（车辆工程专业论文）双层公路客车正面碰撞车身结构强度分析及耐撞性研究.pdf

s t r e n g t h a n a l y s i sa n d c r a s h w o r t h i n e s sr e s e a r c ho f d o u b l e - - d e c k e rc o a c h b o d ys t r u c t u r ef r o n t a li m p a c t ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l iq i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f s h e nf u l i n c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 0330删3 7，iiiily 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 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。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：害；丢 扫参年r 月认日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：窖；数伽凸年j 、月讼e t 导师龇p 中加口矽日 摘要 伴随着社会经济的持续快速发展和道路条件的逐步改善，客车保有量急剧增加，车 速不断提高，我国主干线的公路客运车辆己全面向大型化、高速化方向发展。为保证行 车安全，大量主动、被动安全装置在客车上得到广泛应用，客车的安全性较以前有了很 大提高。但是在每年发生的道路交通事故中，因客车碰撞、翻滚造成的群死群伤重特大 恶性交通事故始终占有较高的比例，给国民经济和人民群众生命财产造成了巨大损失。 为此，汽车的碰撞安全性问题已成为汽车技术发展的主要研究方向之一，受到了政府、 企业和民间的高度重视。双层公路客车是我国近年来为适应公路客运市场发展而投入的 新车型，载客量是普通大客车的1 5 2 倍，一旦发生交通事故，造成的人员伤亡和财产 损失将非常严重。因此，双层公路客车的碰撞安全性问题已经受到行业内外的普遍关注。 目前，世界各主要汽车生产国都对乘用车制定了严格的碰撞安全法规，要求汽车的 开发和生产必须通过严格的标准检验。随着我国对客车市场的规范，客车安全性有了较 大提高，车辆安全法规也得到了一定的发展和完善。但是针对大客车的正面碰撞安全问 题，虽然国际国内展开了相应的研究，但至今尚未制定市场准入的安全法规，而大客车 正面碰撞安全性的评价指标就是其主要内容之一。 本文在研究分析我国近几年道路交通安全形势的基础上，选择某6 1 4 0 型双层公路 客车为研究对象，参照国内、外小型乘用车正面碰撞法规e c e r 9 4 和g b l l 5 5 1 2 0 0 3 等的试验要求，采用显式非线性有限元程序l s d y n a 对该双层公路客车车身结构进行 了正面碰撞的有限元模拟分析，在国内首次研究了双层公路客车正面碰撞时的变形特点 和碰撞安全性，并将试验假人和乘员约束系统引入大客车正面碰撞安全性评价中，从而 可以更加客观、准确地评价该客车的正面碰撞安全性。同时根据仿真分析结果，对车身 结构形式进行改进，增加压缩缓冲吸能装置，并再次对改进后的车身结构进行模拟分析。 结果表明，该双层公路大客车正面碰撞安全性较差，车身前部结构变形较大，驾驶员和 上层前排乘客生存空间严重不足，对乘员的生命安全构成威胁；所采用的改进方案可有 效提高双层公路大客车的耐撞性，为改善大客车正面碰撞安全性提供了行之有效的途径 和方法。此外，本文的研究成果也为大客车碰撞安全性法规的制定提供一定的参考。 关键词：双层公路客车：车身结构；正面碰撞安全性；强度分析：试验假人；乘员 约束装置；有限元 a b s t r a c t w i t ht h es u s t a i n e da n dr a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i e t ye c o n o m ya n di m p r o v e m e n to fr o a dc o n d i t i o n s ， r e t a i nn u m b e ro fb u s e si n c r e a s e ss h a r p l y , a n dt h ep a s s e n g e rb u s e sr u n n i n go nh i g h w a yh a v ed e v e l o p e d t o w a r d sl a r g e s c a l ea n dh i g h s p e e d t oe n s u r ed r i v i n gs a f e l y , al a r g eq u a n t i t yo fa c t i v ea n dp a s s i v es a f e t y d e v i c e sa r ew i d e l yu s e do nc o a c h e s ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v eb u ss a f e t yt h a nb e f o r e h o w e v e r , e x t r as e r i o u s t r a f f i ca c c i d e n tc a u s e di nc o l l i s i o na n dr o l l i n ga c c i d e n t ss t i l la c c o u n tf o ral a r g ep r o p o r t i o ne a c hy e a r , w h i c hb r i n ga b o u te n o r m o u sl o s s e st ot h en a t i o n a le c o n o m ya n dp e o p l e sl i v e s s o ，t h ea u t o m o t i v ec r a s h s a f e t yh a sb e c o m eo n eo ft h em a i nr e s e a r c ht o p i c s i na u t oi n d u s t r y , a n da l s o g o th i g hp r i o r i t yb y g o v e r n m e n t , b u s i n e s sa n dp o p u l a r d o u b l e - d e c k e rc o a c hi s an e wm o d e li n v e s t e dt oa d a p tt ot h e d e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o a c hi n d u s t r yi nr e c e n ty e a r s ，w h o s ec a r r y i n gc a p a c i t yi s 1 5t o2t i m e so ft h e o r d i n a r yt y p e o n c ea c c i d e n t so c c u r r e d ，t h ec a s u a l t i e sa n dp r o p e r t yl o s sw i l lb eg r e a t t h e r e f o r e ，t h ec r a s h s a f e t yo fd o u b l e - d e c k e rc o a c hh a sb e e na t t r a c t e de x t e n s i v ea t t e n t i o n a tp r e s e n t , t h em a j o ra u t o m o t i v e - p r o d u c i n gc o u n t r i e si nt h ew o r l dh a v ee s t a b l i s h e ds t r i c tr e g u l a t i o n s t oc r a s hs a f e t y , w h i c ht h ee x p l o i t a t i o na n dp r o d u c t i o no fm o t o rv e h i c l e sm u s tf o l l o wr i g i d l y a l o n gw i t h t h ec o n s t a n tn o r m so ft h ep a s s e n g e rc a rm a r k e ti no u rc o u n t r y , t h eb u ss a f e t yh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d ， a n ds a f e t yr e g u l a t i o n so b t a i n e di m p o r t a n td e v e l o p m e n t t h o u g hl o t so fr e l a t e dr e s e a r c hd o m e s t i ca n d a b r o a dh a v e b e e nc a r r i e do u t , n os a f e t yr e g u l a t i o n so nm a r k e ta c c e s sw a sl a i dd o w na sy e t , w h i c hr e s u l ti n t h el a c ko fe v a l u a t i o ni n d e xo fb u sf r o n t a li m p a c ts a f e t y i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h es t u d yo fo u rc o u n t r y st r a f f i cs a f e t yi nr e c e n ty e a r s ，a c c o r d i n gt ot h et e s t r e q u i r e m e n t so ff r o n t a li m p a c tr e g u l a t i o n se c e r 9 4a n d g bi15 51 2 0 0 3 ，u s i n gf e a p r o c e d u r el s - d y n a ， w es t u d ya614 0d o u b l e d e c k e rc o a c hd e f o r m m i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dc r a s hs a f e t yi nf r o n t a li m p a c t t h r o u g hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o df o rt h ef i r s tt i m e t og e tm o r eo b j e c t i v ea n d a c c u r a t ee v a l u a t i o no f t h ed o u b l e - d e c k e rc o a c hf r o n t a lc r a s hs a f e t y , w ea l s op u tt h et e s td u m m i e sa n dt h eo c c u p a n tr e s t r a i n t d e v i c ei n t ot h ec o a c h sf r o n t a li m p a c ts a f e t ye v a l u a t i o n m e a n w h i l e ，r e f e r r i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w e o p t i m i z e dt h eb e d ys t r u c t u r e ，a n di n c r e a s e dt h ec o m p r e s s i o nb u f f e ra b s o r p t i o nd e v i c e ，t h e nd ot h e s i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ei m p r o v e db o d ys t r u c t u r ea g a i n t h er e s u l t ss h o wt l l a t - t h e614 0d o u b l e d e c k e r c o a c hh a sap o o rf r o n t a li m p a c ts a f e t y , a n dl a r g ed e f o r m a t i o ne x i s t si nt h ef r o n tb e d ys t r u c t u r e ，w h i c h c a u s e dt h a tt h ed r i v e ra n df r o n tp a s s e n g e r sw e r ea c u t es h o r t a g eo fr e s i d u a ls p a c e ，s e r i o u s l yt h r e a t e nt h e p a s s e n g e r s l i v e s t h ei m p r o v e dp r o j e c tm e n t i o n e d i nt h i s p a p e r c a l l e f f e c t i v e l ye n h a n c et h e c r a s h w o r t h i n e s so ft h i sd o u b l e d e c k e rc o a c h , a n da l s op r o v i d e st h ee f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h eb u s f r o n t a li m p a c ts a f e t y f u r t h e r m o r e ，t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e rc a np r o v i d er e f e r e n c et ot h ef o r m u l a t i o no f r e g u l a t i o n st ob u sc r a s hs a f e t y k e y w o r d s ：d o u b l e - d e c k e rc o a c h ；b e d ys t r u c t u r e ；f r o n t a li m p a c ts a f e t y ；s t r e n g t ha n a l y s i s ；c r a s h t e s td u m m y ；o c c u p a n tr e s t r a i n td e v i c e ；f i n i t ee l e m e n t 目录 第一章绪论1 1 1 选题背景1 1 1 1 我国道路交通安全形势1 1 1 2 选题研究背景2 1 2 国内外汽车碰撞安全研究现状及碰撞安全法规2 1 2 1 国内外汽车碰撞安全研究现状2 1 3 2 国内外汽车碰撞安全法规6 1 3 课题研究的目的和意义7 1 4 课题主要研究内容。7 第二章汽车碰撞仿真计算有限元理论及仿真软件9 2 1 汽车碰撞仿真计算有限元理论。9 2 1 1 汽车碰撞非线性特性9 2 1 2 显式非线性动力分析的基本理论一l l 2 1 3 碰撞接触理论12 2 2 汽车碰撞仿真软件介绍1 4 2 2 1 汽车碰撞仿真软件介绍14 2 2 2 汽车碰撞有限元仿真分析软件选用依据一15 第三章有限元仿真分析建模技术一16 3 1 汽车碰撞仿真分析常用的有限元计算模型16 3 1 1 基于杆系结构的有限元计算模型16 3 1 2 基于板壳结构的有限元计算模型一1 6 3 1 3 基于杆系和板壳组合结构的有限元计算模型1 7 3 2 单位制的选择18 3 3 有限元网格划分的基本原则1 8 3 4 质量缩放与混合时间积分2 0 3 5 沙漏变形及控制措施2 l 3 6 接触中的初始穿透及解决措施2 2 3 7 负体积产生的原因及解决措施2 3 第四章平头大客车车身结构的耐撞性分析。2 4 4 1 车辆碰撞中乘员损伤机理及评价准则2 4 4 1 1 车辆碰撞中乘员的损伤机理2 4 4 1 2 车辆碰撞中乘员损伤评价准则2 5 4 2 平头大客车的车身结构特点2 9 4 3 平头大客车车身结构的耐撞性及影响因素2 9 4 3 1 车身结构的耐撞性2 9 4 3 2 车身结构耐撞性的影响因素3 0 4 4 提高大客车耐撞性的设计原则3 0 第五章双层公路客车车身结构正面碰撞分析有限元模型3 1 5 1 车身结构三维实体模型的建立3 1 5 1 1 整车技术参数。3l 5 1 2 三维实体模型的建立3 2 5 2 车身结构有限元模型的建立3 3 5 2 1 有限元模型的简化。3 3 5 2 2 车身结构模型的几何修理。3 4 5 2 3 有限元计算模型选取3 5 5 2 4 单元类型选取3 5 5 2 5 材料模型选择3 6 5 2 6 单元尺寸的确定及网格密度分布3 6 5 2 7 单元质量检查及修改措施3 8 5 2 8 构件的连接3 8 5 2 9 假人的导入及位置调整。3 9 5 2 1 0 乘员约束系统一4 0 5 2 1 1 刚性固定壁障的选择4 l 5 3 载荷和约束以及仿真控制参数的设置4 l 5 3 1 载荷及约束设置4 l 5 3 2 仿真控制参数的设置4 3 第六章双层公路客车正面碰撞仿真结果分析4 5 6 1 整车骨架变形及吸能情况4 5 6 2 正面碰撞过程中整车能量变化4 9 6 3 乘员生存空间4 9 6 - 3 1 驾驶员生存空间4 9 6 3 2 上层最前排乘客生存空间5 0 6 4 整车正面碰撞加速度51 6 5 试验假人损伤评价51 6 5 1 驾驶员和上层最前排乘客头部损伤评价5 2 6 5 2 驾驶员和上层最前排乘客胸部损伤评价5 3 6 6 结构改进设计及耐撞性能比较5 5 6 6 1 提高耐撞性的措施5 5 6 6 2 结构改进前后整车变形情况对比。5 7 6 6 3 压缩缓冲吸能装置的吸能性能。5 9 6 6 4 结构改进后假人关键部位的损伤对比6 0 一- 6 7 改进方案评价6 3 6 8 下一步改进建议6 3 6 9 对采用有限元仿真方法评价公路客车正面碰撞安全性的建议6 4 6 9 1 建模中的相关问题6 4 6 9 2 公路客车正面碰撞安全性评价指标。6 5 一 总结与展望6 7 参考文献7 0 攻读学位期间参与的科研项目和公开发表的论文。7 3 致谢7 4 长安大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 1 1 1 我国道路交通安全形势 改革开放以来，伴随着社会经济的持续快速发展、国民生活水平的提高和交通出行 需求的日益增长，机动车保有量急剧增加，公路交通日益繁忙。但是，我国的道路运输 安全状况却不容乐观。公安部交通事故统计数据表明，近年来我国每年发生道路交通事 故近3 0 万起，死亡人数保持在7 万人以上，受伤人数超过3 0 万人，群死群伤的重特大 恶性交通事故时有发生，给国民经济和人民群众生命财产造成了巨大损失【l 】。 截止2 0 0 8 年底，我国的民用汽车保有量为6 4 6 7 万辆( 包括三轮汽车和低速货车) ， 仅占全世界汽车总量的8 ，但交通事故死亡人数却超过全世界的五分之一，万车死亡 率也远远高于发达国家水平，居世界首位。表1 1 为2 0 0 7 年世界几个生产汽车保有大 国的万车死亡率。由表可知，我国的万车死亡率是发达国家的4 至8 倍，这充分说明我 国还处在道路交通事故的高发期【2 】【3 】。 表1 12 0 0 7 年世界几个主要汽车保有大国的万车死亡率 国别日本英国澳大利亚加拿大法国美国中国 万车死亡率 o 7 71 11 1 71 2 1 5 91 7 75 1 由于公路运输具有快捷、方便、灵活机动和效益高的特点，因此公路客运作为旅客 运输的主要形式，其客运量和旅客周转量占全国总客运量和旅客周转量的8 0 以上。客 车作为公路客运的主要工具，载客量大，若发生交通事故，极易造成群死群伤，带来严 重的社会影响。据公安部交通管理局统计显示，2 0 0 8 年，我国发生一次死亡5 人以上 的道路交通事故2 5 0 起，发生一次死亡1 0 人以上特大道路交通事故2 9 起，道路交通事 故万车死亡率为4 3 ，同比减少o 8 t 4 1 。仅在2 0 0 9 年上半年，我国就发生一次死亡1 0 人 以上的特大交通事故1 2 起【5 】。在我国高速公路行驶的车辆中，大、中型客车占1 1 ， 卡车占3 6 ，轿车占5 3 。由于保有量大，使用率高，客车与卡车或客车与客车之间 发生正面或追尾碰撞事故时有发生，而大、中型客车与卡车的体积大小和质量相当，若 发生碰撞，后果将非常严重。 图1 1 为2 0 0 4 - - , 2 0 0 8 年全国交通事故起数和死亡人数。虽然许多新科技在汽车上得 到广泛应用，汽车的主动安全得到了较大提高，但由于人为和环境等因素，还是不可避 第一章绪论 免地出现了大量的交通事故，且数目惊人，给国家和个人带来了重大损失。频发的重、 特大交通道路事故，已引起相关部门和党中央、国务院的高度重视。 交 通 事 故 起 数 1 0 0 0 0 0 0 5 1 7 8 8 9 q o u 匕0 q 3 7 8 7 8 1 3 ：7 2) 9 ，矗茸气e e ， ， ：1 i1 7 0 7 7 g8 7 3 8 毫9 4 5 5 习1 6 4 9 ，：3 9 9 0 i囝。盈 囝j图。囵 2 0 0 4 年2 0 0 5 年2 0 0 6 年2 0 0 7 年2 0 0 8 年 1 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 死 亡 6 0 0 0 0 人 数 4 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 图1 12 0 0 4 , , 2 0 0 8 年全国交通事故起数和死亡人数4 j 1 1 2 选题研究背景 随着经济发展和道路条件的改善，客车保有量急剧增加，我国主干线公路客运车辆 已全面向大型化、高速化方向发展。为保证整车安全和降低事故发生后的乘员伤害，大 量主动、被动安全装置在客车上得到广泛应用，客车的安全性较以前有了很大提高。在 每年发生的交通事故中，碰撞事故的起数和伤亡人数始终占有较高比例，造成的损失触 目惊心，对公共安全和社会和谐稳定造成了极大影响。虽然汽车的碰撞安全性问题已成 为近十几年来汽车工业的主要研究方向，但大客车的碰撞安全性问题只是近年来才受到 社会的关注。 目前，国内已有部分客车企业、高等院校和科研院所针对大客车的碰撞安全性开展 了大量的研究工作，但由于碰撞试验成本高、工作量大，试验过程中的一些随机因素难 以控制等原因，致使试验数据不够稳定，可重复性差，因此研究工作大多集中在仿真方 面。到目前为止，国内只有一家客车企业进行了实车摆锤正面撞击试验，以此验证驾驶 区的碰撞安全性。 1 2 国内外汽车碰撞安全研究现状及碰撞安全法规 1 2 1 国内外汽车碰撞安全研究现状 ( 一) 汽车安全性问题 汽车的安全、节能和环保被公认为当今世界汽车工程领域的研究重点和热点。汽车 2 长安人学硕士学位论文 安全性通常分为主动安全性和被动安全性两大类。 所谓主动安全性( a c t i v es a f e t y ) ，是指事故将要发生时操纵车辆制动系或转向系， 防止事故发生的能力，以及汽车正常行驶时保证其动力性、操纵稳定性、驾驶舒适性和 正常的信息性的能力，也被称为事故前汽车安全性【7 1 。主动安全性提高的基础是计算机 和电子技术的发展。目前，已经发展较为成熟的主动安全性装置或技术主要有车轮防抱 死制动系统( a b s ) 、牵引力控制系统( t c s ) 、驱动防滑系统( a s r ) 、车距雷达报警 系统以及全球定位导航系统( g p s ) 等【8 】，这些技术和装置可以有力地保障汽车不发生 或少发生意外交通事故。但是在多数情况下，汽车的主动安全性装置再好，也不能完全 避免交通事故的发生。因此，在汽车发生交通事故时，如何提高被动安全性就成为当今 汽车安全性研究的主要课题之一。 被动安全性( p a s s i v es a f e t y ) 是指当汽车发生交通事故时，通过车辆结构的安全设 计以及各种保护系统即被动安全性装置，对车内乘员和车外行人进行保护，使人员伤亡 和财产损失减少到最低【7 】。目前，针对被动安全性研究较多的汽车部件主要有安全带、 ； 安全气囊、吸能式车体结构、吸能式转向柱、儿童座椅和安全头枕等 9 1 。由于汽车被动 安全性总是与广义的汽车碰撞事故联系在一起，故又称为汽车碰撞安全性。因此，汽车 碰撞试验是研究被动安全的主要手段，而汽车碰撞标准则是检验或评价汽车碰撞安全性 的重要依据。对客车而言，被动安全研究主要集中在三个领域，即车身结构的耐撞性研 究、乘员保护系统研究和碰撞生物力学研究8 】【1 0 l 。 ( 二) 国外汽车碰撞安全研究现状 汽车诞生和发展的百余年来，行驶安全问题始终是汽车技术和使用，以及交通管理 的永恒课题。上世纪4 0 年代，梅赛德斯奔驰公司进行了第一次碰撞试验，揭开了汽车 碰撞安全性研究的篇章，随后欧美及日本的多家大型汽车制造企业都相继开展了以实车 试验为主的碰撞安全性研究，并在此基础上制定了较为完善的碰撞安全法规体系，如美 国的f m v s s 和欧盟e c e 法规体系等。自上世纪8 0 年代以来，随着计算机和非线性有 限元技术的飞速发展，计算机模拟仿真被全面应用到汽车安全性研究中，世界各汽车生 产大国对汽车的碰撞研究不断深入，越来越全面的安全性被人们重视，所开展的工作涉 及汽车碰撞安全研究的各个领域，模型越来越细化，仿真精度越来越耐】，计算机模拟 技术在汽车碰撞安全研究领域得到迅速发展。国外采用计算机模拟技术研究汽车碰撞安 全性主要集中在交通事故再现、碰撞受害者模拟、汽车车身结构耐撞性模拟三个方面。 利用计算机模拟仿真技术研究汽车的碰撞安全性在节约成本、数据可重复性、模型 第一章绪论 易于修改和缩短开发周期等方面的优越性是实车碰撞试验无法比拟的。采用计算机仿真 和实车试验相结合的方法，是提高汽车结构强度和耐撞性行之有效的途径。1 9 8 5 年， 德国大众公司对p o l o 轿车分别进行了偏置、侧面、后部和翻滚的碰撞实验研究，树立 了微型车被动安全性研究的典范；1 9 9 8 年，美国福特汽车公司进行了轿车与刚性墙正 面碰撞的仿真计算( 如图1 2 所示) ，并通过对比试验数据，验证了仿真计算结果和实 车碰撞试验数据基本一致【1 2 】；2 0 0 1 年，德国宝马汽车公司采用试验联系模拟仿真的方法 对b m wx 5 汽车进行了仿真计算以评价该车的碰撞安全性；2 0 0 8 年考文垂大学 ( c o v e n t r yu n i v e r s i t y ) 汽车学院对某客车进行了正面碰撞仿真研究( 如图1 3 所示) ， 研究该车正面碰撞时的结构强度及耐撞性，并提出了改进建议【l 3 1 。 图1 2 福特轿车正面碰撞仿真有限元模型【1 2 1 图1 3 大客车正面碰撞仿真有限元模型【1 3 】 ( 三) 国内汽车碰撞安全研究现状 相对于美国、欧洲和日本等汽车工业发达国家来说，我国汽车被动安全性方面的研 究起步相对较晚。随着试验条件的不断改善，以及国家和市场对汽车安全性要求的不断 提高，我国汽车行业也开始了汽车碰撞安全性研究，并取得了一定的成果。天津汽车技 术中心和国家汽车质检中心等国内汽车试验检测机构进行了大量研究，建立了比较先进 和完善试检设施，并于2 0 0 4 年开展了c - n c a p 评价。由于实车碰撞试验成本高，大多 数企业难以接受，致使实车碰撞试验在国产汽车设计中的应用受到了限制，从而导致了 部分国产汽车结构安全性不足【2 l l 。 汽车碰撞仿真研究虽然在我国起步较晚，但逐步得到了国内汽车企业和科研院所的 重视。清华大学、吉林大学、湖南大学、哈尔滨工业大学、长安大学和中国汽车技术研 4 长安大学硕士学位论文 究中心等单位都在计算机仿真方面开展了大量的研究工作。 1 9 8 6 年，清华大学黄世霖教授等在国内率先开展了汽车碰撞安全研究，利用 l s d y n a 软件对b j 2 1 2 车架进行模拟碰撞仿真分析，并建立了我国第一个关于汽车安 全的国家重点实验室清华大学汽车碰撞实验室；1 9 9 4 年，湖南大学钟志华教授对 采用有限元进行汽车碰撞安全性问题的具体方法进行了早期研究，论述了汽车碰撞分析 的基本方程、有限元法与有限差分的应用、材料本构关系及接触问题的处理等1 1 6 1 ；1 9 9 8 年，吉林工业大学贾宏波、黄金陵等建立了国内第一个用于碰撞分析的整车车身结构有 限元模型1 7 】；2 0 0 0 年江苏理工大学龚友等对某小型客车进行了正面碰撞仿真分析，结 果表明该车的前部结构耐撞性较差，并以车架为重点进行了探索性改进【l8 】；2 0 0 5 年， 清华大学姜志海、范子杰等建立了全板壳单元的微型客车车身结构有限元模型( 如图 1 4 所示) ，利用p a m c r a s h 对该车碰撞吸能特性及乘员安全性进行了仿真计算u 9 】； 2 0 0 6 年上海汇众汽车制造有限公司韩双庆和王成龙参照c m v d r 2 9 4 法规的试验要求， 对某商务车进行了1 0 0 正面撞击固定壁障的仿真分析，模拟结果表明所建立的有限元 模型和成员约束系统是可以接受的，具有较大的参考价值【2 0 】；2 0 0 9 年，长安大学邓景 涛以某6 1 2 0 型单层大客车为研究对象，参照c m v d r 2 9 4 关于正面碰撞乘员保护的设 计规则和g b l l 5 5 1 2 0 0 3 乘用车正面碰撞的乘员保护，研究该车正面碰撞前部变形 特性及改进措施( 如图1 5 所示) ，同时也提供了大客车正面碰撞仿真分析的一般方法1 2 1 1 。 图1 4 微型客车车身结构有限元模型【1 9 】图1 5 某6 1 2 0 型_ 大客车正面碰撞仿真模型【2 l 】 图1 6 摆锤正面撞击客车驾驶室实车试验和计算机模拟分析川 第一章绪论 2 0 0 9 年5 月，国内某客车企业参照e c er 2 9 关于商用车驾驶室乘员保护批准车 辆的统一规定，率先对其生产的某型客车进行了驾驶室摆锤撞击实车试验和计算机模 拟( 如图1 6 所示) ，初步研究了在摆锤正面撞击客车前部情况下驾驶员生存空间的变 化，该项实验是提高客车正面碰撞安全性的有益探索和前瞻性研列2 。 然而，相对国外汽车工业发达国家来说，我国客车碰撞试验研究和计算机模拟研究 的基础还很薄弱。特别是大客车的实车碰撞试验，由于受到产量、试验成本和碰撞安全 性试验设备等的限制，在现有试验条件下还无法有效进行整车实车的正面碰撞试验。 1 3 2 国内外汽车碰撞安全法规 ( 一) 国外汽车碰撞安全法规 汽车被动安全性研究的最终目的是在事故发生时，最大限度地减少车内乘员和车外 行人的伤害。根据汽车发生碰撞时的撞击部位不同，将碰撞事故分为四种形式：正面碰 撞、侧面碰撞、追尾碰撞和侧翻。碰撞事故中乘员受到伤害的情况主要有：车身结构大 变形侵入乘员区直接伤害乘员、乘员与车内结构发生二次碰撞造成伤害、碰撞加速度超 出人体的承受范围导致人体内脏的损伤和碰撞后燃油起火造成伤害，以及对车外行人的 伤害等。因此，汽车被动安全性法规主要针对以上方面而制订。 目前，国际上汽车被动安全法规主要有两大体系，即美国f m v s s 体系和欧盟e c e 法规体系。在这两大法规体系中都规定，对新开发的汽车必须进行试验样车的碰撞试验 和乘员保护装置的冲击试验，并制订了相应的试验方法和评价标准。日本、澳大利亚和 我国在参照美国f m v s s 法规和欧盟e c e 法规的基础上，也分别制订和实施了相应的 安全法规和标准。 ( 二) 国内汽车碰撞安全法规 1 9 9 9 年1 0 月2 8 日，国家机械工业局发布了我国第一部关于汽车正面碰撞的法规 c m v d r 2 9 4 关于正面碰撞乘员保护的设计规则。c m v d r 2 9 4 适用于m 1 类车辆( 包 括驾驶员座位在内，座位数不超过9 座的载客车辆) ，于2 0 0 0 年4 月1 日被国家列入汽 车型式认证( 公告) 4 0 项强制检测项目中。虽然c m v d r 2 9 4 不是国家强制性标准法规， 但它一旦被政府部门采用即具有了国家强制性标准的法律约束力。 2 0 0 4 年6 月1 日，我国参照欧盟e c er 9 4 法规制定的国家强制性标准g b l l 5 5 1 2 0 0 3 乘用车正面碰撞的乘员保护正式颁布实施，至此我国才真正拥有了自己的汽车正面 碰撞标准。g b l l 5 5 1 2 0 0 3 与c m v d i 毪9 4 一脉相承，都等效采用e c er 9 4 0 0 法规制定， 6 长安大学硕士学位论文 主要区别在于c m v d r 2 9 4 虽然具有国家强制性标准法律效力，但还不是国家强制性标 准；而g b l l 5 5 1 2 0 0 3 则是国家强制性标准，它的制定和实施体现了国家对汽车碰撞安 全性能的重视。 此外，我国还针对大客车的被动安全制定了g b l 3 0 9 4 2 0 0 7 客车结构安全要求、 g b t 1 9 9 5 0 2 0 0 5 双层客车结构安全要求和g b 厂r 1 7 5 7 8 1 9 9 8 客车上部结构强度的 规定，这三项标准及g b 2 0 0 7 1 2 0 0 6 汽车侧面碰撞的乘员保护和g b 2 0 0 7 2 2 0 0 6 乘 用车后碰撞燃油系统安全要求等标准的制定和实施，对提高国产客车整体安全性起到 了十分重要的作用。 但是，g b l l 5 5 1 2 0 0 3 和c m v d r 2 9 4 这两部有关正面碰撞的法规只适用于m 1 类汽 车，而适合我国国情的有关大客车正面碰撞法规至今还是空白，因此，本课题研究中的 有关初始条件和评价指标等问题只能参考欧盟e c er 9 4 和g b l l 5 5 1 2 0 0 3 的相关试验要 求进行设置。 甜 1 3 课题研究的目的和意义 。 本课题就是在上述研究背景下提出的。通过对国产某6 1 4 0 型双层公路大客车进行 正面碰撞有限元模拟分析，研究该车正面碰撞时的结构强度及耐撞性，找出车身的变形 特征和变形规律，分析车身结构在耐撞性设计上的不足，并提出改进方法与改进措施， 以提高双层公路大客车正面碰撞的安全性能。j 本文研究成果不仅可为进一步开展实车正面碰撞试验提供参考，而且对大客车正面 碰撞安全性的相关研究工作也具有一定的借鉴和参考价值，同时对推进我国客车行业整 体水平的提高，以及大客车碰撞安全性法规和评价标准的制定，也有一定的积极作用。 1 4 课题主要研究内容 本文以某6 1 4 0 型双层公路大客车为研究对象，参照国内、外乘用车正面碰撞标准 e c er 9 4 和g b l l 5 5 1 2 0 0 3 的试验要求，采用显式非线性有限元分析程序l s d y n a ， 对该双层公路大客车车身结构进行正面碰撞的有限元模拟分析，并在此基础上对车身结 构形式进行改进，增加压缩缓冲吸能装置。通过对改进后的车身结构进行再次模拟分析， 验证改进设计和缓冲吸能装置的效果。由于国内缺乏大型客车正面碰撞安全性试验设 备，本文研究全部通过仿真分析来完成，主要研究内容如下： ( 1 ) 调查分析我国道路交通安全形势，查阅国内外有关汽车碰撞安全性研究的文 7 第一章绪论 献资料，确定大客车车身结构耐撞性分析的研究方法和技术手段。 ( 2 ) 根据样车c a d 图纸，利用c a t i a 软件建立整车车身结构几何模型。 ( 3 ) 采用a n s y s 软件建立该双层公路客车的有限元模型，并将模型文件递交 l s d y n a 求解器进行模拟计算；参考国内外相关的研究成果和试验法规，验证所建立 有限元模型的可行性和有效性。 ( 4 ) 采用合理的安全性评价指标评估该双层公路客车的正面碰撞安全性。 ( 5 ) 对车身结构形式进行改进，增加压缩缓冲吸能装置，并再次模拟计算，验证 改进后的效果是否达到提高正面碰撞安全性的目标。 ( 6 ) 评价车身结构改进前后该型客车的耐撞性，并提出下一步研究工作建议。 本文仿真分析的技术流程如图1 7 所示： 图1 7 双层公路客车正面碰撞仿真分析技术流程 8 长安大学硕士学位论文 第二章汽车碰撞仿真计算有限元理论及仿真软件 汽车碰撞过程是一个瞬时非线性动态响应过程，并伴有几何非线性、材料非线性和 接触非线性等非线性问题【2 3 】。采用有限元方法进行客车正面碰撞仿真分析主要涉及汽车 碰撞的非线性特性、显式非线性动力分析理论和碰撞接触理论，对这些基本理论进行分 析将有利于总体计算方案的确定和模型的建立。 2 1 汽车碰撞仿真计算有限元理论 2 1 1 汽车碰撞非线性特性 汽车碰撞过程是一个瞬态复杂的物理过程，它包含几何非线性、材料非线性和接触 非线性，接触和冲击载荷影响着碰撞的全过程口3 1 。 ( 一) 几何非线性 几何非线性是指几何方程的应变和位移是非线性关系。在大变形情况下，原来静力 一 条件下的应力和应变的度量都