（机械工程专业论文）商用车碰撞的计算机仿真技术研究应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 为改善和提高汽车碰撞安全性能，基于有限元方法的汽车碰撞仿真技术应运而生， 并随着计算机技术的不断发展而进一步完善和提高。近年来，随着我国公路运输对高速、 重载要求的不断增加，商用车的被动安全性问题也日益突出。因此，本学位论文根据商 用车产品研发的需要，应用非线性有限元分析技术，对某商用车进行了碰撞仿真分析， 主要开展了以下研究工作： 建立了平头卡车整车碰撞分析有限元模型，按照欧洲共同体法规e c er 2 9 进行了摆 锤正面碰撞仿真分析，对整车结构的碰撞安全性能进行了合理评估。同时，从乘员生存 空问角度研究了法规对车身结构耐碰撞性能的要求，对车身主要结构部件的碰撞变形及 其它物理量的碰撞变化特性进行了较为详细的分析讨论，探讨了提高汽车结构耐碰撞性 能的设计改进措施。在仿真分析的基础上，研究了地板纵梁结构变化对车身碰撞生存空 间的影响。 建立了后下防护装置的碰撞分析有限元模型，根据国家法规( 6 1 3 11 5 6 7 2 - 2 0 0 t ) 进行碰撞仿真分析，通过多种结构方案的碰撞仿真对比分析，研究了后下防护装置结构 设计对追尾碰撞性能的影响，提出了较佳的后防护装置设计方案，对结构设计改进、减 少和避免碰撞时对追尾车辆上乘员的伤害具有较大的指导意义。 用轿车有限元模型代替移动壁障进行了后防护装置碰撞仿真，对该法规的合理性 与适应性进行了验证分析，碰撞仿真结果为该法规的补充完善提供了理论基础，具有重 要的现实意义。 主题词：商用车后防护装置碰撞防撞性能计算机仿真有限元法 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei m p a c ts i m u l a t i o nb a s eo nf e mb em e r g e da st h et i m er e q u i r ea n dm o r ep e f f e c t a l o n gw i t ht h ec o m p u t e rt e c h n i q u ed e v e l o p m e n tf o rt oi m p r o v et h ev e h i c l ec r a s h w o r t h i n e s s i t i sm o r ea n dm o r es e r i o u sp r o b l e m st h a tp a s s i v es e c u r i t yo fc o m m e r c i a lv e h i c l eb e c a u s et h e d e m a n do ft r u c ko fh i g hs p e e da n db u r d e n t h ei m p a c ts i m u l a t i o no fac o m m e r c i a lv e h i c l ea t t h ep r o d u c td e v e l o p m e n tw a sd o n eb yn o n l i n e a rf e mi nt h i sp a p e r t h ef e mm o d e lo fac o m m e r c i a lv e h i c l ew a se s t a b l i s h e da n ds w i n g b o bc r a s hw a s p e r f o r m e d t h es t u d y a n de v a l u a t i o no fc a bc r a s h w o r t h i n e s sb a s i so fe c er 2 9w a s a c c o m p l i s h e da n dt h ed e s i g ns t e ph o w t oi m p r o v ec o l l i s i o ns a f e t yp e r f o r m a n c ew a sd i s c u s s e d i no c c u p a n ts u r v i v a ls p a c e w h i c hp a r t i c u l a ra n a l y s i sw a sa c c o m p l i s h e df o rt h ev a r i e t y c h a r a c t e r i s t i co fd i s p l a c e m e n ta n da c c e l e r a t i o no fc a bc o m p o n e n ta ts w i n g - b o bi m p a c t t h ef e mm o d e lo ft h er e a l d e f e n dd e v i c eo fat r u c kw a sf o u n da n dt h e i m p a c t s i m u l a t i o nw a sd o n e t h ee v a l u a t i o no fc a l c u l a t i o nb a s i so ft h es t a t u t e ( g b l l 5 6 7 2 2 0 0 1 ) w a s a c c o m p l i s h e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tag o o dd e s i g nc o n f i g u r a t i o nb ef o u n dw h i c hm a yb et o s a t i s f yt h ed e m a n dt h r o u g ht h es i m u l a t i o no fm a n yd e s i g n s w h i c hm a yb et h ei m p o r t a n t s i g n i f i c a n c ef o rt op r o t e c tt h eo c c u p a n to fc a rf r o mi n j u r yo nt h et r a c ec o l l i s i o n t h ec r a s hs i m u l a t i o nw a sp e r f o r m e dt h a tb et h ec a rm o d e li nf e mm o d e lo ft h er e a r d e f e n dd e v i c e w h i c hr a t i o n a l i t ya n da p p l i c a b i l i t yo ft h er u l eo fl a ww a sd i s c u s s e d t h e r e s u l t sb et h ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et h a tb ep r o v i d e da c a d e m i cf o u n d a t i o nt o i m p r o v et h er u l eo fl a w k e yw o r d s ：c o m m e r c i a lv e h i c l e r e a rd e f e n dd e v i c e i m p a c tc r a s h w o r t h i n e s s c o m p u t e rs i m u l a t i o n f e m i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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：起纫率 日期：醇年口月日 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，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电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 本论文属于 保密口在年解密后适用本授权书。 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：岽己锄耷 指导教师签名： 日期：知稗f 口月卵日 荔锄 日期：西蛑0 月肋日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 汽车碰撞安全性问题 l 绪论 经济全球化的迅猛发展，使安全、节能和环保问题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，也对汽车的安全性能提出了更高的要求。 汽车安全性问题主要有主动安全性和被动安全性两大类，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。 在汽车发展的初期，由于车速较低，车辆相对较少，汽车碰撞安全性问题未能引起 人们的重视。随着汽车工业的发展，轿车的大规模生产和使用，汽车行驶速度的不断提 高，使得碰撞安全性问题日益突出。随着我国道路交通状况的不断改善，汽车保有量的 不断增加和车速的逐渐提高，交通事故总量和所造成的人员伤亡与财产损失近年来呈上 升趋势，1 9 9 8 年我国交通事故统计结果表明，在各类交通事故中的全部伤亡人数中，汽 车碰撞交通事故所造成的伤亡人数约占7 0 1 1o 并且每年万车死亡人数已达到发达国家 的1 0 倍以上f 2 l 。因此，如何提高汽车在碰撞过程中的被动安全性能，最大限度地避免或 减轻乘员在汽车碰撞中的伤亡将成为我国汽车被动安全性研究的重要课题。 1 2 汽车碰撞安全性设计与分析方法 众所周知，汽车碰撞过程一般是一个复杂的瞬时物理过程，它包含有成百上千个 零部件的复杂变形和相互作用，具有很强的非线性特性，其中包括以大应变、大变形为 特征的几何非线性，以弹塑性变形为特征的材料非线性，以不同零部件表面接魅摩擦作 用为特征的边界非线性。这些非线性特征综合作用的结果使得汽车碰撞过程的分析成为 十分棘手的高难课题。 在早期的汽车设计中，人们通常根据直觉将汽车设汁成刚性足够人，存前后安装 了防撞保险市i ，其他结构卡要根据相应的功能要求来确定其形状和尺寸，很，步会综合考 华中科技大学硕士学位论文 虑到碰撞安全性问题【3 j 。因此，碰撞安全性设计主要根据工程师的直觉和经验并通过试 验方法来完成。 随着汽车工业的发展与行驶速度的提高，碰撞事故也越来越多，人们逐渐认识到 碰撞安全问题的重要性，开始系统地开展碰撞过程的理论分析和试验研究，了解了碰撞 缓冲、吸能问题和对人体的损伤机理；并试图通过相对简单的碰撞动力学模型来评估碰 撞过程的相关重要特性，但由于碰撞过程太复杂，解析方法一般也只能给出一个定性的 结论。另一方面，人们开展了汽车碰撞试验技术的系统性研究【2 】，主要是进行各种条件 下的碰撞试验，包括实车碰撞试验、台车碰撞和零部件模拟碰撞试验，并建立了试验标 准和规范。由于试验方法的真实性和直观性，使碰撞试验技术极大地丰富了汽车碰撞分 析理论，有力的促进了汽车安全性能的改进和提高。 需要指出的是，由于汽车碰撞试验完全依赖于实物，并且需要通过反复的试验修 改这样一个迭代过程，不仅周期长、费用高，同时限于试验条件和手段，无法解决设计 人员希望解决的所有问题。随着计算机技术的高速发展和以有限元分析技术为突出代表 的工程计算方法的发展和日趋成熟 4 1i s i 6 i i i ，汽车碰撞过程的计算机仿真技术在汽车碰撞 安全性设计与改进中正发挥着愈来愈大的作用和潜力。对汽车碰撞过程建模和仿真，人 们就能通过计算机对汽车碰撞过程进行详细的分析和评估，获取的与碰撞有关的信息量 要远远多于试验；尤其重要的是，汽车碰撞过程的计算机仿真不依赖于实物，因此，在 产品设计阶段就能对汽车整车和关键零部件的碰撞特性进行分析和评估，这样可大大缩 短产品的开发周期，降低研发成本，提高产品质量，从而提高汽车整车的产品竞争能力。 1 3 汽车碰撞计算机仿真现状和重要性 1 3 1 国外研究现状 国外较早丌展汽车碰撞研究的是美幽。在2 0 世纪6 0 年代，人们丌展了计算机模拟 碰撞技术。随着计算机技术的高速发展和以有限元分析技术为突出代表的工程计算方法 的发展和r 趋成熟，汽车耐撞性的数f 分折正在逐步取代与改进部分实验室工作 8 9 1 ， 给整个汽车碰撞模拟仿真的分析和改逊特泉1 一分深刻的影响。 华中科技大学硕士学位论文 2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代，显式有限元程序在美国开发出来，各种算法已开始成熟， 如显式积分、壳单元和接触算法等。自2 0 世纪8 0 年代中期第一次用有限元法进行汽车 整车碰撞模拟仿真分析后，有限元法在汽车结构耐撞性分析方面的应用迅速增长，美国 各大汽车公司如通用( g e ) 、福特( f o r d ) 等、日本的日产( n i s s a n ) 、丰田( t o y o t a ) 、 西欧和韩国等国家的汽车公司有专门的分析人员配备最先进的计算机设各从事汽车结 构耐撞性的有限元分析。 在有限元法用于汽车碰撞模拟仿真分析的初期( 上世纪8 0 年代至9 0 年代初) ，由 于试验条件、计算机条件和分析软件的限制，汽车结构分析模型的建立相对简单，也较 为粗糙，考虑范围只限于部分零件，分析模型的规模也不大，单元数目一般小于2 0 0 0 0 个，分析结果与试验的吻合程度也难于保证。如建立梁单元模型进行汽车尾碰撞分析如1 ； 建立1 8 0 0 0 个单元的整车有限元模型，对轿车进行碰撞模拟仿真分 斤【1 1 1 等。 上世纪9 0 年代以来，计算机技术的飞速发展，如超级计算机( c r a y ) 的发展，使 碰撞仿真分析在汽车工业方面的应用成为可能1 1 3 】。在c r a y 巨型计算机上应用 r a d i o s s c r a s h 软件对轿车和美国福特某乘用车分别在正面全宽碰撞、正面5 0 偏置 壁障碰撞、侧面碰撞及车身顶盖压塌等条件下的模拟仿真分析，整个碰撞分析模型有 6 0 0 0 0 个单元，文中还给出了仿真结果与试验结果的比较。同时，在美国和欧洲出现了 许多成熟的用于汽车碰撞模拟分析的商业化软件，如：l s d y n a 3 d 、p a m c r a s h 、 m a d y m o 、r o d i o s s 等。所有这些，构成了推动汽车碰撞数值模拟分析技术迅速发展 的重要技术基础。 表l _ l 为奔驰汽车公司某车型碰撞模型规模数据。可见，基于超级计算机和成熟的 用于汽车碰撞模拟分析的商业化软件的迅速发展，汽车结构碰撞分析模型的建立也更为 详细、复杂；除车身外，还主要包括了减震器、散热器、风扇、发动机、变速器、蓄电 池、a b s 总成、空气滤清器、悬架系统及车轮等；分析模型也发展到几十万个单元、甚 至上百万个单元规模。模拟碰撞条件也由单一的i 卜向碰撞扩展到侧面碰撞、追尾碰撞、 后碰撞、碰撞材料特性模拟等1 4 1 | 1 5 1 1 1 6 1 1 1 7 1 1 1 8 j 【1 9 1 1 2 0 1 。 华中科技大学硕士学位论文 表卜1 奔驰汽车公司某车型碰撞模型规模数据 时间( 年) 模型规模( 单元数目)c p u 时间( 小时)计算机器( c r a y ) 1 9 8 88 - 1 0 0 0 05 1 0x 肝 1 9 9 01 5 2 0 0 0 01 0 - 2 0y m p 1 9 9 23 0 4 0 0 0 02 0 - 3 0y i p 1 9 9 4 6 0 8 0 0 0 03 0 - 4 0c 9 0 1 9 9 8 1 6 0 1 8 0 0 0 06 0 - 8 0t 9 0 2 0 0 04 0 0 5 0 0 0 0 01 2 0 一1 6 0 s x 一4 5 与此同时，在安全气囊模拟和人体特征和动力响应特性的模拟( 假人模型) 方面， 美国和欧洲等各大汽车公司开展了许多研究工作，并取得了一定成果；如建立了较为完 善的气囊模型，用于在安全气囊系统的设计和开发的早期阶段协助系统的设计r 1 ；而采 用面一面接触算法模拟乘员与展开的气囊之问的碰撞接触关系，则以得到较精确的接触力 【2 2 j i 利用m a d y m o 和r a d i o s s 软件，可建立刚体( 或弹性体) 假入模型，模拟乘员 在碰撞时的响应，假人模型的有限元网格是根据侧撞假人图并用数字扫描所选人体部分 形成的，由6 5 4 个壳单元、5 4 0 个块体单元、2 9 个弹簧单元及1 1 个刚体单元组成1 2 3 1 2 4 1 2 5 1 。 用计算机分析了三维头部有限元模型在多种碰撞条件下的响应，通过头部模型质心的加 速度值计算出头部质心在六个自由度上的运动，应用脑损伤准则即可评估汽车碰撞造成 的脑损伤的严重程度，该准则将受伤程度作为有效加速度和冲击时间间隔的函数1 2 6 l 。 进入2 1 世纪以来，国外在汽车碰撞计算机模拟方面的研究已具备了相当扎实的基 础，它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过 渡，并逐步走向_ 者紧密结合的成熟阶段；同时，计算机技术的快速发展，使汽车碰撞 仿真分析的有限尢模型规模达到了5 0 0 0 0 0 个单元，甚至上白万个单元规模。下一步， 计算机碰撞模拟仿真技术正朝着进一步提高分析精度、模拟实车道路行驶、结合路面条 件的碰撞模拟分析、将结构优化分析与碰撞模拟相结合的方向发展1 2 ”。 尽管欧其体l 制订商用车碰撞安全法规e c er 2 9 ，对商用牟( 甲头驾驶室) 的碰撞 安全性能试验，j ；：做了具体规定，也做了些研究工作【2 踟。但是，国外在商用车碰撞模 4 华中科技大学硕士学位论文 拟仿真分析所做的研究工作均远较轿车为少，相关研究文献也很少见。这是因为在一般 情况下，商用车( 卡车) 行驶车速低于轿车，并且整车装备质量远大于轿车，当发生碰 撞事故时处于相对优势地位。近几年来，随着公路运输对高速、重载的要求不断增加， 商用车( 卡车) 的被动安全性问题也日益突出，欧共体与奔驰( b e n z ) 、沃尔沃( v o i _ v o ) 、 雷诺( r e n a i t ) 等知名卡车公司共同投资开展重型卡车的碰撞仿真模拟研究工作， 在此基础上将根据研究结果对现有的法规进行修改完善或制订全新的重型卡车碰撞安 全法规，以便提高重型卡车的碰撞安全性，更好的保护乘员在发生碰撞时的安全。 1 3 2 国内研究现状 国内在汽车碰撞模拟分析方面的研究起步较晚，上个世纪9 0 年代建立了台车碰撞 模拟试验台、碰撞模拟试验系统和符合欧洲碰撞法规标准的吸能器等试验装置部件，开 展了汽车碰撞试验的试验研究工作，为开展被动性安全研究提供了必要的手段l1 2 9 1 d o l ； 一些高校在汽车碰撞过程的计算机模拟方面开展了一些工作1 3 2 1 ，将多刚体动力学应 用于碰撞事故中人体的运动模拟，研究安全带对人体的保护作用p - - i ，建立有三万多单元 的有限元模型，研究了计算机模拟碰撞中所需的汽车碰撞刚度和汽车正面碰撞方程等问 题刚】；对汽车碰撞计算机模拟技术的发展和碰撞试验法规的发展作了论述和介绍 l a s d a l d t l 。 1 9 9 5 年和1 9 9 9 年，国家分别发布了轿车侧门强度标准( g b l 5 7 4 3 1 9 9 5 ) 与轿车正 面碰撞法规c m v d r2 9 4 ，详细规定了对轿车侧门强度及在正面碰撞时对乘员的保护要 求。这两个法规标准的发布实施，对轿车侧门强度及整车耐碰撞性能提出了更高的要求。 由于该研究属高度非线性分析课题，对计算机资源要求较高，故难度很大，相关研究文 献较少；且国内研究水平与国外先进水平相比，仍存在较大差距。 进入二十一世纪后，随着计算机技术的发展，汽车碰撞仿真分析软件( 如 l s d y n a 3 d 、p a m c r a s h 等) 和大型计算机系统在国内的逐渐普及应用m i d g l ， 此 高校等单位也相继丌展了汽车碰撞模拟仿真和试验分析研究工作h 0 1 【4 1 “4 2 1 1 4 3 1 ；在轿午侧 面碰撞的计算机仿真方面，按照欧共体法规建立整车有限元模型( 有单元1 7 万多个、 包括假人模型) ，进行t n 面碰撞模拟仿真研究 二作1 ；作者本人应用l s d y n a 3 d 软 华中科技大学硕士学位论文 在轿车正面碰撞模拟仿真分析方面也做了一些研究工作d 5 1 。 应该看到，以上国内汽车碰撞模拟仿真研究都是针对轿车而2 - 。，在商用车( 特别是 平头卡车) 碰撞模拟分析方面几乎是一个空白，虽然有文献介绍了载货汽车碰撞仿真技 术d 6 1 ，但那是对国外类似研究工作的介绍，且叙述过于简单：还有单位对轻型汽车前部 偏置碰撞特性进行了研究d j l ，通过汽车前部偏置碰撞动量分析，提出碰撞前后汽车运动 状态间的关系，由于有限元分析模型过于简单和粗糙，其研究结果仅具有理论意义。 2 0 0 1 年，我国制订并修改了汽车和挂车后下部防护要求标准法规 ( g b l l 5 6 7 2 - 2 0 0 1 ) d $ 1 ，对汽车和挂车后下防护装置的技术要求和移动壁障追尾碰撞试 验条件作了明确而具体的规定，期望通过后下防护装置的吸能结构设计来减少和避免汽 车碰撞对追尾车辆乘员的伤害。东风汽车公司在这方面已开展了富有成效的研究工作， 这也是本论文研究成果的一部分，将在第五章详细讨论。 国内汽车碰撞模拟分析研究领域的发展尚处于起步阶段，研究基础较为薄弱；而且。 今后，我国汽车碰撞模拟研究将朝着完善基础，不断提高技术和分析水平的方向发展。 通过汽车正面碰撞、侧面碰撞等的仿真研究，深入分析我国汽车碰撞的现状，建立起典 型车种和乘员的有限元分析模型，加强乘员被动安全性的计算机仿真和优化研究等方面 的研究工作；同时，在商用车碰撞模拟分析方面将会加大研究投入的力度，努力取得具 有应用实效的研究成果，以填补我国商用车( 特别是平头商用车) 碰撞模拟应用研究方 面的空白。 1 3 3 汽车碰撞计算机仿真分析的重要性 在汽车开发设计过程中，汽车碰撞仿真作为一个重要的、必不可少的工具，其作 用主要体现在以下几个方面。 首先，汽车碰撞过程的计算机仿真不依赖于实物，因此，它提供了更快捷和低成 本的方式评估设计的概念和细节，能大大减少试制和试验费用。 其次，通过汽车碰撞过程建模和仿真，所获取的与碰撞有关的信息量要远远多于 试验，人们在丌发设计阶段就能应j h 计算机技术埘汽车碰撞过程进行详细的分析和评 仙，预测结构设计缺陷，并提出切实川行的改进措施指导广品研发，使设计结构的缓7 | | 1 6 华中科技大学硕士学位论文 吸能装置、材料和构件截面和形状等方面能够满足法规要求。 最后，通过应用汽车碰撞仿真指导产品的开发设计，可大大缩短产品的开发周期， 降低研发成本，提高产品质量和产品研发水平，从而提高汽车整车的产品竞争能力。 1 4 本文的研究目的、内容和意义 1 4 1 研究目的 近年来，随着我国高速公路的逐渐普及，公路运输对高速、重载的要求不断增加， 商用车( 卡车) 的被动安全性问题也日益突出。同时，我国根据交通运输业的发展需要， f 在逐步考虑制订和完善商用车( 卡车) 的碰撞安全法规，以便提高商用车在碰撞过程 中的被动安全性能，最大限度地避免或减轻乘员在汽车碰撞中的伤亡，这已成为我国汽 车被动安全性研究的重要课题。 为提高商用车研发水平，东风汽车商用车研发中心与同产共同丌发了全新的重型卡 车车身，相应的整车底盘和发动机系统也重新设计；从设计角度考虑，希望能在开发阶 段即能预知汽车结构碰撞安全性能是否满足法规的要求。过去，对汽车结构碰撞安全性 能的评价依赖于碰撞试验方法，不仅成本高，而且周期长，耗时费力。若在产品设计阶 段按照我国商用车被动安全性法规或参照欧洲共同体商用车碰撞法规的要求，开展商用 车碰撞模拟仿真分析，为商用车产品开发提供新的分析方法和手段，对整车开发的设计 结构进行分析评估，优化结构设计，从而提高汽车结构碰撞安全性能。进一步的，通过 碰撞仿真、碰撞试验和结构设计的经验与数据积累程度的不断提高，为今后高水平车身 和整车结构的研发设计奠定技术储备基础。 1 4 2 研究内容 如前所述，国内汽车碰撞模拟分析研究领域的发展尚处于起步阶段，研究基础较为 薄弱；特别是在商用车碰撞模拟分析研究方面，几乎为一空白。而且，该研究还收人力、 资金、计算目【资源等条件的影响较大。鉴于汽车碰撞仿真对汽t 研发的重要指导作用和 意义，本论之课题主要开展了以下研究l 作： 首先，上生行商用车碰撞仿真分析技术的一般研究，掌握| | 线性有限元分析的 华中科技大学硕士学位论文 基本理论、实施步骤和计算机软件的应用方法等技术理论知识( 第二章) 。 在此基础上，建立商用车( 平头卡车) 整车碰撞有限元模型，按照欧洲共同体法规 ( e c er 2 9 ) 进行正面摆锤碰撞仿真，主要从乘员生存空间角度研究评价车身结构的耐 碰撞性能，对车身主要结构部件的碰撞变形及其它物理量的碰撞变化特性进行较为详细 的分析讨论，探讨提高汽车结构耐碰撞性能的设计改进措施。在仿真分析的基础上，研 究地板纵梁设计结构变化对车身碰撞生存空间的影响( 第三、四章) 。 其次，建立商用车后下防护装置的碰撞分析有限元模型，按照我国法规 ( g b i1 5 6 7 2 - 2 0 0 1 ) 进行碰撞仿真，通过多种结构方案的对比分析，研究后下防护装置 结构设计对车辆追尾碰撞性能的影响，提出了较佳的后防护装置设计方案，对结构改进 设计具有较大的指导意义( 第五章) 。 最后，用轿车整车有限元模型代替移动壁障模型进行后防护装置碰撞仿真，对法 规的合理性与适用性进行了验证分析，使仿真分析结果更加符合实际情况( 第五章) 。 1 4 3 技术难点和关键技术 1 ) 根据欧洲和我国相关汽车碰撞法规标准，进行商用车碰撞仿真分析技术的方法 研究( 显式解法和隐式解法) 。 2 ) 汽车碰撞过程中的大应变、大变形等非线性材料特性的模拟方法及其材料模型； 材料非线性、几何非线性和边界条件非线性综合作用下的碰撞仿真处理技术及模拟方法 研究。 3 ) 汽车碰撞过程中的碰撞接触问题处理技术和程序实现的主要算法研究。 4 ) 通过对碰撞过程中汽车结构的变形、速度、加速度等物理参数的变化进行优化 分析技术研究，探讨通过结构设计改进提高结构耐碰撞性能的有效方法和途径。 5 ) 仿真求解软件的计算机实现技术研究。在确定分析软件的基础卜- ，根据研究问 题性质选取合适的求解控制参数，如接触处理、单元类型、材料模型与碰撞边界条件等。 1 4 4 研究意义 由于尚未见到圈内向川车碰撞仿真分析文献，其相关内容的研究基本为1 。 l 、f 司 华中科技大学硕士学位论文 此，通过本学位论文的研究，必将为商用车产品研发提供新的分析理念、分析方法和分 析手段，对整车丌发的设计结构进行分析评估，优化结构设计，从而提高汽车结构耐碰 撞性能。通过碰撞仿真、碰撞试验和结构设计的经验与数据积累程度的不断提高，对建 立高水平车身和整车结构研发设计的技术储备基础具有重要的意义。 同时，通过本课题的研究扩大了汽车碰撞计算机仿真的应用范围，特别是对整车研 发水平的提高将发挥十分重要的作用；同时，还可降低试验和试制费用，缩短开发周期， 能有效的提高整车产品质量，对提高商用车研发水平和产品竞争能力均具有十分重要的 意义。 另外，也将会提高国产汽车的碰撞安全性，减少交通事故的人员伤亡，具有重大的 社会和经济意义。 华中科技大学硕士学位论文 2 汽车碰撞仿真分析方法 汽车行业c a e 仿真分析的快速增长得益于市场竞争优势的需要和强制性安全法规 要求的驱动。计算机技术的迅速发展及汽车厂商对计算机资源的广泛应用，使人们越来 越多的应用非线性有限元仿真的方法代替样品原型的试验，这促进了汽车碰撞仿真的快 速发展，并成为一个必不可少的工具整合在汽车产品设计开发中。本章主要概述了汽车 碰撞安全法规的基本情况，介绍了汽车碰撞模拟分析方法和汽车碰撞有限元分析的基本 理论方法、基本过程、求解方法及其程序实现过程。 2 1 汽车碰撞安全法规 2 1 1 国外现状 由于汽车事故造成的巨大损失，为了减轻汽车碰撞事故对人类造成的危害，汽车工 业发达国家先后对汽车碰撞安全性做出强制性要求，并建立了各自的法规。法规中比较 有代表性的是美国的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 ) ，主要规 定了汽车碰撞时乘员撞击防护指标( 如头部加速度、胸部变形和大腿骨作用力的大小指 标等) 及对汽车结构碰撞安全性能( 转向机构后移量和车门变形量大小等) 的要求。其 他如日本、加拿大、澳大利亚等国家的法规基本上是参考美国和欧洲的法规制定的。 美国和欧洲汽车安全法规颁布实施后，虽然汽车保有量在继续增加，但交通事故死 亡人数或死亡率却呈下降趋势1 7 。可见，汽车碰撞安全法规的制定和实施有力的促进了 世界汽车工业发达国家汽车碰撞安全性能的普遍提高。需要指出的是，法规只是规定了 对汽车生产企业的基本要求，目前的碰撞试验方法都只是评价车辆车内乘员的保护，其 试验结果所表达的汽车安全性只有对同样质量级的车辆相比才有意义。汽车生产厂家为 满足法规要求，会将汽车做的过于“刚硬”，但在大型、巾型和小型车混合行驶的现实 交通环境中，这会增加车辆在碰撞事故巾对对方车辆的侵j 茸。因此，欧美在汽车安全法 规修订中都在考虑如何全面评价混合交通环境下汽车碰抻。# 战中车与车的相容性问题。 关丁商用车碰撞法规方面，欧共体有e c er 2 9 等【5 ”，计向用车( 平头驾驶室) 的碰 华中科技大学硕士学位论文 撞安全性能试验方法做了具体规定。近几年来，随着公路运输对高速、重载的要求不断 增加，商用车( 卡车) 的被动安全性问题也日益突出，欧共体与奔驰( b e n z ) 、沃尔沃 ( v o l v o ) 、雷诺( r e n a u l t ) 等知名卡车公司共同投资开展重型卡车的碰撞模拟研究工 作，在此基础上将根据研究结果对现有的法规进行修改完善或制订全新的重型卡车碰撞 安全法规，以便提高重型卡车的碰撞安全性，更好的保护乘员在发生碰撞时的安全。 2 1 2 国内现状 我国政府对汽车产品实施的是政府强制认证制度，即只有通过政府强制认证性批准 的车型才能在中国市场销售。到2 0 0 0 年，我国对汽车实施了4 0 项强制性检验项目1 4 5 1 。 目前，我国强制性实施的汽车碰撞安全法规主要体现在c m v d r2 9 4 上，侧面碰撞法规等 正在计划与制定中，在商用车方面，主要的碰撞法规为保护追尾碰撞安全的 ( g b l l 5 6 7 2 - 2 0 0 1 ) ，前保险杠碰撞法规正在计划与制定中；所以相对于欧洲、美国等 汽车工业发达国家来说，我国的汽车碰撞安全法规还不够完善。另外，我国的道路交通 也有自己的特点，如大型货车在我国造成的交通事故死亡率很高，我国的交通模式主要 是混合交通模式。所以，我国政府汽车管理部门应根据国际发展形势，针对我国道路交 通的具体实际情况，全面制定和实施更加系统完善的汽车碰撞安全法规。 2 2 汽车碰撞分析方法 2 2 1 经验法 早期的汽车碰撞安全性设计研究，限于当时的知识和理论水平，更多地是依赖于人 们日常生活中的经验和直觉，即经验法。由于直觉是通过多次相关的经验积累而产生的， 所以经验法需要以大量的汽车碰撞事例为基础，设计分析所涉及的周期长，成本很高， 并且不能直接为不同类型的汽车产品设计提供有效的指导。 2 2 2 试验法 汽车碰撞试验方法主要是通过模拟汽车碰撞事故中的一些典型和叵要的碰撞过程 来再现实际道路上的车辆碰撞事故并对其进行研究。试验法卜要作用表现住对小同设计 华中科技大学硕士学位论文 方案的对比优选、安全性评估和辅助设计与改进三个方面。所以，试验法不但能用来研 究典型碰撞事故中给定结构的缓冲吸能特性，而且还能用来检验汽车零部件能否满足汽 车碰撞安全法规的要求。由于必须在制造出相应汽车零部件或整车的实际结构后，才能 进行碰撞试验分析；而且汽车碰撞安全性试验是一种破坏性的试验，亦即碰撞试验是一 种昂贵的试错过程。这使得试验法在汽车碰撞安全设计分析中的应用受到了一定限制。 2 2 3 数学分析法 鉴于经验法和试验法都有分析周期长、费用高等不足之处。因此，人们一直试图通 过应用数学和力学工具来开展汽车碰撞安全性研究。这类方法包括解析法、多体动力学 法和有限元法等，其共同特点是对给定的碰撞事例进行力学建模，再应用相关的数学工 具对所建力学模型进行求解，以获取描述碰撞事例特征的主要参数。解析法所求的解理 论上是所建力学模型的精确解，但需要力学模型相当简单才能求解，故其结果的有效性 和工程意义是非常有限的。多体动力学法所建力学模型与实际情况更接近，但一般难以 像解析法一样精确求解，误差较大，而且以刚体来代表分析和受力的对象，不能直接用 来计算分析车体结构的碰撞变形，仅限于乘员的碰撞分析研究。而有限元法 4 1 不仅比前 两种方法复杂和完善，而且能够利用功能强大的计算机技术对其进行较高精度的求解， 是非常有效的汽车碰撞分析方法，其最大的优势是方便、快捷、费用低廉，一旦建立了 某一车辆的分析模型，就会给后续的改进研究工作带来很大的方便。 2 3 汽车碰撞仿真的有限元法 汽车耐撞性分析的有限元法是随着计算机技术的发展而逐步发展和完善起来的先 进技术，已经广泛应用于汽车工业发达国家，并取得了巨大的成就。汽车碰撞有限元分 析的一般过程见图2 - 1 。 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 1 汽车碰撞有限元分析的一般过挥 有限元法是一种数值分析方法，应用十分广泛。它具有方便、快捷、费用低廉的优 势，因此在当今汽车碰撞安全性研究中占有特殊重要的地位。有限元法的基本思想是： 把连续结构( 连续体) 划分为有限个单元通过有限个节点联结而成的离散结构。单元内 节点的位移、应力等物理量系通过特定的函数关系插值求得。再根据力学理论的变分原 理或其他方法建立单元内节点位移与未知量之间的平衡方程式，然后将各个单元用“集 总”方法组装在一起，构成为节点位移为基本未知量的代数方程组，加入相应的载荷、 约束等边界条件即可求出问题的解。般情况下，单元尺寸越小，计算精度越高。 由于碰撞有限元分析工作通过计算机来完成，不会像试验那样损坏任何实体，并且 可对初始设计进行快速的评估等。目前该方法正在部分取代试验工作。有限元法的特点 点要体现在如下几个方面： 1 ) 费用低廉，一个模型能用来进行无数次的碰撞分析而不损坏。 2 ) 与碰撞试验过程相比，修改更方便，省时，当结构改变时，只需修改模璎巾的 十h 天参数即可进 j ：再次的碰撞分析，便于多方案的快速分析和比较。 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 输出结构上任意点的碰撞相关信息，如位移、加速度、能量和碰撞力等，而有 些结果是试验无法得到的。 4 ) 能够任意多次地、重复和再现零部件的碰撞变形过程，方便设计人员对结构的 观察、分析和改进。 在实际应用时，有限元法需要与试验方法有机的结合起来，爿能发挥更大的作用。 因为碰撞计算所需的材料参数、部件连接特性等数据还要由试验来提供。 2 4 汽车碰撞分析有限元法的基本理论 汽车碰撞过程是一个复杂的瞬时物理过程，它包含有成百上千个零部件的复杂变形 和相互作用，具有很强的非线性特性，其中包括以大应变、大变形为特征的几何非线性， 以弹塑性变形为特征的材料非线性，以不同零部件表面接触摩擦作用为特征的边界非线 性。这些非线性物理现象综合作用的结果使汽车碰撞过程精确描述和求解十分困难。一 般情况下，描述汽车碰撞过程的物理量是空间坐标变量和时间变量的复杂函数。因此， 汽车碰撞过程的仿真一般都是基于有限元方法的空间域离散技术和基于有限差分法的 时间域离散技术。另外，材料的弹塑性变形理论与计算方法、显式求解方法中所采用的 接触一碰撞界面算法等也对汽车碰撞吸能特性仿真结果具有重要的影响。 2 4 1 控制方程h 1 在用有限元分析各种物理场问题时，采用拉格朗日( l a g r a n g i a n ) 描述增量法作为 描述问题参考坐标系的选择。取初始时刻的质点坐标为x r j = l2 ，3 j 。在任意t 时刻， 该质点坐标为工，( i = 1 , 2 ，3 ) ，这个质点的运动方程是： 工，= x ir 盖f ，f j i = 1 , 2 , 3 ( 2 1 ) 在t - o ，初始条件为： t f x i , 叫= x i i 。( 盖，0 ) = k ( x ，0 ) 式中y 为例始速度。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 1 1 动量方程 o q j | + 一。= 蕊l 式中为柯西应力；，f 为单位质量体积力；薯为加速度。 2 4 1 2 质量守恒 p = j p q 式中p 为当前质量密度：p 。为初始质量密度。 2 4 1 ：3 能量方程 e = v s u iu l p + q ) v 用于状态方程计算和总的能量平衡。 式中v 为现时构形的体积；i 。为应变率能量；q 为体积粘性阻力。 偏感力 s 。= o4 + tp + q ) o4 2 4 1 4 边界条件 ( a ) 面力边界条件 式巾 p 为压力。 图22 边界条件示意图 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) o r i n ，= t ir f ) 在s 1 表面力边界上。 ( 2 5 ) h ，f ，= l 2 ，3 ) 为现时构形边抖s 的外法线方向余弦；t ir i = 1 ，2 ，3 j 为表面j 城倘。 秽一 ，卜 您 y 华中科技大学硕士学位论文 ( b ) 位移边界条件 t f x ，f j = k i f fj 在s 2 位移边界上。 ( 2 6 ) 式中 k i f f j f i = l2 ，3 j 是给定位移函数。 ( c ) 滑动接触面间断处的跳跃条件 r + 一一加，= 0 当z + = x i - 接触时沿接触边界s 。 ( 2 7 ) 2 4 1 5 平衡方程 由伽辽金法得到的平衡方程为 l l 癣。一o 一翻、) 瓠。1 d y + l t o4 j o j ) n i 瓠i d s 七娶。一i t j ) t l d s ；0 t 2 _ 书1 v s ”一 其中阮在s 2 边界上满足位移边界条件。 应用散度定理得： ( c r o & ，) , ， d v f f i f s o ( t y u + - - t y q - ) n 融1 幽+ 驴 敏l d s 并注意到分部积分 l o q 出i ) ，i o j i 融t = d q 西i ，i 则( 2 8 ) 式可改写为： 缸2 - 厂成缸；d y + ，盯口出。d y 一厂俄血。d y 一户。血；於= o ( 2 9 vvv一 式( 2 9 ) 即为虚功原理的变分列式。 根据变分原理，由式( 2 - 9 ) 即可得到非线性有限元分析的一般平衡方程为： r r d + c i + f 。l x ) = f ( t ) t 2 - l o ) 式中 m ，c 和x 分别为结构的质量、阻尼和位移矩阵，f ( tj 为与时间有关的外载荷矩阵， 厶，r zj 为z 的非线性函数，直接积分解方程( 21 0 ) 即町得到任一瞬间的有限元数值解。 华中科技大学硕士学位论文 2 , 4 2 积分求解方法 与常规的线性有限元解法不同，应用有限差分法直接积分即可求出式( 2 一i 0 ) 的数 值解。关于时间域积分方程的求解，主要有两种方法，即中心差分法和纽曼法。中心差 分法可将质量矩阵对角化而避免求解联立方程组，由此得到显式求解算法。显式求解算 法的特点是不求解联立方程组，不需要对结构刚度矩阵进行分解。求解过程基本上是在 单元一级上进行，所需要的高速存储量比较少，不存在收敛性问题，因而求解效率较高； 但存在数值稳定性问题。纽曼法则因无法将刚度矩阵和质量矩阵对角化而需要求解联立 方程组，由此得到隐式求解算法。隐式求解算法的特点是需要采用迭代方法求解联立方 程组，存在收敛性问题：但它是无条件稳定的，即求解时间步长可以任意大而不会产生 数值稳定性问题。在本论文工作中积分方程求解采用的是显式求解算法1 4 9 1 。 显式积分方法在逐步解法中离散结构在任一时刻t 的运动方程为： ，”= f 一s + h ( 2 1 1 ) 式中卅为对角质量矩阵，f 为外载荷与体积力矢量，5 为应力散度矢量，为沙漏 ( h o u r g l a s s ) 粘性阻尼力矢量，d 为加速度矢量。在时刻t + l 应用中心差分法积分得到： 口一班一f f 一s + ， ( 2 1 2 ) f + !f 一! y2 = 矿2 + y a t ) ( 2 1 3 ) u “，ur + 矿“j 出“jj ( 2 一1 4 ) 式中 f 哇；型竺： ( 2 1 5 ) 2 而v u 分别为整体速度和位移矢量，迭加位移增量至初始几何构架，即得数值解如下： x “：xo + u ( 21 6 ) 类似地，j 用同样方法求出速度和加速度解。 2 4 3 弹塑性材料应力一应变关系及计算 华中科技大学硕士学位论文 汽车碰撞过程中主要的吸能方式是材料的塑性变形。众所周知，许多常用金属材料 在单向拉伸试验中的应力一应变关系如图2 - 3 所示，当材料的应力达到一定值后，即使 应力不再增加，材料的应变也会增加，且应力一应变曲线有一定波动。必须增加应力才 能使材料产生进一步的变形，这就是材料的硬化过程。对汽车工程所用的金属和非金属 材料而言，其应力一应变关系还与应变率有关，即当应变率增加时，材料的弹性极限也 随之增加。 o o 0 0 80e 图2 - 3 典型材料单向拉伸试验的应力一应变关系曲线 图2 3 是典型材料的单向拉伸试验结果，尽管它是材料特性的真实反映，但在仿 真计算中应用起来并不方便。因此，人们通常用相对简单的数学模型来近似描述材料的 应力一应变关系。图2 4 给出了各向同性线弹性材料和弹