（光学工程专业论文）客车上部结构强度及侧翻碰撞试验的研究.pdf

客车上部结构强度及侧翻碰撞试验的研究摘要随着汽车被动安全性强制法规的实施，国内的汽车制造商开始对汽车的被动安全性非常关心。1 9 9 8 年，g b t l 7 5 7 8 - 1 9 9 8 客车上部结构强度的规定的颁布实施，使得对客车被动安全性的评价更为规范。本文从动态显式非线性有限元法的理论基础出发，初步探讨了有限元分析碰撞中模型的合理简化、网格的划分和材料参数的设置等关键问题。本文致力于研究客车车身结构侧翻( 翻车) 碰撞特性，以客车车身骨架为主要研究对象，运用有限元分折软件a n s y s l s - d y n a 建立了整车的有限元模型，并参照中国相应法规对其进行了侧翻碰撞的模拟分析，与实际碰撞试验相比较，验证了建模方法及控制参数选择的合理性。为车身的改进及后续的优化设计提供参考依据。本文结合实际工程项目，探讨了客车侧翻碰撞的试验内容及方案，为国内其他客车侧翻碰撞试验积累了经验，采集并处理试验数据，为有限元建模及其验证提供依据。关键词：被动安全性非线性有限元法侧翻碰撞模拟试验s t u d yo ns t r e n g t ho fb u ss u p e r s t r u c t u r ea n ds i d e r o l l i n gc r a s ht e s ta b s t r a c tw i t ht h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ec o m p u l s o r yl a wf o rv e h i c l ep a s s i v es a f e t y ,d o m e s t i cv e h i c l ep r o d u c e r sa r ep a y i n gm o r ea t t e n t i o nt oi t i n l 9 9 8 g b t l 7 5 7 8 1 9 9 8 p r o v i s i o n so fs t r e n g t hf o rt h es u p e r s t r u c t u r eo fb u s p r o m u l g a t e di nc h i n ai sb e n e f i c i a lt oe v a l u a t et h ep a s s i v es a f e t yo fb u s b a s e do dt h ed y n a m i cn o n l i n e a re x p l i c i tf i n i t ee l e m e n tt h e o r y , t h ep a p e ra r g u e ss o m ek e yt e c h n i q u e so ff i n i t ee l e m e n tm o d e l i n gs u c ha sm o d e ls i m p l i f i c a t i o n ，m e s h i n gd e n s i t ya n dd e f i n i t i o no fm a t e r i a lp a r a m e t e r ss u p e r f i c i a l l y t h ea r t i c l et a k e su pw i t hs t u d yo i l s t r e n g t ho fb u ss u p e r s t r u c t u r ew h e ns i d e - r o l l i n gc r a s hh a p p e n s ，s e t su pf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eb u sb o d yf r a m eu s i n gf e as o f t w a r ea n s y s ，a n ds i m u l a t e st h es i d e r o i l i n gc r a s hw i t hn o n - l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r el s - d y n aa c c o r d i n gt oc o n c e r n e dr e g u l a t i o n s ，v e r i f i e st h ev a l i d i t yo fm o d e lb u i m i n gm e t h o db yc o m p a r i n gt h ee m u l a t i o nr e s u l tw i t ht h eb u ss i d e - r o l l i n gc r a s ht e s tr e s u l t ，p r o v i d e sr e f e r e n c e d f o u n d a t i o nf o rs t r u c t u r ei m p r o v e m e n ta n do p t i m i z a t i o na n a l y s i sl a t e r s t a r t i n gf r o mp r a c t i c a lp r o j e c tp u r p o s e ，h e r et h ea u t h o rd i s c u s s e st h ec o n t e n ta n dp r o je c to ft h et e s ta b o u tt h ec r a s ho ft h es i d e - r o l l i n gb u s ，p r o v i d e ss o m ev a l u a b l er e f e r e n e ef o rt h o s ew h ow a n tt od ot h es i m i l a re x p e r i m e n t ，d e a l sw i t ht h ed a t ac o l l e c t i n gf r o mt h ee x p e r i m e n tw h i c hw i l lp r o v i d ep r a c t i c a lf o u n d a t i o nf o rm o d e lb u i l d i n ga n dv a l i d a t i n g k e y w o r d s ：p a s s i v es a f e t y ，n o n l i n e a re x p l i c i tf i n i t ee l e m e n tt h e o r ys i d e r o l l i n gc r a s h ，s i m u l a t e ，t e s t插图清单图1 1一起特大交通事故现场6图1 2实车侧翻碰撞试验- 7图2 1空间构型的变换- 9图2 2显式算法的循环运算”13图2 3b e a m l 6 l 梁单元示意图1 6图2 4b e l y t s c h k o 梁单元局部坐标系1 6图2 5b t 壳单元的周转坐标系1 9图2 6随动、各向同性、混合硬化弹塑性材料模型- 2 2图3 1车身结构被动安全性设计系统流程2 4图3 2有限元分析流程2 5图3 3车辆熏心水平位置计算示意图2 8图3 4车辆重心高度计算示意图2 9图3 5实车重心高度的测量2 9图3 6剐性汽车的准静态侧翻模型3 0图3 7客车几何模型3l图3 8翻转平台和水泥地面几何模型一3 2图3 9客车侧翻碰撞有限元模型3 3图4 1碰撞瞬间3 6图4 23 0 m s 时车身变形图3 6图4 37 0 m s 时车身变形图3 6图4 42 0 0 m s 时车身变形图3 7图4 5立柱测量点到标杆的垂直距离变化量示意图3 7图4 6立柱测量点的定义3 7图4 7第2 测量点到标杆的垂直距离变化时间历程曲线3 8图4 8车身结构示意图“3 8图4 9左围第一立柱加速度时间历程曲线仿真3 9图4 1 0 重心加速度时间历程曲线仿真4 0图4 1 1 碰撞瞬间重心位置示意图4 l图4 1 2 重心到车身各立柱距离示意图4 2图4 1 3 整车吸收能量时间历程曲线4 2图5 1翻转平台示意图4 6图5 2生存空间示意图4 7图5 3高速摄影机4 8图5 4加速度传感器4 8侧翻碰撞后客车前围变形4 9侧翻碰撞后客车后围变形4 9加速度传感器布置在各立柱位置的定义5 01 号传感器合成加速度时间历程曲线5 12 号传感器的x 方向加速度时间历程曲线5 l2 号传感器的y 方向加速度时间历程曲线5 l2 号传感器的z 方向加速度时间历程曲线5 23 号传感器的合成加速度时间历程曲线5 24 号传感器的合成加速度时间历程曲线5 2重心的合成加速度时间历程曲线5 3左围第一立柱测量点( z = 7 2 0 ) 办1 1 速度仿真与试验对比图5 4重, t ：, d i i 速度仿真与试验对比图5 4；6709加幢”h：2托555555555555图图图图图图图图图图图图表格清单1 9 9 8 - - 2 0 0 5 年全国道路交通事故统计表1试验用车基本参数2 7试验用车轮荷数据2 8客车主要部件质量统计31材料参数3 2客车侧翻碰撞有限元模型单元列表3 3车身立柱部分测量点的舡仿真值3 8测量点位置及加速度曲线表3 9碰撞后各柱吸能状况4 3车身立柱部分测量点的f 试验值4 9传感器位置及加速度曲线图5 0车身立柱部分测量点的址仿真值与试验值比较t 5 3l12345123123l33333444555表表表表表表表表表表表表独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得金魍工些去堂或其他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谢意。学位论文作者签名：矛予y 当沙签字日期三l 弼年多月日签字日期彩乙弼年多月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金篷王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，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。本人授权金墅王些盔堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文工作单位通讯地址后去向：一渺储隰锢导师签名签字日期：州年闭研电话：邮编：沙鸣日莎9 名年签侈糍以储沙文期，敝嗍日位字致谢本论文是在我尊敬的导师方锡邦副教授悉心指导下完成的。方锡邦副教授严谨求实的科学态度、渊博的专业知识、忘我的工作热情以及丰富的实践经验使我受益匪浅，终身难忘。我在攻读硕士学位期间所取得的每一点进步都离不开导师的指导和帮助。在这两年时间内，导师不仅在学业上给予我精心指导，而且在生活上也给予我无微不至的关怀。值此论文完成之际，谨向我的导师表示衷心的感谢和崇高的敬意!感谢尊敬的谭继锦副教授对我的指导和帮助，谭继锦老师渊博的知识和丰富的实践经验让我终身难忘!感谢安凯公司王东临、王龙群等技术人员在课题进程中所给予的帮助!感谢谷叶水、孙习武、汪之望、郑月楠、潘震等同学对我研究工作的帮助。感谢我的父母，感谢他们这么多年来对我无微不至的关怀，感谢他们对我精神和物质上的支持，感谢他们为我无私奉献的一切!作者：尹鸿飞2 0 0 6 年4 月第一章绪论1 1 汽车安全性研究概述随着社会的发展，人民生活水平的不断提高，汽车已经成为人们生活中不可缺少的一部分。作为一种便捷的现代化交通工具，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。2 0 0 5 年，全国共发生道路交通事故4 5 0 2 5 4 起，造成9 8 7 3 8 人死亡和4 6 9 9 1 1 人受伤，直接财产损失1 8 8 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。最为突出的问题是，近年来高速公路事故增长迅速，事故数及致死率远高于发达国家”1 。表1 1 为1 9 9 8 - - 2 0 0 5年我国道路交通事故的统计数据( 来源：中国汽车工业年鉴) ，这些数据告诉人们随着汽车保有量的不断增加以及汽车行驶速度的不断提高，交通事故和死亡人数一直较多。表1 119 9 8 - - 2 0 0 5 年全国道路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 83 4 6 l2 97 8 0 6 72 2 2 7 2 ll9 3 0l9 9 94 12 8 6 08 35 2 92 8 6 0 8 02 1 2 42 0 0 06 l6 9 7 19 38 5 34 l8 7 2 12 6 6 92 0 0 l7 5 4 9 1 910 5 9 3 05 4 6 4 8 53 0 882 0 0 27 7 3 13 710 9 3 8 15 6 2 0 7 43 3 2 42 0 0 36 6 7 5 0 710 4 3 7 24 9 4 1 7 43 3 6 92 0 0 45 6 7 7 5 39 9 2 1 74 5 18 1 02 7 72 0 0 54 5 0 2 5 49 8 7 3 84 6 9 9 1 118 8另一方面，汽车工业的发展在某种程度上代表了一个国家的工业发展水平。我国已经加入世界贸易组织( w t o ) ，汽车工业也将全面对外开放，国产汽车要巩固国内市场，并进入国际市场与国际同行竞争，就必须加强我国汽车安全性能的研究，适应国外严格的安全法规“h “。因此，加强汽车安全性的研究，提出相应的技术措施就显得非常迫切。1 1 1 汽车被动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主动安全性研究和被动安全性研究。所谓汽车主动安全性( 又称积极安全性) 是指在交通事故发生前采取安全措施尽可能避免交通事故的发生。日前，已发展成熟的主动安全性的装置和技术主要包括车轮抱死制动系统( 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、汽车全球定位导航系统( g p s )等等。1 。但是车辆的碰撞在莱种程度上而言始终是无法避免的，因而汽车本身的碰撞特性才是其安全性能的最终决定因素。所谓汽车被动安全性f 又称消极安全性) 是指在交通事故发生之后，尽可能地减少司机与乘员直接受到伤害的程度。汽车被动安全性研究着眼于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一一车厢的变形；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二次冲击造成的“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，汽车被动安全性研究内容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究这三个方面”3 。本课题属于车身抗撞性研究的内容。l l2 碰撞事故中乘员伤害原因及相应对策乘员的伤害主要是由下述几种原因造成的”：第一，在碰撞时，汽车结构发生变形，汽车某些部件侵入乘员生存空间( 如发动机后移直接与驾驶员接触) ，使乘员受到伤害；第二，碰撞过分剧烈，冲击加速度超过了人体承受极限；第三，当汽车结构设计较好时，尽管汽车构件没有侵入乘员生存空间，但在碰撞的剧烈冲击下，乘员由于惯性作用继续移动，与汽车内部结构( 如方向盘、仪表板等) 发生二次碰撞而造成伤害。因此，提高汽车的被动安全性，可从下面三个方面采取对策0 1 ：第一，提高汽车结构的安全性，即使得汽车吸能部件的塑性变形尽量大，吸收较多的碰撞能量；同时要保证乘员舱有足够的强度和刚度，变形不能过大以确保乘员的生存空间。第二，降低汽车减速度的峰值，尽量减缓一次碰撞的强度。第三，使用乘员保护系统，即使用安全带、安全气袋等乘员保护装置对乘员加以保护，通过安全带的拉伸变形和气袋的排气节流阻尼吸收乘员的动能，使猛烈的二次碰撞得以缓冲，以达到保护乘员的目的。1 2 车身结构耐撞性的研究内容和设计原则在工程实际中，汽车结构耐撞性不仅要关心结构在碰撞中所吸收的总能量，同时，还要研究结构在撞击下的各种特性，包括吸能结构是如何控制冲击加速度的，以及变形和破坏的具体模式，最终目的是对乘员和重要的结构部位加以保护“”。在碰撞中，根据车身结构的作用和行为，车身结构安全设计可以分为两个部分：其中一部分结构产生较大的变形并吸收足够的碰撞能量，另一部分，如驾驶室和乘员舱不能过分损坏，必须确保足够的生存空间。因此，进行车身结构安全设计时，主要解决以下两个方面的问题：第一，碰撞中吸能部件的设计；第二，碰撞中变形的控制“。2车身结构安全性是汽车结构碰撞冲击承受能力、变形模式以及吸收碰撞能量等综合性能的体现。为了提高汽车车身的耐撞性能，人们提出了汽车耐撞性结构的设计原则3 ：1 、碰撞动能应尽量不可逆地转换成变形能，对于金属梁或管，主要转换成塑性变形能；2 、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；3 、在能量吸收的过程中应能够控制质心加速度以保护乘员的安全，将加速度引起的惯性力控制在人体伤害极限范围内；4 、为了吸收更多的总动能，吸能结构应能提供足够长的变形行程，而且在变形前不占据过大的空间，变形后不造成次生破坏( 例如侵穿或碎片飞裂等) ；5 、由于节能等的要求，装置在汽车上的能量吸收结构应该质量较轻，具有良好的“比吸能”，即单位质量所吸收的能量较高；6 、能量吸收装置通常是一次性使用结构，应该成本低廉，易于制造和更换。1 3 汽车被动安全性研究方法目前，车身结构耐撞性研究的方法主要有两类“：一是通过试验检验整车及相关安全部件如乘员舱的耐撞性，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；另一类是基于有限元理论的汽车碰撞性能数值仿真。从降低成本，人为改变实验环境等需要出发，往往采用仿真试验方法。1 3 1 试验研究汽车被动安全性的研究最早通过试验进行，试验有台架冲击试验、台车磁撞模拟试验和实车碰撞试验。实车碰撞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和最有效的方法1 。实际发生的汽车碰撞形式是多种多样的，碰撞时的速度、碰撞的角度、碰撞的部位、碰撞时车内的质量分布情况等等都是千差万别的。汽车碰撞试验不可能精确再现这些情况。这样，汽车碰撞试验的结果就只能是参考值，而不是绝对值。由于实车碰撞试验要在样车试制出来后才能进行，周期长，且碰撞试验是破坏性的，试验费用昂贵。只有实力雄厚的汽车大公司或其资助的试验室才有可能开展整车碰撞的试验研究“”。它只能作为较全面的质量最终检验试验，不能适应开发阶段的需要。在汽车碰撞试验中，高速数据采集、图像处理等现代技术为计算机仿真提供了基础n 33 。1 3 2 计算机仿真研究为提高车身结构设计的初始可信度，尽可能减少样车试制的次数从而进步缩短整个产品的开发周期，现代车身设计方法开始大量运用计算机辅助工程技术( c a e ) 。汽车的碰撞性能c a e 研究是目前c a e 在汽车工业中的应用热点。随着计算机软、硬件技术的发展以及现代设计方法在产品开发、试验中进一步应用，计算机模拟技术在汽车产品开发中的作用愈加重要，涌现出一批成熟的碰撞模拟软件。与实际试验相比，计算机模拟方法具备以下优越性”“：1 、费用低廉。计算机模拟不用进行实车的破坏性试验，也不需试验设备，因此可以节省大量的人力、物力、财力。2 、设计开发周期缩短。c a d c a m 的具体运用，使得虚拟开发的概念逐渐被开发人员所接受，使产品在设计、开发阶段就可预测其品质和性能，避免不必要的设计失误并替代部分试验，因此开发周期大大缩短。3 、可重复性好。试验过程易受随机因素影响，因此在研究不同系统参数对安全性的影响时，不易得到相同的结果。而模拟依赖于计算机软、硬件，大多数模拟软件均为参数化设计，可以轻而易举的得到参数改变时的模拟结果。4 、结果信息全面。试验测得的结果一般都是通过传感器和高速摄影机得到的，而传感器与摄影机的数量与布置受很多条件限制，因此结果数据不甚全面。而计算机模拟则不存在以上问题，可以从各个角度观察碰撞后的零部件的变形与应力分布情况。尽管计算机模拟不能完全取代昂贵的碰撞试验，但在产品开发中可以使样车试制、试验次数减少到最低限度，从而节省开发费用，因而在产品的设计开发阶段得到广泛的应用。当然计算机仿真并不能完全替代实车试验，而只能作为实车试验的重要补充“”：1 、计算机仿真可以在设计过程的初期就开始进行安全性的初步评价，尽早地发现问题并解决问题，而不必等到新产品制造出来，从而降低开发费用和缩短研发周期：2 、仿真的结果可以给出在哪些结构或部件上应给予更多的关注，从而指导实车试验中在什么位置安装传感器和高速摄相机，并且可以获得汽车内部关键部件的变形和应力情况。1 4 仿真软件简介汽车碰撞是一个十分复杂的力学m 题，工业化汽车碰撞仿真研究始于1 9 8 6年。1 9 8 5 年以前，由于当时的理论水平有限、分析手段较低，不能对碰撞过程有全面深入的了解。为了最大限度满足有关安全标准，汽车专家们一直在寻求4弄清汽车碰撞内在规律的方法。其中，多刚体动力学和机械振动学分析方法是当时最为突出的两种方法。多刚体系统动力学方法具有模型简单、表述规范、编程方便、运算快捷等优点，但由于现实世界中的物体都是可变形体，而且对于汽车碰撞过程来说，汽车车体结构的变形特性是影响汽车安全性能的关键因素，因此，该方法在汽车碰撞仿真中常常只用于对人体模型的碰撞响应分析。机械振动学方法是根据碰撞过程中汽车的实际变形情况将汽车离散为一个非线性弹簧一一质量振动系统，通过事先测定系统中弹性元件的非线性抗力特性，利用机械振动学的方法来求解碰撞系统响应的。用这种方法进行汽车碰撞分析，目的是弥补多刚体系统动力学方法不能研究可变形体响应的不足。它的主要优点是程序短小、简明、能够考虑变形体的弹塑性变形特性，并且从理论上说，它与多刚体系统动力学方法的有机结合，能够解决汽车碰撞分析中几乎所有的响应问题，但由于抗力元件的非线性特性必须预先测定，同时又要保证所测得的特性恰恰是构件在真实碰撞中的变形特性，这样，在测试时，就必须精心模拟构件在碰撞中可能出现的各种可能的约束条件，而汽车碰撞中的有些接触约束条件事先是无法知道的，这就大大增加了测试的难度，也正因为如此，人们借助仿真分析大幅度改进汽车被动安全性的设想才迟迟无法实现“”。8 0 年代后期，显式有限元方法的成熟，标志着汽车碰撞仿真研究新付寸期的开始。适用面广、精度高且能够处理异常复杂的约束边界是其独有优点，成为一种克服了前述两种方法全部缺点的优秀方法。与传统的隐式有限元方法相比，显式算法在求解具有如下特征的问题时相对更为有效“：1 、很短的持续时间。计算费用会随着求解问题时间的增加而呈线性增加，但如果求解问题的时间很短，则需要大量的积分步数。2 、大量非线性或高度非线性。此时若采用隐式算法，c p u 时间会呈指数性增加。正是由于碰撞这类问题具有上述两个明显特点，国内外各大汽车公司和科研单位在进行碰撞分析时，所采用的软件主要是以显式算法为计算核心的有限元程序。目前国外模拟汽车碰撞过程常用的有限元软件是l s d y n a 、p a m c r a s h 和m s c d y t r a n “”。这些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7 0 年代开发出的d y n a 公开版本的理论为基础，所以在理论上差别不大。i 5 课题的研究背景与内容众所周知，公路客运占旅客运输总量的绝大部分，一旦客车发生车祸，伤亡异常惨重，群死群伤时常发生。2 0 0 5 年，全国共发生一次死亡i 0 人以上特大道路交通事故4 7 起，造成8 0 7 人死亡、7 0 5 入受伤。4 7 起特大交通事故中，共发生单方事故2 8 起，占总数的5 9 6 。其中，有2 1 起为坠车事故，多发生在西部多山地区，占总数的4 4 6 。2 0 0 5 年8 月3 0 日1 时2 0 分，一辆由深圳开往重庆的长途大客车在长沙境内发生特大交通事故，造成1 7 人死亡，3 0多人受伤，图1 1 为交通事故现场。因此，随着我国交通旅游的飞速发展，提高汽车安全性能，已经成为了有关职能部门和汽车制造商们迫在眉睫的任务。图1 1 一起特大交通事故现场从中国的现状来看，汽车的被动安全性得到了政府、厂家、车主和全社会的极大关注。2 0 0 4 年全国道路交通事故死亡人数5 年来首次回落到1 0 万以下。g b t 1 7 5 7 8 1 9 9 8 客车上部结构强度的规定国家标准的颁布与实施是我国客车被动安全领域的一个里程碑。在汽车碰撞事故中。发生侧面碰撞和翻车碰撞的比例很高。汽车撞击试验重点是正面碰撞，生产厂家和实验室般只重视汽车正面碰撞特性的研究，对侧面碰撞和翻车碰撞特性的研究就相对薄弱一些，尤其在我们国家。近些年，政府逐渐完善了各项安全法规，很多大公司已经加强了车身侧面碰撞性能的研究，侧面碰撞测试的目的是检查车身两侧支柱、顶底支柱联结和门联结等结构强度。本课题致力于研究客车车身结构侧翻( 翻车) 碰撞规律。在对以往中国道路交通事故中不同事故形态死亡人数比例分析中可以看出，翻车造成的伤亡比例占重要位置。因此，对翻车碰撞事故的研究，意义重大。本课题即利用a n s y s l s d y n a 这一显式动力有限元分析软件，尝试对汽车交通事故中的客车翻车碰撞进行数值模拟计算，以期得出有益规律。课题研究中，主要完成以下工作：1 、建立客车车身结构有限元计算模型，并总结归纳客车车身结构模型化的方法。2 、根据g b t1 7 5 7 8 1 9 9 8 客车上部结构强度的规定，对该客车进行侧6翻碰撞模拟分析，计算得到各柱吸能特性、变形及加速度数据，对比试验数据，检验模型的精度，改进模型，为车身的改进及后续的优化设计提供参考依据。3 、进行实车侧翻碰撞试验。由于客车侧翻碰撞试验在国内未有先例，因此本次试验的内容及规程为国内其他客车侧翻碰撞试验提供了参考依据。采集并处理相关试验数据，一方面为有限元建模及分析提供实践依据，另一方面用来验证有限元模型的精确性。图1 2 实车侧翻碰撞试验第二章a n s y s l s d y n a 理论基础本课题所研究的客车侧翻碰撞是一个动态的大位移和大变形的过程，接触和冲击载荷都影响着碰撞的全过程，系统具有几何非线性和材料非线性等多重非线性。一般的线性有限元方法都基于线性的小位移系统，而本课题所研究的模拟计算则需采用动态大变形非线性有限元方法。目前，动态显式的非线性有限元模拟计算技术通过多年的发展已日趋成熟，成为当今汽车被动安全性研究中十分有效的方法之一。本文就是应用a n s y s l s d y n a 做汽车结构碰撞模拟计算研究。2 】a n s y s l s d y n a 简介l s d y n a 程序最初称为d y n a 程序，由j o h a l l q u i s t 博士于1 9 7 6 年在美国l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y ( 美国三大国防实验室之一) 主持开发完成，其时间积分采用中心差分格式，当时主要用于求解三维非弹性结构在高速碰撞、爆炸冲击下的大变形动力响应。软件推出后深受广大用户青睐。1 9 8 8 年j o h a l l q u i s t 博士创建l s t c 公司，d y n a 程序走上商业化发展历程，并更名为l s - d y n a 。1 9 9 6 年l s t c 公司与a n s y s 公司合作推出a n s y s l s d y n a ，大大加强了l s - d y n a 的分析能力，用户可以充分利用a n s y s 的前后处理器和统一数据的优点“。本文分析软件采用a n s y s l s - d y n a 显式非线性动力有限元分析软件和l s p r e p o s t 专用后处理软件。a n s y s l s d y n a 是l s t c 与a n s y s 公司合作推出的显式有限元分析软件，采用a n s y s 软件进行前后处理，利用l s t c公司的l s - d y n a 求解器进行分析运算。单纯的a n s y s 程序只能提供传统的隐式动态问题的求解方法，不能处理包括高速动态、非线性多弯曲以及复杂的接触碰撞情况在内的一类问题。l s d y n a 3 d 与a n s y s 集成在一起，通过提供显式求解功能，使用户可以解决原先用a n s y s 隐式动态求解器所不能解决的接触碰撞及大变形非线性问题“。l s d y n a 3 d 程序有近百种金属和非金属材料模型可供选用，如弹性、弹塑性、超弹性、泡沫、玻璃、地质、混凝土、土壤、复合材料、炸药及引爆燃烧、刚性以及用户自定义材料，并可考虑材料失效、损伤、各向异性、蠕变、与温度相关、与应变率相关等性质。l s d y n a 3 d 程序的全自动接触分析功能强大。有二十多种选择可以求解下列问题：变形体对变形体的接触、变形体对刚体的接触、板壳结构的单面接触( 屈曲) 分析、与刚性墙接触、表面与表面的固连、节点与表面的固连、壳边与壳面的固连、流体与固体的界面处理等，并可考虑接触表面的静动力摩擦( 库仑摩擦、粘性摩擦和用户自定义摩擦模型) 和固连失效。它是功能齐全的几何非线性、材料非线性和接触非线性显式有限元分析程序，是以l a g r a n g e 算法为主，兼有a l e 和e u l e r 算法，以显式动力分析为主，广泛应用于汽车安全性分析，如整车、气囊、安全带、假人等的性能分析方面，是目前最为流行的显式有限元分析软件之一。2 2 非线性有限元控制方程2 2 1 运动方程考虑如图2 1 所示的物体，某一质点在初始时刻f = 0 时，位于b 处，在固定的笛卡儿坐标系下其坐标为x 。( 口= 1 , 2 ，3 ) 。在任意时刻t ，该质点运动到位置b ，在同笛卡儿坐标系下的坐标为x ，( i = 1 ，2 ，3 ) 。那么质点的运动方程是”3 ：x ，= x ，( 。，f ) ，i = 1 , 2 ，3( 2 1 )在f = 0 时刻，有初始条件：x ，( 以，0 ) = x 。( 2 2 )式中：一初速度。一( 。，o ) = v ，( j )圈2 1 空间构型的变换2 2 2 动量守恒方程系统的动量守恒方程如下( 2 3 )盯f ，j + 成= p x 。( 2 4 )式中：为柯西应力；为单位质量体积力；拍为加速度；p 为当前构型的质量密度。2 2 3 质量守恒方程质量守恒方程如下：p v = p o式中：风为参考密度；v 为相对体积。变形梯度矩阵e 可表示为：= 詈2 2 4 边界条件在边界a 6 1 ，摩擦边界条件：d j n ，= t i ( f )在边界a 玑，位移边界条件：x 。( 盖。，r ) = d j p )当x ? = x 7 时，沿内边界，有接触的非连续性：( 盯j 一啄) 一= 0式中：为柯西应力；p 为当前构型的质量密度加速度；胛，为o b 边界单元的单位法向量。2 2 5 能量守恒方程能量守恒方程如下“”e = v s f 勺一( p + g ) 矿( 2 5 )( 2 6 )( 2 7 )( 2 8 )( 2 9 )，为单位质量体积力：；为( 2 1 0 )式中：e 为当前构型的能量；为偏应力张量；p 为压力。s = + ( p + g ) 磊( 2 1 1 )p = 一 吒一q( 2 12 )相应的q 为体积粘性阻力，磊是k r o n e c k e r 系数( 如i = 歹，则岛= 1 ，否则民= 0 ) ，毛为应变率张量平衡方程的等效积分形式为“1 ：永户# 一仃划一崩) d v + l ( _ 一皿，出+ t ( 盯；一盯i 面，d s = o( 2 13 )式中：雹满足在o b ：上的所有边界条件，积分作用在当前几何上。应用散度原理得：豇吩蠡，d v = 。 ，& f l s + k ( 一仃i 如j 蠡，西= o( 2 1 4 )注意到：( 蠡。) ，j 雹= o - , j s , ，( 2 15 )可导出如下平衡方程式：8 1 - t = i p x , & ，咖+ i o ，出。d v 一胁，d v 一i 承，d s = 0( 2 16 )上式实质上是虚功原理的一种表达，式中的各个积分项分别表示单位时间内系统的惯性力、内力、体积力和表面力所做的功。加上在参考构型节点相连的有限单元网格和随时间变化的运动轨迹，即it ( x 。，f ) = _ ( ( 掌，叩，f ) ，f ) = 谚( 善，r l ，f ) x 抛)( 2 17 )式中：妒，是参数坐标系( 夤叩，f ) 下的插值函数；节点在第i 个方向的节点坐标。考虑n 个单元的总和，可将断近似成：砌= 勋。= om = l以及k 是单元的节点数；x ? 是第个耋 l 户毫旃”西+ l 瞄鹤咖一f _ 谚”咖一坛”凼) = 。式中：矿= ( 破，戎，丸) ，”( 2 18 )( 2 1 9 )( 2 2 0 )方程以矩阵形式可写成：毫缸咖+ p 础一a 咖一p 。t a s i = 。c ：，式中：n 是一插值矩阵，仃是应力向量1 9 = k ，盯。，c r y z ，o z , x )( 2 2 2 )b 为应变一位移矩阵，a 是节点加速度向量一x 2b 是体积力载荷向量，f 是摩擦力= n a( 2 2 3 )；，ll110i |a 协f 2 2 4 )2 3 时间积分算法和步长控制2 3 1 显式积分算法的基本方程弹塑性有限元算法主要可分为两类：l a g r a n g i a n 和e u l e r i a n 算法。l a g r a n g i a n法是最通用的有限元计算方法，主要适用于计算连续质量单元的运动，而e u l e r i a n 算法适用于流体分析或材料承受非常大的变形，此时单元具有连续体积”“。在显式有限元算法中假设当前时步为第n 步，有如下运动方程：m a 。十c v 。+ 取= 甲( 2 2 5 )式中：m 为结构的质量矩阵；c 为结构的阻尼矩阵；k 为结构的刚度矩阵；f “为外界作用力矢量；4 。为时步刀时的加速度；v 。为时步玎时的速度；一为时步n时的位移。上述方程可被改写成：m a 。= 守一掣( 2 2 6 )口。= m 。1 铲“( 2 2 7 1式中：f “为内部作用力( 如单元力，沙漏力) 矢量，f “= c v 。+ 尉。如果m 为对角阵，它的转置矩阵为三角阵，且矩阵方程可看作是每一个自由度上的独立方程组：a 。，= 砰“m ，( 2 2 8 )在时域内应用中心差分法得：_ + iv n _ ；+ 圭l r 。+ ；+ a t 。一i , 口一( 2 _ 2 9 )”+ ijz l”+ j”一i 以+ l = d 。+ vl 时1( 2 3 0 )肿j”+ j这里假定加速度在整个时步内恒定。1如果已经求得时步n 时的节点位置和加速度以及时步一言) 时的节点速z度，则时步( n + 1 ) 时的位移以+ ，可以由式( 2 2 9 ) 和式( 2 3 0 ) 解出。因此在整个时域范围内，可由上述积分递推公式求得各个离散时间点处的位移、速度和加速度。这种求解过程被称为显式积分算法。显式算法不需要进行矩阵分解或矩阵求解，而是在每时间步内都需进行如图2 2 所示的循环【13 】图2 2 显式算法的循环运算2 3 2 显式积分算法的时步控制隐式算法无论时间步长的大小都是无条件稳定的。然而对于显式算法要想保持稳定，时间步长必须细分成网格中的最短自然周期。这意味着时间步长必须小于应力波穿过网格中最小单元所需的时间。在l s d y n a 3 d 程序中采用变时步长增量解法。每一时刻的时步长由当前构形的稳定性条件控制，其算法如下“”：先计算每一个单元的极限步长a t i = 1 , 2 ( 显式中心差分法稳定性条件允许的最大时步长) ，则下一时步址取其极小值。为保证此临界条件被满足，一般可乘以一个时步因子( 一般取0 9 或更小值) ，即：a t = a m i n ( a t 。i ，a t e 2 ，t 。)( 2 3 1 )式中：t 。为第i 个单元的极限步长；m 为单元的数目。各种单元类型的极限步长t 。采用的算法不同。对于板壳单元，时间步大小可由下式计算：t c = 等( 2 3 2 )式中：三。为单元的特征长度；c 为材料的声速。所以，最小单元的尺寸决定时间步长的选择，从而决定了求解的效率。单元的特征长度可以有多种方法估计。较为常用的计算方法是：l s = 面老器碉ss )厂面一弘、p ( 1l 2 ) _ 3 4 式中：为形状选择系数，当单元为四边形时，尸= 0 ，当单元为三角形时，。】；a ，为单元面积；，( f = 1 , 2 4 ) 为单元的边长。对于杆、梁单元，极限时步长为”：，址。=( 2 3 5 )or =忙1 拦( 2 3 6 )v 式中：工为单元长度；c 为声速；e 为弹性模量；p 为材料的质量密度。对于实体单元其临界时间步长为“：虬2 酊右翻式中：c 为声速；l e 是单元的特征长度；q 是体积粘性系数c 。q ：卜叫。蚓一【0对于8 节点实体单元矿l e = l 一a 。；其中：v 。是实体单元的体积fa 是最大面的面积。对于四节点的四面体单元l e 取最小梯度。( 2 3 7 )和c 。的函数。( 2 3 8 )( 2 3 9 )2 4 沙漏特征及控制途径沙漏是一种比结构全局响应高得多的频率震荡的零能变形模式( z e r o e n e r g ym o d e s ) 。”，是单元剐度矩阵中秩不足导致的，其根源在于积分点的不足。沙漏现象具有振动特性，但其振动周期比结构的振动周期要小的多，也就是说，沙漏是数值计算造成的结果，而不是结构本身的阐有特征。沙漏的基本特征表现为：一是系统刚性不足( 单元刚度矩阵的秩小于精确计算的秩) ；二是网格呈现出锯齿状的形状。沙漏的出现将导致计算结果的可信度下降，甚至完全不可信，故必须对沙漏进行有效控制“”。沙漏影响实体单元、四边形壳单元及2 一d 单元的计算，但不影响三角形壳单元和三角形2 一d 单元及梁单元的计算，也不影响刚体单元的计算。l s d y n a 在程序内部提供了一系列的沙漏控制方法，其主要思想包括两个方面：一是增加刚度；二是抑制沙漏的生长速度。通常采用以下几种方法来降低沙漏影响n ”：1 、使用全积分单元。由于沙漏现象是采用单点积分造成，所以采用相应的全积分可以避免沙漏效应，但在大变形情况下模型过于僵硬。1 42 、调整模型的体积粘度。人工体积粘度最初用来处理应力波问题，在快速变形过程中，结构内部产生应力波，形成压力、密度、质点加速度和能量的跳跃，为增加求解的稳定性，加入人工体积粘性，使应力波的强间断模糊成在相当狭窄区域内急剧变化但却是连续变化的，由于沙漏是一种比结构全局响应高得多的频率震荡，所以调整体积粘度能够减少沙漏变形。3 、增加系统的弹性刚度。只要增加沙漏系数( h o u r g l a s s i n gc o e f f i c i e n t ) ，就可以达到增加系统弹性刚度的目的。4 、增加模型某个部分的刚度。上述沙漏控制方法均是针对整个模型的，本方法是针对模型中的某个部分的，而且通常是针对某种材料的。2 5 接触算法在汽车碰撞过程中，作用在汽车零部件上并使之产生大的弹塑性变形的载荷，主要来源是接触界面处的法向碰撞力和切向摩擦力，因此精确计算接触界面上的相互作用力，是保证汽车碰撞过程计算机模拟可靠性的一个重要前提。在处理接触界面的计算问题中，存在两个基本问题需要解决”“：l 、接触搜寻算法，这是因为物体间的碰撞涉及到碰撞界面中接触点、面的变化。这个过程是个复杂的动态过程；2 、接触碰撞的计算方法，即接触面之间力的传递。接触的定义直接关系到计算的精度和计算时间问题。l s d y n a 中共有三种接触类型“：点面接触、单面接触和面面接触，每种接触类型中又对应有多种不同的接触方式。普通接触算法简单，适用范围广，其最大的优点是运算速度快，并且可靠，使用该类型时，需要关心接触表面的方向问题，即接触面的哪面是实体，哪面是空气的问题，使用实体单元时，程序自动设定表面方向；但对于壳单元，用户需要自己定义表面方向。自动接触类型是使用最广泛的一种接触，与普通接触最大的区别是在自动接触算法中将自动确定壳单元接触表面方向，需要限定搜索深度。2 6 客车侧翻碰撞模拟的结构单元本文所建模型的单元主要是b e a m l 6 1 和s h e l l l 6 3 ，因此有必要介绍一下这些单元的特性。2 6 1 b e l y t s c h k o 梁单元b e a m l 6 1 是两节点的三维空间梁单元。该单元每个节点有六个或七个自由度，自由度数目依据k e y o p t ( 1 ) 的值丽定，k e y o p t ( 1 ) = 0 ( 默认) 时，每个节点产生六个自由度；k e y o p t ( 1 ) = 1 时，翘曲自由度被作为第七个自由度考虑进来。该单元的几何形状、节点位置和坐标系如图2 3 所示。b e a m l 6 1 通过节点i 和j 在全局坐标系下定义，节点k 是用来指定单元方位。b e a m l 6 1 有不i 司的算法，本文重点介绍b e l y t s c h k o 算法。图2 3b e a m l 6 1 梁单元示意图b e l y t s e h k o 梁单元局部坐标系( 见图2 4 ) 中x 方向是沿节点i 到节点j 的直线方向，y 方向和z 方向分别垂直x 方向。单元局部坐标系( x ，y ，= ) 以及与之相关的单位向量心，e 2 ，岛) 在每一时间步都会更新，用相同的方法建立新的坐标系。设初始的单位向量为e lp 2 0 ，岛o ) 1 。豳2 4b e l y t s e h k o 粱单兀局邵坐标系b e l y t s c h k o 梁单元位移变形公式如下：d r = j ，口，j j ，臼，口：，口：j ( 2 4 0 )梁的延伸量可以直接从原始节点坐标( x i ，r ，互) 和总位移( u x “，“z ，)中计算得出：2 f 2 ( x j “埘+ “删+ 乙“) + “厶+ “知+ “二】( 2 + 4 1 )式中：xj l = x j x i tu w l = x d x 。l0 2 4 2 、沿局部坐标轴多的弯曲变形增加量舀。为： 0矽，= p 1 ：( 2 4 3 )1 6沿局部坐