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华中科技大学 硕士学位论文 客车侧碰有限元仿真分析 姓名：施少波 申请学位级别：硕士 专业：固体力学 指导教师：樊建平 20080605 I 摘摘 要要 早期的汽车侧面碰撞安全性分析，主要是以试验为主，这种方式花费成本高， 而且耗时较长。随着计算机技术的发展，通过计算机仿真来模拟汽车碰撞的应用也 已经越来越广泛。本文使用有限元法研究了客车的侧面碰撞安全性，通过仿真计算 研究客车侧面碰撞安全性问题。 本文建模计算分析了客车侧面碰撞的问题， 首先通过 CAD 软件建立了骨架的几 何模型，然后把几何模型导出为 Parasolid 格式，再导入非线性有限元软件 ADINA。 在 AUI 中建立了承载式客车的骨架模型，为了考虑侧面碰撞，进一步建立了客车的 蒙皮，单元综合使用了 Beam、Shell 和 Solid，材料在非危险部位使用弹性材料，危 险部位采用了率相关弹塑性材料。来车采用等效模型，设定两车之间的接触，通过 给来车模型施加一个初始加速度，使两车碰撞。 通过动态显式 （Explicit dynamic） 方法， 分析侧面碰撞接触以后客车的变形情况， 得出主要变形区域在侧面蒙皮，客车骨架地板横梁，座椅下横梁。为了得出侧碰对 乘客的影响，随后又通过分析三排 12 个乘客座椅下加速度，速度，位移在碰撞过程 中的变化得出，在碰撞过程中伤害最大的将会是中间一排靠外的乘客。通过改变客 车骨架地板横梁和座椅下横梁的横截面厚度，比较得出增加这两类梁的厚度，可以 一定程度上增强客车的侧面抗撞能力。 关键词：关键词：客车；侧碰；非线性有限元；动态显式； II Abstract In the early automobile side crashworthiness analysis, experiments was the primarily method, but the expense of this way was high, moreover this method would cost a very long time. Now, along with computer technologys development, the application of simulating the automobile collisions through the computer simulation has already been more and more widespread. The finite element method was used to research coachs side crashworthiness. First, skeletons geometric model was established inside the CAD software, then derived the geometric model with the Parasolid form, inducted into the nonlinear finite element software ADINA. In order to consider the side collision, coachs outer covering was established. Beam, Shell and Solid element were used, and the material in the non-dangerous spot was used elastic material, other part of consideration was used Rate-dependent plastic-multilinear material. Then established a equivalent incoming vehicle, and a contact group between the incoming vehicle model and the coach model. Set an initial acceleration for the incoming vehicle model, caused two vehicle collisions. Through the Explicit dynamic method, analyzed coachs distortion situation after side collision, found that the main deformation existing in the side outer covering, the coach skeleton floor crossbeam and the crossbeam under the chair. In order to obtain the influence the side collision to the passenger, analyzed 12 passenger seats acceleration, speed, deformation under three rows to obtain the change in the collision process. Then found that the most dangerous seat in the collision process would be outside of the centre row. Through changing floor crossbeam and the chair crossbeam section thickness, found that increasing these two kinds of beam thickness, could strengthen the coach ability to resist the side impact. Key words: Coach; Side Impact; Nonlinear Finite Element; Explicit Dynamic Analysis； 独创性声明独创性声明 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 集体已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： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书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。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论绪论 1.1 研究的目的和意义研究的目的和意义 在现代人类社会中，汽车占到非常主要的地位，几乎与每个人生活息息相关。 汽车的出现，严重影响了人们的出行交通方式，推动了社会的进步。但是随着汽车 使用量的增加，现今在汽车交通事故中每年的死伤人数，常常超过世界的局部战争， 交通事故已经成为人类社会的重大公害之一。如何加强交运管理，改善交通设施和 改进车辆的设计、从而不断提高运输效率，降低交通事故的伤亡，是各国汽车行业 研究的重要课题1。 我国的交通事故，可以分为了两个阶段。在 20 世纪 50 年代到 70 年代，由于车 辆数比较少，公路也不够发达。使得平均行驶车速较低、所以事故伤亡人员主要是 行人为主。当时主要的研究问题是交通管理和公路设施的改进。但是到了 20 世纪 80 年代和 90 年代，由于公路条件的改善和一批高速公路的建成使用，使得平均车速有 了很大的提高，交通事故中的死亡人员比例发生了很大的变化。据 1997 年交通事故 死亡人员统计数字，汽车乘员占 32.6，行人占 26.5，自行车使用量占 21，摩 托车使用量占 14，由此可以看出汽车乘员与行人的死亡已近总人数的 60。所以 汽车乘员保护和汽车与行人碰撞是汽车碰撞(被动)安全性研究的主要内容1。 汽车安全性可分为主动安全性和被动安全性两大类，其中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。主动安全性就是要使汽车在行驶时“有惊无险”；而被动安全性则 要做到汽车发生事故时“车毁人不亡”。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”2。 汽车碰撞事故可分为碰撞前运动、碰撞和碰撞后运动三个连续阶段。碰撞前的 运动，通常是从发现对方车辆或障碍物等其它物体开始，接着采取制动和操纵转向 盘等回避事故的操作：碰撞是指发生事故的车辆相互接触的过程，或车与障碍物接 2 触的过程，持续时间大致为 0.1、0.2 s 左右。在这个期间，两车交换动量，一部分动 能以塑性变形的形式消耗掉。碰撞后，两车成为一体，或者回弹相互离开，做平移 运动或平移加旋转运动。由于路面等的摩擦，碰撞后剩余动能被消耗掉，最终停车。 碰撞后的运动时间约为几秒。 汽车交通事故分析的任务是根据事故现场的证据，例如，碰撞后车辆相对位置、 车轮拖印和车体碰撞变形等，尽可能准确地分析事故发生前的车辆运动参数，为认 定事故责任、检验车辆的碰撞安全性能和安全装置的效能提供最直接的证据。 虽然汽车碰撞事故的形式纷繁多样，但是从汽车碰撞动力学的角度来看，基本 可分为较简单的一维碰撞（如完全正面碰撞、追尾碰撞等）和比较复杂的平面二维 碰撞（加垂直侧面碰撞、斜角碰撞等）1。 本文研究的是一个全承载式车身的大客车侧面碰撞安全性。承载式车身的客车 没有刚性车架，只是加强了车头、侧围、车尾、底板，车身等部位，发动机、前后 悬架、传动系统的一部分等总成部件装配在车身上设计要求的位置，车身负载通过 悬架装置传给车轮。承载式车身除了其固有的乘载功能外，还要直接承受各种负荷 力的作用。承载式车身不论在安全性还是在稳定性方面都有很大的提高，它具有质 量小、高度低、装配容易等优点，大部分轿车采用这种车身结构，现在大型客车， 尤其是长途客车，全承载方式逐渐增多。国外在这个方面的应用很多，国内这几年 也在逐渐普及这种承载方式，比如国内安凯和上饶客车的全承载式客车的研究就取 得了不错的成绩，有好几款全承载式客车已经上市3。 本文使用大型非线性有限元软件 ADINA 做计算仿真，ADINA 软件的最早版本 出现于 1975，随后在 K. J. Bathe 博士的带领下，其研究小组共同开发出 ADINA 有 限元分析软件。ADINA 的含义是 Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis 的首字母缩写，即 ADINA 除了求解线性问题外，还要具备分析非线性问题和动力学 问题的强大功能，增量法是数值求解非线性物理问题的最本质方法，对非线性物理 问题，计算解逼近真实解的过程是通过控制增量步逐步实现的，这种增量通常是载 荷或时间量。到 84 年以前，ADINA 是全球非常流行的有限元分析程序，一方面由 于其强大功能，被工程界、科学研究、教育等众多用户广泛应用；另外其源代码是 3 Public Domain Code，后来出现的很多知名有限元程序有很多部分都是参考 ADINA 的基本代码。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 发达国家尤其是欧美的随着汽车研究的发展和汽车法规的颁布，虽说汽车的保 有量很大，但是交通安全的死亡率却大大下降，这也说明了对汽车安全的研究可以 很大程度上改善交通尤其是汽车领域事故的危害性45。 我国汽车被动安全性方面的研究工作起步较晚，到八十年代末才开始开展这方 面的研究工作。目前国内具有从事汽车碰撞试验能力的试验室有：中国汽车技术研 究中心、清华大学汽车碰撞试验室、一汽长春汽车研究所、二汽襄樊汽车试验研究 所、国家交通部公路交通工程综合试验厂、上海汽车检测所，湖南大学汽车碰撞实 验室等。随着我国汽车侧面碰撞的乘员保护GB 20071-20066于 2006 年 7 月 1 日 实施，汽车侧面碰撞试验已经被列入新车上市之前的强检项目，因此，国内这些原 先建立的实车碰撞试验也开始进行侧面碰撞实验平台的开发和运行。目前中国汽车 技术研究中心为此项检测项目的指定单位，在标准实施后已经成功进行了包括天津 一汽、上海大众、上海通用、重庆长安、北京现代、东风雪铁龙等相关车型的侧面 碰撞试验评价7。CNCAP（中国新车评价规程）的实施，成为我国汽车评价的新 标志。 国内对于大客车的安全性做了很多的工作，包括大客车车身的刚度校核，扭度 校核、模态分析、碰撞安全性等等不同领域。 何汉桥8对大客车在侧翻事故中的结构安全性进行仿真研究， 采用合理的安全性 评价指标评估大客车在侧翻中的安全性，并通过客车车身结构的改进和优化来提高 大客车的侧翻安全性；针对大客车前碰事故，提出通用的大客车前碰吸能模块的概 念，并根据碰撞吸能原理进行设计，通过在大客车上的合理匹配，来有效提高大客 车在前碰撞事故中的安全性。 李发宗9应用非线性动态有限元理论，利用 VPG(Virtual Proving Ground)虚拟试 验场软件对某轿车实车侧面碰撞进行虚拟试验，通过对某轿车整车、侧面碰撞移动 4 变形壁障以及侧面碰撞假人有限元建模，对汽车侧面碰撞虚拟试验中仿真过程参数 进行设置与控制，最后对汽车侧面碰撞进行虚拟试验。最后通过对虚拟试验和实车 碰撞试验结果的比较分析，得出虚拟试验结果与实车试验结果基本一致。 江苏大学汽车系的陈晓东10， 应用 VPG/ETA 软件， 按照欧洲侧面碰撞法规 ECE R95，对某国产轿车进行了汽车侧面碰撞计算机，得出了和试验比较一致的结果。 游国忠11等应用 ETA/VPG 及 LS-DYNA 软件，按照欧洲侧面碰撞法规 ECE R95，对国产某轿车汽车侧面碰撞车身抗撞性能进行了计算机仿真分析。分析了材料 与焊点的模拟方式、时间步长、刚体、自接触的定义等对计算结果有影响的建模因 素，并将模拟计算结果与实际碰撞结果进行对比。通过仿真和试验结果的比较，车 身变形、加速度波形以及车体的运动基本一致。 清华大学的祝军，李一兵12分析汽车在侧翻和滚翻过程中的受力状态和轮胎或 车身与路面的相互作用方式，建立了汽车侧翻和滚翻的运动学和动力学模型，揭示 汽车临界侧翻碰撞力与持续作用时问等参数的关系，推导侧翻车辆侧向速度的范围， 确定滚筒模型中关键参数的选取方法。事故案例表明其模型在实际应用中效果良好、 定量准确、直观性强。 姚晓璐，马力13等在建立了大客车的碰撞有限元模型，实现了大客车与刚性壁 的碰撞仿真分析，后处理从结构变形，乘员生存空间和碰撞加速度几个方面来分析 了大客车车身骨架的耐撞性问题。 李媛，马力，张毅14等介绍了碰撞有限元计算模型的整体建模方法及特点，分 析了模型中单元尺寸网格密度分布、计算时间步长以及接触与摩擦等各因素对模型 计算精度、计算时间以及计算规模的影响。 吴毅，朱平，张宇15等按照欧洲侧面碰撞法规 ECER95 对 SUV 车侧面碰撞安全 进行了仿真研究， 。从碰撞变形、碰撞吸能、碰撞力以及关键点的加速度值对仿真结 果进行分析、评价。 Gary R. Consolazio，David R. Cowan16使用 ADINA 模拟计算了河流中行驶的船 碰撞桥墩的问题，船的前部碰撞模型结合使用了 shell 单元，truss 单元，beam 单元， solid 单元等几种单元的，桥墩使用了 solid 单元。计算结果为桥墩的设计提供了很有 5 价值的参考意义。 H. Ho17使用 ADINA 计算了手机跌落碰撞刚性地面的问题。通过在 I-deas 中建 立几何模型和有限元模型，然后通过 I-deas 和 ADINA 的转换器 Transor 把 I-deas 中 的模型导入 ADINA 中计算，计算了手机的跌落过程，以及手机与地面碰撞变形过程 以及反弹过程。 1.3 本论文主要研究工作本论文主要研究工作 客车的侧面碰撞是一个比较重要的研究领域，前人已经做了很多的工作，很多 的研究团队都有了比较成熟的研究成果。前人主要使用 LS-DYNA，ETA/VPG 和 MADYMO PSM，PAM CRASH 进行研究分析，得出了很多有价值的研究成果。为了 尝试一种新的分析方式，本论文在前人的工作研究基础上，使用 ADINA Structure 的 显式分析模块进行分析研究，希望得到期望的结果，为后来使用 ADINA 做碰撞分析 提供参考。 本文在 ADINA 中建立了客车的骨架有限元模型，为了分析客车的侧面碰撞， 又建立了客车的侧面蒙皮，建立了简单等效的侧面来车模型，计算模拟来车碰撞在 客车侧面后对客车的影响以及对车上乘客的影响，并通过改变几个关键骨架梁的截 面尺寸，来减小碰撞的影响，尤其是对乘客的加速度的影响。 本文的章节安排为： 第一章：绪论，介绍研究目的和意义，国内外研究现状等。 第二章：汽车碰撞法规与评价标准，介绍了碰撞安全法规，侧碰法规，我国的侧面 碰撞技术法规的发展情况，以及碰撞乘员伤害的评价。 第三章：非线性有限元分析的基本原理，介绍了有限元法的基本概述，非线性有限 元的发展，非线性有限元软件 ADINA 的介绍，接触碰撞算法。 第四章：建立客车骨架有限元模型：研究了承载式车身客车的建模方式，建立了客 车骨架的有限元模型，对模型进行了载荷和约束处理。 第五章：客车侧碰分析研究，建立了侧面碰撞来车的等效模型，研究了 ADINA Structure 显式分析模块，进行了侧碰发生后客车的变形分析，侧碰过程中 6 客车乘客座椅的反应分析，对结构的部件进行了改进以增强客车的抗撞 性。 第六章：总结与展望。 7 2 汽车碰撞法规与评价标准汽车碰撞法规与评价标准 引言引言 现代随着汽车保有量在全球的日益增加，交通事故也日益增多。为了提高汽车 产品的安全性，旨在为消费者提供一个系统、客观的汽车安全信息，促进企业按照 既定的安全标准开发和生产，以有效减少道路交通事故的伤害及损失，因此很多国 家都颁布了汽车碰撞安全法规，法规中关于乘员损伤指标是法规检验客车安全性的 校核指标。 由于汽车事故造成的巨大损失，世界各发达国家都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(FMVSS)和欧洲法规(ECE 和 EEC)，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。我国也逐渐对汽车安全性有了足够的重 视，并对汽车实行了 38 项强制性安全法规，其中包含了对座椅、安全带固定点、安 全带总成等的要求。在 1989 年我国对整车碰撞安全性也制定了国家标准(GB/T11551 汽车乘员碰撞保护、GB/T11557-89 防止汽车转向机构对驾驶员伤害等)，但没有强制 实施。中国已于 2000 年 1 月 1 日实施了“关于正面碰撞乘员保护的设计规则 (CWDR94)”。其他汽车碰撞安全法规也在集编中，将陆续颁布实施1。 2.1 碰撞安全法规碰撞安全法规 首先，介绍美国联邦机动车安全法规(FMVSS 系列法规)： 美国联邦机动车安全法规是由美国联邦运输部国家交通安全局(NHTSA)依据 1966 年 9 月 9 日制定的国家交通及汽车安全法组织制定的，其目的是为了减少汽车 交通事故及减轻汽车碰撞事故中乘员的伤害程度。该法规体系的技术核心内容是联 邦机动车安全标准。FMVSS 系列法规主要是针对最终指标，要求严格，实施时间校 长，在实施细则中详细规定了各项试验的方法，试验内容较多，要求也高，整套法 8 规的特点如下： 1、法规内容齐全，指标先进。到 1996 年 12 月 31 日止，该法规制定和实施的 标准项目共有 54 项，其中包括防止事故发生的标准 29 项(100 系列)；减轻碰撞事故 发生时对乘员的损伤标准 21 项(200 系列)；以及发生事故后的保护标准 4 项(300 系 列)。其中各项指标均有严格的要求，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。 2、FMVSS 系列法规修订较快，也比较灵活。例如、当法规实施有困难时，就 作适当调整，可延期、重新修订或暂免等。 3、FMVSS 系列法规与 SAE、ASTM、ANSI 等标准具有密切的联系，并且大多 采用或引用了这些标准。 美国联邦机动车安全法规可以说是世界上最完善的法规体系之一，它从各个方 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。目前，该法规拟修订的主 动安全标准有 14 项，其中包括车内扫描判断系统、碰撞避免技术、ABS 系统及翻车 性能等：被动安全标准有 6 项，其中包括车内儿童乘员保护、行人碰撞保护以及偏 置碰撞保护等。 FMVSS 系列法规主要是针对轿车而制定的，但为了保证所有汽车乘员最低限度 的安全性，NHTSA 提出各种客车都必须源用轿车法规这一方针，并逐步将轿车法规 的适用范围扩大到轻型载货汽车、多用途客车等车型上。NHTSA 并于 1990 年公布 了义务装备头枕、义务装备三点式安全带以及有关车顶和侧门强度等要求的政府公 告1。 然后再来介绍欧洲汽车法规： 欧洲各国开始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 EEC 指令和 ECE 法规则始于二战后。欧洲经济委员会于 1958 年开始制定统一的汽车法 规，分为 ECE 法规和 EEC 指令，前者由各成员国任意自选，是非强制性的：后者则 作为成员国统一的法规，是强制性的。但 ECE 法规已被大多数成员国所接受，并引 9 入本国的法律体系中。 从 1960 年颁布的 ECE R1、ECE R2 法规开始，到 1996 年正式颁布实施的 ECE 法规有 99 项，涉及汽车的安全、环保及节能等领域。法规的基本特点是局限于汽车 的装备和部件，因此，ECE 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有便于理解和操作的详细试验方法，并且要求进行的试验次 数也较少。可见，ECE 法规与美国联邦机动车安全法规存在较大差别。 目前，在 ECE 已颁布实施的 99 项法规中，关于汽车夫全方面约法规占 81 项， 其中，主动安全法规 55 项，被动安全法规 26 项。与美国联邦机动车安全法规不同 的是，除了规定车辆正面碰撞、侧面碰撞、翻车时车身强度及碰撞时防止火灾等要 求外，ECE 法规还非常重视灯光和信号装置的安全性。 EEC 指令是 1970 年开始制定的，其内容与 ECE 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 1995 年底，EEC 指令共有 220 项，其中与汽车安全 标准有关的指令约为 107 项(含修订部分)1。 再次，介绍日本道路车辆安全标准： 早在 1951 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，日本又充分吸收了 FMVSS 系列法规和 ECE 法规等标准法规的优点，再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。与欧美不同的是，由于日本国土狭窄，所以日本道路车辆 法规特别重视汽车与行人及摩托车之间的碰撞安全，对汽车外部凸出物等的规定特 别详细。 到 1995 年底，日本道路车辆安全标准包含车辆构造、装置标准共 95 条，其中 安全标准 68 条；试验方法标准 88 条，其中安全标准 76 条。另外，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日本国内生产汽 车执行的标准法规大多为 FMVSS 和 ECE 等标准法规，也即日本道路车辆法规及其 管理制度等与美国联邦机动车安全法规基本一致2。 10 2.2 侧撞法规侧撞法规 欧洲在 1991 年欧洲颁布了 ECE侧面碰撞保护草案，并于 1995 年颁布了正 式的 ECE R95 侧面碰撞法规。美国在早期的 FMVSS 法案，其中提出对车门侧后 静强度标准，这只是模拟汽车侧面与树及电线杆等发生碰撞的情形。发展到后来 建立了新的模拟两车侧面动态碰撞的试验方法 FMVSS 2140。 美国与欧洲的侧面碰撞试验方法和评价指标有很大不同。在试验方法方面，美 国着重于模拟实际碰撞情况，碰撞角偏斜为 27 度，试验假人为 SID，碰撞速度为 32km/h； 欧洲则着重于试验条件统一对比， 令碰撞角为 0 度， 试验假人为 EuroSID-1， 碰撞速度为 501km/h。 在评价指标方面，美国的侧面碰撞试验以加速度为评价指标，而欧洲以碰撞假 人被撞部位的挤压位移量和所受载荷为评价指标。美国将侧面碰撞时最易于被撞的 胸部和骨盆作为伤害指标测量点；欧洲的伤害指标测量点则包括头部、腹部及肋骨 等要害部位。 侧面碰撞中代表等效侧面来车的移动壁障，在美国 FMVSS214 与欧洲 ECER95 法规对于其质量，吸能块的外形、尺寸、刚度都不相同。这些差异当然也是可以理 解的，比如欧洲的轿车平均质量通常远远小于美国轿车，同时吸能变形块的刚度则 是代表各自国家汽车前部平均刚度。 由于侧面安全性评价的标准不同，给汽车产品的开发带来的极大障碍。目前国 际统一工作的主要是规定统一的变形单元材料和制造工艺，以此保证试验结果的一 致性。 FMVSS214 中采用的 SID 型假人，而 ECER95 采用的 EuroSID-1 型假人，两者 的结构及测量通道都不一致，这种差异可能会导致对侧面碰撞保护效能评价结论的 不同，试验假人的统一是目前此领域内最迫切的工作之一1819。 2.3 我国侧面碰撞技术法规的发展情况我国侧面碰撞技术法规的发展情况 由于我国城市交通路口多以平面交叉为主，导致城市中的侧面碰撞事故发生的 11 频率比正面碰撞还高，所以推行侧面碰撞在我国是非常必要的。目前我国侧面碰撞 法规还没有出台，不过相关的政府部门已经着手以 ECER95 为蓝本结合我国实际碰 撞事故特点起草我们国家的侧面碰撞法规，由于我国与欧洲都是实施汽车产品认证 制，因此相应参考欧洲法规也是顺理成章的事。 而对于轿车侧面碰撞时，还有可能引起轿车侧向翻倾或横滚，因此大多国家评 价轿车侧面碰撞安全性时，还要检测车身顶盖、车门静强度等。相应法规如美国的 侧门强度(FMVSS571.214)、我国的轿车侧门强度( GB15743-1995)等20。 2.4 碰撞乘员伤害的评价碰撞乘员伤害的评价 汽车的安全性分为被动安全和主动安全性。本文，主要讨论汽车的被动安全， 被动安全是指在发生碰撞时候，对司机和乘员进行保护，尽量减少他们的伤害和损 失。改善汽车的被动性能，在汽车碰撞中如何保护司机和乘员的安全，是各个汽车 厂商非常追求的能力，可以很大的提高汽车的竞争力。 乘员的伤害主要是由下述几种原因造成的：第一，在碰撞时，汽车结构发生变 形，汽车构件侵入乘员生存空间，使乘员受到伤害；第二，碰撞时，由于汽车结构 破损等原因，使得乘员的部分身体成全部身体暴露到汽车外面而受伤；第三，当汽 车结构设计较好时，尽管汽车构件没有侵入乘员生存空间，乘员身体也没有暴露到 汽车外部，但在碰撞的作用下，汽车的速度急剧减小，这时乘员由于惯性作用继续 移动，与汽车内部结构(如方向盘、仪表板等)发生碰撞而造成伤害。在第三种情况下 乘员受到的伤害是直接由二次碰撞造成的1。 碰撞试验中，乘员碰撞保护的定量分析主要取决于试验假人的伤害评价指标。 试验用假人一般使用50百分位的混合假人。 主要的伤害评价指标各个国家基本相同， 主要有如下几项： 1、假人头部的合成加速度(Head Performance Criterion ) HPC 目前国际上常用的评价头部伤害程度是通过计算头部性能指标 HPC。当头部发 生接触时，它包括从初始接触到最后接触的整个接触过程的计算。 12 2 1 2.5 21 21 1 () t t HICttadt tt = （2-1） HIC 为假人头部质心处的合成加速度倍数，a 假人头部质心处的加速度，值为重 力加速度的倍数， 1 t， 2 t为碰撞过程中所选择的两时刻，单位为 s，他们应使 HIC 计 算结果达到最大值。 HPC 的局限在于：虽然头部的生物力学响应包括可以引起头部伤害的角运动， 但 HPC 仅考虑了线性加速度；HPC 只在硬接触发生时有效，因此冲击的时间区间受 限制。虽然有这些限制，但 HPC 仍然是研究头部伤害时最常使用的准则，而且 HPC 被认为可以很好的区分接触和非接触冲击响应。 我国标准中规定 HPC 值不超过 1000。 2、胸部性能指标 胸部变形量（Rib Deflection Criterion ) RDC：指胸部变形峰值，是胸部位移传感 器测得的任一肋骨的变形最大值，通道频率滤波等级为 180Hz。国际上较多采用 RD C 来评价乘员胸部损伤，认为肋骨骨折是胸部普遍最会发生的伤害形式。 我国标准中规定 RDC 应小于或等于 42mm。 黏性指标(Viscous Criterion ) VC：指黏性响应的峰值，是在半胸部任一肋骨上测 得的瞬时压缩量与肋骨变形速率乘积的最大值，通道频率滤波等级为 180Hz 。为计 算此值，半胸部肋骨腔的标准宽度为 140mm。 ( )( ) (0) d D tD t VC dtD = (2-2) 式中， ( ) (/ ) d D t V m s dt =胸腔变形速率； ( ) (0) D t C D =胸腔挤压变形率； D(0)胸腔原始宽度 0.14(m)。 胸部的重要器官，心脏、大动脉、肺等都是由软组织组成的。生物力学研究表 明软组织的损伤主要由胸部的速率敏感变形引起的，胸部侧向碰撞损伤容忍限度为 13 1.0 m/s，因此黏性指标不得大于 1.0 m/s，否则乘员将受到严重伤害。 我国标准中规定黏性指标应小于或等于 1.0m/s 。 3、骨盆性能指标(Pubic Symphysis Peak Force ) PSPF 指耻骨结合点力的峰值(PSPF)，是由骨盆耻骨处安装的载荷传感器测得的力最 大值，通道频率滤波等级为 600 Hz 。 我国标准中规定耻骨结合点力的峰值(PSPF)应小于或等于 6 KN。 4、腹部性能指标(Abdomen Peak Force ) APF 腹部受力峰值，是安装在假人碰撞侧表面覆盖物下部 39 mm 处的力传感器测得 的 3 个力合力的最大值，通道频率滤波等级为 600 Hz。 我国标准中规定腹部力峰值(APF)应小于或等于2.5 KN的内力(相当于4.5 KN的 外力)12。 2.5 本章小结本章小结 本章介绍了汽车碰撞的安全法规，尤其是侧碰法规，以及我国侧面碰撞法规和 碰撞乘员伤害的评价。通过这些可以了解到，在汽车碰撞中，最主要的伤害来自于 两个方面，一个是碰撞使汽车的某些构建发生过大的变形，尤其是使构建失效损坏 而挤压或者是插入乘客；另一个方面是当碰撞时候，乘客的加速度过大，如果一定 时间内的加速度超过人体所能承受的最大极限，就算人体没有被碰撞挤压，也会受 到非常大的伤害。 14 3 非线性动力有限元分析的基本理论非线性动力有限元分析的基本理论 3.1 有限元法概述有限元法概述 有限元没有产生以前，经典结构力学(力法、位移法、能量法)只能求解较为简 单的工程问题。从应用数学的角度考虑，有限元法的基本思想可以追溯到 Courant21 在 1943 年的工作。他首先尝试应用在一系列三角形区域上定义的分片连续函数和最 小位能原理结合，来求解 St. Venant 扭转问题。随后，很多应用数学家、物理学家、 力学家和工程师分别从不同的角度来对有限元法的离散理论、方法及应用进行了研 究。有限元法的实际应用是随着电子计算的出现而出现。1956 年，M. J. Turner 和 R. W. Clough22等人将刚架位移法的思想推广应用于弹性体平面问题上，他们把平面连 续划分成若干三角形单元和矩形单元，使连续体变成离散体，仅在单元节点处相连； 然后对单元体应用几何、物理及平衡三方面条件，导出单元刚度矩阵，即单元节点 力与单元节点位移的矩阵关系式；在应用单元间位移的连续性和节点的平衡条件， 建立结构的总刚度方程，即结构的节点位移和节点载荷间的矩阵关系式；然后根据 结构的边界位移条件来修改总刚度方程，由此方程求得结构节点位移值，最后应用 物理方程求出各单元的应力。 1960 年 Clough23进一步求解了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法” 的名称，使人们更清楚地认识了有限元法的特性和功效。 在 1960 至 1970 年间，基于各种变分原理的有限元法得到了迅速发展，R. J. Melosh 等人应用位能原理建立了有限元位移模型；Pian 应用余能原理建立了有限元 平衡模型；R. E. Jones、Y. Yamamoto 等人应用修正位能原理建立了混合有限元模型； Z. M. Elias 等人应用余能原理建立了有限元平衡模型；L. R. Herrmann 应用 HellingerReissner 原理建立薄板弯曲的混合型有限元法； O. C. Zienkiewicz、 张佑启 等人做了进一步发展与应用。这样有限元法便有了坚实的理论基础。此后有限元在 工程界获得了广泛的应用。到 20 世纪 70 年代以后，随着计算机硬件和软件技术的 发展，有限元也随之迅速地发展起来，广泛应用机械、电子等各种工程领域24-28。 15 有限元法是在当今工程分析中应用最广泛的数值计算方法。因为它的有效性和 通用性，受到科研学术和工程技术界的高度重视。随着计算机技术的快速发展，现 在有限元法已经成为计算机辅助计算（CAE）的最主要组成部分，成了计算机辅助 设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）的重要组成部分。 有限元是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物，它有自己的理论基础和 解题方法。由于有限元在解决工程技术问题时的灵活、快速及有效性，发展非常迅 速，最初有限元方法被用来研究飞机结构中的应力问题，目前，其解题范围己经包 括了各个领域(固体力学、生物力学、流体场、电磁场、温度场、声场)的数理方程; 其计算机程序几乎能求解数理方程中的各类问题。它已成为解数理方程的一种通用 的数值计算方法。 在工程与物理的数学模型比如基本变量，基本方程，求解域和边界条件确定以 后，有限元法进行分析的要点主要如下： （1） 、将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个单元，并通过它们边界上的 节点组合成组合体。 （2） 、用每个单元内所假设的近似函数来分片地表示全求解域内待求的未知场变量。 （3） 、通过和原问题数学模型等效的变分原理或加权余量法，建立求解基本未知量 的代数方程组或常微分方程组。 有限元法的固有特性可以概括如下： （1） 、对于负责几何构型的适应性； （2） 、对于各种物理问题的可应用性； （3） 、建立于严格理论基础上的可靠性； （4） 、适合计算机实现的高效性。 80 年代之前，当有限元应用于汽车的碰撞分析时还只能计算非常简化的车辆模 型，不仅单元数量少，而且模型与实体之间差别巨大；80 年代之后，随着有限元理 论和方法的不断完善和计算机技术的飞速发展，汽车碰撞的精确数值分析与计算己 成了现实，并且正在逐步取代部分试验室的工作。汽车碰撞是个瞬态的大位移和大 变形的过程，系统具有几何和材料等多重非线性。它涉及材料在动载下的本构关系、 16 接触算法等问题，由于问题的复杂性，动态非线性有限元方法已成为主要的研究手 段。 汽车碰撞分析的有限元法本身也是一个复杂的课题，它涉及到众多的学科和领 域，尤其是有限元理论、计算数学、计算力学、弹塑性力学、计算机图形学等，并 且这些理论本身也在不断发展和完善。汽车碰撞属于高速碰撞现象，描述这类现象 的主要方法有：Euler 法、Lagrange 法和 ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian)法。Euler 法多用于流体力学问题，在固体力学中用的很少；ALE 法是处理流体一固体相互作 用的较好方法，适用于高速碰撞现象描述，其理论与算法较复杂，在具体编程和工 程中不易实现；而 Lagrange 法是目前描述固体碰撞行为的最成熟最方便的方法。采 用 Lagrange 法描述的有限元法可以处理高速碰撞工程中复杂的边界条件和复杂的材 料本构关系，并且对接触滑移面描述非常方便29-32。 3.2 非线性有限元的发展非线性有限元的发展 非线性有限元方法有多种溯源，通过波音研究的工作和 Turner，Clough，Martin 和 Yopp（1956）的著名文章，使线性有限元分析得以闻名，不久之后，在许多大学 和研究所里，工程师们开始将方法扩展至非线性、小位移的静态问题。但是，它难 以燃起早期有限元社会的激情和改变传统研究者们对于这些方法的轻视。例如，因 为考虑到没有科学的是实质， Journal of Applied Mechanics许多年都拒绝刊登关于 有限元方法的文章。然而，对于许多必须涉及工程问题的工程师们，他们非常清楚 有限元方法的前途，因为它提供了一种处理复杂形状真实问题的可能性。 在 20 世纪 60 年代，由于 Ed Wilson 发布了他的第一个程序，这种激情终于被点 燃了。这些程序的第一代没有名字。在遍布世界的许多实验室里，通过改进和扩展 这些早期在 Berkeley 开发的软件，工程师们扩展了新的用途，这些带来了对工程分 析的巨大冲击和有限元软件的随之发展。在 Berkeley 开发的第二代线性程序称之为 SAP（structural analysis program） 。由 Berkeley 的工作发展起来的第一个非线性程序 使 NONSAP，它具有隐式积分进行平衡求解和瞬时问题求解的功能。 第一批非线性有限元方法文章的主要贡献者由 Argyris（1965） ，Marcal 和 King 17 （1967） 。 不久， 大批文章激增， 而且软件随之诞生。 当时在 Brown 大学任教的 Pedro Marcal，作为第一个非线性商业有限元程序进入市场，与 1969 年建立了一个公司， 程序命名为 MARC，目前它仍然是主要软件。大约在同期，John Swanson 为了核能 应用在 Westinghouse 发展了一个非线性有限元程序。为了使 ANSYS 程序进入市场， 他于 1969 年离开 Westinghouse。尽管 ANSYS 主要是关注非线性材料而非求解完全 的非线性问题，但他多年来仍垄断了商业非线性有限元的舞台。 在早期的商用软件舞台上，另外两个主要人物是 David Hibbitt 和 Klaus Jurgen Bathe。Hibbitt 与 Pedro Marcal 合作到了 1972 年，后来与其它人合作建立了 HKS 公司， 使 ABAQUS 商业软件进入市场。 因为该程序是能够引导研究人员增加用 户单元和材料模型的早期有限元程序之一，所以它对软件行业带来了实质性的冲击。 KlausJurgen Bathe 是在 Ed Wilson 的指导下在 Berkeley 获得博士学位的， 不久之后 开始在 MIT 任教，这期间他发表了他的程序。这是 NONSAP 软件的派生品，称之 ADINA。 直到大约 1990 年，商用有限元程序集中在静态解答和隐式方法的动态解答。在 20 世纪 70 年代，这些方法取得了非常大的进步，主要贡献来自于 Berkeley，起源于 Berkeley 的研究人员：Thomas J.R. Hughes，Robert Tayor， Juan Simo，Jurgen Bathe， Carlos Felippa，Pal Bergan，Kaspar Willam，Ekerhard Ramm 和 Michael Ortiz。他们 是 Berkeley 的杰出研究者中的一部分。不容置疑，他们是早期有限元的主要孵化人 员。 当代非线性软件的另一个主要分支是显式有限元程序。Wilkins（1964）在 DOE 实验室的工作强烈的影响了早期的显式有限元方法，特别式命名为 hydrocodes 的 软件。 1964 年， Costantino 在芝加哥的 IIT 研究院发展了可能是第一个的显式有限元程 序（Costantino，1967） 。它局限于线性材料和小变形由带状刚度矩阵乘以节点位移计 算内部的节点力。它首先在一台 IBM7040 系列计算机上运行，花费了数百万美元， 其数度远远低于一个 megaflop（每秒一百万浮点运算）和 3200 字节 RAM。刚度矩 阵存储在磁带上，通过观察磁带驱动能够检测计算的过程。当每一步骤完成时，磁 18 带驱动将逆转以便允许阅读刚度矩阵。这些和以后的 Control Data 机器有类似的性 能，如 CDC6400 和 6600，他们是 20 世纪 60 年代运行有限元程序的机器。一台 CDC6400 价值近 1000 万美元，有 32kB 内存（存储全部的操作系统和编译器）和大 约一个 megaflop 的真实速度。 1969 年，为了实现对空军销售的计划，高级研究人员开发了著名的单元乘单元 的技术，节点力的计算不必运用刚度矩阵。因此，发展了名为 SAMSON 的二维有限 元程序，它被美国的武器实验室用了 10 年，1972 年，该程序的功能扩展至结构的完 全非线性三维瞬态分析，称之 WERCKER。这一工作得到美国运输部敢于幻想的计 划经理 Lee Ovenshire 的基金