（载运工具运用工程专业论文）基于mdb与柱壁障的轿车侧面碰撞仿真研究.pdf

摘要 近年来，随着我国汽车保有量迅速增加，汽车正面碰撞、侧面碰撞成为最常 见的两类交通事故。相关统计数据表明，由于我国城市道路的交叉路口以平面交 叉为主，侧面碰撞是我国发生频次最高、造成受伤人数最多的交通事故。同时， 汽车侧面又是车体强度较薄弱的部位，特别是对轿车而言，侧面碰撞刚度约为正 面碰撞刚度的1 1 2 ，而车内乘员同强烈贯穿的撞击物之间仅隔着车门和2 0 - - - 3 0 c m 的空间。因此，研究如何提高我国轿车的侧面碰撞安全性能，对减少对乘员伤害、 降低车辆碰撞事故中的死亡率具有重大意义。 针对2 0 0 9 年2 月最新欧洲的e u r o - n c a p 将侧面柱碰纳入其法规，而我国对 这种特殊的侧面碰撞形式研究很少，本文通过计算机仿真的方法对轿车与移动变 形壁障和柱壁障碰撞这两种侧碰形式展开研究。首先，对侧面碰撞计算机仿真基 本真理论和影响侧面碰撞仿真精度和效率的参数进行分析：其次，在我国相关侧 碰法规以及e u r o - n c a p 中的侧面柱碰法规的基础上，利用h y p e r m e s h 软件建 立轿车的移动变形壁障( m d b ) 钡0 面碰撞有限元模型和柱壁障一侧面碰撞有限元 模型，并利用l s d y n a 进行相应的求解，根据仿真结果对两种碰撞形式各自的能 量变化和车体响应进行研究，并结合轿车侧面碰撞的评价指标，对两种碰撞形式 车体的变形量、侵入量、关键部位加速度进行对比分析，得出两种碰撞形式对乘 员的伤害特点；最后，结合仿真中得出的侧面柱碰伤害的特点，对车体结构进行 相应的改进，一定程度上提高了车辆的侧碰安全性。 通过本文的研究表明，e u r o - n c a p 中的侧面柱碰是一种对乘员头部和胸部的 伤害更严重的一种碰撞形式，它对乘员头部和胸部的保护提出了更高的要求；而 目前我国法规中要求的移动变形壁障( m d b ) 侧面碰撞对乘员腹部和盆骨保护略微 为严格一些。虽然，目前大部分国产轿车车辆都还无法满足欧洲侧面柱碰法规的 要求，但本文针对侧面柱碰进行的改进是有效的，表明如果我国汽车设计者根据 柱碰伤害的特点进行不断地改进，国产轿车很快也能适应国外的侧面柱碰法规。 本文的研究可为我国开展侧面柱碰法规和针对柱碰的车身结构改进提供一些参考 和帮助。 关键字：轿车侧碰；m d b ；柱壁障；车体改进；有限元法 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，舔t h ea m o u n to fa u t o m o b i l e si n c r e a s er a p i d l y , c a rf r o n t a li m p a c t a n ds i d ei m p a c tb e c o m et h em o s tc o m m o nt w ot y p e so ft r a f f i ca c c i d e n t s r e l e v a n t s t a t i s t i c a ld a t as h o wt h a t ：a st h eu r b a nr o a di n t e r s e c t i o n si sp l a n ec r o s s ，c a rs i d ei m p a c t i sm o s tf r e q u e n ta n dc a u s e dl a r g e s tn u m b e ro fi n j u r i e si nc h i n a a tt h es a m et i m e ，t h e s i d eo fe a ri sw e a k e ri ne n e r g ya b s o r p t i o n , s p e c i f i c a l l yf o rm i i l i - c a r , t h es t i f f n e s so fs i d e i m p a c ti so n l y1 1 2f o rf r o n t a li m p a c t , a n dc r a s hd i s t a n c ei sv e r ys m a l l 。t h e r e f o r e , r e s e a r c h e so nh o wt oi m p r o v et h ec a r ss i d ei m p a c ts a f e t yb e c o m ev e r yi m p o r t a n tf o r r e d u c i n gp a s s e n g e ri n j u r ya n d t h ef a t a l i t yr a t ei nv e h i c l ea c c i d e n t i nv i e wo fe u r o - n c a pp u t st h ep o l es i d ei m p a c ti n t oi t sl a w sa n dr e g u l a t i o n s ，b u t r e s e a r c ho nt h i sp a r t i c u l a rf o r mo fi m p a c ti sv e r yl i t t l ei no u rc o u n t r y , t h i sa r t i c l es t u d y o nt w ot y p e s ( m o v i n gd e f o r m a t i o nb a r r i e ra n dp o l eb a r r i e r ) s i d ei m p a c to fc a rb y c o m p u t e rs i m u l a t i o n f i r s t , a n a l y s e st h e b a s i ct h e o r yo fc o m p u t e rs i m u l a t i o na n d p a r a m e t e r st h a te f f e c tt h es i m u l a t i o na c c u r a c ya n de f f i c i e n c yf o r c a rs i d ei m p a c t s e c o n d ，b u i l d sm d b ( m o v i n gd e f o r m a t i o nb a r r i e r ) a n dp o l eb a r r i e rs i d ei m p a c tf i n i t e e l e m e n tm o d e lo fc a rb yh y p e r m e s hs o f t w a r eb a s e do nc h i n a sr e l e v a n tl a w sa n dt h e p o l es i d ei m p a c tr u l e si ne u r o n c a p , a n ds o l v eb yl s - d y n a , r e s e a r c ho ne n e r g y c h a n g e sa n dr e s p e c t i v er e s p o n s e so ft h ec a rb o d yf o rt w ot y p e so fi m p a c tt h r o u g ht h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ；c o m b i n e dt h ee v a l u a t i o nr u l e so fc a rs i d ei m p a c td os o m ek e y p a r a m e t e r s c o m p a r a t i v ea n a l y s i sf o rt h et w ot y p e so fs i d ei m p a c t ，s u c ha st h ec a l b o d y d e f o r m a t i o n , i n t r u s i o nv o l u m ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa c c e l e r a t i o no fk e yp a r t s ，s ow e c a nc o m et ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fp a s s e n g e ri n j u r yf o rt h et w ot y p e si m p a c t ；a tl a s t ， c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n j u r yi np o l es i d ei m p a c t ，i m p r o v ec o r r e s p o n d i n g s t r u c t u r eo ft h ec a rb o d y , a n di m p r o v e dt h es i d ei m p a c ts a f e t yo fv e h i c l et os o m e e x t e n t r e s e a r c hs h o w st h a t ，t h ep o l es i d ei m p a c ti ne u r o - n c a pc a u s e dm o r es e r i o u s i n j u r yo np a s s e n g e r s h e a da n dc h e s t ，t h i sr e g u l a t i o n sp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t s o np a s s e n g e r sh e a da n dc h e s tp r o t e c t i o n ；h o w e v e r , t h em d bs i d ei m p a c ti no u r c o u n t r yi sas l i g h t l ys t r i c t e rp r o t e c t i o ni na b d o m e na n dp e l v i so fp a s s e n g e r a l t h o u g h t h em a j o r i t yo ft h ed o m e s t i cv e h i c l e sa r eu n a b l et om e e tt h er e g u l a t o r yr e q u i r e m e n t so f p o l es i d ei m p a c tr u l e si ne u r o n c a p , t h ei m p r o v e m e n tf o rp o l es i d ei m p a c ti nt h i s a r t i c l ei se f f e c t i v e i ts h o wt h a t , i ft h ea u t o m o t i v ed e s i g n e r si no u rc o u n t r yd o c o n t i n u o u si m p r o v e m e n tb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp a s s e n g e ri n j u r yi np o l es i d e i m p a c t ，d o m e s t i cc a r sc a l lq u i c k l ya d a p tt of 0 r d 印l a w sa n dr e g u l a t i o n s t h er e s e a r c hi n t h i sa r t i c l ep r o v i d e ss o m er e f e r e n c e sa n dh e l p st ol a u n e ht h ep o l es i d ei m p a c tl a wa n d i m p r o v et h ec a r - b o d ya g a i n s tt h ep o l es i d ei m p a c t k e yw o r d s ：c a rs i d ei m p a c t ；m d b ；p o l eb a r r i e r ；s t r u c t u r ei m p r o v e m e n t ；f e m 重庆交通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，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 仓移 日期：2 口f 口年舌月7 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位做作者签名：余穆 日期： o f9 年5 月7e t 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社q i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位做作者繇会穆 日期：汐f d 年6 月夕日 吟 三 日 形7f 聊“ 名 年 签 d 师财蛳脚 导 期 指 日 够日 、杈7 貌 轹年 签b 师 幻狮扔 导 期 翌墨 日 第一章绪论 1 1 论文研究的背景及意义 随着我国人民生活水平的不断提高，汽车已不再是奢侈品近年来我国的汽 车工业飞速发展汽车保有量迅速增加，这同时也导致了与汽车相关的各种事故 的迅猛增长。汽车工业高速发展的同时又给我们带来了不容忽视的安全问题。从 世界范围来看，我国汽车保有量只占全世界的1 9 ，但我国交通事故死亡人数却 占全世界的1 5 左右。据世界卫生组织统计，自2 0 世纪5 0 年代以来，全世界丧生于 车祸的人数已超过3 0 0 0 万人，目前全世界每年死于车祸的人数达到1 0 0 万人，伤 残人数达数千万，我国每年因车祸致死的人数已连续3 年超过l o 万人，每年直接 经挤损失高选3 0 多亿元，可见汽车安全性研究在我国的重要性“1 。 汽车安全性分为主动安全性和被动安全性。主动安全性是指汽车能够识别潜 在的危险因素自动减速或当突发的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：被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后能够对车内乘员 或车外行人进行保护以免发生伤害或使伤害减低到最低程度的性能。汽车被动安 全性研究内容包括车身结构的耐撞性研究、人体碰撞生物力学研究乘员约束系统 及安全驾驶室内饰组件的开发研究等。“。 在被动安全中，汽车正面碰撞、侧面碰撞是最常见的两类变通事故根据我 国交通事故统计，由于我国城市道路的交叉路口以平面交叉为主，机动车、非机 动车混合交通现象极为严重，导致交通事故类型中汽车侧面碰撞的事故发生率最 高。图i 1 为中华人民共和国道路交通事故统计事故分类图，根据该赉料显示： 正面碰撞事故1 2 8 5 2 万次，占交通事故的2 0 8 3 ，侧面碰撞事故2 1 2 2 9 2 万次， 占3 4 4 1 超过了正面碰撞1 3 5 8 。从死亡人数看，侧面碰撞比正面碰撞少42 7 ， 而受伤人数，侧面碰撞要比正面碰撞多7 5 9 5 。 田l 交通事故分类围 f i g l1 t h ec h a r t o f t r a f f i ca c c i d c n t c l s b s i f i c a t o n 2 第一章绪论 由此可见，侧面碰撞是我国发生频次最高、造成受伤人数最多的交通事故。 因此，提高我国汽车产品的侧面碰撞安全性能，减少对乘员的损害，对改善我国 道路交通安全具有重大意义嘲。 汽车侧面是车体中强度较薄弱的部位，尤其是对轿车而言，侧碰刚度约为正 面碰撞的1 1 2 ：同时车内乘员同强烈贯穿的撞击物之间仅隔着车门和2 0 - - - , 3 0 c m 的 空间，不可能有像汽车的前部及后部结构，有足够空间发生变形及吸收碰撞能量， 这就是侧面碰撞较其他类型的碰撞更容易造成伤害的原因。目前，开展侧面碰撞 安全性研究已成为汽车被动安全领域研究的一个新热点。 世界上的汽车工业发达国家早在8 0 年代初就开始了汽车侧面碰撞的试验研究 并制定相应的法规，而我国于2 0 0 0 年1 月1 日才批准发布了关于正面碰撞乘员 保护的设计规则( c m v d r2 9 4 ) ，从2 0 0 6 年7 月1 日起，我国正式实施汽车侧 面碰撞的乘员保护( c m ) r2 9 5 ) 、l ：乘用车后碰撞燃油系统安全要求、汽 车内饰材料的燃烧特性等强制性国家标准嘲，根据规定，今后三年内侧撞不合格 的车将不允许上市销售，因此在汽车开发阶段必须研究汽车结构的耐撞性和在碰 撞中对乘员的保护作用。另外为促进汽车生产厂商对汽车被动安全性能的提高， 中国汽车技术研究中心于2 0 0 6 年6 月正式推出了c - n c a p ( 中国新车安全评价规 程) ，其目的：一方面是综合反映所测试车辆的性能，促进汽车制造商改进其产 品安被动全性能；另一方面是真正为广大消费者提供了解车辆安全性能的途径。 近年来，随着侧面碰撞试验研究的发展，人们发现：一些特殊的碰撞形式 如与树桩、立柱或以一定的角度碰撞会对车身造成更大程度的破坏；目前的蜂 窝铝壁障侧面碰撞试验不能反应来自汽车外部碰撞物对乘员头部的威胁；据统 计由于侧面碰撞事故导致死亡的案例中有3 8 的是因为乘员的头部撞击树或杆而 造成的叫。鉴于这些原因，欧洲率先提出了侧面柱碰撞试验来评价车辆的变形和乘 员的保护，2 0 0 9 年2 月e u t o - n c a p 推出了新版的新车安全评价体系，在这个新规定 当中，针对侧面碰撞仍然保留了移动变形壁障的垂直碰撞试验，起碰撞形式和碰 撞速度都不变，但其分值由1 6 分变为了8 分，同时新增了侧面柱碰试验( p o l es i d e i m p a c tt e s t ) ，它占整个侧碰试验中的另外8 分。而我国目前还未将侧面柱碰纳入 c - n c a p 当中，针对侧面柱碰的深入研究尚未展开。 综上所述，鉴于侧面碰撞是汽车被动安全中的重要研究内容，而我国在汽车 侧碰及乘员保护方面的研究起步较晚，特别是一些特殊的侧面碰撞形式( 如侧面 柱碰) 等方面研究还很少，因此本文针对汽车侧面的两种碰撞形式展开研究。 1 2 汽车侧面碰撞的国内外研究状况 1 2 1 国外研究状况 第一章绪论 汽车的碰撞安全性问题是世界汽车工业面临的一大难题，国外对整车碰撞的 计算机模拟研究始于上世纪六十年代，而对于侧碰的研究则是从上个世纪八十年 代才开始真正兴起的，但一直受限于计算机硬件技术和算法理论的发展，真正的 突破始于1 9 8 6 年l s d y n a 7 】哺1 首次成功地模拟了整车大变形，从此之后，基于动 态显式非线性有限元技术的计算机仿真方法在国外开始得到广泛使用。 在二十世纪8 0 年代初，随着c r a y 等巨型机的出现，基于显式有限元方法如 l s d y n a 3 d ，p a m c r a s h ，m s c 、j d y t r a n 等逐渐运用于汽车的碰撞模拟当中。计 算机仿真技术的发展从很大程度上减少了试验次数，缩短了产品开发时间。有限 元方法的优点在于能真实地描述结构变形，适用于建立汽车结构模型及人体局部 结构的生物力学分析模型阻1 。于是，国外研究人员将汽车的碰撞试验和计算机仿真 技术结合起来。 s e y e r 等人通过研究不同的m d b 与汽车的侧面碰撞，以及汽车与汽车之间的侧 面碰撞，得出了以下几个结论：汽车或者m d b 的刚度大小决定了碰撞载荷的起 始时刻；刚度越大，载荷作用在汽车和假人身上的时刻越早。 美国韦恩州立大学的j c a v a n a u g h 等人基于一系列人体死尸试验的基础上，进 行了大量的研究工作。内容涉及缓冲材料的性能对乘员的保护作用；侧面碰撞下 乘员损伤的各种评价指标的研究；利用工程软件如m a d y m o 及p a m c r a s h 建 立相应的数值模型，并进行相关的参数研究，以探讨侧面碰撞时乘员的保护n 训。 t - z e g u e r 运用有限元软件l s d y n a 进行了侧碰气囊的开发，此种方法已被 j a g u a r 汽车公司用于实际的侧面气囊的研发中。侧面碰撞下，对缓冲材料的研 究也是工作的重点之一。 随着计算机技术的发展，以多刚体系统动力学、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，多体系统模型适合于人体动力学响应的 模拟。正是由于技术手段的不断提高，国外从事汽车安全研究的技术人员已在汽 车侧面碰撞方面已取得长足的进步，其工作重点放在汽车结构本身的耐碰撞性能 研究和乘员的响应研究，具体包括以下几个方面：侧面碰撞试验台的研究、计算 机模拟侧碰研究、侧碰中乘员响应及伤害指标的研究、侧碰形式的研究、侧碰试 验假人的研究、侧面碰撞试验法规及车体结构耐撞性的研究等。 1 2 2 国内研究状况 1 9 8 9 年，清华大学汽车系首先建立了国内第一个简易的实车碰撞试验台并进 行了一些探索性的车辆碰撞试验研究，取得了较好的效果，在国内汽车工业界造 成了一定的影响。随后，中国汽车技术研究中心、清华大学汽车碰撞试验室、一 汽长春汽车研究所、二汽襄樊汽车试验研究所、国家交通部公路交通工程综合试 验场，上海汽车检测所等单位也先后建立了汽车碰撞试验设施，国内的汽车碰撞 4 第一章绪论 试验研究工作蓬勃开展起来，尤其是在政府部门制定了强制性的汽车碰撞安全法 规后，各汽车生产厂家更是加紧了对汽车碰撞安全性的设计与改进的研究工作。 在汽车碰撞的仿真研究方面，国内近年来也开展了一些工作，如1 9 9 7 年5 月， 清华大学汽车系裘新等人利用简化的车辆模型实现了某轻型车的前碰撞仿真模 拟：1 9 9 8 年l o 月，长春汽车研究所贾宏波等人完成了“红旗牌轿车车身前碰撞 的仿真计算，吉林工业大学、中国汽车技术研究中心等单位相继在计算机仿真方 面开展了研究工作。北京理工大学、上海同济大学、长沙湖南大学等都相继完成 了轿车车身或轿车整车的碰撞仿真研究工作，这说明我国汽车碰撞的仿真研究已 进入到实用性阶段1 。 2 0 0 2 年5 月3 0 日，奇瑞轿车在天津国家汽车检测中心完成“国内首次汽车侧 面碰撞”试验。这是我国汽车工业史上第一例“侧面碰撞”案例。本次汽车侧面 碰撞试验的成功，表明我国已具备开展侧面碰撞安全性评价的试验能力。 近年来，随着侧面碰撞试验研究的发展，人们发现一些特殊的碰撞形式如与 树桩、立柱或以一定的角度碰撞会对车身造成更大程度的破坏，因此中国汽车技 术研究中心近年来也逐步开展了一些特殊碰撞形式如侧面柱碰等的研究工作，早 在2 0 0 6 年6 月一汽奔腾轿车就完成了我国第一次侧面柱碰试验探索性研究。 目前，国内就正面碰撞中对第5 0 百分位假人的保护标准和检测能力已经完善。 侧面碰撞、行人保护、追尾、钻入和中国人体生物力学指标的研究正在进行。也 有一些领域如儿童保护、汽车滚翻的研究刚刚开始。计算机仿真研究也在整车碰 撞、约束系统优化以及气囊模拟和接触算法上也有很大进展n 2 删。 1 3 汽车侧面碰撞主要的研究内容和方法 1 3 1 主要研究内容 目前，对于侧面碰撞的研究主要集中于以下几个方面：车身结构的抗撞性研究、 侧面碰撞生物力学的研究、乘员约束系统及安全内饰件、侧面碰撞形式的研究和 侧碰法规的研究等。 ( 1 ) 车身结构的耐撞性研究 车身结构的耐撞性主要研究轿车车身对能量的吸收特性，寻求改善车身结构 抗撞性的方法，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降低到最小。车身结构的耐撞性研究通常 采用实车碰撞和计算机仿真相结合的方法。 ( 2 ) 碰撞生物力学研究 第一章绪论 碰撞生物力学主要研究人体在不同形式的碰撞中的伤害机理、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以及碰撞试验用人体替代物。随着 仿生学和碰撞事故中人体伤害机理研究的深入及侧面碰撞试验的需求，国际上已 经研发了侧面碰撞试验假人，目前使用最为广泛的有三种胁o s i d ，b i o s i d ，s i d 假人n 引。美国的侧面碰撞试验法规中采用的是s i d ，而欧盟侧面碰撞试验法规中采 用的是e u r o s i d 。 ( 3 ) 乘员约束系统及安全内饰件研究 乘员约束系统研究目的是尽量避免人体与内饰件发生二次碰撞，安全内饰件 的研究则是使人体与之发生二次碰撞时，对人体造成的伤害最小。乘员约束系统 包括驾驶室座椅系统、假人模型、安全带、安全气囊等。 ( 4 ) 侧面碰撞形式的研究 随着侧面碰撞试验研究的发展，人们发现一些特殊的碰撞形式如与树桩、立 柱或以一定的角度碰撞会对车身造成更大程度的破坏，因此，欧洲率先提出了侧 面柱碰撞试验来模拟和评价车辆的变形和乘员的保护，目前侧面碰撞试验形式的 研究包括可变形移动壁障侧面碰撞试验和侧面柱碰撞试验。 ( 5 ) 侧面碰撞试验法规的研究 对于汽车侧面碰撞的研究及相应法规的制定已成为被动安全性研究的热点。 在目前的侧面碰撞领域，主要形成了美国的f m v s s 和欧洲的e c e 两大法规体系。 两大体系对侧面碰撞在实车试验法规规定、测试假人及人体伤害指标的制定等方 面都存在一定的差异n 引。欧、美关于汽车侧面碰撞法规的差异，给汽车厂商的产 品开发造成了很大障碍，统一侧面碰撞法规是目前的主要工作之一。同时，不同 标准的假人可能会导致对侧面碰撞保护措施效能的评价结论的不同，所以统一侧 面碰撞假人是当务之急，第一个国际通用汽车碰撞试验假人w o r l d s i d 已经在2 0 0 4 年开发完成，但还未进入到实用性阶段。 1 3 2 主要研究方法 早期的汽车侧面碰撞的研究几乎完全是依赖试验方法进行的，刚开始时采用 实车碰撞试验方法，对碰撞试验的结果进行分析研究，改进设计。随后发展了台 车碰撞模拟试验方法，这种试验方法是以实车试验的结果为基础，确定试验条件。 这类碰撞试验的成本低，可重复操作，研究周期较短。随着计算机技术的发展， 出现了计算机仿真技术。计算机仿真碰撞技术在安全性车身的开发、乘员保护措 施的优化、人体生物力学、碰撞用假人的开发等领域中发挥了重大作用，显示出 强大的生命力 ( 1 ) 实车碰撞试验法 实车碰撞试验主要用来对己开发出的成品车型进行按法规要求的试验，以鉴 6 第一章绪论 定是否达到法规要求。在实车碰撞试验中有固定壁障碰撞试验、移动壁障碰撞试 验、翻车试验和车对车碰撞试验等方法。其中移动壁障碰撞试验是移动壁障以一 定的速度撞击静止的车辆的试验方法，广泛应用于车辆的侧面碰撞安全性能的评 价。 实车碰撞试验与事故情形最为接近，是综合评价车辆安全性能( 尤其在法规检 验时) 的最基本、最有效的方法。它是从乘员保护的观点出发，以交通事故再现的 方式来分析车辆碰撞前后的乘员与车辆运动状态及损伤状况，并以此为依据改进 车辆结构安全性设计，增设或改进车内外乘员保护装置。其试验结果说服力最强， 同时还可以为台车模拟碰撞试验和计算机仿真提供试验条件和参考数据，以及有 效性验证，但实车碰撞试验的准备工作复杂、周期长、费用大、重复性差、对设 备的要求很高。 ( 2 ) 台车碰撞试验法 台车碰撞试验是对实车碰撞试验的模拟，用一个比较坚固的台车代替汽车，无 需破坏真实汽车，在台车与刚性墙之间安装有缓冲装置，台车通过缓冲装置与刚 性墙发生碰撞，通过调整缓冲装置的力学特性使台车获得可重复的、接近于实车 碰撞的减速度波形。 台车碰撞模拟试验可以用于乘员保护装置的性能评价和零部件的耐惯性力试 验等，可以比较清晰地反映零部件在碰撞过程中的能量吸收、载荷分布、结构抗 撞抗冲击变形等特性，可以模拟较大范围内的碰撞情形。这种试验一般在新车型 开发的早期进行，为产品开发过程的抗撞性设计提供有益的数据和检验。缺点是 试验中难以考虑汽车的侧围结构以及内饰件等与乘员所受载荷之间的相互关系。 ( 3 ) 计算机仿真法 随着计算机技术和计算方法的飞速发展，计算机模拟在汽车碰撞安全性的研 究中得到广泛应用。显式有限元方法的成熟标志着汽车碰撞安全性研究进入了试 验和理论研究并重的阶段。例如在安全性车身的开发、乘员保护措施的优化、人 体生物力学、碰撞用假人的开发等领域中发挥了重大作用。尽管计算机模拟试验 还不能完全取代昂贵的实车碰撞试验，但是由于有限元技术本身的特点，它能够 很好地处理异常复杂的结构和边界条件，而且其适用面广、可重复性强、精度高， 因此，该方法一出现就显示其强大的生命力n 7 埘。各种用于碰撞仿真分析的商用 软件如l s d y n a ，p a m - c r a s h ，m s c d y t r a n ，n a s t r a n ，r a d i o s s ， m a d y m o 等相继问世，这些软件不仅可以在汽车碰撞的有限元仿真中处理结构的 大变形问题，而且对碰撞过程中乘员的仿真分析也有相应的处理方法。 国内外相关研究表明，对汽车碰撞过程进行计算机模拟，不仅能较准确的预 测碰撞过程中乘员的响应与伤害程度，同时还能预测汽车结构本身的耐碰撞性能， 第一章绪论 7 评价汽车耐撞结构的好坏，并进行相应的改进，从而可以经济快速的评价多种设 计方案，淘汰不合理的设计，使技术人员在车辆开发早期进程就能有效预测其被 动安全性能，加快新车型开发速度。同时还可以省去不必要的试错过程，将碰撞 试验的费用减少到最低。 1 4l s - d y n a 软件介绍 目前在国内汽车碰撞模拟计算中常用的显式非线性有限元软件有d y n a 3 d ( l s d y n a 3 和o a s y s d y n a 3 d ) 和e s i p a m c r a s h 两种。这两类软件都是 基于显式有限元理论的抗撞性软件，可以准确地描述车身变形过程和系统中的变 形部件。 1 9 7 6 年，美国l a w r e n c 宅l i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y 的j o h nh a l l q u i s t 发布了 最早的d y n a 软件。该软件在显式有限元发展过程中具有里程碑式的意义，在推 出后不久，即在全世界的大学、政府与工业实验室传播开来。该软件时间积分采 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，是北约组织武器结构设计的分析工具n 4 1 5 1 。 从理论和算法而言，l s d y n a 是目前所有的显式求解程序的理论基础。1 9 8 9 年，j o h nh a l l q u i s t 创建利维莫尔软件技术公司( l i v e r m o r es o f t w a r et e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ) ，l s d y n a 开始商业化进程。总体来看，到目前为止在单元技术、 材料模式、接触算法以及多场耦合方面获得非常大的进步。1 9 9 6 年功能强大的 a n s y s 前后处理器与l s d y n a 合作，命名为a n s y s l s d y n a ，它是目前是功 能最丰富，全球用户最多的有限元显式求解程序。 a n s y s l s d y n a 的用户主要是发达国家的研究机构、大学和世界各地的工 业部门( 航空航天、汽车、造船、零件制造和军事工业等) 。应用领域是阳3 ：高速 碰撞模拟( 如飞机、汽车、火车、船舶碰撞事故引起的结构动力响应和破坏) 、乘 客的安全性分析( 安全气囊与假人的相互作用，安全带的可靠性分析) 、零件制造 ( 冲压、锻压、铸造、挤压、轧制、超塑性成形等) 、罐状容器的设计、爆炸过程、 高速弹丸对板靶的穿甲模拟、生物医学工程、机械部件的运动分析等。 a n s y s l s d y n a 强大功能的基础是求解器的理论基础和丰富算法。 由于l s d y n a 采用显式算法进行直接积分，其优点是适用面广、精度高且 能够处理异常复杂的约束边界，每步计算时间和内存开销很小。其不足之处是受 e o u r a n t 稳定性准则制约的积分时间步长太小，使得解的稳定性是有条件的，但是 可以选用较小的时间步长来保证计算结果的正确性。l s d y n a 利用 h n t e r m e s h 、a n s y s 、l s i n g r i d 、e t a f e m b 、t m e g r i d 、l s p o s t 和 l s p r e p o s t 强大的前后处理模块，具有多种自动网格划分选择，并可与大多数 第一章绪论 的c a d c a e 软件集成并有接口。其后处理具有结果的彩色等值线显示、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 巧f 及h p g l 格式输出与转换等功能。本文即是利用 l s d y n a 及其后处理进行了计算及结果的分析。 1 5 本论文的主要研究内容 本文运用h y p e r m e s h 和l s d y n a 软件，通过有限元的方法模拟轿车与移 动变形壁障和柱壁障侧面碰撞这两种侧碰形式，从而研究两种碰撞形式的车身结 构响应、乘员伤害特点及改善车辆侧碰安全性的措施，主要研究内容如下： 1 ) 在阅读大量文献的基础上，阐述汽车被动安全性研究的意义，介绍侧面碰 撞被动安全性的国内外研究现状与最新发展动态，并提出本文所研究的内容、方 法。 2 ) 探讨轿车侧面碰撞计算机仿真基本理论，如显式有限元理论、薄壳单元理 论、时间积分算法及时间步长的控制；分析单元尺寸、单元类型、沙漏控制以及 焊点模拟等参数对侧面碰撞仿真精度和效率的影响。 3 ) 分析国内外主要的侧面碰撞法规( e c e r 9 5 、f m v s s2 1 4 及c m v d r2 9 5 ) 和我国现行的新车评价规则( c o n c a p ) ；对比c n c a p 与g b 2 0 0 7 1 2 0 0 6 汽车 侧面碰撞的乘员保护；研究e u r o o n c a p 中的侧面柱碰法规。 4 ) 在对轿车侧面碰撞模拟的流程和建立轿车侧面碰撞有限元模型的注意事项 分析的基础之上，利用h y p e r m e s h 软件对已有的轿车几何模型进行网格划分和 材料参数定义，并根据侧碰法规对整个模型进行参数和边界条件地设定，建立两 种不同侧碰形式的轿车侧面碰撞有限元模型：移动变形壁障( m d b ) 侧面碰撞有 限元模型和柱壁障一侧面碰撞有限元模型。 5 ) 利用l s d y n a 软件对两种碰撞形式的有限元模型分别进行求解，根据仿真 计算结果对两种碰撞形式各自的能量变化和车体响应( 车辆运动情况、车体关键 部位的侵入量和侵入加速度等) 进行研究；结合轿车侧面碰撞的评价指标，对这 两种不同碰撞形式的车体结构响应( 车辆变形情况、侵入量、关键部位的加速度) 进行对比分析，得出二者结构响应和对乘员的伤害特点。 6 ) 由于侧面柱碰是欧美等国家最新提出的一种特殊而有效的侧面碰撞形式， 因此，本文结合仿真中得出的侧面柱碰伤害的特点，对车体结构进行相应的改进 并对比改进前后的仿真结果，为汽车设计者提供一些思路，使我国的轿车能尽快 适应国外已经实施的侧面柱碰法规。 第二章轿车侧面碰撞仿真基本理论与方法 9 第二章汽车侧面碰撞仿真基本理论与方法 汽车碰撞分析所采用的有限元法是一个复杂的课题，它涉及到众多的学科和 领域，尤其是有限元理论、计算数学、计算力学、弹塑性力学、计算机图形学等。 汽车侧面碰撞是是汽车结构在极短的时间内( 通常在l o o m s 以内) 及在剧烈碰撞冲 击载荷作用下发生的一种复杂动态的大位移和大变形的非线性动态响应过程，接 触和高速冲击载荷影响着碰撞的整个过程。整个碰撞模拟系统具有几何非线性、 材料非线性和边界非线性等多重非线性，这些非线性物理现象的综合作用结果使 汽车碰撞过程的精确描述和求解十分困难，描述汽车碰撞过程的众多变量不仅是 空间坐标变量的复杂函数，同时一般也是时间变量的复杂函数。因此，汽车侧面 碰撞的数值计算一般涉及非线性动态有限元，时间积分法，碰撞结构单元等复杂 理论，本文是采用了有限元仿真的方法。因此，在下面就着重介绍一下这些基本 理论和方法。 2 1 有限元法的基本理论 有限单元法是一种根据变分原理来求解数学、物理问题的数值计算方法，对分 析复杂结构或多自由度系统来说是一种新型而有效的方法。有限元法的基本思想 乜列晗3 1 是运用离散化的概念，假想把弹性连续体分割成数目有限的单元，并认为相 邻单元之间仅在节点处相连，单元间的相互作用力也仅由节点传递。根据物体的 几何形状特征、载荷特征、边界约束特征等，选取各种类型的单元。节点一般都 在单元边界上，在此基础上对每一单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函 数来模拟其位移分量的分布规律，即选择单元位移模式。位移模式取决于单元的 自由度和有关解的收敛性要求。再通过虚功原理( 或变分原理，或其它方法) ， 求得每个单元的平衡方程，也就是建立单元节点力与节点位移之间的关系。最后， 把所有单元的这种特性关系按照保持节点位移连续和节点力平衡的方程集合起 来，就可以得到整个物体的平衡方程组。引入边界约束条件后解此方程，就可求 得节点位移，并计算出各单元应力。可见，有限元法是离散化的数值解法，对于 结构力学特性的分析而言，它的理论基础是能量原理，即虚位移原理、最小位能 原理和最小余能原理。 有限元通常分为显式有限元和隐式有限元两个大类： ( 1 ) 显式有限元 如果采用中心差分法来进行动态问题的时域积分，则有如下位移、速度和加 速度关系，当前时刻的位移只与前一时刻的加速度和位移有关，这就意味着当前 1 0 第二章轿车侧面碰撞仿真基本理论与方法 时刻的位移求解无需迭代过程。另外，只要将运动方程中的质量矩阵和阻尼矩阵 对角化，前一时刻的加速度求解无需解联立方程组，从而使问题大大简化，这就 是所谓的显式求解法。显式求解法的优点是它即没有收敛性问题，也不需求解联 立方程组，其缺点是时间步长受到数值积分稳定性的限制，不能超过系统的临界 时间步长。由于冲压成型过程具有很强的非线性，从解的精度考虑，时间步长也 不能太大，这就在很大程度上弥补了显式求解法的缺陷。 在8 0 年代中期以前显式算法主要用于高速碰撞的仿真计算，效果很好。自 8 0 年代后期被越来越广泛地用于冲压成型过程的仿真，目前在这方面的应用效果 已超过隐式算法。显式算法在冲压成型过程的仿真中获得成功应用的关键，在于 它不像隐式算法那样有解的收敛性问题。 ( 2 ) 隐式有限元 将冲压成型过程的计算作为动态问题来处理后，就涉及到时间域的数值积分 方法问题。在8 0 年代中期以前，人们基本上使用牛曼法进行时间域的积分。根据 牛曼法可知，在牛曼法中任一时刻的位移、速度和加速度都相互关联，这就使得 运动方程的求解变成一系列相互关联的非线性方程的求解。这个求解过程必须通 过迭代和求解联立方程组才能实现。这就是通常所说的隐式求解法。隐式求解法 可能遇到两个问题。一是迭代过程不一定收敛；二是联立方程组可能出现病态而 无确定的解。隐式求解法的最大优点是它具有无条件稳定性，即时间步长可以任 意大。 总之，显式算法基于动力学方程，因此无需迭代；而静态隐式算法基于虚功 原理，一般需要迭代计算。显式算法最大优点是有较好的稳定性，但容易激发沙 漏模式，影响应力和应变的计算精度；而隐式算法中，在每一增量步内都需要对 静态平衡方程进行迭代求解，并且每次迭代都需要求解大型的线性方程组，这以 过程需要占用相当数量的计算资源、磁盘空间和内存。在求解时间上，使用显式 方法，计算成本消耗与单元数量成正比，并且大致与最小单元的尺寸成反比；而 应用隐式方法，经验表明对于许多问题的计算成本大致与自由度数目的平方成正 比，因此如果网格是相对均匀的，随着模型尺寸的增长，显式方法表明比隐式方 法更加节省计算成本。 2 2 显式非线性动态有限元理论 2 2 1 虚位移原理和虚应力原理 ( 1 ) 虚位移原理 1 9 】 虚位移原理实质上是平衡方程的弱形式，它是以积分的形式描述变形物体的 第二章轿车侧面碰撞仿真基本理论与方法 1 1 平衡，是与平衡方程等价的。也就是说，由虚位移原理可以导出平衡方程，反之， 由平衡方程也- - f 以导出虚位移原理。如果对于任一虚位移皖，有式( 2 1 ) 恒成立。 fs ：3 e d v = 氏r g + fs ( f - a ) d v ( 2 1 ) 式( 2 2 ) 中的“： 是张量的双点乘积运算符号，风为初始构形的介质密度。并 且在力的边界么p 上满足式( 2 3 ) 所要求的力的边界条件，这就是虚位移原理。f 为主动力，s 为位移，d v 为初始构形中结构微六面体的变化。 f s = r o ( 2 2 ) ( 2 ) 虚应力原理 对于任意的虚应力场艮和虚位移场皖等式( 2 3 ) 恒成立，这就是虚应力原理。 e ：8 s + 8