（机械电子工程专业论文）依维柯车身正面碰撞仿真研究.pdf

硕士学位论文 摘要 近年来随着我国汽车工业的飞速发展，汽车保有量的不断增长，道路交通事 故已经成为一大社会问题。统计数据显示，汽车交通事故造成的人员伤亡占各类 事故伤亡人数的首位。汽车碰撞安全问题越来越受到人们关注，在汽车碰撞过程 中发生几率最高的是汽车前部的正面碰撞。 本文以依维柯得意a 4 0 ( n j 6 5 9 6 s f f 511 1 7 座) 为研究对象，运用有限元理论 和方法进行了车身骨架与刚性墙正面碰撞的仿真和基于薄壁梁碰撞仿真的前纵 梁优化设计研究。 运用前处理平台h y p e r m e s h 和h y p e r c r a s h 参照汽车被动安全技术法规建立 了由车身本体总成、车门总成、引擎盖、后前保险杆、仪表板、底板、车架纵梁 和刚性墙组成的“车身刚性墙”正面碰撞仿真模型。采用了图纸查阅、理论推 算与c a d 建模相结合的方法获取了整车仿真模型的基本参数。为了提高仿真模 型的计算精度，对有限元分析碰撞中模型的合理简化、网格划分、材料参数的设 置等关键问题进行了深度讨论；对仿真结果有较大影响的接触类型、载荷施加、 沙漏控制等参数的设置进行了研究。 基于r a d i o s s 求解器对依维柯车身与刚性墙正面碰撞的有限元模型进行了 求解计算，采用后处理软件h y p e r v i e w 和h y p e r g r a p h 分析求解结果分别得出整 车碰撞变形和应力云图、各能量变化曲线、前围和驾驶室上某点的速度变化曲线、 座椅处某点的加速度曲线。此外，还分析了正面碰撞驾驶室变形对驾乘人员的影 响，评估了原车的碰撞安全性。 研究了不同截面形状、不同厚度、有无诱导以及不同诱导形状薄壁梁碰撞特 性，结合该车与刚性墙正面碰撞仿真的结果，对该车的前纵梁进行了优化设计。 将改进后的车身模型的仿真结果与改进前进行对比，结果表明达到了提高吸能特 性和碰撞安全性的目的。 通过本文对该车型的车身骨架与刚性墙正面碰撞仿真数据表明，基于有限元 理论的计算机碰撞模拟仿真分析方法，能够快速、准确地了解汽车在碰撞过程中 的变形特点，为该车进一步的安全性分析和结构的改进提供了参考和依据。 关键字：正面碰撞仿真耐碰撞性前纵梁缓冲吸能r a d i o s s a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o t i v ei n d u s t r ya n dt h et r a n s p o r ti n d u s t r y , r o a dt r a f f i ca c c i d e n t sh a v eb e c o m eam a j o rs o c i a lp r o b l e mi nc h i n ai nr e c e n ty e a r s t h es t a t i s t i cd a t ao ft r a f f i ca c c i d e n ti nt h el a s ty e a r ss h o w e dt h a t ，t h ec a s u a l t i e sc a u s e d b yt r a f f i ca c c i d e n t st h a no t h e r s v e h i c l ec r a s h w o r t h i n e s si sg e t t i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n ，a n dt h eh i g h e s tp r o b a b i l i t yo f o c c u r r e n c ei st h ef r o n t a g ec o l l i s i o n t a k i n gat y p eo fi v e c ov e h i c l ea st h er e s e a r c ho b je c t ，t h ec o l l i s i o ns i m u l m i o nf o r t h ew h o l ev e h i c l ep e r f o r m a n c ei ss t u d i e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di n t h i s d i s s e r t a t i o n t h eo p t i m i z a t i o nf o rt h ef r o n tr a i ld e s i g ni sa l s oi n v e s t i g a t e d t h ec r a s hs i m u l a t i o nm o d e lo ft h ef u l li v e c ov e h i c l ei se s t a b l i s h e d ，i n c l u d i n g b o d yo n t o l o g ya s s e m b l y , d o o ra s s e m b l y , h o o d ，b u m p e r , d a s h b o a r d ，f l o o r b o a r d ， l o n g i t u d i n a lb e a ma n dr i g i dw a l l ，b yt h ep r e p r o c e s s o rh y p e r m e s ha n dh y p e r c r a s h r e f e r r i n gt oa u t o m o b i l ep a s s i v es a f e t yr e g u l a t i o n s t h ep a r a m e t e r so f t h ef u l lv e h i c l e m o d e l i n ga r eo b t a i n e db a s e do nb l u e p r i n tl o o k u p ，c a l c u l a t i o na n dc a dm o d e l i n g i n o r d e rt oi m p r o v i n gt h em o d e la c c u r a c y , t h em o d e l i n gs i m p l i f i e d ，g r i dp a r t i t i o na n dt h e m a t e r i a lp a r a m e t e rs e t t i n g se t c k e yp r o b l e m sa r ed i s c u s s e d ，a sw e l la st h ep a r a m e t e r s t h a ta f f e c ts i m u l a t i o nr e s u l ts u c ha st h ec o n t a c tt y p e ，l o a d ，h o u r g l a s sc o n t r o l l i n g t h ee l e m e n tm o d e lo ft h ev e h i c l ef r o n t a li m p a c tw i t har i g i dw a l li ss o l v e d b a s e do nr a d i o s s t h ea n a l y s i sr e s u l t sa r ea v a i l a b l es u c ha st h ec o n t o u rp l o tf o r d e f o r m a t i o na n ds t r e s s ，e a c he n e r g yc u r v e ，n o d e ss p e e dc u r v eo ff r o n tw a l la n dc a b ，a n o d ea c c e l e r a t i o nc u r v ei nt h ec h a i r , u s i n gt h ep o s t p r o c e s s o rh y p e r v i e wa n d h y p e r g r a p h i na d d i t i o n ，i ta n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fc a bo c c u p a n t sa tt h et i m eo f f r o n tc o l l i s i o n ，w h i c hw i l le v a l u a t et h eo r i g i n a lv e h i c l ec r a s hs a f e t y i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo ft h ef r o n t a li m p a c tw i t har i g i dw a l ld u r i n gt h e i m p r o v ed e s i g no ft h i si v e c ov e h i c l e ，t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h ef r o n tr a i lo f t h e v e h i c l ei sc o n d u c t e d a no p t i m i z a t i o nm o d e lb a s e do nc r a s hc h a r a c t e r i s t i c so f t h i n w a l l e db e a mw i t hd i f f e r e n ts e c t i o ns h a p e s ，d i f f e r e n tt h i c k n e s s ，i n d u c e dg r o o v eo r i i 硕士学位论文 n o ta n dd i f f e r e n tg r o o v ea r ep r o p o s e d c o m p a r i n gt h ed a t eo ft h ei m p r o v e m e n tm o d e l w i t ho r i g i n a l ，t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a ti ti m p r o v e de n e r g ya b s o r p t i o na b i l i t ya n dc r a s h s a f e t y t h es i m u l a t i o no fr e s e a r c ho nt h ev e h i c l ec r a s har i g i dw a l li n d i c a t et h a t c o m p u t e rs i m u l a t i o na n a l y s i sb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dc a nf i n do u tt h e c o l l i s i o nd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，p r o v i d e sr e f e r e n c e sf o rf u r t h e rd e e pr e s e a r c h a b o u ts a f e t ya n a l y s i sa n ds t r u c t u r ei m p r o v e m e n to ft h i sv e h i c l e k e y w o r d ：f r o n t a lc r a s h ； s i m u l a t i o n ；c r a s h w o r t h i n e s s ；f r o n tr a i l ；e n e r g y a b s o r b i n g ； r a d i o s s i i i 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景一1 1 2 汽车安令性一2 1 2 1 汽_ = 1 it 动安全性2 1 2 2 汽车被动安全性的内容和方法3 1 3 汽车碰撞安伞法规一5 1 4 汽车碰撞仿真的研究现状和趋势7 1 5 研究目的剃意义9 1 6 本课题研究的主要内容9 第2 章汽- - i 车碰撞有限元分析的理论基础1 1 2 1 有限元法的牲本原理1 1 2 2 显示移 分钳 o 一11 2 3 汽车碰撞过程的非线性特性1 2 2 3 1 几何非线性1 2 2 3 2 材料非线性13 2 3 3 接触惮戋。t ( t - ：16 2 4 物质描述勺运动方程2 1 2 5 基本控制疗稃2 2 2 6 守恒方程2 3 2 7 本章小结2 3 第3 章依维柯车身骨架有限元模型的建立2 4 3 1 有限元建模软件2 4 3 2 网格模型的建立：2 4 3 2 1 输入c a d 数据2 5 j v 目 录 3 2 2c a d 模型的几何清理2 5 3 2 3 网格划分一2 7 3 2 4 网格质涟检查2 8 3 3 模型装配2 9 3 4 生成有限元模型3 1 3 4 1 材料定义3 2 3 4 2 接触! 的定义3 2 3 4 3 刚性墙3 3 3 4 4 初速度、约束和载荷3 5 3 4 5 沙漏控制_ ”一3 5 3 。4 6 汁算时间和时问步长3 6 3 ，4 7 协测j 、f l 位系统3 7 3 5 重启程序3 8 3 6 本章小结3 8 第4 章依维柯车身正面碰撞仿真3 9 4 1 车身变形分析3 9 4 2 能量分析4 4 4 3 速度变化分析4 6 4 4 加速度变化分析4 6 4 5 驾驶室变形分析4 8 4 6 本章小结4 9 第5 章薄壁件吸能特性的研究5 0 5 1 车辆吸能结构的设计原则5 0 5 2 薄壁构件耐碰撞性的评价指标5 l 5 3 薄壁梁破坏的模式5 2 5 3 1 对称叠缩型5 3 5 3 2 过渡型5 3 5 3 3 非对称叠缩型5 4 5 4 薄壁梁耐碰撞性研究5 4 v 硕士学位沦丈 5 4 1 1 ：戏i f i l 肜状的簿l 琏梁一5 4 5 4 2 一i 州脬俊的薄壁梁5 7 5 4 3 诱t j i 喃啦年1 1 边缘弱化对簿壁梁的影响5 8 5 5 本章小结6 1 第6 章底架前纵梁的结构改进及分析6 2 6 1 自订纵粱结构的改进6 2 6 2 改进后的僦掩仿真结粜6 3 6 , 2 1 变j 髟分析6 3 6 2 2 能：过刈【t l 6 4 6 , 2 3d i ij , 4 _ ；j 延时比6 5 6 3 本章小绌6 6 第7 章总结与展望6 7 7 1 总结令艾6 7 7 2 展零6 7 参考文献6 9 附录模型的材料卡片7 3 攻读硕士学位期间发表的论文7 5 致谢 6 v 硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着我国经济的不断发展，汽车作为一种便捷的现代化交通工具，在给人们 的生活带来便利与好处的同时，也引发了大量的交通事故，给人类的生命和财产 带来极大的威胁和伤害。据统计，目前全世界每年死于车祸的人数达1 0 0 万人， 伤残的人数达数千万，而国内每年车祸致死的人数超过6 万，致伤人数则数百万。 每年的汽车交通事故造成了大量的人员伤亡，带来了一系列的经济和社会问题， 严重影响了人们的生产和生活，不得不引起人们的高度重视。 至2 0 0 9 年底，我国保有量已达6 3 0 0 万辆，今年将增长至8 5 0 0 万辆，成为 全球第二，汽车保有量占世界的3 ，但交通事故死亡人数却占世界的1 6 ，中 国在迅速跻身世界汽车大国的同时也成为世界上交通最为危险的国家之一。 表1 - 1 我国近年来交通事故统计表 t a b 1 - 1s t a t i s t i c so f t r a f f i ca c c i d e n t so fl a s ty e a r si nc h i n a 上表1 1 是我国最近十年的交通事故统计 1 1 ，由表可知，每年由交通事故造 第一章绪论 成的损失都十分巨大。2 0 0 3 年以前，每年发生的道路交通事故超过7 0 万次。2 0 0 3 年至今，由于民众、生产厂商和政府部门对汽车安全性的重视并通过了加强道路 法律法规建设，完善交通管理系统，提高汽车产品安全性等方面采取了相应措施， 事故次数和伤亡人数都有大幅度的下降，但数字依然巨大。以先进的汽车安全技 术换取人们的生命：如何提高汽车碰撞安全性能，达到事故无法避免时“车毁人 不亡，车损人不伤”，在汽车碰撞事故中最大限度的保护乘员是当前国内外各大 汽车公司在汽车设计阶段最关心的安全技术问题。 1 2 汽车安全性 在汽车的安全性研究和现有的汽车安全技术中，汽车安全性分为主动安全性 和被动安全性 2 】【3 】 4 】。 1 2 1 汽车主动安全性 主动安全性是指汽车避免发生意外事故的能力，主动安全性研究涉及的技术 称为主动安全技术。主动安全技术就是在汽车的设计和制造时，对汽车的内、外 部结构进行合理有效的设计，采用更先进的技术和装备，主动预防、避免或减少 汽车在行驶过程中发生事故，以提高汽车的主动安全性能。具有主动安全设备的 汽车能自动识别潜在碰撞的危险因素，并通过汽车自身固有的电控及结构特性主 动逃避危险，或在驾驶员采取相应的避险措施时车辆能保持最佳的行驶状态，完 全逃避碰撞危险或将危险程度降为最低。通过提高汽车的主动安全技术可以最有 效地减少道路交通事故的发生，从而可以从根本上降低道路交通事故对生命及财 产安全造成的危害。因此，汽车主动安全技术是当今汽车研发的重点研究领域。 主动安全技术主要包括智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m i t s ) 、智能巡 航系统( a u t o n o m o u si n t e l l i g e n tc r u i s ec o n t r 0 1 a i c c ) 、防撞报警专家系统 ( v e h i c l et r a v e l i n gs e c u r i t ye x p e r ts y s t e m v t s e s ) 、动态稳定控制系统( e s p 、 d s c ) 、制动防抱死系统( a b s ) 等。研究表明，8 0 以上的交通事故是由于驾驶员 的反应不及时或操作失误所致，如果驾驶员能够提前1 秒意识到事故即将发生并 采取适当的防范措施，则绝大多数交通事故将可避免。美国预计到2 0 1 1 年，通 过实施i t s 智能交通系统减少1 5 2 0 的交通事故，每年减少交通死亡人数1 2 硕士学位论文 万人，减少受伤人数4 5 万人，减少直接经济损失2 2 0 亿美元。如果普遍采用上 述诸多系统，将减少人员伤亡和财产损失。随着汽车工业的纵深发展，新的主动 安全技术更加先进，涉及面更广，如提高驾驶者的安全视野、车辆行驶实施监控 及信息处理与反馈、对行驶危险的提前预警和自动修正等，自动化、智能化程度 越来越高。 1 2 2 汽车被动安全性的内容和方法 汽车被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，车体及约束系统能够 对车内乘员或车外行人进行保护，避免发生严重伤害或使伤害程度尽可能降低的 能力。汽车碰撞被动安全性研究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 5 】。 结构耐撞性研究主要是研究车身结构对碰撞能量的吸收特性，寻求改善车身 结构耐撞性的方法，使得车身结构在外力冲击下能以预计的方式变形，其变形量 能控制在一定的范围内，在保证乘员安全空间的前提下，车身变形吸收的能量最 大，从而使传递给车内乘员的碰撞能量降低到最小，尽可能使乘员所受到的减速 度最小；人体碰撞生物力学研究主要围绕人体各部位在不同形式下的伤害机理， 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特性及碰撞实验条件 下，用人体代替物假人展开研究的动态响应，人体的伤害机理以及假人与汽车内 部及安全驾驶室内饰组件如安全带和安全气囊之间的相互作用。乘员约束系统及 安全驾驶室内饰组件的开发研究主要不同形式的乘员系绊系统( 安全带) 和碰撞 吸震系统( 安全气囊) 的机械特性，以获得最有的约束性能，使人体避免与驾驶 室内饰组件发生二次碰撞。安全座椅、吸能式转向管柱与转向盘、安全仪表板、 内装饰组件的吸能材料等对于缓冲二次碰撞进而减少对乘员的冲击也具有重要 作用。 汽车碰撞过程一般是一个复杂的瞬间物理过程，它包括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，其中包括以大变形和大应变为特 征的几何非线性，以弹塑性变形体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。正是因为这些非线性综合作用才使汽车碰撞过程 的设计和分析变得非常棘手，所以早期的汽车安全性设计主要凭工程师的直觉， 第一章绪论 经验和试验方法来完成。 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，包括台架冲击 试验、台车碰撞模拟试验和实车碰撞试验。实车碰撞试验由于与事故的情况最接 近，是综合评价车辆被动安全性的最基本方法，主要用来对已开发的成品车型进 行法规要求的试验，以鉴定是否达到法规要求和对碰撞试验的结果进行分析研究 与改进设计。其他两种试验方法都是以实车碰撞试验的结构为基础确定试验条 件，适合评价零部件或由零部件组成的系统的耐撞性能。台架冲击试验主要是对 实车碰撞试验的模拟，用来模拟人体的不同部位与车辆有关部件之间的碰撞，以 评价车辆部件本身的安全性能。台车碰撞模拟试验是以实车试验的结果为基础， 主要用来对车内乘员约束系统进行性能评价，它的试验成本低，可重复操作，研 究周期较短。无论是台车碰撞模拟试验还是实车碰撞试验，其试验设备工作都十 分费时。另外，这些试验都是破坏性试验，试验所需费用十分昂贵，并且，由于 试验中有一些随机因素的影响，使试验结果往往不够稳定且可重复性差。 近几十年来，随着计算机技术的进步，计算机仿真碰撞技术得到的迅速发展， 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，但是在产品的概念设计、样车的试制、试验次数的减少、开发费用及周期 的降低等方面有明显的优势，而且可重复性强、结果信息全面。同时计算机模拟 研究的适用面广、精度高，可以处理很多异常复杂的结构变形等问题，还可以设 定模型的边界条件和其它特定条件等，显示出强大的生命力。 随着牛顿矢量力学、拉格朗日分析力学、多刚( 柔) 体系统动力学、生物力学、 碰撞理论、材料理论、有限元理论、数值方法以及计算机技术水平的不断提高， 汽车碰撞计算机模拟理论和方法得到了不断发展和完善，涌现出各种用于碰撞仿 真分析的商用软件，如r a d i o s s 、l s d y n a 、p a m c r a s h 、m s c d y t r a n ， 其中采用多刚体系统动力学理论建模的软件可以模拟碰撞事故中乘员与环境的 相互作用，能很好地再现事故过程，而采用显式有限元理论建模的软件可以用来 描述车身结构的抗撞性，处理很多异常复杂的结构大变形问题。 这些软件的模拟结果能与实车碰撞结果大致吻合，尤其是对于车身结构的改 进，可以使用这些软件和算法在短时间内对多种方案进行比较，得到满意的改进 硕士学位论文 方案。其中值得一提的是，随着显式有限元方法的逐渐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。 1 3 汽车碰撞安全法规7 1 汽车的安全问题是从1 8 世纪汽车诞生以来就随之产生。为了提高汽车的安 全性，世界各汽车工业发达国家先后制定了相应的安全标准和技术法规。归纳起 来，目前所有的汽车安全法规可分为三大体系，即美国、欧洲及日本技术法规体 系。 美国联邦机动车安全法规( f m v s s 系列法规) 是由美国联邦运输部国家交 通安全局( n h t s a ) 依据1 9 6 6 年9 月9 日制定的国家交通及汽车安全法组织制 定的，其目的是减少汽车交通事故和减轻汽车碰撞事故中的伤害程度。到1 9 9 6 年1 2 月3 1 日止，该法规制定和实施的标准项目共有5 4 项，其中包括防止事故 发生的标准2 9 项( 1 0 0 系列) ，减轻碰撞事故发生时对乘员的损伤标准2 1 项( 2 0 0 系列) ，以及发生事故后的防护标准4 项( 3 0 0 系列) ，其中各项指标均有严格要 求。f m v s s 系列法规的修订较快，也比较灵活。例如，当其中某些法规实施有 困难时，就做适当的调整，也可延期，重新修订或暂免等。与s a e 、a s t m 、 a n s i 等标准具有密切的联系，并且大多采用或引用这些标准。 f m v s s 可以说是目前世界上最完善的法规体系之一，它主要针对轿车而制 定的，从各个方面规定了对车辆乘员、路上行人的保护及车辆应该具有的避免事 故的性能。该法规目前主要针对的碰撞事故的类型是前碰撞，但发展的重点是侧 面碰撞保护、行人碰撞保护以及货车和多用途客车的安全性及车辆稳定性等。该 法规规定的指标及制定方法对其他国家相关法规的制定有重大影响。 欧洲各国实施各自的车辆法规及车型认证制度早于美国，制定统一的欧洲经 济共同体指令( 即e e c 指令，作为成员国统一的法规是强制性的) 和欧洲经济 委员会法规( 即e c e 法规，成员国任意自选，是非强制性的，但已被大多数成员 国接受，并引入法律体系中) 则始于二战后。1 9 9 6 年正式实施的e c e 法规有9 9 项涉及汽车的安全、环保及节能等领域。法规的基本特点局限于汽车的装备和部 件，因此，e c e 车型认证也只有装备和部件的认证而无整车认证。法规对各项 安全指标均制定了便于理解和操作的详细试验方法，并且要求继续的试验次数也 第一章绪论 较少。可见，e c e 法规与美国联邦机动车安全法规存在较大的差别。 e e c 指令时1 9 7 0 年开始制定的，其内容与e c e 法规基本相同，在有关汽车 安全项目的要求上也基本一致。到1 9 9 5 年，e e c 指令共有2 2 0 项，其中与汽车 安全标准有关的质量月为1 0 7 项( 含修订部分) 。 旱在1 9 5 1 年日本就根据道路运输车辆法制定了道路车辆安全标准，从 时间上来说，比美国和欧洲要早。但随着汽车工业的发展，由于日本是一个汽车 出口大国，其出口的汽车必须满足国外相关法规的要求，所以又充分吸收了 f m v s s 系列法规和e c e 法规等标准法规的优点，在结合自身的特点形成了比较 健全的日本道路车辆安全标准体系。日本道路车辆法规特别重视汽车与行人及摩 托车之间的碰撞安全，对汽车外部凸出物的规定特别详细。到1 9 9 5 年底，日本 道路车辆安全标准包含车辆构造、装置标准共9 5 条，其中安全标准6 8 条，试验 方法标准8 条，其中安全标准7 6 条。 我国的汽车标准分为国家标准( g b ，g b t ) 、行业标准( q c ) 、地方标准和 企业标准。由于汽车产品的特殊性，我国政府对其实施的是政府强制认证制度， 到2 0 0 0 年，我国共实施了4 0 项强制性检验项目，强制性检验项目的主要标准是 g b 。1 9 9 9 年1 0 月2 8 日，原国家机械工业局颁布了我国第一项汽车技术法规 c m v d i 也9 4 关于正面碰撞乘员保护的设计规则。到目前为止，己经发布 了4 0 项c m d v r ，其中，涉及安全部件的有1 2 项，涉及整车碰撞的技术法规只 颁布了正面碰撞乘员保护，即c m v d r 2 9 4 。c m v d r 2 9 4 的适用范围是新上目录 的m 。类( m l 类车是指包括驾驶员座位在内，座位数不超过9 座的载客车辆) 基 本车型包括在生产的车型以及在生产车型基础上的改进车型) 。c m v d r 2 9 4 等效 采用了欧洲1 9 9 5 年颁布的e c e r 9 4 0 0 ，但将3 0 。斜角碰撞改为0 。正面碰撞。 另外，考虑到亚洲成年人体型分布与欧美成年人体型分布的差异，对于按照亚洲 人体标准模型设计的车辆( 尤其是微型车) ，等效采用了日本法规中前排座椅的调 整方式：对于微型车，碰撞试验时允许前排座椅后移，以保证h y b r i d i i i 型5 0 百 分位男性假人正确坐姿。 c m v d r 2 9 4 法规是我国目前最严格、最全面的碰撞安全法规，能够代表我 国强制性实施的汽车碰撞性法规。侧面法规和其它一些法规正在计划与制定中， 所以相对于发达国家来说，我国的汽车碰撞安全法规还欠完善。我国目前尚未建 硕士学位论文 立汽车与行人、骑自行车或摩托车者的碰撞保护评价方法。当然，还有儿童乘员 的碰撞保护问题、安全气囊的作用问题等。自2 0 0 6 年7 月1 日开始又有两项碰 撞标准实施，分别是：“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”。另外，还有一项推荐性标准是“乘用车正面偏置碰撞的乘员保护”， 3 5 年后很可能也会被纳入国标当中。侧面碰撞试验和追尾碰撞试验的场地要求 和车辆与正面碰撞基本相同。侧面碰撞的试验方法是将试验车辆放到台车上，台 车以2 9 k m h 的速度将试验车辆的侧面撞向柱子，撞击点有严格的要求，柱子直 径为1 0 英寸；追尾试验中的碰撞物体是固定在壁障上的模拟卡车尾部的支架， 试验车以4 8 3 k m h 的速度撞击。 1 4 汽车碰撞仿真的研究现状和趋势 世界上最早关注和重视汽车碰撞安全性的是美国。2 0 世纪3 0 年代，通用汽 车公司就开始进行翻车和固定壁碰撞试验。到5 0 年代中期，各国汽车行业普遍 开展了碰撞试验【引。 在上世纪6 0 年代人们开始了计算机模拟碰撞技术的研究。并随着计算机技 术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，汽车耐撞 性的数值分析正在逐步取代与改进部分实验室工作，给整个汽车碰撞模拟仿真的 分析和改进带来十分深刻的影响 9 】【l o 】。 2 0 世纪六七十年代，美国开发出显式有限元程序，各种算法开始成熟。8 0 年代中期第一次用有限元方法对汽车进行整车碰撞模拟仿真分析后，有限元方法 在汽车结构耐撞性分析方面的应用迅速增长。 上世纪8 0 年代至9 0 年代初是有限元方法用于汽车碰撞模拟仿真分析的初 期。由于试验条件、计算设备和分析软件的限制，汽车结构分析模型的建立相对 简单和粗糙。考虑范围只限于部分零件，分析模型的规模也不大，单元的数目一 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。 9 0 年代以来，随着计算机技术的飞速发展，如超级计算机( c r a y ) 的发展，使 得碰撞仿真分析在汽车工业方面的应用成为可能 1 l 】 1 2 】。人们在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， 第一章绪论 整个碰撞分析模型约有6 0 0 0 0 个单元。与此同时，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 、m a d y m o 、 p a m c r a s h 、r a d i o s s 等。 进入本世纪以来，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，由大量的汽车碰撞试验研究向计算机模拟技术过渡，并逐步走向二者紧密结 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元模 型规模达到了1 5 0 0 万个单元。 2 0 1 0 年4 月2 7 日，美国a l t a i r 公司宣布与福特汽车公司合作完成了对汽车 行业极为重要的一项创新技术的可行性验证，这项技术能够将整车安全碰撞仿真 的整个流程( 从整车厂原始的c a d 数据到网格划分和模型装配直到分 析完成并出报告) 缩短到2 4 小时以内。这一里程碑式的突破将可以把这种类型分 析通常所需要的时间缩短2 到4 周。这项验证中包含了c a e 仿真领域前所未有 的流程自动化程度，并将对需要经过复杂的虚拟样机测试以改进碰撞性能、客户 安全性、可靠性和质量的所有行业带来巨大的促进作用【1 3 】。 上世纪8 0 年代后期，我国对汽车被动安全性进行系统研究开始起步，开始 了汽车碰撞的计算机模拟工作。虽然受到各种条件的制约，投入的财力和人力的 限制，但经过努力也取得了一定的成果。如湖南大学的钟志华深入地探索了汽车 碰撞时接触力的计算问题，提出“防御点法”很好地解决了接触力难于计算的问 题；运用仿真技术研究了车架前纵梁局部弱化、加强和改变纵梁厚度的不同情况 下的碰撞响应 1 4 。合肥工业大学的钱立军运用计算机仿真技术研究了对铝材薄壁 直梁实施局部弱化和诱导后在轴向载荷下产生的皱褶变形，并用实验验证了仿真 的结果u 副。另外，吉林工业大学、清华大学、中国汽车技术研究中心、哈尔滨工 业大学等单位相继在计算机仿真方面开展了研究工作。随着国家安全法规的实 施，国内有多家单位相继建立了碰撞实验室：长春国家汽车技术检测中心、天津 国家汽车技术检测中心、湖南大学汽车碰撞实验室，锦州锦恒汽车安全系统公司、 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室等，它们的建立极大地促进了实车试验 与整车仿真模拟研究的结合。但是，在汽车碰撞安全方面的研究的广度和深度还 远远不够。 硕士学位论文 1 5 研究目的和意义 根据汽车发生碰撞事故时的碰撞形式大致可以分为以下三种：前碰撞、侧面 碰撞和追尾碰撞。另外还有翻车和车撞行人等，这些都属于广义的碰撞形式，由 于两者的研究情况不同，所以我们一般所说的汽车的碰撞安全性是指前面所说的 三种情况。美国曾统计过所有不同方位碰撞事故的概率，汽车发生前碰撞( 包括 偏置碰撞和正面碰撞) 的概率近4 0 ，其中正面碰撞最大达到1 6 【1 6 。可见， 汽车前方位不仅是碰撞事故的高发区而且还是乘员生命安全的高危区。因而，研 究汽车正面碰撞安全性对减轻交通事故中人员的伤害具有十分重要的意义。 随着我国汽车工业发展逐渐与国际接轨，碰撞安全法规也在不断完善，对汽 车碰撞安全性的要求不断提高。本文通过对依维柯车身正面碰撞的仿真研究，改 善了该车的耐碰撞性，为企业在设计同类车型时提高仿真数据和指导性的建议， 使产品的安全性水平得到了提高。有效地提高发生碰撞事故时对驾驶者和乘员的 保护能力，减少人员的伤亡和财产的损失。 1 6 本课题研究的主要内容 汽车碰撞安全性在很大程度上和车体结构设计有关，具有良好耐碰撞性的车 体结构能够起到很好的碰撞吸能作用以及对车内乘员的安全保护作用。在碰撞发 生时，车头部分起主要抵抗变形和缓冲吸能作用。本文采用我国现行的 c m v d r 2 9 4 中规定，依维柯车身骨架对1 0 0 重叠率的刚性固定壁障进行耐碰撞 性研究，主要内容如下： ( 1 ) 利用建模软件p r o e 建立依维柯车身c a d 数模，导入到h y p e r m e s h 软 件中进行网格划分得到车身的网格模型，利用h y p e r m o r p h 模块消除模型中不能 修复的网格交叉和穿透，建立计算精度较高的网格模型； ( 2 ) 将网格模型导入到h y p e r c r a s h 中按照国家规定建立正面碰撞刚性墙的 有限元分析模型； ( 3 ) 在理论的指导下，基于r a d i o s s 软件对依维柯车身正面碰撞刚性墙迸 行模拟仿真计算，分别得出整车碰撞变形、应力、加速度、速度随时间的变化情 况。： 第一章绪论 ( 4 ) 分析薄壁梁碰撞的吸能特性，得出不同截面形状、壁厚和诱导结构条 件影响下薄壁梁的吸能特性； ( 5 ) 以原车身碰撞仿真的分析结果为基础，运用对薄壁梁碰撞仿真出的吸 能特性，对车身底架前纵梁进行了结构改进，并将的到的结果与改进前的结果进 行对比。 硕士学位论文 第2 章汽车碰撞有限元分析的理论基础 2 1 有限元法的基本原理 有限元法是运用离散概念，假想地把连续体( 指物体或结构) 分割成有限多个 有限大小的多边形( 平面问题的二维区域) 或多面体( 为空间区域) ，这些多边形或 多面体，就称为有限元( 或称为有限单元) 。这些多边形或多面体的顶点称为节点。 各单元之间沿单元的边缘本来是整体相连的，现在认为它们彼此之间只在节点处 相连，取节点处的位移作为基本未知量。这样就把原来是无限多个自由度的体系 简化成为有限多个自由度的体系，这个过程就称为连续体的有限元离散化【1 7 】。 一个连续体通过有限元离散后变成一个离散体( 又称单元组合体) ，它是一个 和真实结构近似的力学模型，而整个数值计算就在这个离散化的模型上进行。在 每一个单元内运用变分法，即利用与原问题中微分方程相等价的变分原理来推 导，从而使原问题的微分方程组转化成为代数联立方程组，使得问题归结为解线 性方程组，由此得到数值解答u 引。 2 2 显示积分算法 汽车正面碰撞是一种结构发生大变形的碰撞过程，大变形碰撞问题通常需要 耗费大量的计算时间，如何提高求解速度是求解的主要矛盾。与常规有限元计算 不同的是，为了避免大型联立方程组求解，提高计算速度，碰撞分析软件一般采 用显式算法，其形式如下： d 肿。= 厂( d 。， d 。， 6 ) 。， d 。一。，) ( 2 1 ) 这里的 d ) 州是已知变量的函数，所以不需要迭代就可以直接得到结果，显 式算法并不需要消耗电脑的运算时间，但是这种方法的一个缺点条件必须稳定， 假如时间步长选择过低，那么结果将会变得十分不稳定，产生许多无用的解。这 个稳定性的条件称为“步长准则”，定义如下： r 毒生 心e | p ( 2 2 ) 第二章汽车碰撞有限元分析的理论基础 其中d 为最小单元的长度 e 为材料的杨氏模量 p 为材料的密度。 该式的物理意义是在此条件下，声波在一个独立步长内不可能通过网格中的 最小单元，当结构改变时它也不会改变。因此，模型中单元尺寸的大小对计算机 的求解时间影响非常大，必须适当选择。显示积分算法有如下三个基本特点： ( 1 ) 非线性分析的每个时间步长，模型的刚度矩阵都在不断变化，一般的分 析方法必须连续更新刚度矩阵并求解