（机械设计及理论专业论文）基于lsdyna的电动汽车正面碰撞仿真研究.pdf

基于l s - d y n a 的电动汽车正面碰撞仿真研究 摘要 随着国家对电动汽车产业的大力扶持，我国电动汽车的保有量不断增加。 伴随着电动汽车产业的发展，电动汽车安全问题日益凸显其重要性。由于电动 汽车在动力组成上不同于传统的燃油汽车，电动汽车的被动安全问题有其特殊 性，除了需满足传统汽车的安全标准外，电动汽车的被动安全还需考虑电池的 安全性。 本文使用成熟的显式动力分析软件l s d y n a 对电动汽车正面碰撞进行了 仿真研究。模拟电动汽车以4 8 k m h 的速度垂直撞向刚性墙。使用强大的有限 元前处理软件h y p e r m e s h 对几何模型进行网格划分。有限元模型中分别使用 点焊功能和节点耦合的方法模拟车身焊接及电池与底架的螺栓连接。设置合适 的时间步长因子和局部弹性刚度控制c p u 时间和沙漏变形。 使用a n s y s 自带的处理器查看变形及位移曲线、速度曲线和加速度曲线。 由能量变化曲线观察动能和内能的转换情况及对沙漏能的控制情况。选取合适 的节点考察前端电池及车门的变形量从而判定前端电池的安全性及车门的变形 是否在可接受范围之内。依据仿真结果对底架结构进行了改进，对改进后的车 身进行了正面碰撞仿真，仿真结果表明改进后的底架结构能有效地提高驾驶室 处底架的刚度，减小横梁的弯曲变形，将车门的变形量控制在可接受范围内。 本文最后采用拓扑优化的方法对底架进行了改进。拓扑优化后模型的仿真结果 表明新模型耐撞性较原模型及先前改进的模型均有不同程度地提高。 关键词：电动汽车；正面碰撞；l s d y n a ；仿真 r e s e a r c hi ns i m u l a t i o no fe l e c t r i cv e h i c l e sf r qintreseal m u 1 1 l c l esr o n tv e 7 c o l l i s i o nb a s e do nl s d y n a a s e t l0 nly a bs t r a c t w i t ht h ec o u n t r y ss u p p o r to fi n d u s t r yo fe l e c t r i cv e h i c l e ，t h en u m b e ro ft h e e l e c t r i cv e h i c l ei sg r a d u a l l yi n c r e a s i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r yo f e l e c t r i cv e h i c l e ，e l e c t r i cv e h i c l e s s a f e t ys h o w st h ei m p o r t a n c e b e c a u s ee l e c t r i c v e h i c l e si nt h ec o m p o s i t i o no fp o w e ra r ed i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lr u e lv e h i c l e ， p a s s i v es a f e t yp r o b l e mo fe l e c t r i cv e h i c l eh a si t sp a r t i c u l a r i t y , i na d d i t i o nt ot h e n e e dt om e e tt h es a f e t ys t a n d a r d so ft h et r a d i t i o n a lv e h i c l e ，e l e c t r i cv e h i c l e s p a s s i v es a f e t yn e e dt oc o n s i d e rt h es a f e t yo f t h eb a t t e r y t h ea r t i c l eu s e se x p l i c i td y n a m i ca n a l y s i ss o f t w a r el s - d y n a t os i m u l a t e e l e c t r i cv e h i c l ef r o n tc r a s h t h ee l e c t r i cv e h i c l ec r a s h e si n t oar i g i dw a l li nt h e s p e e do f4 8 k m h u s et h ep o w e r f u lf i n i t ee l e m e n tp r e p r o c e s s i n gs o f t w a r e h y p e r m e s ht om e s hg e o m e t r ym o d e l s p o t w e l df u n c t i o na n dn o d ec o u p l e d m e t h o dc a ns e p a r a t e l ys i m u l a t et h eb o d yw e l d i n ga n db o l t e dc o n n e c t i o n sb e t w e e n b a t t e r ya n dc h a s s i si nf i n i t ee l e m e n tm o d a l s e tt h ea p p r o p r i a t et i m es t e ps i z ef a c t o r a n dl o c a lh o u r g l a s sc o e f f i c i e n tt oc o n t r o lc p ut i m ea n dh o u r g l a s sd e f o r m a t i o n u s ep o s tp r o c e s s o ri na n s y st ov i e wt h ed e f o r m a t i o na n dd i s p l a c e m e n tc u r v e ， v e l o c i t yc u r v ea n da c e e l e r a t i o nc u r v e a c c o r d i n gt oe n e r g yc u r v e ，o b s e r v et h e t r a n s i t i o nb e t w e e nk i n e t i ce n e r g ya n di n n e re n e r g ya sw e l la st h ec o n t r o lo ft h e h o u r g l a s se n e r g y 。s e l e c tt h ea p p r o p r i a t en o d e s t oo b s e r v et h ed e f o r m a t i o no ft h e f r o n tb a t t e r ya n dd o o ri no r d e rt od e t e r m i n ew h e t h e rt h eb a t t e r yi ss a f ea n dt h ed o o r d e f o r m a t i o ni sw i t h i na c c e p t a b l er a n g e i m p r o v et h ec h a s s i ss t r u c t u r ea c c o r d i n gt o s i m u l a t i o nr e s u l t s m a k ef r o n t a lc r a s hs i m u l a t i o nt oi m p r o v e db o d y ，s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e dc h a s s i ss t r u c t u r ec a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h e s t i f f n e s so ft h ec h a s s i si nt h ec a b ，r e d u c et h eb e a mb e n d i n ga n dc o n t r o lt h e d e f o r m a t i o no ft h ed o o rw i t h i na l la c c e p t a b l er a n g e f i n a l l y , t h et o p o l o g y o p t i m i z a t i o nm e t h o do n t h ec h a s s i sh a sb e e na p p l i e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ec r a s h w o r t h i n e s so fn e wm o d a li ss t r o n g e rt h a nt h a to ft h eo r i g i n a lm o d e la n d t h ep r e v i o u si m p r o v e dm o d a l k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ；f r o n tc r a s h ；l s d y n a ；s i m u l a t i o n 致谢 研究生期间的学习就快结束了，我的论文的顺利完成离不开三年来导师、 同学、朋友和亲人的关心和支持。在此，我首先要向我尊敬的导师一一曹文钢 老师表示衷心的感谢，感谢曹老师三年来对我学业上的谆谆教诲，生活上的细 致关怀，人生上的无私指点，可以说曹老师不仅是我学习上的老师，更是我人 生的导师，曹老师的一言一行令我终生受益。 感谢吕新生、王晓枫、张晔、余新炀等老师对我的关心和指导。 感谢张红旗，姜康，黄国兴，陈帝江，邓磊，范超，宋军，吴海龙，程五 四，章亮亮，王友成，吴家强，张乃鹏，曹昌胜，李政宏等师兄弟在我研究生 期间所给予的帮助。 感谢我的母亲和姐姐，感谢她们这么多年来在精神和物质上给予我的无私 支持，她们的关怀和鼓励是我永不言败，勇往直前的动力。在此，对她们这么 多年的无私奉献致以最真挚的感谢。 感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友们。 作者：侯永康 2 0 1 2 年4 月 插图清单 图1 1 美国碰撞事故的概率分布3 图1 2 日本交通事故不同撞击部位死亡人数分布一3 图2 1 物体运动示意图9 图2 2 边界条件示意图1 2 图3 1a n s y s l s d y n a 文件系统1 6 图3 2l s d y n a 分析流程1 7 图4 1 轻型电动汽车传动方案2 3 图4 2 二维设计图2 3 图4 3 整车三维模型2 4 图4 4 处理后的几何模型2 4 图4 5 电动汽车有限元模型2 6 图4 6 点焊约束一2 9 图4 7 节点耦合2 9 图4 8 正面碰撞试验3 0 图4 9 碰撞仿真有限元模型3 0 图5 1 电动汽车碰撞过程阶段变形图3 7 图5 2 最大位移时间历程曲线一3 8 图5 3 前端横梁和电池上的测量点3 9 图5 - 4 前端横梁测量点位移曲线一3 9 图5 5 电池测量点位移曲线3 9 图5 - 6a 柱和b 柱上的测量点4 0 图5 7a 柱测量点y 方向位移时间历程曲线4 0 图5 8b 柱测量点y 方向位移时间历程曲线4 1 图5 - 9b 柱测量点y 方向速度时间历程曲线4 1 图5 1 0b 柱下端测量点y 方向加速度时间历程曲线4 2 图5 1 1 能量变化曲线图4 3 图5 1 2 改进后的电动汽车有限元模型4 4 图5 1 3 改进后的电动汽车碰撞过程阶段变形图一4 5 图5 1 4 改进后车身最大位移时间历程曲线4 6 图5 1 5 改进后车身a 柱测量点y 方向位移时间历程曲线图4 6 图5 1 6 改进后车身b 柱测量点y 方向位移时间历程曲线图4 7 图6 1 底架拓扑优化几何模型一4 8 图6 2 拓扑优化有限元模型4 9 图6 3 密度云图一5 0 图6 4 由拓扑优化结果改进后的底架模型5 0 图6 5 拓扑改进后电动汽车正面碰撞阶段性变形图5 1 图6 - 6 拓扑优化后车身最大位移时间历程曲线5 2 图6 7 拓扑优化后车身a 柱测量点y 方向位移时间历程曲线5 3 图6 8 拓扑优化后车身b 柱测量点y 方向位移时间历程曲线5 3 表格清单 表1 1 纯电动汽车碰撞安全法规5 表3 1a n s y s l s d y n a 显式分析单元类型1 5 表3 2 接触类型一18 表4 1 电动汽车设计要求一2 2 表4 2 电动汽车主要部件质量数值2 7 表4 3 单元说明一2 7 表4 4 材料属性的设置2 8 表4 5 常见关键字一3 5 第一章绪论 1 1 课题背景 长久以来，传统的燃油汽车一直存在一些不可避免的问题，如对石油能源 的过度消耗，环境污染，特别是对空气的污染。截至2 0 1 1 年8 月底，根据公安 部交管局公布的最新数据，我国汽车保有量首次突破l 亿辆，仅次于美国，位 居世界第二。中国的汽车保有量巨大，但新能源汽车所占比例很低。截至2 0 11 年7 月，工信部在北京召开的节能与新能源汽车示范推广工作会议上表示目前 在我国的2 5 个试点城市中，节能与新能源汽车的总保有量仅1 万多辆。 随着中国经济的快速发展，我国汽车保有量还以较高的增长率增长。以 2 0 0 9 年和2 0 1 0 年的数据为例，截至2 0 1 0 年底，全国汽车保有量为9 0 8 5 9 4 3 9 辆，与2 0 0 9 年底相比，增加了1 4 6 6 6 3 8 4 辆，增长1 9 2 5 l j j 。如此巨大的燃油 汽车保有量为我国的经济环境带来巨大的压力。以两亿辆的机动车保有量计算， 中国每年燃油消耗超过1 5 亿吨。中国自产石油能力有限，2 0 1 0 年中国石油产 量为2 0 3 0 1 万吨，占全年石油消耗量的4 5 ，对外依存度为5 5 ，超过一半的 石油消耗依赖进口。随着我国汽车保有量的增长，石油消耗也逐年增加，2 0 1 0 年石油消耗量比2 0 0 9 年增长1 2 3 ，除了石油消耗量的增长，我国石油对外依 存度也逐年提升，我国石油对外依存度2 0 0 8 年突破5 0 ，2 0 0 9 年达到5 3 ， 2 0 1 0 年达5 5 ，预测2 0 2 0 年我国石油对外依存度将超过6 0 。众所周知，石 油是一种不可再生的能源，地球上石油的存储量是有限的，根据全球已探明的 石油储存量和目前每年的石油消耗量，地球上的石油储备预计还能维持3 0 年左 右，因此如果我国长期对石油能源保持高度的需求和对外依存度将严重制约我 国经济社会的发展。除了能源对燃油汽车发展的制约外，燃油汽车对空气的污 染是燃油汽车的另一重大弊端。近些年来，燃油汽车尾气排放是我国城市空气 污染的重要污染源，我国大中城市的空气主要污染源已经由煤烟型污染转变为 汽车尾气污染。汽车尾气排放中对人体有害污染物的主要成分包括一氧化碳、 氮氧化合物、二氧化硫及固体颗粒( 铅及铅化物) 【2 j 。汽车尾气除了对人体造 成伤害外，汽车尾气中的二氧化碳还会加剧地球的温室效应。 新能源汽车可以规避传统燃油汽车的上述弊端，电动汽车是新能源汽车的 主要发展方向之一。电作为一种可再生的清洁能源，可以从多种一次能源获得， 如煤、水力、风力、太阳能、核能，因此电动汽车的动力来源不像传统的燃油 汽车那样存在石油能源枯竭的担忧。有研究表明，原油粗炼后，供电厂发电， 再将电充入电池，由电池驱动汽车，其能量利用效率比同等的原油经过精炼变 为汽油，再由汽油发动机驱动汽车高，因此单纯地从石油利用效率的角度考虑 电动汽车也比燃油汽车的能源利用率高。电动汽车本身不排放污染大气的有害 气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显 著减少，发电厂多位于城市的郊区，远离人口密集的市中心，因此发电厂排放 的污染物对人的直接伤害小，排放的污染物相比较于汽车污染物而言也易于控 制。 由于电动汽车有上述的诸多优点，近几年来电动汽车发展极为迅速。摩根 大通2 0 0 9 年的一份研究报告表明：2 0 2 0 年全球电动汽车的销售量约1 1 0 0 万辆 p j 。电动汽车的研发成为我国汽车工业的一大热点，国家对电动汽车的发展也 高度重视，鼓励汽车厂商发展电动汽车，并对有资历的厂商给予了资金支持和 政策优惠。截至目前，在公共交通领域示范推广的各类电动汽车超过1 4 0 0 0 辆， 总里程数超过5 0 0 0 公里，载客约9 0 亿人次f 4 】。“十二五”期间，科技部与交通 部等部门将通过整合国家重点研究发展计划( “9 7 3 ”计划) 、高技术研究发展计 划( “8 6 3 ”计划) 和科技支撑计划等资源组织实施电动汽车科技发展“十二五” 专项规划【5 】。本课题来源于某汽车企业对“电动汽车关键技术与系统集成( 一 期) ”重大项目若干课题的申报工作，研究内容为电动汽车的被动安全性。 1 2 电动汽车正面碰撞仿真的意义 汽车的碰撞安全性能与驾乘人员的人身财产安全紧密相关，至关重要。各 国对汽车的碰撞安全性能都有严格的法规。各大汽车厂商在汽车的设计上也注 重汽车的碰撞安全性能，在结构设计、材料选择上都考虑汽车的碰撞安全性能 使之满足法规的要求或高于法规规定的标准。依照中国新车评价规程c n c a p ( c h i n a n e wc a ra s s e s s m e n tp r o g r a m ) ，汽车的碰撞安全性评估包括1 0 0 正面 碰撞，4 0 正面偏置碰撞和侧面碰撞。根据美国的一份统计资料显示，正面碰 撞的发生概率大约4 0 ，其中1 0 0 正面碰撞概率为1 6 ，见图1 1 1 6 j 。日本的 一份统计数据显示日本每年死于正面碰撞的人数占交通事故总死亡人数的 7 1 6 ，其中死于1 0 0 正面碰撞的人数占交通事故总死亡人数的4 8 2 ，见图 1 2 【7 1 。在我国，死于正面碰撞事故的人数最多 8 1 。由此可见，正面碰撞的危险 系数大，对驾乘人员的人身安全造成巨大的威胁。因此，各国碰撞试验把正面 碰撞形式作为主要研究对象，研究汽车正面碰撞的耐撞性对降低交通事故死亡 人数意义重大。在我国，对汽车安全性的研究落后于发达国家，这已成为制约 我国汽车工业和交通运输业发展的瓶颈之一，因此在我国开展汽车安全性研究 显得格外的重要而紧迫。 2 l1 o 、 l6 。0 。 广 l2 0 7 溅 王 6 - 5 。 5 o il“丹 t 7 0 f 7 o 笼 ，12 0 x f i gl ip r o b a b i l i t yo f i m p a c ta c c i d e n ti na l lk i n d so fi n j u r e d 巧8 2 图1 1 美国碰撞事故的概率分布 1 哇“ 1 0 - 住 一 一 一 l卜 i o 。蛐 12 6 图1 2 日本交通事故不同撞击部位死亡人数分布 汽车的碰撞安全性研究有两种方法：一种是实车碰撞试验，另一种是通过 计算机模拟汽车的碰撞过程。早期由于计算机水平落后，因此对汽车碰撞安全 性的研究主要采用试验的方法【9 】，试验的方法虽然贴近真实，可靠性高【l0 1 ，但 对场地设备的要求高，投入大，成本高，危险系数大，且可重复性差。计算机 仿真法弥补了试验法的不足，具有快速、逼真、安全、成本低、可重复等一系 列优点。在现代汽车设计过程中，计算机仿真法常常作为试验法必不可少的补 充，特别在前期设计阶段发挥了重要作用。 随着近几年国家8 6 ：3 计划电动汽车重大项目的开展，我国电动汽车的发展 进入了快车道。但相比较于传统燃油汽车而言，电动汽车在我国的发展毕竟还 是近几年的事，时间短，技术相对不成熟，对汽车碰撞安全性的研究也主要针 对传统的燃油汽车，电动汽车的碰撞安全性研究少，有待深入。虽然传统汽车 的碰撞仿真研究成果对电动汽车的碰撞仿真研究有巨大的借鉴意义，但电动汽 车的碰撞安全性有自身的独特之处。由于电动汽车的动力来源于若干电池块组 成的电池组，因此电动汽车的碰撞安全性除了要考虑碰撞后汽车变形造成的安 全生存空问问题，还要考虑电池组的安全，包括电池组的变形和位置变化( 如 是否侵入乘客舱，是否会摆脱电池舱的束缚飞出) 、电解液的泄漏以及是否会发 生爆炸等，由此可见，电动汽车的碰撞安全性相对传统汽车而言有了更高的要 求。综上所述，电动汽车的碰撞仿真研究有着较大的现实意义。 1 3 电动汽车碰撞安全性标准 电动汽车的碰撞试验除了要满足传统燃油汽车的各项规定以外，还要满足 专门针对电动汽车颁布的法规。我国在2 0 0 3 年1 1 月2 7 日发布了g b1 15 5 1 - 2 0 0 3 乘用车正面碰撞的乘员保护，规定了正面碰撞时前排座椅乘员保护方面的试 验方法和技术要求。此外，2 0 0 6 年中国汽车技术研究中心在参考国外n c a p ( n e wc a ra s s e s s m e n tp r o g r a m 新车评价规程) 的基础上发布了中国新车评价 规程c n c a p 。c n c a p 是按照比我国现有强制性标准更全面和更严格的要求 进行碰撞安全性测试的一个规程。我国在2 0 0 1 年颁布了纯电动汽车的碰撞安全 性法规g b t1 8 3 8 4 1 2 0 0 1 ，在2 0 0 5 年颁布了混合动力电动汽车的碰撞安全性 法规g b t1 9 7 5 1 - 2 0 0 5 ，本文研究的对象为纯电动汽车，依据的法规为g b t l8 3 8 4 1 2 0 0 1 。g b t18 3 8 4 1 - 2 0 0 1 包括四项内容：乘员保护、第三方保护、防 止短路和过电流断开装置，具体的规定见表1 1 。 4 表1 1 纯电动汽车碰撞安全法规 中国( 纯电动汽车) g b t1 8 3 8 4 1 - 2 0 0 1 编 号 项目要求 动力蓄电池或蓄电池包安装在乘客舱的外部，动力蓄电池、 蓄电池包或其部件( 蓄电池模块、电解液) 不得穿入乘客 动力蓄电池 舱内。 乘 包穿入 贝 动力蓄电池或蓄电池包安装在乘客舱的内部， 1 保 护 动力蓄电池、蓄电池包的任何移动应确保乘客安全。 碰撞试验期间，电解液溢出不能超过5 l 。 电解液溢出 碰撞试验期间和试验后，均不能有电解液进入乘客舱。 动力蓄电池、蓄电池包或其部件( 蓄电池模块、电解液) 不能 2第三方保护 由于碰撞而从车上甩出 3防止短路应防止造成动力电路的短路 动力蓄电池的过电流应能在任何情况下工作。该装置应能在车 辆制造厂规定的过流、与动力蓄电池连接的电路出现短路的情 4过电流断开装置况下，自动断开与动力蓄电池的连接电路。该装置的响应时间 应由车辆制造厂根据动力蓄电池参数、动力蓄电池和电路发生 过流或短路的防护方式来确定。 1 4 电动汽车碰撞仿真研究现状 计算机硬件和软件的发展促进了汽车碰撞仿真的研究，应用有限元方法在 计算机上实现对复杂碰撞问题的仿真。现在成熟且应用广泛的用于汽车碰撞分 析的有限元软件包括l s 。d y n a 、r a d i o s s 、p a m c r a s h 和v p g 。l s - d y - n a 是目前世界范围内发展最早、理论最成熟、方法最完善、能够同时进行显式和 隐式分析且在汽车业中用户最多的非线性有限元分析软件。r a d i o s s 是一种非 线性有限元求解器，是美国a l t a i r 公司的c a e 平台h y p e r w o r k s 中的一个重要 模块。p a m c r a s h 是法国e s i 开发的主要基于显式有限元算法的三维碰撞仿 真系统，适用于大位移、大应变、大旋转和接触碰撞等问题。虚拟试验场v p g ( v i r t u a lp r o v i n gg r o u n d ) 是美国e t a ( e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g ya s s o c i a t e s ) 公司长期总结汽车有限元分析方面的工作经验，基于l s d y n a 软件平台开发 而成，是美国l s t c 、e t a 和a n s y s 三家公司合作完成的专门应用于汽车工 程方面的软件。2 0 0 1 湖南大学在钟志华教授的带领下研制成功了我国首套汽车 安全碰撞仿真软件，该软件仿真模拟参数与汽车实物碰撞结果基本吻合。 美国是世界上最早开展汽车碰撞仿真研究的国家，在上世纪6 0 年代开始研 究计算机模拟碰撞技术，7 0 年代美国开始应用计算机辅助分析交通事故【1 1 1 。 我国在上世纪末才开展了一些汽车碰撞过程计算机模拟方面的工作，经过十几 年的发展，我国的汽车碰撞仿真研究取得了长足的发展，但由于电动汽车在我 国的发展时间短，对电动汽车的碰撞仿真研究较少，这方面的资料也很有限。 上海大学对四驱微型电动汽车的正面碰撞仿真及其耐撞性进行了研究。使 用u g 建立四驱电动汽车的整车几何模型，导入a n s y s 后使用a n s y s 中的 l s d y n a 计算汽车以4 0 k m h 的初始速度发生正碰的结果。结合四驱微型电动 汽车的结构特点，研究了吸能性、变形、位移和加速度四项指标，根据计算结 果对原模型进行了结构改进，提高了四驱微型电动汽车的耐撞性。但研究未对 电池进行模拟，没有研究碰撞中电池的安全性。 武汉理工大学建立了较为完整的电动汽车整车模型，使用h y p e r m e s h 软 件对导入的几何模型进行网格划分，并对焊点位置使用焊点模拟单元对电动汽 车的各焊接部分进行连接。使用l s d y n a 软件模拟电动汽车以初始速度 5 0 k m h 与刚性墙的正面碰撞过程，对碰撞后车身的变形、应力、加速度以及能 量变化进行了分析，并将仿真结果与实车试验数据进行对比，两者基本吻合。 但研究将燃料电池简化为刚体，即认为电池在碰撞过程中不发生形变，这种处 理方式有待商榷。 湖南大学在钟志华教授的带领下设计了一种新型结构电动汽车，即菱形电 动汽车，菱形电动汽车的前后结构存在一定的角度，这样汽车在正碰和后碰时 能够防止相互碰撞顶死n 引。菱形电动汽车采用带有底架的非承载式车身结构， 故主要研究底架的耐撞性，重点研究了电池架的变形，分析电池架是否能够对 电池提供有效约束从而确保电池的稳定，碰撞形式包括正面碰撞、侧面碰撞和 后碰撞三种。 同济大学朱西产教授就计算机碰撞模拟技术在电动汽车安全性研究方面的 应用发表了一篇综述性文章【1 3 】，系统阐述了计算机碰撞模拟技术应用于电动汽 车碰撞性能分析和安全性设计的意义，并阐述了建立电动汽车碰撞仿真模型的 一般方法。 由于我国在汽车碰撞计算机仿真方面起步较晚，在模型的建立、参数的选 择以及计算机有限元仿真算法等方面的工作仍有待进一步深入。汽车碰撞模拟 中缺乏假人模型，这应该是以后碰撞模型中应该考虑完善的重要内容之一。对 电池在碰撞中的安全性考虑不足，很多研究忽略电池受碰后的变形，仅仅把电 池作为刚体处理，这样无法体现电动汽车碰撞安全性分析的独特之处。 1 5 研究内容 本课题主要研究内容包括以下几个方面： 6 ( 1 ) 建立电动汽车正面碰撞有限元模型 综合考虑电动汽车各部件对碰撞结果的影响和现有计算机硬件条件，对电 动汽车整车模型合理简化并建立车身有限元模型，对电动汽车的各部件选择合 适的单元类型、单元尺寸和材料属性。建立刚性墙和刚性地面的有限元模型。 ( 2 ) 合理设置电动汽车碰撞参数 选择合适的接触类型，选择合理的弹性刚度，时间步长因子及摩擦系数， 保证求解的准确性和控制求解时间。 ( 3 ) 碰撞结果分析和结构优化 考虑多个物理量对碰撞结果进行分析，包括能量、位移、变形和加速度。 单一的物理量分析很难全面地展现电动汽车碰撞的剧烈程度和承受碰撞的能 力。根据仿真结果分析电池的安全性、车门的变形量及驾驶室内乘员的安全生 存空间。对原模型的不足之处进行改进并分析改进后车身的碰撞性能。 7 第二章电动汽车碰撞仿真有限元理论 2 1 有限元方法简介 有限元法( f e a ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ) 诞生于2 0 世纪中叶，计算机技 术和计算方法的发展使有限元法成为工程分析中最常用的方法，几乎适用于求 解各种物理场的问题n 钔。有限元法的思想是将连续体离散为有限单元的集合， 单元与单元之间仅通过节点相连接，即用有限单元的集合替代原来具有无限个 自由度的连续体。有限元法求解实际问题是将整个求解域划分成有限个在节点 处互相连接的子域，每一个子域即为一个单元，在每一个单元内，假设一个近 似函数，分片地表示求解域上需求解的未知场函数，单元上的近似函数是由未 知场函数或其导数在各个节点的值和其插值函数表示。其中，各个节点上的未 知场函数和导数数值是需要求解的未知量，计算出这些未知量后，由插值函数 求解出单元的场函数值，从而求得求解域上的最终解n 5 1 。有限元法适用于具有 复杂的几何形状、材料属性和边界条件的问题，再加上有成熟的大型c a e 软件 系统的支持，有限元法已成为应用最广、最受欢迎的数值计算方法刚。 2 2 碰撞仿真有限元理论 2 2 1 碰撞问题的数学描述 汽车碰撞属于大变形问题，根据非线性连续介质力学，描述大变形问题的 方法主要有拉格朗日( l a g r a n g e ) 法、欧拉( e u l e r ) 法和任意拉格朗日一欧拉 ( a l ea r b i t r a r yl a g r a n g e e u l e r ) 法。欧拉法主要用于求解流体力学问题， 固体领域中的应用较少。a l e 法是将拉格朗日法和欧拉法有机地结合，因此也 称为耦合拉格朗日一欧拉描述，a l e 法主要适用于求解流体和结构相互作用问题 及固体领域中的特大变形问题，高速碰撞问题描述就是其主要应用方向之一， 但a l e 法计算较为复杂，在实际工程应用中不易实现n7 l 。l a g r a n g e 法是目前描 述固体碰撞问题最成熟应用最广的方法，在应用l a g r a n g e 法描述的有限元法 中，计算网格被固定在物体上能够随物体一起运动，即在物体的变形过程中网 格点和物质点始终重合，也就是说，网格点和物质点之间不存在相对运动。这 样，l a g r a n g e 法可以跟踪质点的运动轨迹，准确描述物体的移动，对接触滑移 的描述也十分便利，适合处理碰撞过程中复杂的边界条件，也大大简化了控制 方程的求解过程。本文碰撞描述采用l a g r a n g e 法，因此重点阐述l a g r a n g e 法 的内容。 在阐述拉格朗日法之前，先介绍物体的变形描述。物体的变形即物体从一 种形态变换到另一种形态，物体的变形可以用质点的坐标变换来描述，因为物 体是由质点构成的。图2 1 为物体运动示意图n 引。 8 图2 1 物体运动示意图 在直角坐标系中，假设t = 0 时刻物体的初始状态为b o ，b o 称之为初始构型。 在某一瞬间，物体在空间所占据的区域称为物体的构型19 1 。经过t 时间后，其 形状为b ，称为现时构型。设b o 中任意某质点的坐标为( q ，a 2 ，a s ) ，质点随着 时间的推移而移动，在同一坐标系中，任意时间t 后，质点的位置变换为 = t ( q ，a 2 ，a s ，f ) ，( f = 1 , 2 ，3 ) ( 2 - 1 ) 如果这个方程对物体的每个质点都是已知的话，我们就知道整个物体的运 动随时间变化的过程。从数学的角度来看，方程( 2 1 ) 确定了把t 作为参数从区 域b o ( a l ，a 2 ，a s ) 至ux eb ( 五，x 2 ，毛) 的变换或称为映射。如果映射是连续的和一 一对应的，即对于每个点( q ，口2 ，c z 3 ) 有一个且只有一个点( ，x 2 ，毛) 与之对应， 反之亦然，并且b o ( a i ，a 2 ，口3 ) 中的相邻诸点映射到b ( 五，x 2 ，而) 中的相邻诸点， 那么函数x i ( a t ，a z ，a s ，t ) 必定是单值、连续和连续可微的，同时在区域b o 中雅 可比( j a c o b i ) 行列式必定不等于零。上述以q ，c 2 ，巳和时间t 作为独立变量描 述物体运动或变形，称为物质描述或拉格朗日描述，a 1 ，t 2 2 ，强和t 称为拉格朗日 变量。拉格朗日描述是在初始构型的基础上来研究质点在空间坐标系中的运动 规律，即以已知的初始构型为参考状态研究质点的运动【2 们。 在物质描述中，质点( q ，口2 ，a 3 ) l 挞度和加速度分别为： _ ( q ，哆，呜，f ) = 杀l ( 口l ，口2 ，口3 ) ( 2 2 ) ( q ，哆鳓f ) - 鲁k 一亟l 叫 ( 2 - 3 一a 2i ( q ，口2 ，码 物体在变形过程中应满足一系列的条件，包括三大守恒：质量守恒、能量 守恒和动量守恒及一些边界条件。 质量守恒可以表示如下：令p o ( a ) 表示t = 0 时刻( 口l ，口2 ，口3 ) 处的密度，称为初 9 始质量密度。令p ( x ) 表不( j c l ，x 2 ，x 3 ) t 也的物质密度，称为当前质量密度。在t = o 时，体积v 中包含的物质质量为l 岛o ) 幽呶也，t 瞬间的物质质量为 f p ( x ) d x l d x 2 d x 3 。根据质量守恒有： j i o 岛( 口) 血心如= i p z ) 也噍如 ( 2 - 4 ) 式中两个积分遍布在相同的质点上。由： 王p ( x ) 血血如= j l b p ( x ) | 考卜如如 ( 2 引 式中l 挑a 吩i 是雅可比行列式。 ，、 l 出f l = ，i j 氓 a 吼 融2 | a a l 沁 a 吨 氓 a a ) c 2 a a 2 融3 a q 2 挑a 吩 a ) c 2 硇3 鸥 8 n 3 ( 2 6 ) 式( 2 - 4 ) 的左侧与式( 2 - 5 ) 的右侧相等，此结果对任一个区域必定有效， 故被积函数必定相等，即： 们却斟 7 ， 类似地 砸h 蚓 8 ， 最终质量守恒方程可以表示为： p = 风j ( 2 - 9 ) = l 弛i 称为密度变化系数，即雅可比行列式。式( 2 9 ) 把物体不同 位形的密度和从一个位形向另一个位形的变换联系起来2 1 1 。 能量守恒定律即热力学第一定律，这里给出考虑所有能量和功的连续介质 的能量守恒表达式。连续介质的能量包括三种形式：动能k 、势能g 和内能e ， 即有： 能量= k + g + e ( 2 - 1 0 ) 根据热力学第一定律：系统的能量变化可以通过传热q 和做功w 来实现， 1 0 能量= q + w ( 2 11 ) 从导数的角度考虑，式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 右侧的变化率相等，即： 瓦d ( k + g + 司= 玉方( 2 - 1 2 ) 式中q 和形为q 和形的变化率。 能量守恒方程的最终形式为： p 等一要+ ( 2 - 1 3 ) 式中：p 为物体的密度，忍为热通量矢量，为对称张量，为应变率张 量。具体的推导过程见参考文献【2 2 1 。 动量守恒方程表示为： 如= p f , + ，_ ， ( 2 - 1 4 ) 式中：p 为物体的密度，薯为加速度，z 为体积力，为柯西( c a u c h y ) 应力张量。 参照图2 2 ，应满足的边界条件2 3 】如下： 应力边界条件： 呀_ = 互 ( 2 - 1 5 ) j - - 1 式( 2 1 5 ) 为应力边界s 1 面上的应力边界条件，其中，为对称张量，v j ( j = l ，2 ，3 ) 为边界s 1 面的外法线方向余弦，互( i = l ，2 ，3 ) 为面力载荷。 位移边界条件： 。 t = 墨( f ) ( 2 - 1 6 ) 式( 2 1 6 ) 为位移边界s 2 面上的位移边界条件，其中，蕾的含义同式( 2 1 ) ， 置( f ) 为给定的位移函数。 滑动接触面接触内边界条件： ( + 一一) _ = o ( 2 17 ) 户l 式( 2 。1 7 ) 表示为当+ = 一时即发生接触，沿滑动接触边界s o 面上的接 触内边界条件。 x 3 。魍 2 c 2 x 1 。x 1 ， 图2 - 2 边界条件示意图 a p 2 2 2 显式时间积分算法 l s d y n a 同时具有显式求解和隐式求解两种功能。隐式求解用于结构非 线性静力分析，隐式时间积分不考虑惯性效应，可以用于计算固有频率和振型。 显式时间积分用于求解非线性动力问题，可以用于模拟各种复杂的几何非线性 ( 大应变、大位移和大转动) 、材料非线性和接触非线性，汽车碰撞是典型的高 度非线性动力问题，同时具备上述的三种非线性类型，所以汽车碰撞问题的求 解很显然使用显式时间积分算法。 l s d y n a 显式时间积分【2 4 】使用中心差分法，计算t 时刻的加速度公式如 下： ) = m _ ( e 口 一 互加 ) ( 2 1 8 ) 式中：q 为t 时刻的加速度，m 为质量，f 荭为外力矢量，e m 为内力矢 量，互坍可以由下式表示： 吒狲f 坛 + f q 式右侧三项分别为当前时刻单元应力场等效节点力， 节点的速度和位移可由下式求得： 匕+ ，2 ) = k 一垃，2 ) + q ) ( 2 1 9 ) 沙漏阻力和接触力。 “，+ 址) = 咋) + v f + 垃，2 a t t + ，2 式中：缸删2 = o 5 ( 缸+ 缸+ ，) 初始构型加上位移增量得到新的几何构型，即： + 址) = 而) + + 垃) 显式时间积分采用变步长积分法，即时间步长是变化的， 1 2 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 每一时刻的积分 时间步长由当前网格中的最小单元决定，而且显式时间积分的时间步长小，所 以显式时间积分用于瞬态问题分析。显式时间积分如果要保证收敛，每一时刻 的积分时间步长必须小于等于临界时间步长，即： 一， a t a t = 二 (2)o, 2 3 一 戤 式中：f c ，为临界时间步长，w m 敬为系统的最高固有频率。 2 3 本章小结 本章简要的介绍了有限元方法，重点介绍了有限元法求解问题的思想。阐 明了汽车碰撞问题的性质，属于高度非线性动力问题，包括几何非线性( 大变 形、大位移) 、材料非线性和接触非线性。介绍了大变形问题的数学描述，包括 拉格朗日( l a g r a n g e ) 法、欧拉( e u l e r ) 法和任意拉格朗日一欧拉( a l ea r b i t r a r y l a g r a n g e e u l e r ) 法，本文采用拉格朗日法，所以详细介绍了拉格朗日法对固 体变形问题的描述。介绍了通用显式非线性动力分析软件l s d y n a 对汽车碰 撞问题的求解算法，即采用显式时间积分，介绍了显式时间积分求解某时刻的 加速度、速度和位移的公式，并给出了显式时间积分收敛条件对时间步长的要 求。 第三章a n s y s l s d y n a 简介及碰撞仿真关键问题 本研究使用a n s y s l s d y n a 分析程序。l s d y n a 是一个以显式分析为 主，隐式分析为辅的通用非线性动力分析有限元程序，适用于求解各种二维、 三维结构的高速碰撞、侵彻和爆炸冲击等非线性动力问题【2 5 1 。 3 1a n s y s ，l s d y n a 简介 3 1 1a n s y s l s d y n a 概况 1 9 7 6 年，l s d y n a 在美国三大国防实验室之一的l a w r e n c el i v e r m o r e n a t i o n a