（机械电子工程专业论文）汽车碰撞安全性能集成技术研究.pdf

中文摘要 摘要 随着国内自主品牌汽车的发展，国内汽车企业自主掌握汽车开发能力已经显 得非常迫切。汽车碰撞安全性能集成技术是其中的核心技术之一，它包含了碰撞 c a e 分析、试验开发、零部件性能控制、规范建立、流程建设及优化等全方面的 开发能力。从某种程度上讲，它是现代汽车企业整车研发能力高低的决定性因素 之一，更决定了该企业的可持续发展能力和竞争力。 本文基于此背景，通过对长安汽车4 款轿车和3 款微车的碰撞安全开发工作 进行研究，总结形成了一套适应于长安汽车开发体系的碰撞安全性能集成技术。 通过本文的研究，得到如下结论： 整车碰撞安全结构耐撞性开发：整车碰撞安全性能目标制定与分解是汽车 企业碰撞安全性能集成技术的关键部分，它是性能、质量、成本、进度、工艺能 力多方面平衡的结果，它需要几个重要的输入：一是竞争车的碰撞安全性能分析； 二是主机厂自身的碰撞安全性能数据库；三是目标市场的碰撞安全性能定位。整 车碰撞安全性能目标分解是将总体的指标分解到整车结构、约束系统配置两个方 面，形成具体的目标值。对于各个工况的结构耐撞性开发，一般分为以下几个阶 段的工作。一是概念阶段，进行参考车碰撞试验，获得车体结构性能数据，结合 长安自身的碰撞安全性能数据库确定开发目标参数：对试验车辆进行解析，掌握 参考车车体各关重部件的变形模式以及车体各部件材料特性。二是工程化阶段， 在工程化前期，对参考车进行仿真模型对标，确定仿真模型的准确性与可靠性； 在开发阶段在参考车仿真模型基础上建立在研车碰撞分析仿真模型，进行碰撞结 构计算分析，并提出可行性改进建议，直到满足各目标值。三是样车验证阶段， 进行样车各工况碰撞试验，与c a e 分析结果进行对标，并进行相关的优化改进， 直到样车的试验结果达到开发目标。c a e 分析从车型开发的概念阶段开始直至样 车试验验证达到开发目标结束，贯穿了车型开发的全过程，与c a e 分析紧密相连 的是试验验证。c a e 分析需要实车试验进行对标验证模型，同时c a e 优化设计的 可靠性需要试验验证。碰撞安全结构开发过程就是一个“试验一c a e 一试验”的 闭环开发过程。 约束系统集成分析：决定整车碰撞安全性能优劣的主要因素有两个：一是 车体结构在碰撞性过程中表现出的性能，二是约束系统在碰撞过程中对乘员的保 护作用。只有把结构性能和约束系统性能结合在起，才能有效的评价和优化车 体结构的设计。约束系统分析模型建立的过程是“零部件一子系统一整车 的建 模验证过程，其中每一步都包含了必要的试验验证和模型对标，确保了整车约束 重庆大学工程硕士学位论文 系统分析模型的可靠性和较好的预测性。整车约束系统模型验证遵循的原则：遵 循实际碰撞中的接触顺序；验证的规则：“从下到上 ，即大腿力、腰带力、髋部 加速度、肩带力、胸部加速度、头部加速度；验证的基本特征：起始时刻、峰值 时刻、峰值、形状及脉宽。 碰撞安全规范建立：碰撞安全开发的基本过程是“试验一c a e 一试验”， 每一次开发过程中的c a e 与试验的对标，都是在为c a e 分析规范的建立和修正 提供实践依据，c a e 分析规范的建立过程就是“实践一对标总结一实践 的过程。 c a e 分析规范包含建模规则、计算分析方法、评价标准等内容。碰撞试验是c a e 对标的重要依据，也是开发验证的最后一关，必须制定各类碰撞安全试验规范， 试验规范保证了碰撞试验的规范性、试验数据的正确性和完整性，碰撞试验规范 包含试验布置方案和碰撞试验流程。安全部件性能控制规范用于碰撞安全核心零 部件的性能控制，确保其满足碰撞安全开发总体性能要求。同时，性能控制规范 也用于安全部件产品的验收及量产后性能质量稳定性的控制。安全部件性能控制 规范包含试验方法、性能控制标准、产品验收和抽样检测三部分。 碰撞安全数据库建设：碰撞安全数据库是碰撞安全性能开发的重要决策依 据和参考指标，是工程经验积累的载体之一。它的建设需要多个车型开发的积累， 特别是对优秀参考车的解析和研究将提升数据库的质量和效能。碰撞安全数据库 建设需要建立e 化的数据管理系统，能对仿真项目和试验项目的各类数据实现自 动导入和导出，进行综合查询以及对比显示。该系统建立后，将成为碰撞安全性 能开发的必备工具和重要基础平台。 碰撞安全性能开发流程：碰撞安全性能开发流程是c a p d s 所属的子流程， 它把碰撞安全开发过程中有规律性的东西总结成经验，上升为可操作的、可指导 开发工作的管理程序，能有效的对整个碰撞安全性能开发过程进行管控和指导。 c a p d s 碰撞安全同步图体现了在整车开发流程中各个碰撞安全开发关键节点所 处的阶段和位置；c a p d s 碰撞安全流程图展示了各个关键节点之间的逻辑关系， 以及对应的输入和输出，使得碰撞安全流程中的开发工作同产品开发的其它子系 统工作产生了联系；c a p d s 碰撞安全流程节点工作表展示了各个关键节点的工作 内容、牵头责任部门、输入输出、指导文件等，是对各个关键节点的详细描述。 三者构成碰撞安全性能开发流程的三级流程体系。 关键词：碰撞安全，集成技术，性能开发，开发流程 i i 英文摘要 a bs t r a c t w i mt ：h ed e v e l o p m e mo f 髓t i o n a lb r 趿d so fa u t o m o t i v e ，d o m e s t i ca u t o m o b i l e e n t e r 】川s e sd e v e l o p i l l gt l l ed e v e l o p m e n tc 印a c i 哆o f a _ u t o m o b i l eh a sb c c o m ev e 巧u 玛e n t i n t e g r a t i o nt e c l l l l o l o g yo fc m s h 鼢f - 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p d ss h o w se a c hc r i t i c a ln o d ef o rm cw 0 幽n g c o n t e n t s ，t l l el e a dr e s p o n s i b i l i t ) ，d 印a n m e n t s ，i n p u t 锄do u l p u t ，g u i d a n c e l o c 啪e n t se t c ， i td e s c r i b e se a c h 耐t i 谢n o d ei nd e t a i l t h e s en l l 优嘲) e c t sc o l l s t i t l l t et h e 廿l i e e l e v e l p 1 0 c e s ss y s t e mi nt h ep f o c e s so fc r a s hs a f i e 够p e r f o m a n c ed e v e l o p m e n t k e y w o r d s ： c r a s hs 姗； i n t e 则i o nt e c h n o l o 鼢p e 怕n i l a i l c ed e v e l o p m e 鸲 d e v e l o p m e n tp r o c e s s e s v 学位论文独创性声明 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者签名：秽奄杨 签字日期： 导师签名：签字日期： 学位论文使用授权书 l 乙0 1 5 l 厂 脓名 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 士学位论 程”) ， 刊( 光盘 称“章 学术期 优秀硕 士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网 络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博 硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程 规定享受相关 权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：导师签名： 争沁 备注：审核通过的涉密论文不得签署。授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书! 逝装订在提交的学位论文最后一页。 ，q u 弘 矽 1 绪论 l绪论 1 1 论文的选题背景及研究意义 自从汽车面世以来，随着汽车速度的不断提高以及汽车的普及，汽车交通事 故给人类造成了巨大的生命财产损失。据2 0 0 0 年世界交通事故统计数据，死亡人 数达到1 3 0 万，受伤人数达到3 0 0 0 万，每2 5 秒有1 人因交通事故死亡，每1 秒 有1 人因交通事故受伤，财产损失多达五千亿美元，约占当年中国g d p 的5 0 。 在中国，随着汽车工业的飞速发展，汽车保有量急剧上升，道路交通变得更 加拥挤，结果是机动车辆的交通事故数量也大幅上升。据中国交通安全数据，2 0 0 2 年因交通事故造成的死亡人数约1 0 万，到2 0 0 4 年死亡人数达到2 0 万以上，整整 翻了一倍，交通事故死亡率居世界第一位，交通事故死亡人数也居世界第一位。 正是由于汽车从一诞生就伴随着交通事故，对汽车碰撞安全性能的要求也是 在不断提高和更新，主要的体现有政府的法规和n c a p 的星级评价。政府以在用 车类型、交通事故记录等方面的多年统计分析为依据，针对汽车碰撞的类别特点， 制定相应的强制性试验法规，作为汽车制造厂必须执行的条款，以此来检验汽车 碰撞时的安全性。政府颁布的汽车安全技术法规，这是每一辆被出售的汽车所必 须满足的规定；星级评价是新车评估组织n c a p ( 1 沁wc 盯a s s e s s m e n tp r 0 掣锄) 的简 称，其目的是向客户提供每一车型相对安全的水平等级。无论哪个n c a p ，其检测 条件均高于当地的强制性检测法规。n c a p 标准需要由非政府以及跟汽车生产企业 没有关联的第三方组织来操作，从而体现其公正性。n c a p 主要是通过对车辆进行 不同形式的碰撞试验，采集分析试验数据，然后对车辆进行客观科学的评价，并 最终为车辆的安全性能评出分数等级。 针对各国的法规标准和n c a p ，汽车企业投入巨资进行了大量的研究，确保开 发的车型能满足目标市场的法规和n c a p 的要求。欧美的汽车主机厂在进行碰撞 安全开发时，都是以n c a p 的星级作为目标，而不是单纯考虑本国法规。同时， 各大主机厂针对n c a p 都有一套成熟、完整的开发流程和仿真分析手段。 目前国内对汽车碰撞安全性能的分析和研究中，对某一种标准碰撞形式下的 基本原理、仿真的具体算法以及改进方法研究较多。而在整个汽车开发流程中， 特别是自主品牌汽车研发过程中，主机厂体现碰撞安全开发能力的是碰撞安全性 能集成技术，碰撞安全性能集成技术包含了碰撞c a e 分析、试验开发、零部件性 能控制、规范建立、流程建设及优化等全方面的开发能力。从某种程度上讲，这 是现代汽车企业整车研发能力高低的决定性因素之一，它不仅直接体现了该企业 是否具备汽车开发的核心能力和在开发技术上的先进程度，更决定了该企业的可 重庆大学工程硕士学位论文 持续发展能力和竞争力。 本文基于此背景，拟对长安汽车4 款轿车和3 款微车的碰撞安全开发工作进 行研究，进而形成长安自主的碰撞安全性能集成技术，具有以下意义： 自主掌握汽车碰撞安全性能开发技术 从长安汽车二十多年的合资合作经验总结以及国内各大汽车集团的合资合作 历程来看，中国汽车企业同外资厂商合作过程中，得到的只是引进产品，不可能 得到完整的汽车新品开发流程和体系，特别是核心开发能力之一的汽车碰撞安全 开发能力。想要建立中国的自主汽车品牌，必须突破国外汽车企业的技术垄断， 自主掌握汽车碰撞安全性能开发技术。 保证碰撞安全性能开发的系统性和持续性 通过大量的工程实践以及在多个新车开发上应用，长安汽车已经形成一定的 整的碰撞安全性能开发流程，以及对流程进行支撑的各类规范和数据库等的条件。 随着分析技术的不断更新和认识的不断深入、汽车行业技术的不断发展，国内的 汽车行业必然要从空间设计走向性能设计，通过这一体系的搭建，将使整车碰撞 安全性能的规范条理化，系统化，安全设计能力也逐渐巩固，而不至于因为人员 的流动造成能力的损失，持续保持企业已有的核心竞争力。 有效地支持车型平台战略 在车身碰撞结构开发初期，需要充分考虑到不同的约束系统策略或变型车的 需求，例如基础车型仅配备一般安全带，而高端车型将配备预紧限力式安全带等； 或者在同一平台上开发两厢、三厢、旅行车，或配置不同的发动机和变速箱，不 同的内饰配置等等。有了碰撞安全性能集成技术，可利用乘员约束系统仿真和假 人伤害值的预测，对整个平台的产品进行全面的分析，确定车身碰撞结构的基本 要求，使之能够满足最恶劣的载荷，为该车型平台的扩展提供科学的工程依据， 降低后续工程改进的难度和成本。 有效管理供应商，带动国内供应商体系提高能力 在碰撞安全性能开发中，除车身结构外，其它的安全部件均来自供应商，包 括座椅、方向盘、转向柱、安全带( 预紧器限力器) 、仪表板、安全气囊等等。这 些部件必须有效地进行系统集成，并与车身结构响应相匹配，才能够发挥最大的 安全保护性能。主机厂需从全局的角度，对每一个零部件提出严格的技术要求， 供应商必须确保零部件的性能满足主机厂的要求，从而确保整车安全性能和质量。 从整车制造成本上说，如果主机厂掌握系统集成能力，则可以在与供应商谈判的 过程中掌握技术主动，提高选择供应商的能力，从而降低配套成本，如图1 1 。 2 绪论 产 选 择囵羹囵 图1l 供应商管理 h 9 1 1s u p p 】埘m a n a g e m e t t 主机厂制定详细的安全部件性能控制规范，用于碰撞安全核心零部件产品设 计的性能控制。同时，性能控制规菹也用于安全零部件产品的验收及量产后性能 质量稳定性的控制。制定碰撞安全核心零部件性能控制规范，将碰撞安全总体性 能分解到了各零部件性能目标控制上，方便在产品开发各阶段对零部件性自进行 管控，极大地提高了自主品牌碰撞安全性能集成能力。同时，主机厂通过同安全 部件供应商在新车开发项目中台作，带动其分析能力、试验能力以及性能控制能 力的提高，促进其产品优化升级，使其开发水平也达到国内先进行列，具备更强 的竞争能力。 1 2 国内外研究现状 1 2 l 国外情况 国外汽车公司碰撞安全研发能力的不断提高跟法规的不断修订以及n c a p 的 普及是密不可分的。上世纪6 0 年代以来，在许多国家中，汽车碰撞试验逐渐成为 汽车制造厂必须执行的强制性试验法规。1 9 5 8 年，欧洲出现了第一部统一的汽车 安全法规标准( e c e ) 。欧洲一些汽车工业先进的国家，以在用车类型、交通事故 记录等方面的多年统计分析为依据，针对汽车碰撞的类别特点，制定相应的强制 性试验法规，作为汽车制造厂必须执行的条款，以此来检验汽车碰撞时的安全性。 美国在1 9 6 6 年出国家道路交通安全管理局( n h t s a ) 颁布了第一部f m v s s 法案。 n c a p ( n e wc a fa s s e s s m e n ip r o 脚) 即新车评估体系。该体系于1 9 7 8 年诞生于 美国，随后以此为参照，澳大利亚、欧洲以及同本、韩国等n c a p 标准也相继诞 生，如图12 p “。n c a p 与政府的法规标准最大的不同之处，便是对车辆安全性能 的定量分析，屉终以分数形式直观地表示结果，而政府的法规标准只有合格与不 合格之分，对于合格的车辆也只能表明其满足安全标准的虽低要求。欧美的汽车 主机厂在进行碰撞安全开发时，都是以n c a p 的星级作为目标，而不是单纯考虑 本国法规。 重庆太学工程硕士学位论文 rr r 一 1 - - ：= f宣一2 ft 计 铀：f 黛l 固f蔓fo 噬i。+ li 笠。0 、o 、 4 t连一 魄 豆 畦当瓣懋 e m q c po “i j 蓁耄随盈甚鼯舀固固 图12 各国新车评估体系 f 谊】2 w 酬d w j d e n c a p 汽车碰撞安全性能的开发是非常消耗企业人力物力的事情，但为了跟上法规 以及各类n c a p 修订的速度满足更高的碰撞安全要求，国外很多大型汽车公司 早在六、七十年代就开始在碰撞安全性能开发技术方面进行研究。碰撞安全开技 在国外汽车新产品开发的过程中具有举足轻重的地位。欧、美、日、韩的大型汽 车公司都具有自己独立的碰撞安全研究部门和体系，某美国汽车公司碰撞安全开 发部门结构如图13 。其具有完全的试验能力、c a e 分析能力、性能控制能力。同 时他们还拥有完备且严格的碰撞安全性能集成开发流程，保证产品安全性能在开 发的各个阶段得到最有效的控制例。 1 绪论 n 人厂 萋z p 罩研发车型) j 一 b 儇人赫赫法开震辰冀瓣摹j 、 i 。一l 。，。一 图1 3 碰撞开发部门组织结构图 f i g 1 3s a 诧钞d 印a r t m e n tf h m e w o 出 在碰撞c a e 仿真分析的管理上，国外的汽车公司制定详细的建模标准和建模 流程，从单元尺寸到单元质量、从焊点到各种部件连接的模拟方式、从边界条件 的确定到各个考察项的输出设置，都做了详细的规定，以确保仿真模型的一致性 和准确性，保证不同水平的工程师根据标准和流程建立的模型都可以达到工程应 用的要求，如钣金件翻边的建模规范见图1 4 。在仿真模型管理上，国外汽车公司 还实现了模块化管理以及与c a d 数据的同步化，他们将整个分析模型分为车体、 闭合件、动力总成、底盘系统、内饰、座椅、壁障、假人等模块，将模块之间的 连接标准化，在根据c a d 数据不断更新c a e 仿真模型的过程中，可以实现多个 模块同时更新而相互不受影响，提高并行工作效率；或者根据不同的分析工况调 用不同的模块来组合成需要的分析模型，如图1 5 【3 6 1 。 对于计算后的后处理过程，根据企业的分析规范制定标准的后处理模版，并 在后处理软件中实施了定制，后处理过程自动进行，甚至分析报告都实现了自动 化。以上这些管理活动的实施都是为了将工程师从繁琐的重复劳动中解放出来， 将更多精力放在对仿真数据的分析判断、改进方案的设计当中。从而提高汽车的 开发效率，减少设计周期。 在碰撞c a e 仿真的软硬件上，国外的汽车公司投入了相当的人力物力。在大 型汽车公司都建设有碰撞安全计算中心，l s d 呵a 或p a m c r a s h 的l i c e n s e 都 在数百个以上，同时运行在高性能并行计算机上，强大的运算能力保证了在汽车 开发过程中仿真分析对工程化数据的及时反馈，以及多方案比较以及优化的可能 性。 黟一、一 ，节龋姒 。端 习 一 “ ，： ；、j 。配。一 匹u；每墨n 毫n蠢 一 讨 一 设j r 专椭姒 一专i|l|一一 一 美l 。 ，； ，格抛一 q 毒象碗 矗一一 。 w (一一一戴一飞 r l | |儿| = 1 一 ，j 2 | ；够黼一 一 ，；。，；|；“ r；o；，；一 重庆大学工程硕士学位论文 h o m a “g 鹕l l o b r r 。a e ia s f 日u m 岫i 洲 渤 麓 j 少j 黑l 幽l4 建模规范 f 1 】4f e m o d e jc r 】l e n o n 囫圈团匮豳匡 困阿团豳圈匡 降匿口圈阿慰 图15 模块化管理示意留 f 瞻l5m 础u i a g c m e m 在碰撞试验开发能力的建立上，国外大型汽车企业更是走在了国内企业的前 面。丰田、大众、通用、福特、本田等都拥有一套完整的碰撞试验开发能力。在 试验设各方面，他们具备从零部件冲击试验台到减速度台车、加速度台车、整车 碰撞试验室的试验设备碰撞假人和壁障覆盖各类法规和n c a p 要求，能进行碰 孱 绪论 撞安全开发必须的各项碰撞试验，如图16 【川。试验结果既有对仿真分析的输入 也有对仿真模型的验证以及晟终整车碰撞性能的验证。 豳16 碰撞试验能力 f i g i6 c r a s h n c 印a b i l j h l22 国内情况 国内汽车工业相对国外起步较晚，相应的汽车碰撞安全研究也整体落后于欧 美大型主机厂。我国政府于2 0 0 0 年1 月1 日实施了“关于正面碰撞乘员保护的设 计规则”，即c m v d r 2 9 4 。随后在2 0 0 6 年7 月1 日实施了与欧洲e c e r 9 5 几乎完 全相同的侧面碰撞法规，这两个整车碰撞法规极大的推动了国内主机厂在碰撞安 全研发方面的投入力度。当年1 0 月3 0 日，c n c a p 实施机构一中国汽车技术研究 中心首次公布了6 款车型c 州c a p 测试结果，标志中国汽车碰撞安全要求进入 n c a p 时代。c n c a p 是中国新车评价规程的英文简称，c _ n c a p 是引进欧洲 重庆大学工程硕士学位论文 n c a p 的标准，但它只是在碰撞方法、评分方式方面进行借鉴。在实验项目及实验 环境上，完全是根据中国的实际情况来确定，其苛刻程度超过国家标准，己与国 际水平一致。国内法规、c n c a p 路线图如图17 【圳。 图】7 中国法规，c n o p 路线图 f i g1 7c h i 删g u 胁l o 帆n c a pr o a d m 印 国内汽车企业在碰撞安全性能开发技术上的研