 杭卅l 开往昆山的途中，在乍嘉苏高速公路嘉兴段7 号桥冲出护栏，落入十多米落著的桥底，车身 倒扣，立即冒烟，经扑救未着火。事故当场造成2 3 人死亡。 2 0 0 4 年0 6 月1 3 日一辆沈阳至宽甸的长途大客车于在丹东风城境内艾阳城春大桥发生翻车事 故，客车翻到桥下河床上。当时车上有乘客31 人，当场死亡17 人。另有l4 人受伤( 图1 - 3 ) 。 鄹卜2 摹蕺疆场 匿1 - 3 高速公器覃蘸 域工仅列举少数凡个事故，就可以看到问题的严重和血腥。一方面，我国很多公路的防护栏 不符合碰撞的标准。交通部试车场和棵华选试验场等，已经开始进行了一些实车试验，特别是深 华达试验场，已经进行了上百辆汽车试验，其中包括大客车和重型车辆，取得了很多十分宝贵的 数据，为减少这方面的事故，发挥了作用；另一方面，我国现在的客车生产由于投有足够的试验 一2 一 条件对整车进行分析，以至于大客车的翻滚碰撞性能都不能达到一定的安全要求i t 。 发生事故时，客车骨架作为主要承载件将承受来自地面等的大部分载荷。特别是在翻车事故 中能否给司乘人员提供必要的逃生空间是一个很重要的因素。从很多事故资料来看，客车在发 生事故后，很多乘员的伤亡都是因为骨架严重变形或者断裂，乘客遭受“二次碰撞”造成的。所 以对骨架部分的强度刚度以及翻滚碰撞性能进行分析尤为重要。 1 2 汽车碰撞安全性研究的发展 1 2 1 汽车安全问题 汽车安全、节能和环保问题己成为当今汽车工程领域三大具有重要社会、经济意义的研究热 点，并且得到了有关政府部门的高度重视。 汽车安全性可分为主动安全性和被动安全性两大类，其中主动安全性是指汽车避免发生意外 事故的能力；被动安全性，则是指汽车在发生意外事故时对乘员进行有效保护的能力。通俗地讲， 主动安全性就是要使汽车在行驶时“有惊无险”：而被动安全性j i ! | 要做到汽车发生事故时“车毁 人不亡”。由于汽车被动安全性总是与广义的汽车碰撞事故联系在一起，故又称为“汽车碰撞安 全性”。汽车的被动安全性研究在国外开始丁六十年代，并随着计算机技术和试验手段的提高取 得了长足的发展。作为推销汽车产品的重要依据和用户优先考虑的条件之一，提高汽车的被动安 全性在许多汽车生产厂家都倍受重视，美国、日本和西欧等汽车制造公司都有专门的技术人员和 最先进的计算机及试验设备从事汽车被动安全性的试验和分析工作“1 。 汽车碰撞安全性问题自汽车诞生以来就存在，但在早期由于车速过低车辆相对较少而未引 起人们的重视。随着轿车、客车的大规模生产和使用，也由于车速的不断提高，碰撞安全性问题 变得越来越突出。汽车与行人发生碰撞时，还会造成行人的伤亡。据统计，目前全世界每年死于 车祸的人数达1 0 0 万人，伤残的人数达数千万，而国内每年车祸致死豹人数超过b 万，致伤者数 百万。因此，汽车交通事故已成为当今威胁、残害人类生命的一犬公害。汽车交通事故造成的大 量人员伤亡自然带来一系列社会和经济问题，严重影响了人们的生活和生产，不得不；f 起人们的 高度重视。 随着人们对汽车安全性的要求越来越高，相应地研究工作越来越受到重视，而汽车的被动安 全性是汽车安全性研究中最重要的课题。过去那种主要侧重于汽车的动力性、燃油经济性和制动 性能等几个方面性能的做法，正在经受着新观念的冲击。在国外，政府对汽车性能的要求已重点 放在了汽车的安全性能和环境保护性能上，而汽车的动力性和燃油经济性则任由市场与用户去评 说，可见，汽车的被动安全性是何等的重要。在我国，尽管开展对汽车被动安全性研究的历史还 不足1 0 年但取得的成绩是显著的，不仅已制定了与国际接轨的系列安全法规，而且在试验研 究方面已经具备了开展模拟碰撞试验及整车碰撞试验的能力，同时还造就了一支高素质的科研 队伍，特g 值得一提的是，汽车被动安全性的仿真研究工作，在我国也蓬蓬勃勃地开展起来了， 且发展势头十分强劲。我们相信，随着汽车被动安全仿真研究的深入，尽管还会不断出现新问题， 但只要充分调动好方方面面的力量，协同攻关。是一定能够克服困难，将我国汽车产品的安全性 能推上一个新台阶的。 1 2 2 汽车碰撞分类 汽车碰撞事故可分为单车事故和多车事故，其中单车事故又可细分为翻车事故和与障碍物碰 撞事故。翻车事故一般是由于驶离路面或高速转弯造成的，其严重程度主耍与事故车辆的车速和 翻车路况有关，既可能是人车均无火恙的局面，也可能造成车毁人亡的严重后果，图卜4 和卜5 列举了翻车的两种典型状态。 围卜4 正向坠崖翻车示意图 图卜5 侧向坠崖翻车示意图 与障碍物的碰撞事故主要可分为前撞、尾撞和侧撞，其中前撞和尾撞比较常见而侧撞较少发生。 单车事故时汽车可受到前、后、左、右、上、下的冲击载荷，且对汽车施加冲击载荷的障碍物可 以是有生命的人体或动物体，也可以是无生命的物体。显然障碍物的特性和运动状态对汽车事故 的后果影响较大，这些特性包括质量、形状、尺寸和刚性等。 1 2 3 汽车碰撞事故中的人体损伤机理 由汽车碰撞事故造成伤亡的人员有两类，即车内乘员和车外行人。对行人而言，汽车碰撞事 故对人体的损伤都是通过汽车对人体的直接碰撞作用造成的。但对车内乘员而言，碰撞造成的人 体损伤机理比较复杂。如果没有安全带的有效保护，乘员在正撞中很容易向前翻飞，前排乘员常 撞碎挡风玻璃，b 出车外。若安全带发生作用，乘员一般不会飞离座位，但可能与汽车内饰件发 生碰撞，导致不同部位的损伤。即使乘员在安全带的有效作用下不与汽车内饰什发生碰撞，乘员 头部和颈部等也可能由于承受过大的加速度而损伤，或者胸部由于承受过大的安全带压力丽损 伤。当安全气囊发生作用日寸，乘员一般可免受与内饰件碰撞，但与气囊覆盖件和气囊的接触可能 导致外伤或烧伤。 犬多数情况下车内司乘人员伤亡都是由于汽车碰撞导致司乘人员与车内部件的碰撞造成的。 人们常将汽车的碰撞称为“一次碰撞”，而将人体与车内部件的碰撞称为“二次碰撞”。显然“二 次碰撞”是由于“一次碰撞”导致人体与汽车快速相对运动造成的。 综上所述司乘人员在碰撞过程中受到损伤的主要原因可归纳为以下四点： 1 )次碰撞过程过分剧烈，以致传递到司乘人员身上的加速度值超过了人体的耐受极限， 使人体器官受到损伤。 2 )司乘人员在车内遭受单次或多次“二次碰撞”而受伤。 3 )碰撞过程中乘坐室外部刚硬物体( 如发动机) 侵入乘坐室内部，膏接挤压司乘人员造成 4 一 的伤亡。 4 ) 在碰撞过程中，乘坐室变形太大，以致司乘人员缺乏生存空间而伤亡。 1 2 4 汽车碰撞安全法规及大客车结构法规发展 为了减轻汽车碰撞事故对人类造成的危害，汽车工业发达的国家先后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。其中最著名的是美国和敞洲碰撞安全 法规f m v s s ( 美园联邦机动车安全法规) 和e c e ( 欧洲安全法规) ，除此之外，日本、澳人利亚 和我国也都先后建立了自己的碰撞安全法规。如澳大利亚的a d r ：加拿大的汽车安全标准( c l g q s s ) ： 日本的道路运输车辆法等。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， 有自己一套比国家汽车安全法规更严格的标准。开展被动安全性研究平u 贯彻安全法规的结果，使 得这些国家的汽车事故中死亡人数大为减少，效果很明显。汽车安全法规一般包括防止事故芨生、 减轻碰撞事故发生时对乘员的损伤以及发生事故后的防护等内容。对车辆而言，最难以满足的性 能要求也就是法规关于碰撞安全性方面的要求。 碰撞安全法规主要规定车辆对车内乘员、路上行人的碰撞保护性能。目前，美国、欧洲、日 本和澳大利亚等国家的汽车碰撞安全法规针对的主要碰撞事故类型是前碰撞和侧面碰撞，但发展 的方向会将实行行人碰撞保护包括在内的多种碰撞类型，目前碰撞安全法规主要针对轿车而制定 的，并将逐步扩大到轻型载货汽车、多用途车以及大型客车等车型上。 相对于欧、美、日等汽车工业发达国家来说，我国的汽车碰撞安全法规制定的较晚。1 9 8 9 年我国颁布了中华人民共和国标准法，明确将涉及人体健康、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。1 9 9 5 年我国已经将涉及汽车安全、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，这些标准大多是参照e c e 法规 和e e c 指令制定的。2 0 0 2 年开始实施法规标准，并且目前法规涉及的主要内容也只是车辆前部 正面碰撞其中最主要的法规是c m ) r 2 9 4 关于正面碰撞乘员保护的没计规则。随着我 国加入w t o ，我国的汽车碰撞安全法规将会很快达到与国际接轨的程度 3 , 4 1 。 国外如美国、欧洲等在大客车出厂前都需满足法规要求，客车必须通过试验满足上述的要求 才能销售使用。所以客车事故伤亡率明显大幅度降低，而在国内此项法规尚不健全，虽然近几年 我国正在不断重视客车安全这部分。但是我国被动安全性研究开展较晚，大多数车犁在设计之初 都没有考虑被动安全性，因而都有待于进行安全性检验。与结构的强度设计不同，安全性设计的 目的在于如何诱导结构的变形，使结构的变形、吸能向有利于乘员保护的方向发展。 客车工业是在我国加入世贸组织以厉，发展前景比较好的一部分。目前我国己正式成为全球 车辆法规论坛w p 2 9 】9 9 8 年协定书的缔约国之一。系统采用e c e 汽车技术法规是我国客车 产品国际化发展的技术依据，也是必由之路，它必将为产品的技术开发开辟更广阔的前景。 我国最初采用国际客车技术法规是从e c er 3 6 开始，1 9 9 7 年参照e c er 3 6 0 3 版制定我国的 强制性标准。e c e 法规这些年来已有了长足的进展，也最具有国际性，至今已颁布1 1 4 项。虽然 它是缔约国( 4 1 个) 自愿采用的，但很多汽车工业发达国家如德国、法国、意大利、英国等采用1 0 6 项以上，在缔约国内，法觌的采用率占7 0 0 一9 0 。w p 2 9 制定法规的专家t 作组有6 个，客车属 于一般安全性专家【作组g r s g ，此外还有被动安全性、灯光及光信号、污染及能源、制动及底 盘、噪声等专家工作组。现在世界车辆法规协调工作主要在w p 2 9 进行，并正在制动、安全玻璃、 灯光及信号装置、行人安全、儿童安全带、门锁、头枕及排放等方面制定全球统一的汽车技术法 规。 我国客车行业除了修改采用e c er 3 6 0 3 、e c er 5 2 0 1 轻型客车结构安全要求和e c e r 6 6 ( g b t 1 7 5 7 8 1 9 9 8 ) 以外。客车座椅及其固定件强度等同采用e c er 8 0 0 l 舨，正在制定中 的双层客车标准也将等同采用e c er 1 0 7 。这些法规都是从可能产生险情处着眼，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，规定很细致。从公路交通安全 情况看，这些标准将会起到明显的改善交通安全的作用 5 , 6 , 7 1 。 在美国，汽车产品采用的是自我认证体系，政府颁布法规后，在市场上对车型进行抽查，一 旦发现违反法规要求，则由政府强制企业“回收”该产品；而在欧洲，汽车产品采取的是政府强 制认证胄8 度；日本、我国也都采用的是政府强制性认证制度，这一型式认证方法要求企业生产该 车型前通过由政府主管部门的型式认证后才能生产，欧洲在通过型式认证后取得“j ”标忠；我 国现在采用的是目录管理，但有一些汽车部件已开始实施标志管理，今后按照c m v d r 的要求， 完成了规定的试验和生产一致性检查后，可以获得“e ”标志”1 。 1 2 5 碰撞安全性设计与仿真技术的发展 过去，在汽车被动安全研究领域，一直以试验数据为根据。为改进或设计某种结构或部件， 往往需要做多次重复性试验。所以研究者和设计师们一宜希望能够利用计算方法，尽可能完善地 模拟真实碰撞事故发生时结构和部件的变形状态，以及此时车内乘员的运动状态乘员与可能接 触的车体结构和约束系统的关系。汽车安全发展初期，汽车生产厂家和设计者需要通过大量试验， 找出有关结构和零部件的各类缺陷，加以改进，使其满足标准的要求，但这种“试错”试验，需 要花费大量的资金和时间，这样便加速了数学模拟计算模型的出现和发展。c a e ( c o m p u t e r a i d e d e n i g n e e r i n g ) 是计算机技术和数值分析技术相结台丽形成的新兴学科。c a e 的核心是数值计算方 法特别是有限元方法。经过几十年的发展，c a e 已经达到了较高的水平，许多大型的通用分析 软件已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菲线性系统，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 地应用。现在许多人的软件公司已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。如今， 计算模拟技术已经成为各个汽车公司进行被动安全性研究的核心技术。 国外在汽车碰撞计算机模拟方面的研究已经具备了相当扎实的基础。这个基础的形成已经历 了由大量的汽车碰撞试验研究向以此为基础而发展起来的计算机模拟技术的过渡，并逐步走向二 者紧密结合的成熟阶段。我国c a e 技术在汽车上的应用己全面展开，单一计算模型和计算水平 已达到国外同期水平，但是1 ：业化应用程度还比较低 i o , 1 “。c a e 技术还有待进一步开发，相应 的评价标准在大多数企业中还没有建立起来，计算结果应用技术敛益受到一定限制。因此，加 大对c a e 技术的投入势在必行。一方面要尽快建立企业c a e 评价标准另一方面要吸收国外成 6 熟的评价数据和方法，加快开发自己的计算机分析软件，培养一批掌握c a e 技术的人才。此外， 由于其他相关领域的新技术和新理论的不断发展和完善，特别是大型电子计算机的飞速发展，计 算方法的不断改进，以及对各种材料机理研究的不断深入，使得实现复杂结构的模拟计算成为可 能1 1 2 , 1 3 1 。通过计算模拟，可以在汽车设计或改进过程中经济而有效地提供一些基本规律和指导方 向，减少试验次数，避免大量的尝试性工作，这样既能减少开发成本，又可缩短开发周期。由于 我国汽车碰撞研究领域尚处于起步阶段，碰撞试验研究和计算机模拟碰撞研究的基础都很薄弱。 而且，该研究受人力和资金的制约严重，目前我国开展汽车碰撞计算机研究戍重视以下三方面的 问题：深入分析我国汽车碰撞的研究现状：建立典型车种和乘员的有限元数学模型：加强乘员被 动安全性计算机仿真和优化研究【1 4 1 ”l l “17 , 1 8 。 1 3 国内外研究现状 四十年代，梅塞得斯一奔驰公司第一次进行碰撞试验，开始规模型研究汽车碰撞。八十年代 末，美国、欧洲一些国家的汽车产业如通用、大众、宝马相继研究汽车碰撞，但是局限于对障碍 物的碰撞f 1 9 】。从八十年代开始，计算机技术的飞速发展，使世界各国汽车碰撞研究突飞猛进，以 美国、欧洲为代表涉及汽车被动安全研究的各个领域，从一开始的单纯正面碰撞到1 9 9 9 年的翻 滚碰撞性能研究。越来越全面的安全性能被人们重视起来。模型也逐渐细化，精度越来越高。1 9 8 5 年，德国大众汽车公司构造的p o l o 车正碰有限元模型中包括了5 5 5 5 个壳单元和1 0 6 个梁单元， 在随后的几年中，分别对p o l o 轿车做了偏置、侧面、后部、翻滚的碰撞试验研究，树立了小型 轿车被动安全性的典范【2 “。1 9 9 2 年德国欧宝汽车公司a s t r a 车正面碰撞的有限元模型包括了 2 7 0 0 0 个单元，2 0 0 1 年德国宝马汽车公司b m w x 5 车正碰的有限元模型包括的单元数目超过了 5 0 万，几乎所有的构件在模型中都能体现出来日”计算模拟的模型都是采用了试验联系模拟的 方法评定。 1 9 9 7 年，国外客车行业开始严格按照法规生产，奔驰、沃尔沃等都开始对开发的新客车品种 以试验满足法规要求来控制质量；日本也在2 0 0 0 年开始施行针对人客车上部结构强度要求的安 全法规。 随着我国c a e 技术的不断发展和试验条件的不断改善，国内一些单位在8 0 年代末期开始研 究汽车的碰撞安全性能。1 9 8 8 年，吉林工业大学西安公路交通大学分别建立了“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，清华大学于旭光、黄世霖引进美国c a l 3 d 软 件，应用刚体动力学中k a n e 方法建立二维人体模型；1 9 9 2 年，湖南大学引进d y n a 3 d 软件， 对驾驶员和安全带模型进行碰撞模拟同年，清华大学利用d y n a 3 d 作了b j 2 1 2 车架碰撞模拟， 并根据计算结果对车架进行了改进：文献 2 2 中吉林上业大学与长春汽车研究所建立了某轿车的 碰撞模型并作了正面碰撞的分析( 图卜6 ) 。2 0 0 2 年，江苏大学建立了一微型轿车的碰撞有限元 模型，并做了正面碰撞的模拟分析，此模型共采用了约2 5 0 0 0 单元p m ( 圈卜7 ) ：同年，清华大 学汽车安全与节能国家重点试验室建立了国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p 。文献 2 5 中，同济大学应用p a m _ c r a s h 软件建立了桑塔纳2 0 0 0 型轿车的 整车正面碰撞模型，并在此基础上进行了一些结构改进的探讨，此模型共采用了4 0 万个单元。 文献 2 6 2 7 中，泛亚汽车技术中心应用l s - d y n a 软件按美国的侧面碰撞新车评估程序( l a t e r a l 7 i m p a c t n e w c a r a s s e s s m e n t p r o g r a m ，简称l i n c a p ) ，建立了两种轿车人体的侧面碰撞模型r 并 对它们的侧面抗撞性进行了研究。 但是，目前国内缺少对大型客车的碰撞模拟研究更缺少针对大型客车的碰撞安全试验，分 析原因主要有下列两方面： 1 ) 目前国内没有法规标准限制。大客车生产厂家不用考虑翻滚碰撞的性能要求。 2 ) 试验费用太高，工作量大，技术要求也较复杂，缺少这方面经验。 圈1 6 1 4 研究内容及方法 圈卜7 本课题致力于研究两方面舶内容，一是大客车在目前一些国家标准f 的性能研究，通过研究 弯曲，扭转，紧急制动三种工况以及模态分析对客车车身骨架的静态特性和动力学特性做出正确 评价，并运用类比法验证模型的适用性；二是对大客车的翻滚碰撞规律进行研究针对目前国内 大客车的交通事故资料，首先依据欧洲安全法规e c e r 6 6 研究翻滚碰撞。利用通用显式动力分析 软件l s - d y n a 对太客车的翻滚碰撞进行计算机数值模拟计算，然后通过对国内一次具体事故模 拟来看大客车的酾滚碰撞性能，为今后的汽车设计工作提供有力数据。 课题研究中，主要完成以下工作： 1 )熟悉并使用a n s y s 以及l s - d y n a 软件。 2 )对客车车身骨架按照厂家要求，进行了制动，弯曲，扭转几种工况的分析，对车身的静 强度和刚度进行校核。 3 ) 对客车车身骨架豹振动模态进行了分析。与同类车型进行比较。以验证模型的可用性。 4 1 按照欧洲安全法规e c er 6 6 对车身骨架进行侧翻碰撞的模拟计算，车身骨架以 0 0 8 7 r a d s 的初角速度绕轴转动，后撞击到地面上。 5 ) 对碰撞模拟结果进行研究，对骨架的弱势部分进行改进设计，再一次进行了法规撞击模 拟，并跟上一次结果进行对比，结果表明改进的效果是显著的，满足了碰撞后对结构变 形的限制要求。 6 、针对国内彝勺一次魏车事故，真实模拟碰撞过程、分析车架的变形。与真实结果做出类比。 同时进一步验证了改进设计的可靠性。 8 中国农业大学硕士学位论文第二章汽车碰掩模拟计算的有限元算法 第二章汽车碰撞模拟计算的有限元算法 2 1 汽车碰撞有限元法 汽车耐撞性分析的有限元法是2 0 世纪8 0 年代以t | 亓才逐步发展利完善起来的先进技术，如今 已在汽车工业发达国家得到广泛地应用，并已经取得了巨大的成就。碰撞有限元法用于t 程实际 分析的一般过程如图2 1 所示。 田2 1 碰撞有隈元法分析流程围 与碰撞试验方法不同的是，有限元法是一种数值方法，分析与计算都是在计算机上完成，它 所具有的优势是方便、快捷并且花费相对低廉，因此在当今的汽车碰撞安全性研究中占有特殊重 要的地位。 与碰撞试验一样，碰撞有限元法的应用也是十分广泛的，如进行整车的碰撞分析，部件或结 构的碰撞分析，或者是安全带、安全气囊与假人的碰撞作用分析等。其求解的内容可包括车身、 车架等的撞击及动态响应以及人体的碰撞响应等多种未知量；求解的结构可商接用来评价车辆或 部件碰撞安全性能的好坏，以帮助改进结构设计中的缺陷等。 由于碰撞有限元分析的工作通过计算机来完成，不会象实际碰撞试验那样损坏任何的实体， 并且能够对初始设计进行快速的评估等，因此，该方法得到越来越广泛的应用，并且正在逐步取 9 中国农业大学硕士学位论文 第二章汽车碰撞模拟计算的有限元算法 代部分试验工作。 归纳起来碰撞有限元分析所具有的巨人优势主要表现在以下几个方面： 1 1花费低廉，即建立一个计算模型可用来进行多次多工况的碰撞模拟- 而不像试验每次都 会使汽车损坏甚至报废。 2 1如果结构发生了变化，只需改动模型中的相关参数即可进行再次的碰撞分析，这比实体 修改后再次实验的过程更方便、快捷，犁j 予多种方寨的快速分 斤和比较。 3 、不需要任何的测量仪器，就可输出所需要的碰撞结果，如某一结构部位的碰撞加速度、 结构上某一点的位移、结构的变形能以及人体的碰撞受力等等，并且有些结果是试验无 法测量到的。 4 )能够任意多次地重复再现各个部件的中间变形过程，方便设计人员对结构的观察、分析 和改进。 尽管有疆元法其有强文的优势和功能，但它并不能袋离试验而单独存在。这是因为一方面， 碰撞计算所需要的众多参数，如材料特性参数、部件连接特性等，都必须由试验来提供；另一方 面，有限元分析受人为因素的影响较大，如模型的建立、仿真参数的选择等，可随分析人员的不 同而不同。因此，仿真计算的结果一般需要通过试验加以验证，只有经过验证的模型才是正确和 可用的模型但是目前国内的试验条件跟国外差别较大有些试验单独不能完成，所以采用一些 类比法来验证模型。这样虽然不能完全验证模型的止确性，但是能充分证明模型的可用性洚j 。 2 2 汽车碰撞模拟的有限元软件以及基本算法 随着对车辆安全性能要求的不断提高，人们对汽车被动安全性研究不断深入，以有限元方法 为主要分析手段的模拟计算方法在8 0 年代以后得到了飞速的发展。先后发展了一些应用软件， 如d y n a 3 d 、m a d y m o 、c a l 3 d 、p a m - - - c r a s h 等，9 0 年代纫，以l s d y n a 3 d 为代表的两 品化有限元软件开始应用于工程实践，他们广泛应用于汽车、航空和军工等领域，井取得了令人 满意的效果， 在这些模拟计算软件中，描述动力学方程通常是j “义拉格朗日方程，求解方法采用显式中心 差分算法。单元运动方式为大变形、大位移、大旋转，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l 抹和其他材料等。除 给出材料的本构方程，还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等。另外，还设有刚性墙 接触面，用来模拟车辆结构和部件同固定壁障的撞击作蚪 。 根据虚功原理，一般的接触问题求解的基础方程为 万睬一j 一万一占彤= 0 ( 2 - 1 ) 式中万形。为应力场做的虚功 矾= j ，n 捌q ( 2 - 2 ) 1 0 一 占为接触力所做的虚功 艿= ，一。g ，( d 雎2 一d ) n , 2 d s ( 2 - 3 ) 式中c l , 为r 时刻的接触力大小； n 单位矢量。 占为给定外力做的虚功，假设给定外力即体力6 和边界力虿均与变形无关，那么 占阡名= j ，n 岛占吩d q + ，。瓦6 珏。d s ( 2 - 4 ) 占矽，为惯性力做的虚功 占啊= 一l 。n p a ，巧坼d q ( 2 5 ) 将2 2 2 5 代入2 - 1 得 l i n t a d d f 2 一i ? n i b f u d o l n j 酗耻d s l e l q 。蠢一6 矗1 n j d s l t n | p i n 6 曲q = 。 ( 2 - 6 ) 上式中，o n 和q 为0 和t 时刻的空间域，a 为应力场。j 搿为虚位移场，为单位矢餐。 要解决这种方程面临着很多困难，这些困难主要来源于接触摩擦的非线性本质以及接触体系在j 羹 动和变形中所表现的几何非线性和材料非线性l 。为了求解这类非线性问题，人们通常采用 分步求解的办法，其具体做法如下：将感兴趣的时间域f o ，丁 分成许多子域，p f - l ，f ，】， f = 1 , 2 3 ，其中t o = o ，) t h ，t = t ，丁- 是得到形成这些子域的时刻f 0 ，f 1 ，2 ，t 。 为求，时刻的解，假设t 。时刻的解是已知的。只要在这个假设条什下能够求出r 。时刻的解， 任意对刻的解就都能求出，囡为“= 0 时刻的解是己知的，可用来求f ，时刻的解，而当t 时刻的 解求出后，又可进一步求t 2 的解。以此类推，f 时刻的解就可求出来了。从r 。时刻的解求出t 时刻的解这个过程称为一步，乙“时刻和乙的时间差称为步长，记做f ，即 = f 一f 。 ( 2 - 7 ) 在以下的讨论中，假设如， ，毛，乇时刻的解均已求出，现在要求o f 对刻的解，为方便起 见，将r 记做f ，而将f 。记做f 。由于接触体系在屯， ，t 2 ，0 时刻的状态都是已知的，其中任 何一个状态部可作为参考状态去求下一状态的解；3 0 , 3 ，”j 。如果用初始状态作为参考状态这种求 解方法称为全量拉格朗日列式法；若将最新已知状态作为参考状态，这种求解方法就称为增量拉 格朗日列式法。下面介绍拉格朗日法。 在f 时刻，上式可写为 l ，0 硝s d q k b d u d f 2 一h f 趸6 淞一k t q , ( s u l 一6 谚y n2 d s + 沁p a 3 u d f 2 = 0 ( 2 孑) 中国农业大学硕士学位论文第二章汽车碰撞模拟计算的有限元算法 由于r 时刻系统位移已知，所以q 是已知的，7 c 也为已知，式中的积分都是在已知区 域上的积分。 应用有限元法对积分域7 q 和7 e 进行离散可得 占= b u 式中丑应变位移矩阵： q 位移插值矩阵。 将式2 - 9 和2 1 0 代入式2 _ 8 可得 搿= q u ( 2 - 9 ) ( 2 一】o ) ( 占u ) 7fb r t y d q 一( 占u ) 2fq n 6 d q 一( 占u ) 7fq n 虿搬一( 5 u ) 7jq ；7 q c d s + 7 nn叶t 佗1 1 ) ( 占7f q tr p 7 a d f 2 = o 或( 棚) 7 ( 7 f 一。只一7 只+ 7 c ) = 0 式中 f l u 虚位移： ，内力矢量： 虹外力矢量： e 接触力矢量； e 惯性力矢量。 它贫j 分飘按下式计算 7 f = 矿7 卅q 7 n e = f q r * b d q +f q “q d s 7 r 。 r f 。= lq ：r q 。d s r ： 7 只= f q “p7 a d q 7 n 在有限元法中，加速度场也可通过插值方法获得。即有 4 = q7 a 将式2 一 7 代入式2 1 6 可得 7 e = ( j q 7 7 尸7 倒n ) a = m7 4 o 式中j l f 质量矩阵，并按下式计算 1 2 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 一1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 中国农业大学硕士学位论文 第一章汽车碰撞模拟计算的有限正算法 m = 。p7 qdn(2-19) n 由于占u 代表任意的虚位移场，式2 1 2 得以成立的条件为 ( 7 ，一e 一。t + 。r o ) = 0 将式2 - 1 8 代入式2 2 0 并整理得 m 7 a = 7 e + 7 f o 一7 f 2 3 本章小结 r 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 本课题研究中所使用的软件是l s t c 公司的l s d y n 8 产品，梁单元采用的是别具特色的 h u g u e s l i u 粱单元，其特点是本构计算是在应力- 应变级执行，然后通过对整个截面的数值积分 计算力和力矩。h u g u e s l i u 梁单元具有处理大应变的良好能力，可以和 面体实体单元较好地协 调，可以承受较大的横向剪切应变。h u g u e s 一“u 梁单元没有零能模式，对于复杂截面形状的薄擘 结构梁单元可以采用用户自定义积分法则来处理。h u g u e s l i u 梁单元动力计算采用的是中心差分 的显式有限元法，此算法特点是不片j 求解联立方程组，因而也不需存储系数矩阵，占内存空间小， 且单项求解速度快，不迭代求解：侄显式仿真算法存在数值稳定性问题，即时间步长不能超过其 临界值。 汽车碰撞的有限元法起源很早，但是还是不够完善，动态显式有限元方法是近年来在大型非 线性f l 程计算中被广泛采用的算法，还有许多问题有待研究，其中最具挑战性的课题当属碰撞过 程中接触界面上新摩擦模型的建立问题及材料进入弹塑性阶段后考虑应变率效席与惯性效应影 响的新本构关系的建立问题，实践表明，这两大问题的成功解决与否，对有限元分析结果影响特 别明显。此外，有限元程序及与之配套的前后处理程序的研制，对动态显式有限元方法的成功应 用也具有十分重要的意义。 - 1 3 - 中国农业大学硕士学位论文 第三章大客车静力及动力特性的有限元分析 舅i i i _ _ _ 量量茧鼍舅量量皇舅量e 曼- 一 第三章大客车静力及动力特性的有限元分析 3 1 分析背景 车身是客车的关键部件它不仅应具有足够的强度和剐度，而且应有良好的动态特性。但我 国客车的车身设计大都采用类比的方法，对有问题的区域采取局部加强的方法，致使车重不断增 加，对一些结构上的改进和优化，由丁缺少一定的理论依据而往往得不到很好的实施。本文对某 新型客车车身结构，应用有限元法进行分析，针对不同的工况对整车车身进行了较全面的分析与 比较，为改进车身设计提供了较为准确可靠的理论依据。结果与实际使用情况基本相符。 该车采用承载骨架式车身，无单独车架。前后骨架r 部主要由方型异型钢管焊接，并在其前 围、后围等处焊接