（光学工程专业论文）车辆薄壁结构碰撞吸能特性分析与改进.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 有限元法已经广泛应用于车身结构设计中。本文利用l s d y n a 有限元软件对车身 结构中常用的薄壁梁进行了j 下面和侧面碰撞特性分析和改进。在正面碰撞中分析了不同 截面尺寸、焊接形式、诱导槽( 形状、尺寸和位景) 、加强板和侧壁倾角等因素对碰撞 特性的影响；在侧面碰撞中分析了不同截面尺寸、改变壁厚和碰撞器形式等因素对杆件 侧面碰撞特性的影响。通过对比分析，得出以下结论：在正面碰撞中，方形粱是一种较 好的吸能梁选择形式、对称形式焊接中焊接因素对梁的碰撞性能影响最小、添加诱导槽 可以明显减小碰撞中峰值力且三角形诱导槽是一种较理想的选择形式、添加加强板可以 很好的提高梁的吸能能力且提高量要优于单纯加大梁的壁厚、锥形梁抵抗倾斜碰撞的能 力要远大于直梁；在侧面碰撞中，增加梁在碰撞方向上的尺寸可以较好提高梁的侧面碰 撞性能、增加壁厚可提高梁的侧面抗撞性但同时质量增加很多、不同碰撞器形式对碰撞 结果并没有本质影响。此外，本文对某一简易保险杠进行了正面碰撞特性分析和保险杠 试验法规模拟，结果表明：对于此简易保险杠，其前部结构吸能能力有些不足，通过结 构改进提高了其吸能特性；保险杠试验法规模拟对检测保险杠性能有指导意义。同时， 在保险杠正面碰撞模拟中发现：保险杠碰撞并未出现类似直梁碰撞中很高的峰值力，这 说明对复杂结构分析的必要性。最后，本文对某一车门进行了侧面碰撞特性分析和改进。 对于该车门，分析表明原结构抵抗侧面变形能力有些薄弱。通过加装防撞杆，其防侧撞 性能得到提高。 关键词：有限元法；薄壁梁；耐撞性；保险杠 车辆薄壁结构碰撞吸能特性分析与改进 c r a s h w o r t h i n e s sa n de n e r g ya b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s e so f t h i n - w a l l e ds t r u c t u r e si nv e h i c l eb o d y a b s t r a c t t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) h a sb e e nw i d d yu s e di nv e h i c l ed e s i g n f r o n t a la n d s i d ei m p a c t so f t h i n - w a l l e db e a m sa l ea n a l y z e db yl s - d y n a i nf r o n t a li m p a c t s ，f a c t o ms u c h a ss e c t i o n a ld i m e n s i o n , w e l d i n gf o r m , g u i d es l o t ( s h a p e ，d i m e n s i o na n dp o s i t i o n ) ，r i b sa n d s l o p ea n g l ea r ea n a l y z e d ；i ns i d ei m p a c t s f a c t o r ss u c h 鹤s e c t i o n a ld i m e n s i o n ，t h i c k n e s sa n d f o r mo fi m p a c t o ra l ea n a l y z e d b yc o m p a r i s o n , t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa l er e a c h e d ：i n f r o n t a li m p a c t s ，t h eq u a d r a t eb e a mi sab e t t e rc h o i c ef o re n e r g ya b s o r p t i o n , w e l d i n gf a c t o r s h a v et h el e a s te f f e c t st ot h es y m m e t r i c a lw e l d i n go n e s ，g u i d es l o t sc a ng r e a t l yr e d u c et h ep e a k f o r c ea n dt h et r i a n g u l a ro n e sp e r f o r m sb e t t e r , r i b sa r eu s e f u li ne n e r g ya b s o r p t i o na n dt a p e r e d b e a m sc a ns u s t a i nm u c hl a r g e rs l o p ea n g l et h a nt h es t r a i g h to n e s i ns i d ei m p a c t s ，b e a m s p e r f o r mb e t t e rw h e nt h e i rs i d ed i m e n s i o n sa r ei n c r e a s e d 、t h i c k n e s sm a ya 1 8 0d ob u tw i l lr e s t i l t i ng r e a t e ri n c r e a s ei nw c i g h ta n df o r m so fi m p a c t o r sh a v en oi n f l u e n c e so ft h er e s u l t si n e s s e n c e f u r t h e r m o r e f r o n t a l i m p a c t s a n di m p a c t sb a s e do nt h ec r a s hl a wo fa s i m p l e - s t r u c t u r e db u m p e ra r ep e r f o r m e d r e s u l t ss h o w s ：t ot h eb u m p e r , i t sf r o n t a le n e r g y a b s o r p t i o na b i l i t yi ss o m e w h a tp o o ra n dt h ec r a s hl a ws i m u l a t i o nh a sc e r t a i nr e a l i s t i cu s e s m e a n w h i l e t h ep e a kf o r c ew h i e l lh a sb e e nf o u n di nt h et h i n - w a l l e db e a m sf r o n t a li m p a c t s d i s a p p e a r si nt h er e s u l t so ft h eb u m p e rf r o n t a li m p a c t s ；a tl a s t ，s i d ei m p a c t so fav e h i c l es i d e d o o ra r ep e r f o r m e d t ot h es i d ed o o r , i t ss t r u c t u r ei sal i t t l ew e a ka n dc a nb ei m p r o v e db y m d i n gb e a m st oi t k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；t h i n - w a l l e db e a m ；c r a s h w o r t h i n e s s ：b u m p e r 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 车辆被动安全性概述 安全、节能和环保是当今汽车工业三大主题，其中安全性能最为重要，人们在购买 和使用车辆时首先要考虑的就是其安全性能 l 2 1 。车辆安全性能可分为主动安全和被动安 全两大类i 3 , 4 , 5 1 ，其中，主动安全是指车辆避免事故发生的能力，主要的装置和技术包括： 防抱死系统、主动悬架，四轮驱动和车距雷达报警系统等；被动安全是指车辆在发生不 可避免的事故后，车体及约束系统能够对车内乘员和车外行人进行保护，使人员伤害程 度降到最低。本文主要讨论车辆被动安全性问题。 1 1 1 碰撞事故分类 车辆碰撞事故可分为单车事故和多车事故【6 】，其中单车事故又可细分为翻车事故和 与障碍物碰撞事故。翻车事故一般是驶离路面或高速转弯造成的；与障碍物碰撞事故主 要可分为日筝撞、尾撞和侧撞，其中前撞和尾撞较常见，而侧撞较少发生。 多车事故为两辆以上的车辆在同一事故中发生碰撞，其典型碰撞情况可分为正撞、 追尾和侧撞( “。其中正撞是最常见的典型事故，约占总事故的5 0 以上；追尾事故在市 内交通中发生时，一般相对速度较低，但由于追尾事故可造成被撞车辆中乘员颈部的严 重损伤和致残，其后果仍然十分严重；汽车侧面是整车中较薄弱部位，侧面碰撞时没有 足够空问发生结构变形和吸收能量，易于伤害乘员，因此侧面碰撞对乘员可能造成的伤 害更大。 1 1 2 碰撞事故人员损伤机理和伤害指标 由车辆碰撞事故造成伤害的人员有两类，即车外行人和车内乘员。对于行人，碰撞 事故对人体的伤害都是由车辆对人体直接碰撞作用造成的；对于乘员，大多数情况都是 由于车辆碰撞导致乘员与车内部件碰撞造成的。为方便讨论，人们常将车辆的碰撞称为 “一次碰撞”，而将人体与车内部件的碰撞称为“二次碰撞”。 根据人体生物力学的特性，车辆碰撞造成人体损伤可分为：机械损伤、生物损伤和 心理损伤【7 ，8 一。机械损伤指人体在外界直接的碰撞载荷作用下产生的外伤和内伤，如骨 折和皮肤撕裂等；生物损伤指在碰撞导致的加速度作用下人体某些部位产生的生物功能 损伤，如脑组织发生分离而失去知觉等；心理损伤指碰撞过程对人的心理造成的惊慌和 恐惧等。 乘员在碰撞过程中受到损伤的主要原因可归纳为以下四点； 车辆薄壁结构碰撞吸能特性分析与改进 ( 1 ) 一次碰撞过程过分剧烈，以致传递到乘员身上的加速度超过了人体的耐受极限， 使人体器官受到损伤。 ( 2 ) 碰撞过程中乘坐室外部刚硬物体侵入乘坐室内部，直接将乘员挤压伤亡。 ( 3 ) 乘员在车内受到单次或多次“二次碰撞”而受伤。 ( 4 ) 在碰撞过程中，乘坐室变形过大，以致乘员缺乏生存空间而伤亡。 针对上述碰撞损伤机理，人们制定一些评价指标，介绍如下d , 7 , 1 0 ： ( 1 ) 头部伤害指标h i c ( h e a d 删u 巧c r i t e r i o n ) 目前国际上常用的评价头部伤害程度的指标是头部伤害指标h i c ，它由头部合成的 加速度响应在一定时间内积分而得，其表达式如下： 明c = ( f 2 一) f 瑶a d t 2 3 ( 1 1 ) 2 一_ 其中，t ，a 分别为碰撞过程中任意两个时刻，其间隔不大于3 6 m s ；t 2 为相对 于 ，h i c 达到最大值的时刻和头部质心的合成加速。 h i c 的局限在于：虽然头部的生物力学响应包括可以引起头部伤害的角运动，但 h i c 仅考虑了线性加速度；h i c 只在硬接触发生时有效，因此冲击的时间区间受限制。 虽然有这些限制，但h i c 仍然是研究头部伤害时最常使用的准则，而且h i c 被认为可 以很好的区分接触和非接触冲击响应。欧洲e c er 9 5 法规【l l 】中提出h i c 值不超过 1 0 0 0 。 ( 2 ) 胸部伤害指标1 t i ( t h o r a c i ct r a u m ai n d e x ) t t i 的表达式如下： 7 7 = 1 4 + a g e + 2 5 ( r b ( m a x ) + t 1 2 y ) + m a s s 1 6 5 ( 1 2 ) 其中，r i b ( m a x ) ，t 1 2 y 和m a s s 分别为第4 和第8 肋骨侧向加速度最大值，第1 2 脊椎骨处的侧向加速度峰值和试验车质量。 在美国公路交通安全管理局( n h t s a ) 的标准中规定r i 值应在8 0 和1 1 5 之间。 ( 3 ) 粘性指标v c ( v i s c o b sc r i t e r i o n ) v c 的表达式如下： v c ：生幽。盟( 1 3 ) d t d ( o ) 其中，d ( o ) ，d ( f ) 分别为胸腔原始宽度和t 时刻的宽度。 胸部的重要器官，心脏、大动脉、肺等都是由软组织组成的。生物力学研究表明软 组织的损伤主要由胸部的速率敏感变形引起的，胸部侧向碰撞损伤容忍限度为1 , 0 m s ， 因此粘性指数不得大于1 0 m r s ，否则乘员将受到严重伤害。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 1 1 3 碰撞法规 车辆碰撞安全性问题自其诞生以来就存在，在早期由于车速较低，车辆相对较少而 未引起人们的重视 t 2 a 3 。最早的车辆安全法规是英国在1 8 6 5 年出台的一部有名的红 旗法( “r c d f l a g a c t ”，系“l o c o m o t i v e a c t ”的别名) ，其规定刚问世的车辆在城 内行驶不得快于每小时2 英里、城外不得快于4 英里。为了保证做到这一点，法令要求 每部车辆上路必有一位“司机”举红旗步行在前。现在，世界上最著名的碰撞法规是美 国和欧洲的碰撞安全法规，除此之外，日本、澳大利亚和我国也先后建立了自己的碰撞 安全法规 6 , 1 2 , 1 3 】。 各国碰撞法规对碰撞试验具体测试内容规定有所不同，其比较如下表； 表1 1 各国安全碰撞测试内容对比 t a b 1 1 c o m p 幽n o f c r a s hl a wi nd i f 锄tc o u n 仃i 1 2 课题研究的理论意义和实用价值 随着车辆数目的增多，其安全性越来越受到人们的重视。对于车辆最理想的安全状 态是不发生碰撞，这是车辆主动安全研究的领域；但是在目前的科学水平下车辆的碰撞 在所难免，因此，对车辆碰撞特性进行分析具有十分重要的意义。整个车身主要由薄壁 结构( 包括梁和板) 构成。在正面碰撞和追尾碰撞中主要是车架纵梁在碰撞中进行吸能 和抵抗外力变形，一般纵梁吸能占总能的5 0 以上1 9 】，对纵梁的正面碰撞特性进行分析 改进不但可以提高纵梁的吸能特性，保证乘员的安全，而且同时减轻车身重量，改善车 辆的其它性能；侧面碰撞中由于侧面是车体中强度较薄弱的部位，一旦受到碰撞冲击， 不可能像前部和后部那样有足够的空间进行变形和吸能，所以有必要对车身侧面强度进 车辆薄壁结构碰撞吸能特性分析与改进 行分析和加强，来满足车辆侧面碰撞性能的要求。因此有必要对薄壁结构的碰撞特性进 行分析和改进。 2 0 0 4 年6 月1 日，我国正式实施乘用车正面碰撞的乘员保护标准【6 】，规定国内 新车上市前必须进行正面碰撞测试，并要满足国家标准。但统计数据显示，汽车发生侧 面碰撞时，车内乘员的致死率明显高于正面碰撞。所以国家于2 0 0 6 年7 月1 日实施了 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两项强制性国家标 准，这两个标准被称为“双碰”标准。“双碰”是新车获得投产的基本要求，未达标车 辆不能上市。同时，对已上市的车型，“双碰”标准给予3 年的缓冲期，即到2 0 0 9 年1 月1 8 日以后，未达到标准的车型必须退市。鉴于上述法规要求，为了在市场上生存， 很有必要对车辆被动安全性进行改进，来达到法规要求，这也是本课题的实用价值所在。 1 3l s - d y n a 简介 l s d y n a 是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复 杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和会属成型等非线 性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题，在工程应用领域被广泛认 可为最佳的分析软件包，且实验的无数次对比证实了其计算的可靠性【l 棚。 由j o h a l l q u i s t 主持开发完成的d y n a 程序系列被公认为是显式有限元程序的鼻祖 和理论先导，是目前所有显式求解程序( 包括显式板成型程序) 的基础代码。1 9 8 8 年 j o h a l l q u i s t 创建l s t c 公司，推出l s d y n a 程序系列，并于1 9 9 7 年将l s d y n a 2 d 、 l s d y n a 3 d 、l s - t o p a z 2 d 、l s t o p a z 3 d 等程序合成一个软件包，称为l s - d y n a 。 l s d y n a 的最新版本是2 0 0 4 年8 月推出的9 7 0 版。 1 3 1l s - d y n a 中重要概念 ( 1 ) 显式时间积分 l s d y n a 处理碰撞问题采用显式动力分析方法。显式动力分析方法有多种，这里 介绍中心差分法。用中心差分法在时问t 求加速度的表达式如下： q 。 = 阻r 矿】一k “d ( 1 4 ) 其中，【, t e x t ，【f t i n t 分别为施加外力与体力总矢量和内力矢量。 内力矢量 f t i n q 的表达式如下： ，、 f 缸= z | f b 7 0 d n + f h gi + f ( 1 5 ) n 式中：f h g ，f e o n t 分别为沙漏阻力和常量力。 根据上式，推出速度与位移表达式如下： - 4 大连理工大学硕士学位论文 h + a t 2 = v ，一。，： + h f ， “+ 。) = 缸， + h + 。，：拍口，+ 。，： 公式( 1 4 ) 式中时间表达式如下： ( 1 6 ) ( 1 7 ) a t , + ，2 = 亡( + a t , + ) ( 1 8 ) 二 新的几何构形由初始构形加上 x o ) 获得，表达式如下： 扛o 。 = 艺 + 缸，+ 。 ( 1 9 ( 2 ) 简化积分算法 l s d y n a 中所有的显式动力单元缺省为简化积分，一个简化积分单元是一个使用 最少积分点的单元，一个简化积分块单元具有在其中心的一个积分点；一个简化壳单元 在面中心具有一个积分点。而全积分块与壳单元分别具有8 个和4 个积分点。 在显式动力分析中最耗c p u 的是单元的处理，由于积分点的个数与c p u 时间成正 比，所有的显式动力单元缺省为简化积分，除了节省c p u ，单点积分单元在大变形分析 中同样有效，l s d y n a 单元能承受比隐式单元更大的变形。简化积分单元有两个缺点： 出现零能模式( 沙漏) 。 应力结果的精确度与积分点直接相关。 ( 3 ) 沙漏。 沙漏是一种以比结构全局响应高的多的频率震荡的零能变形模式，该模式导致一种 在数学上稳定但在物理上不可能的状态。它们通常没有刚度，变形呈现锯齿形网格。单 点积分单元容易产生零能模式，沙漏的出现会导致结果无效，应尽量避免和减小。如果 总的沙漏能大于模型内能的1 0 ，这个分析就有可能是失败的，有时候即使5 也是不 允许的。结构出现沙漏变形如图1 1 所示： 图1 1 沙漏 f i g 1 - 1h o u r g l a s s 一5 车辆薄壁结构碰撞吸能特性分析与改进 l s d y n a 有以下几种方法控制沙漏： 避免单点载荷。单点载荷容易激发沙漏。 用全积分单元。全积分单元不会出现沙漏，用全积分单元定义模型的一部分或全 部可以减少沙漏。 全局调整模型体积粘性。沙漏变形可以通过结构体积粘性来阻止，可以通过控制 线性和二次系数，从而增大模型的体积粘性。 ( 4 ) 接触 l s d y n a 有2 2 种不同的接触类型，要选择合适的类型来描述实际物理系统往往 比较困难，为了选择合适的接触类型，往往需要对l s d y n a 中的接触集合和算法有深 入的理解。 接触算法是程序用来处理接触面的方法，在l s d y n a 中有以下3 种算法： 单面接触。单面接触用于当一个物体的外表面与自身接触或和另一个物体的外表 面接触时使用，单面接触是l s d y n a 中最通用的接触类型，因为程序将搜索模型中的 所有外表面，检查是否相互发生穿透。由于所有的外表面都在搜索范围内，因此不需要 定义接触面与目标面，在预先不知接触情况时，单面接触非常有用。单面接触形式如图 1 2 所示： 图1 2 单面接触 f i g 1 , 2s i n g l es u r f a c o n t a c t 点面接触。当一个接触节点碰到目标面时，点面接触发生，由于它是非对称的， 所以是最快的算法。点面接触只考虑冲击目标面的节点。对于点面接触，必须指定接触 面与目标面的节点组元或p a r t 号。对于预先已知非常小的接触面，点面接触十分有效。 对于节点接触刚体同样可以使用它。在使用点面接触时，应注意以下几点：平面与凹面 为目标面，凸面为接触面；粗网格为目标面，细网格为接触面；对于d r a w b e a d 接触， 大连理工大学硕士学位论文 压延筋总是节点接触面，工件为目标面。点面接触形式如图1 3 所示： 图1 3 点面接触 f i g 1 3 n o d et om l r f a c l c o n t a c t 面面接触。当一个物体的面穿透另一个物体的面时，使用面面接触算法，面面接 触是完全对称的，因此接触面与目标面的选择是任意的。对于面面接触，需要用节点组 元和p a r t 号来定义接触面和目标面，节点可以从属于多个接触面。面面接触是一种通 用算法，通常用于在已知的接触对象是较大的面时，如图1 4 所示： 图1 4 面面接触 f i g i a s u r f a c et os u r f a c ec o n t a c t 此外，一个接触集合为具有特别相似特性的接触类型的集合，在l s d y n a 中共有 8 种集合：普通、自动、刚体、同连、固连失效、侵蚀、边和拉延筋。 1 3 2l s d y n a 中单元介绍 l s d y n a 中有7 种单元，它们是：l i n k l 6 0 ( 珩架单元) 、b e a m l 6 1 ( 梁单元) 、 s h e l l l 6 3 ( 薄壳单元) 、s o l i d l 6 4 ( 块单元) 、c o m b l l 6 5 ( 弹簧质量单元) 、m a s s l 6 6 车辆薄壁结构碰撞吸能特性分析与改进 ( 质量单元) 和l i n k l 6 7 ( 缆单元) 。所有显式动力单元为三维的，每种单元可用于几 乎所有材料模型，都有几种不同算法，均具有一个线性位移函数，目前尚没有具有二次 位移函数的高阶单元。每种显式动力单元缺省为单点积分，下面对常用的几种单元特性 进行具体介绍。 ( 1 ) l i n k l 6 0 单元 3 d 圆杆单元用来承受轴向载荷，用3 个节点定义单元，第3 个节点用来定义杆的 初始方向。其空间结构如图1 5 所示： 图1 5l i n k l 6 0 单元 f i g 1 5l i n k l 6 0 ( 2 ) b e a m l 6 1 单元 由于不产生应变，次3 d 单元适合于模拟刚体旋转，需要3 个节点定义此单元，其 结构如图1 6 所示： 图1 6b e a m l 6 1 单元 f i g 1 6 b e a m l 6 1 ( 3 ) s h e l l l 6 3 单元 s h e l l l 6 3 有1 1 种不同算法，最重要的几种有：b e l y t s c h k o - t s a y ( 简单壳单元，非常 大连理工大学硕士学位论文 快，翘曲时易出错) 、b e l y t s c h k o - w o n g - c h i a n g ( 速度是b t 单元的1 2 5 倍，适用于翘曲 分析) 、b e l y t s c h k o l e v i a t h a n ( c p u 时耗为b t 单元的1 4 倍，是第一个具有物理沙漏控 制的单元) 和s rc o - r o t a t i o n a lh u g h e s “u ( 没有沙漏的壳单元，c p u 为8 8 + b t ) 。其 结构如图1 7 所示： 。户，。q “ 图1 7s h e l l l 6 3 单元 f i g 1 7 s h e l l l 6 3 ( 4 ) s o l i d l 6 4 单元 可以选择两种算法：单点积分( 对大变形问题十分有效。需要沙漏控制) 和完全积 分( 求解慢，但无沙漏，使用大的泊松比时谨慎建议不用退化四面体单元) ，对于显式 动力分析最好用映射网格，拖拉出的带金字塔形网格也可以。其结构如图1 8 所示： 匿 ；。一 。- 嗵妥 铆o 抽= _ n 。_ _ _ 。* 图1 8s o l i d l 6 4 单元 f i g 1 8 s o l i d l 6 4 ( 5 ) m a s s l 6 6 单元 m a s s1 6 6 是一个有9 个自由度的点质量单元：在x ，y ，z 方向的平动、速度、加 人 车辆薄壁结构碰撞吸能特性分析与改进 速度，单元还有针对旋转惯性，但没有质量的选项。这种单元用来对整车碰撞建模，代 替其中许多部件没有建模的大型模型质量。其结构如图1 9 所示： x 2 图1 9m a s s l 6 6 单元 f i g 1 9m a s s l 6 6 此外，划分单元时应注意以下几点：避免使用小的单元，以免缩小时间步长，如果 使用，则同时使用质量缩放；减少使用三角形四面体棱柱单元，避免锐角单元与翘曲 的壳单元，否则会降低计算精度；在需要沙漏控制的地方使用全积分单元；全积分六面 体单元可能产生体积锁定( 由于泊松比达到o 5 ) 和剪切锁定( o j 如简支梁的弯曲) 。 1 3 3l s d y n a 中的材料 l s d y n a 程序目前有1 0 0 多种金属和非金属材料可供选择，除弹性、弹塑性、超 弹性、塑性、泡沫、玻璃、地质、土壤、混凝土、流体、复合材料、炸药及起爆燃烧、 刚性材料外，l s d y n a 还提供了接口，用户可以自定义材料，并可考虑材料失效、损 伤、粘性、蠕变、与温度相关、与应变率相关等性质。 1 3 4l s d y n a 的前后处理 l s d y n a 的前后处理非常多，例如a n s y s 、p a t r a n 、e t a 公司的f e m b 、t m e c n i d 、 i n g r d 、h y p e r m e s h ，新开发的后处理为l s p o s t 和l s p r e p o s t 。另外，将 l s d y n a 输出的文件进行格式转换后，a v s e x p r e s s 也可以读入，它能够生成质量 更高的效果图和动画。这些软件，前处理中具有多种自动网格划分选择，并可与大多数 的c a d c a e 软件集成并有接口；后处理中的结果具有彩色等值线显示、梯度显示、矢 量显示、等值面、粒子流迹显示、立体切片、透明及半透明显示；变形显示及各种动画 显示；图形的p s 、t i f f 及h p g l 格式输出与转换等。 大连理工大学硕士学位论文 2 矩形薄壁梁的正面碰撞特性分析 薄壁梁结构在车身j 下面碰撞吸能结构中应用广泛，其性能评价主要有如下指标【7 】： ( 1 ) 碰撞峰值力c 。：峰值力可能在两个时刻出现：一是碰撞初始阶段，此时结构发 生弹塑性屈曲：一是整个结构接近完全压缩时，此时碰撞力迅速增加。对于碰撞研究主 要考察前一个峰值力，它直接影响碰撞中的峰值加速度大小，此值不应过大，这对乘员 保护是十分重要的。 ( 2 ) 碰撞平均力只。：碰撞平均力是碰撞力曲线的平均值，它是结构吸能能力的总体 反映。 3 ) 耐撞性指数珑：耐撞性指数定义为在极限状态下，单位结构质量吸收能量的大小。 它与材料性能和结构形式密切相关。 2 1 方形梁的碰撞分析 本次模拟采用a n s y s 软件进行前处理，然后用l s d y n a 软件进行求解，最后用 l s p r e p o s t e d 进行后处理操作 1 5 , 1 6 , 1 8 】。模拟中方形梁的边长取为6 5 m m ，轴向长度为 5 0 0 m m ，试验中梁的一端固定，质量为1 0 0 0 k g 的移动刚性墙以5 m s 速度冲击梁的另一端。 2 1 1 单元、材料选取和实常数确定 模拟中采用薄壳单元s h e l l l 6 3 ，壳单元算法选用b e l y t s c h k o - w o n g - c h i a n g ，其特点 是适合大变形和屈曲分析；梁的材料为a 3 钢，密度为7 8 5 0 k g m 3 ，弹性模量为2 0 0 g p a ， 屈服强度为0 2 3 5 g p a ，剪切模量为0 9 5 g p a ，泊松比为0 3 。模拟中选用双线性硬化塑 性材料模拟，其应力应变曲线如图2 1 所示： s t r t i a - 图2 1 材料应力应变曲线 f i g 2 1m a t e r i a ls t r a i n - s t r e s sc u 晰 同时材料性能与应变率相关，其表达式如下【1 5 】： 二i o r r = 1 + ( ) 】( c r 0 + 廓眵)( 2 1 ) 其中，c r 0 ，矽，耳分别为初始屈服应力，等效塑性应变和塑性硬化模量。 在此次模拟中，应变率系数c 取4 0 ，p 取5 ，梁的壁厚为1 s m m 。 2 1 2 网格划分 基本折叠单元的折叠半径近似为【1 5 】： ! r = 0 7 2 ( c a 0 3 ( 2 2 ) 式中，c ，h 分别为截面宽度和壁厚。 根据上式经过计算取单元边长为5 m m ，随后对结构进行影射网格划分，共产生5 2 5 2 个节点和5 2 0 0 + 单元。 2 1 3 其它参数设置 模拟中接触算法采用自动单面接触类型，在接触中考虑摩擦，摩擦系数表达式如下： 以= 儿一( 以一心) p 一o 。 ( 2 3 ) 其中，i t , ，以，d c ，v 分别为静摩擦系数，动摩擦系数，衰减系数和相对速度。 在此次模拟中，将静态和动态摩擦系数均定为o 1 5 【1 7 】；模拟时间取为1 5 0 m s 。 2 i 4 碰撞变形过程及结果数据 方形梁变形过程如图2 2 所示： 酉画篱 ( b ) 卢3 0 l n 8 ( c ) t = f m m s ( d ) t = - 1 5 0 n - m 图2 2 碰撞变形过程 f i g 2 2 c r a s hd e f o r m a t i o np r o g r e s s 大连理工大学硕士学位论文 接下来要提取碰撞过程中刚性墙反力，这里先介绍滤波。为了便于结果比较，必须 对碰撞结果进行滤波。s a ej 2 11 为汽车碰撞法规试验的电测量系统制定了四个级别专 用频响函数，即数据通道的频率等级。各函数等级和各测量项目实际选择级别如表2 1 和表2 2 所示1 1 6 】： 表2 1 四级频率等级的特征频率 t a b 2 1 e i g e n f r e q u e n c y o f t h e f o u r g r a d e f r e q u e n c y 表2 2 各测量项目频响函数级的选择 t a b 2 2c h o o s eo f f u n c t i o n sf o rd i f f e r e n ti t e m s 电测量项目 c f c 安全带载荷6 0 根据表2 1 和表2 2 ，本模拟属于车身部件分析范围，所以结果处理选用6 0 0 h z 等 级进行滤波。滤波后得到方形梁的碰撞力时间特性曲线如图2 3 所示： 车辆薄壁结构碰撞吸能特性分析与改进 i j 挑八 l v 、 、 oo 0 2o 0 4d 0 6o o oo 1o 1 2o 1 4 t i m e ( s ) 图2 3 刚性墙反力时间曲线 f i g 2 3r i g i dw a l lt i m e - f o r c eo u t v e 对于碰撞仿真，由于采用简化积分算法，一般会产生砂漏能。砂漏能的控制对结果 的正确性影响很大，一般砂漏能要在总能的5 以下结果才算可靠。本次模拟中方型梁 的动能、内能、总能和砂漏能时问特性曲线如图2 4 所示： 弋y ， 、 严 ，e 、 厂。 k b、 1 1 m e t s ) 图2 4 能量时问特性曲线 ( a - 总能b 内能d 动能i ) - f f 漏能) f i g 2 4t i m e - e n e r g yc u r v e ( a - t o t a le n e r g yb - i n t e r n a le l l e r g yc - d y n a m i ce n e r g yd - h o u r g l a s se n e r g y ) 2 1 ：5 结果分析 由图2 1 可以看出方形梁正面碰撞中主要发生压溃变形，形成多个褶皱；由图2 2 可以看出碰撞力的特点：开始阶段有一峰值力，随后碰撞力减小，并在某一值附近成周 2 b 8 8 2 n c+粤s宣言c山 大连理工大学硕士学位论文 期波动，而且周期数与褶皱数相同；由图2 3 得到碰撞过程中总能量为1 2 5 1 1 j ，砂漏能 为1 1 4 j ，计算得砂漏能占总能百分比约为1 ，小于5 ，所以可以认为模拟结果是可 信的。 2 2 不同截面形式对碰撞特性的影响 为做分析对比，取截面周长均为2 6 0 r a m ，而长度和宽度不相同的几组矩形梁进行 碰撞特性分析1 9 姐2 ”。此外，为了减小模拟时间，将刚性墙的质量改为5 0 0 k g ，模拟时 间改为l o o m s ，模拟中其它参数均与第一次相同。 2 2 1 梁的截面尺寸 本次模拟对四种截面尺寸的矩形梁进行碰撞特性分析，四种截面尺寸如图2 5 所示： ( a ) 截面一 ( b ) 截面二( c ) 截面三( d ) 截血四 图2 5 截面尺寸 f i g 2 5 c r o s s - s e c t i o nd i m e n s i o n s 2 2 2 结果数据 经过相同条件碰撞模拟，得到四种截面梁的结果数据对比如表2 3 所示： 表2 3 四种形式矩形梁结果 t a b 2 3r e s u l t so f f o u r r e c t a n g l et u b e s 车辆薄壁结构碰撞吸能特性分析与改进 2 2 3 结论 四种矩形梁的周长相同，长度一样，并且边界条件也一致。由表2 3 可以看出；在 相同条件下方型梁吸收能量较多且变形量最小。归其原因，在梁变形过程中要形成很多 褶皱，形成褶皱的力与各边长度有关。方形梁各边长度相同，强度也相同，只有各边同 时达到压溃条件才能变形；其它梁都有薄弱边，当薄弱边到达压溃变形强度后开始变形， 强边也尾随其变形。这里选择方形梁作为设计的梁的形式，然后再继续细化设计。 2 3 焊接形式对碰撞特性的影响 在实际结构中，梁都是由钢板焊接而成的，因此有必要对具有焊接结构的梁进行模 拟【2 2 1 。这里以方形梁为研究对象，其它参数不变，焊点采用l s - d y n a 中的点焊模拟， 焊点间距为5 0 m m ，焊点失效形式定义如下： 2 + 2 1 ( 2 4 ) j n 5 ， 式中，s 。，j ，分别为法向破坏极限力和切向破坏极限力。 对于不同的板厚，二者取值有所不同，其值如表2 4 所示： 表2 4 几种板厚的焊接破坏极限力取值 t a b 2 - 4f a i l u r ef o r c eo f d i f f e r e n tt h i c k n e s s 对于壁厚1 5 m m 的梁，两个量分别取为8 0 0 0 n 和5 6 0 0 n 。 2 3 1 梁的焊接形式 模拟中采用下面三种典型焊接形式： 大连理工大学硕士学位论文 ( a ) 帽接( b ) 对接( c ) 边接 图2 6 方形梁不同焊接形式 f i g 2 6 d i f f e r e n tf o r mo f s p o t w e l d s 2 3 2 变形结果比较 三种不同焊接形式的方形梁的长度均取为5 0 0 m m ，下端固定，用质量为5 0 0 k g 的 刚性墙以5 m s 的速度冲击。得到的最终变形结果如图2 7 所示： ( a ) 帽形( b ) 对接( c ) 边接 图2 7 不同焊接形式的变形结果 2 3 3 结论 由图2 7 梁的变形结果比较可知：对接焊点失效对变形影响较小；其它二种有较大 影响。归其原因是对接焊点较对称，变形时应力没有达到焊点极限应力，所以变形较理 想；另外二种焊接部位不对称，在变形过程中焊接两钢板间作用力超过了焊点极限应力， 从而造成焊点失效，进而引起梁的整体失稳。由于焊点开裂造成梁失稳，这是车辆碰撞 中不希望看到的现象，只有对接形式产生了我们希望的正常的压溃现象，资料也显示减 小焊点间距可以减小焊接影响，但加工费用将提高，对焊接水平要求也较耐2 2 2 7 2 引。对 比之下对接形式对焊点要求较低，因此可以看出对接是一种较好的焊接形式。 车辆薄壁结构碰撞吸能特性分析与改进 2 4 诱导槽对碰撞特性的影响 由图2 3 可以看出在碰撞初始阶段存在一峰值力，该力比平均力大很多，它在碰撞 中将导致峰值加速度，这对乘员危害非常大，因此有必要对其进行减弱。这里采用添加 诱导槽的办法来减小碰撞过程的峰值力。 2 4 1 诱导槽形式选择 这里采用三角形和矩形两种不同形式的诱导槽。两种形式的尺寸如图2 8 所示： ( a ) 三角形 ( b ) 矩形 图2 8 诱导槽的位置和尺寸 f i g 2 8 p o s i t i o na n dd i m e n s i o no f g u i d es l o t s 两种形式立体图如图2 9 所示： (a)三角形(b)矩形 图2 9 两种形式立体图 f i g 2 9 c u b i cv i e wo f t w of o r m s 计算结果和未加诱导槽比较如表2 5 和表2 6 所示： 大连理工大学硕士学位论文 表2 5 三角形结果比较 t a b 2 5r e s u l t so f t r i a n g l et u b e s 表2 6 矩形结果比较 t a b 2 6r e s u l t so f r e c t a n g l em b e s 由表2 5 和表2 6 可以看出：加了诱导槽以后可以明显减小峰值力，但同时端部移 动距离也有所增加，并且内能减少。对于三角形诱导槽，峰值力明显减小，同时端部移 动距离有所增加，但内能减少较小；对于矩形诱导槽，峰值力减小明显，但同时端部移 动距离增加很大，而且吸收能减少很多。归其原因，矩形结构缺口较大，使得结构吸能 能力下降很多，导致端部移动距离增加且吸收能量减少【2 3 捌。所以选三角形诱导槽为设 计形式。 2 4 2 诱导槽位置的影响 根据上一节分析结论，以三角形诱导槽形式为研究对象，改变诱导槽位簧，其它条 件保持不变，进行模拟分析。三角形诱导槽距离端部不同距离时的结果如表2 7 所示： 表2 7 不同位置诱导槽的比较 t a b 2 7 d i f f e r e n tp o s i t i o no f g u i d es l o t s 由表2 7 可以看出，诱导槽的位置对碰撞性能影响不大，但由于诱导槽是对结构局 部的削弱，距端部太远容易造成结构失稳，所以一般应取在距端部1 0 到4 0 r a m 之间。 车辆薄壁结构碰撞吸能特性分析与改进 2 4 3 诱导槽深度的影响 为了进一步减小碰撞的峰值力，仍以三角形诱导槽为研究对象，在距梁端部2 0 m m 处分别取深度为5 、l o 和1 5 r a m 的诱导槽进行比较。诱导槽不同深度时结果如表2 8 所 示： 表2 8 诱导槽不同深度结果比较 t a b 2 8d i f f e r e n td e p t ho f g u i d es l o t s 由表2 8 可以看出：改变深度可以明显减小第一峰值力，同时基本不影响移动距离， 这是我们所希望看到的。当深度为1 5 r a m 时第一峰值力已不是最大力，所以对于本结构 可以取诱导槽深度在1 0 到1 5 m m 之间。 2 5 梁的吸能特性改进 本节讨论两种提高梁吸能能力的方法：增加梁的壁厚和加加强板。仍以前面方形梁 为研究对象，但其长度改为2 0 0 m m ，碰撞用的刚性墙质量改为2 0 0 0 k g ，其余参数不变。 为做分析对比，这里取三个模型：厚度为1 5 m m 的梁、厚度为2 m m 的梁和厚度为1 5 m m 并带两块厚l m m 加强板的梁。 2 5 1 梁的截面尺寸 带加强板的梁的截面尺寸如图2 1 0 所示： 图2 1 0 带加强板梁的截面图 f i g 2 1 0 c r o s s - s e c t i o no f b e a m sw i t hr e i n f o r c er i b 大连理工大学硕士学位论文 2 5 2 结果比较 由于刚性墙质量很大，三种梁均被完全压缩，达到吸能极限，其最终变形结果如图 2 1 1 所示： ( a ) 壁厚1 s m