（车辆工程专业论文）汽车正面碰撞吸能元件耐撞性研究与结构优化.pdf

摘要 摘要 对现代汽车结构设计而言，汽车的安全性一直足一个研究的搏点。 但与发达国家相比，我国在这方面的研究还存在一定的差距，自t 丌发 与研究的能力较弱，冈而必须加强汽车芟全性设爿方面的研究和应用。 本文以某款三厢轿车的碰撞仿真与优化项目f 1 为工程背景，砚究的 重点放在如何优化吸能结构以提高其吸能能力匕。通过系统、全向的研 究，有效提高了吸能结构的吸能能力，进而也【叟善了次车的丁f 面f i 撞安 全性。本文的主要结论如f ： j 研究了方形薄壁直粱在冲击载荷下的届曲变形畴况和常用计箅疗法。 在此基础上，通过研究方形薄壁直梁的结构参数对其吸能特f i 的影 响，初步确定了方形薄壁直采结构设计的基本原则。 2 在参阅大量国内外有关汽车碰撞有限元建模方面文献的基础上建立 了汽车碰撞有限元摸型。通过碰撞仿真模拟结果与试验结果对比，校 核并修正了该车的碰撞有限元模型。实车试验证明，该模型的i 1 算结 果具有很高的精度。 3 存整车碰撞仿真平台下研究了纵梁的结构变化对其吸能特性的影制， 基于此提出了改善该车t f 面碰撞安全性的具体措施。实车试驺正明， 这些改进措施有效提高了该车的正面碰撞安全洼。 4 在汽车外形设计和总体发计之初，要考虑为汽车高速碰撞安全预留出 足够的可变形空间，这是确保汽车碰撞安全性的前提。 5 汽车正面碰撞建模标准和流程对仿真分析结果的准确性影响很大因 而必须尽快地建立和完善汽车币面碰撞的建模标准和流程，并朽实践 过程中严格执行。 6 应尽快建立汽车正面碰撞试验数据库与仿真数掘库，以便为后；车型 的安全性设计提供杯卡t 车型和改进依据。 关键词：汽车，被动安全性，碰撞仿真，安全性设计，结构优化 垒曼! ! 坠塑 a b s t r a c t s a f e t y i sas t u d yf o c u so fs t r u c t u r ed e s i 窟no fm o d e r n a u t o m o b i l ea ta l lt i m e s b u tt h e r ea r es o m ed i f f e r e n c e sb e t w e e n o u rc o u n t r ya n dt h ed e v e l o p e dc o u n t r y ，a n dt h ea b i l i t yt oe x p l o i t a n dr e s e a r c hi n d e p e n d e n t l yi s p o o r e r s o w em u s te n h a n c e r e s e a r c ho i la u t o m o b i l es a f e t yd e s i g na n di t sa p p l i c a t i o n ad r o j e c ta b o u tc r a s hs i m u l a t i o na n do p t i m lz a t i o no fa t h r e e c o m p a r t m e n tc a ri ss e l e c t e da se n g i n e e r i n gb a c k g r o u n do f t h i sp a p e ra n dr e s e a r c hf o c u si sl o c a t e di ni n c r e a s i n gi t sa b i l i t yo f a b s o r b i n ge n e r g yb yw a yo fo p t i m i z i n g t h e a b s o r b i n g e n e r g y s t r u c t u i e t h r o u g ht h es y s t e m i ca n dc o m p r e h e n s i v er e s e a r c h ，t h e a b i l i t y t oa b s o r b e n e r g y o f a b s o r b i n g e n e r g y s t r u c t u r ei s i n c r e a s e da n dt h e r e b yf r o n t a lc r a s hs a f e t yo ft h ec a ri si m d lo v e d p r i m a r 3 ，r e s u l t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w e d ： f l e x u o s i t yd e f o r m a t i o no fq u a d r a t i ct h i n w a l l e db e a mu n d e r i m p a c tl o a da n dt y p i c a lc o m p u t i n gm e t h o d sa r er e s e a r c h e d 0 n t h eb a sjso ft h i s ，b a s i cp r i n c i p l e so fs t r u c t u r ed e s i g nf o rq u a d r a t i c t h i n w a l l e db e a ma r eo f f e r e db ym e a n so fs t u d y i n gt h ee f f e c to f i t ss t r u + t u r ep a r a m e t e r so ni t sa b s o r b i n g - e n e r g yb e h a v i o r o rt h eb a s i so fc o n s u l t i n gag r e a tn u m b e ro fd o m e s t i ca n d f o r e i g nr e f e f e n c e sa b o u tb u i l d i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e l ( f e m ) o f a u t o m o b i l ec r a s h f e mo ft h ec a rc r a s hi se s t a b l i s h e d t h r o u g h c o m p a r i n gc r a s hs i m u l a t i o nr e s u l tw i t ht e s tr e s u l t ，t h em o d e li s c h e c k e da n dr e v i s e d c r a s ht e s to ft h ec a ri n d i c a t e st h a tc r a s h s i m u l a t i o nr e s u l th a v eh i g h e rp r e c i s i o n t h ee f f e c to fl o n g i t u d i n a l - b e a ms t r u c t u r et r a n s f o r m a t i o no n i t sa b s o r b i n g e n e r g yb e h a v i o ri ss t u d i e du n d e rt h ec i r c u m s t a n c e o fe n t i r e c a rc r a s hs i m u l a t i o n b a s e do nt h i s ，t b ec o n c r e t e1 1 1 e a n s t oi r e p r o v ef r o n t a lc r a s hs a f e t yo ft h ec a ra r eo f f e r e d c r a s ht e s t o ft h e ( a ri n d i c a t e st h a tt h e s em e a n si m p r o v e se f f e c t i v e l yf r o n t a l c r a s hs a f e t yo ft h ee a r a tt h eb e g i n n i n go fs h a p ed e s i g na n dc o n c e p t u a ld e s i g no f a u t o m o b i l e ，t h ei d e at or e m a i ne n o u g hd e f o r m a b l es t r u c t u r ef o r a u t o m o b i l ec r a s hs a f e t ys h o u l db ec o n s i d e r e d ，w h i c hi s t h e 垒垒! ! 坠竺! p r e c o n d i t i o nt oe n s u r ea u t o m o b i l ec r a s hs a f e t y t h es t a n d a r da n df l o wo fb u i l d i n gf e mo fa u t o m o b i i e f r o n t a lc r a s hh a sag r e a te f f e c to nt h ea c c u r a c yo fs i m u l a t i o n r e s u l t ；ot h e ym u s tb ee s t a b l i s h e da n dc o n s u m m a t e da sq u i c k l y a sp o s st b l e a n ds h o u l db es t r i c t l ye x e c u t e di np r a c t i c e t h ed a t a b a s eo ff r o n t a lc r a s ht e s ta n ds i m u l a t k mo f a u t o m o b i i es h o u l db ee s t a b l i s h e da sq u i c k l ya sp o s s i b l e w h i c hi s a b l et o0 f f e rb e n c h m a r ka n di r e p r o v i n gr e f e r e n e ef o r s a f e t y d e s i g no fs u b s e q u e n ta u t o m o b i l e k e y w o r d ：a u t o m o b i l e ，p a s s i v es a f e t y ，c r a s hs i m u l a t i o n ， s a f e t yd e s i g n ，s t r u e t u r eo p t i m i z a t i o n 壁巫些苎堡堂 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 刘现代汽车结构设计而言，汽车的安全性一直是一个研究的热 点，受到汽车制造商、消费者以及各国政府的普遍重视和关注。 从全世界的统计数字来看，每年因交通事故而死t 的人已超过j o 力人，伤者在i 0 0 0 力人以上。我国是世界上交通事故最多的嘲家之 一，随着国民经济的发展，机动车辆保有量急剧增加，交通2 弘故数 量也随之不断上升。从1 9 9 5 年一1 9 9 8 年的统计数据柬看，每年的交 通事故都有数十力起，直接经济损失达十几亿元( 见表卜1 ) ，而且 交通事故数呈逐年上升趋势，死亡人数也在逐年增长“。 年份交通事故数死亡人数受伤人数 直接经济损失，7 亿元 1 9 9 5 2 7 1 8 4 37 1 5 0 0l5 9 0 0 015 2 1 9 9 62 8 7 6 8 5 7 3 6 5 5l7 4 4 4 7l7 2 1 9 9 73 0 4 2 177 3 8 6 l1 9 0 l 2 8 1 8 5 1 9 9 8 3 4 6 l2 97 8 0 6 72 2 2 7 2 l19 3 表卜l 我国交通事故统计 与世界发达国家相比，我国每年力车死亡人数已达到发达d 家的 1 0 倍以上( 见表卜2 ) 。 美国德国法固意大利只本 中国 交通事故次数 2 2 2 0 0 0 01 9 9 2 6l7 0 0 0 02 4 8 8 6 52 7 l8 4 3 死亡人数 4 l7 9 89 7 0 08 4 1 26 6 0 01 0 3 2 37 1 4 9 4 受伤人数 3 3 8 6 0 0 05 3 0 0 0 01 8 1 4 0 32 4 0 0 0 03 3 l 7 4 7l j 9 3 0 8 年力车死亡人数 2 1 31 93 51 91 62 2 5 年1 0 力人死亡数 15 9 l1 21 4 51 2 08 5 5 9 袁卜2 一些国家道路交通事故状况 造成这种现象的原因很多，包括汽车的性能、道路状况、i 】机的 素质以及交通体系的完整性和合理性等等。但是另一方面也说明我 汽下止面碰撞吸能元f l 耐撞性研究j 结构优化 国在汽车安全性研究方面的工作丌展的还很不够，需要引起符方面 的足够重视。 早期的汽车安全性研究主要集中在提高汽车动力性、操纵住、舒 适性、制动性以及改善灯光、视野等方向，这些均可以称为士动安 全性。但长期研究发现，汽车的主动安全性再好也不能避免多数交 通事故的发生，因而研究在汽车发生碰撞事故之后，如何减少人员 伤亡就成了很重要的课题，即所谓的汽车被动安全性研究”。j j 酌， 美国、闩本和西欧的汽车制造公司都有号门的技术人员和最先进的 计算机设备从事汽车被动安全性的试验和分析工作，并且采用严格 的汽车安全法规进行把关和控制。一些实力雄厚的汽车制造j 商为 提高自身的市场竞争力，甚至采用了比普通的汽车安全法规兜严格 的标准。实践证明，丌展汽车被动安全住研究和贯彻安全法规和标 准使得这些国家在汽车事故中的死亡人数明显减少，这蜕明袱动安 全性研究对降低人员伤亡率具有重要的意义h 1 。 在我国，汽车工业是我国的支柱产业，按照规划到2 0 1 0 争：汽车 的生产能力要达到6 0 0 万辆，产品丌发要具备自主) 1 发新车型的能 力，产品和制造技术水平要达到当代国际水平。为此，近些年柬我 国在参照国外汽车安全性法规的基础上，也相继制定了一些，i 车安 全性标准。1 9 8 9 年，我国颁却了中华人民共和国标准化法，明 确将涉及人体健康、人身财产安全、污染和能耗及资源等方面内容 纳入强制性标准，并规定凡是不符合强制性标准要求的产品，不得 生产、销售和使用。1 9 9 5 年，我国已将涉及汽车安全、环境保护和 节能力面的6 6 项标准纳入强制性标准体系，其中主动安全性扔准3 7 项，被动安全性标准1 3 项，这些标准大多是参照e c e 法规和1 ：e c 指 令制定的。我国汽车安全性法规c v d r2 9 4 ( 关于萨面碰撞柔员保 护的设计规则) 及其相关法规g b t 1 1 5 5 7 1 9 9 8 ( 汽车及防止 博十后出站报告 汽车转向机构对驾驶员伤害的规定) 已于2 0 0 1 年7 月l 只n 一式实 施“。 与注规和试验的逐步完善相比，我国在汽车破动安全性研究方面 还有待提高，特别是在计算机仿真分折与工程实际结合方面q i 待加 强。由于汽车的破动安全性研究主要是为了保护乘员免受伤0 ；，析 乘员受伤程度与汽车的吸能状况密切相关，因而本文的研究重点将 放在改善汽车诈面碰撞时的吸能能力上。通过对吸能结构的n j 撞眭 进行研究，可为汽车下面碰撞安全性设汁提供系统完褴的设i 思路 与依据，并可为今后汽车安全性评价体系的建立奠定良好的蓼础， 因而本文的研究内容具有鲜明的现实意义和广泛的应用前景。 1 2 汽车被动安全性发展综述 汽珲安全性问题与汽车的多种性能( 如制动性、操纵性、动力性、 平顺性等) 直接或间接相关，因此，在汽车发展的早期，汽! = 安全 性研究与提高汽车整体性能的研究交织在一起，即着重改善汽车的 主动安全性能。随着二战后汽车工业的持续发展，到6 0 年代r 期， 西方发达国家中汽车的保有量和汽车的动力眭能有了明显的提高， 公路上的车流密度和车流速度己达到了一个空f i 高的水平，i 车事 故发生率空的高涨，汽车安全性受到了公众和政府部门的高度t 室视。 从这一时期丌始，各国相继制定或修订了安全法规，如美国的汽车 安全标准f m v s s 、欧洲的汽车安全法规e c e 等。在这些法规的制约下， 为了提高汽车产品的竞争力和提高市场份额，各大汽车制造商和一 些研究机构丌展了汽车安全性方面的专门研究，汽车安全性研究逐 渐从汽车技术研究的其他领域分离出柬形成了一个独立的分支，而 汽车的被动安全性更成为此项研究的主流。1 1 。 汽车的安全性分为主动安全性和被动簧全性两方面，主动父全性 是指汽车防止和避免发生事故的能力，而被动安全忭是指事故发生 汽卞止面碰撞吸能元“耐撞性研究与结构优化 时汽车本身对乘员及行人等提供安全保护的能力，也就是指y i 车的 碰撞安全性。 早先所有对车辆破动安全性研究的兴趣大都集中在车辆内部的 防护装胃上。1 9 4 9 年，、a s h 就提出了可以减少汽车碰撞对司乘人员 伤害程度的第个成果安全带。随后，安全仪表板、安全f 】锁、 安全气囊等安全措施先后被广泛采用。直到2 0 世纪6 0 年代，人们 d 真币认识到汽车车体结构的性能在汽乍碰撞中的主导地位，汽车 安全车体结构的研究随之逐步丌展起柬，彳日m 于汽车碰撞过矛f 涉及 多力面的非线性因素，这方面的研究并末取得实质性的突破。虽然 一般用途的非线性有限元或有限差分的计算程序提供了广泛而多样 的数值方法，并在一些分总成或薄壁结构件的撞击响应方式上获得 了成功的应用 ”1 ( 如t r g r l m m 等人对圆杜型薄壁结构碰撞特性的 研究，h f 、_ t a h m o o d 等人对薄壁纵梁的碰撞分析以及应用梁单元进 行汽车构件碰撞响应的计算机模拟等”1 ) ，但是它们在预i 99 整个 汽车结构的撞击响应方面还和试验结果有很大的出入，尚未取得实 质性的进展。因此，直到六十年代术期，车对障碍物的撞击试验仍 足评价一辆汽车耐撞性能的唯一实用方法。 随若计算机技术的提高和数值分析方法的不断完善，汽车破动安 全性的研究获得了前所未有的发展机遇。借助于计算仿真并结合试 验技术，汽车被动安全性的研究进展迅速，并取得了累累硕月 。例 如：早在1 9 9 3 年，a k p ic k e t t 等人就利用反复数值模拟的万珐对 客车碰撞性能进行优化改进“”；l c a s t e j o n 等人对汽车碰撞呱能结 构进行设计1 ；a 1 b e r t 对碰撞能量最优分配原则的研究”；m ：( h a e l s v a r a t 对汽车追尾碰撞进行的研究等“。到1 9 9 6 年6 月，f 1 本丰 田汽车公司就已丌发出满足汽车安全标准部分要求的安全车身，并 已正式安装在s t a r l e t 等轿车上，这极大地推进了代表当今世界最 高水平的碰撞安全车身的研究步伐“。 博j 后出站报告 国内在汽车车体结构设计领域的研究，尽管起步较晚，但发展很 快。清华大学于1 9 9 1 年最早建立了台车试验台，用于汽车被动安全 性的试验研究。该试验台先后对北京茜普，上海桑塔纳、神龙：著康、 一汽红旗以及一汽长安等累讨血十余辆整车进行了碰撞试验，获得 了大量的宝贵试验数掘。同时，清华大学还建立了台车模拟碰搀试 验台，对座椅、安全带和安全气囊等进行了数百次模拟试验。目的 具有汽车碰撞试验能力的机构有：中国汽车技术研究中心、 h 华大 学汽车碰搀实验摩、一汽长春汽车研究所、一汽裴燮汽车实验研究 所等。 在计算机仿真研究方面，1 9 9 7 年5 月，裘新等人就利用汽车碰 撞动力学分析方法对八十年代生产的某轻型年的纵向碰撞响戊进行 了研究，实现了我国在汽车车体结构纵向碰撞安全件研究领域中零 的突破。1 9 9 8 年1 0 月，贾宏波等人对红旃轿车车身的纵向碰掩安令 性进行了研究，为玖轿车安全性能的进一步提高奠定了唪实自j 基础 “1 。在数值分析计算方法的研究中，湖南大学的钟志华教授创立了 新的接触搜寻算法级域法”，极大提高了接触鲜弦的计锋速度 与搜索精度。同时，各科研机构和高等院校的研究人员在汽五：破动 安全性与碰撞仿真研究领域都先后开展了深入的研究“1 。 但与发达国家相比，我国对于汽车被动安全性的研究还存在一 定的差距，目主丌发与研究的能力较弱。由于我国已经加入w f o ，这 就要求汽车产品的设计必须与国际接轨，而汽车的被动安全r e 设计 是其中非常重要的一项，已经成为世界各国汽车工业发展中的关键 技术，因而有必要加快我国在汽车被动安全性方面的研究和应j 月。 汽1 - 止面碰撞吸能元f ，| 耐撞性研究与结构优化 1 3 汽车被动安全性研究内容 汽车被动安全睁研究内容主要包括车身结构耐撞肚研究、碰撞生 物力学研究以及乘员约束系统与安全内饰件的刀发研究这三个方面 2 + 1 1 1 乍身结构的耐撞性研究领域主要研究汽车车身对碰撞能量 的吸 收特眭，在此基础上寻求改善车身结构耐撞性的方法。其基本原则 是在确保乘员生存空问的的提下，使车身其余部分尽可能多的吸收 碰撞能量，从而使传递给车内乘员的碰撞能量降低到最小。也就是 说汽车乘坐舱应具有足够的刚度，而其余部分应采用易于变形吸能 的结构，这样可将汽车碰撞能量对乘员造成的伤害降到最低。l j 韵， 车身结构的耐撞性研究通常采用实车碰撞和计算机仿真相结台的方 法。 碰撞生物力学研究领域主要研究乘员在不同形式碰撞中的伤害 机理、乘员各部位的伤害极限、乘员各部位对碰撞载荷的机械响应 特性以及碰撞试验用假人等。 乘员约束系统的研究目的是尽量避免乘员与内饰件发生：次碰 撞，内饰件的研究目的则是在乘员与之发生二次碰撞时，尽土 降低 其对乘员造成的伤害。安全带是乘员保护系统中最早采用的装备， 其设计宗旨是在车辆发生前撞及翻滚时约束乘员相对于车辆的运 动，对保护乘员能起到显著的效果。安全气囊是另一种常见的乘员 保护系统，它与安全带的合理匹配可对乘员进行有效的保护。安全 座椅、吸能式转向管杜与转向盘、软化的内饰件等对于缓冲二：次碰 撞进而减少对乘员的冲击具有重要作用。 1 4 汽车被动安全性研究方法 汽车被动安全件的研究通常采用两种方法，即试验研究与计算机 仿真研究“”。1 列。 博十后出站报告 汽车被动安全性试验根掘规模的不同可分为台架冲击试验、台车 碰撞模拟试验和实车碰撞试验。台架冲击试验主要用束模拟乘员不 同部位弓车辆相关部件之脚的碰撞，目的是评价车辆部件本身的安 全肚能。台车碰撞模拟试验主要用束对乘员约束系统的性能进行评 价，其原理是利用可调机构使台车获得可重复的、接近于实车碰撞 的减廛度波形，然后通过简单的台车试验获得接近实车碰撞时的乘 员伤著值。台车试验是汽车被动安全性研究与丌发中的重要手段， 一种惭车犁的丌发大概需要6 0 一8 0 次台车试验。实孳碰撞试9 主要 用于已丌发出的成品车型，一般是按照法规要求进行试验，当然也 可根掘。妥际需要进行特殊试验。实车碰撞实验室造价较昂贵，一般 需要牵引装詈、高速摄影装霄、车载记录仪等设备。 过去，研究汽车的被动安全性一直以试验为依掘，为改进或设计 某种结构或零件，往往需要做多次重复性试验，花费大量的人力、 物力并延缓整个设计和丌发周期。近年柬，随着计算机软、硬件的 发展以及现代设计方法在产品丌发和试验中的进一步应用，【j j 外各 大汽乍厂商和设计公司纷纷采用讨算机仿真技术进行汽车破动安全 性的研究。实践证明，改项技术的应用极大提升了汽车被动安全性 研究的水平，并成功替代了大部分的碰撞试验。 汽车碰撞计算机仿真技术是指在产品设计开发( 或改型) 何。段， 借助有限元分析技术与高性能的计算机真实模拟汽车的整个碰撞过 程。与传统试验方法相比，陔方法的优点在于在设计阶段就可预先 评估汽车结构的耐撞性，并可找出原设计的薄弱环节，这对整个设 计和优化过程具有重要的指导意义。据纺计，幂用这一新的技术手 段，汽车新产品的整个研制周期可缩短到2 年左右，试验次数和丌 发费用也相应减少，而汽车的被动安全性却获得极大的提高。鉴于 此，汽车碰撞计算机仿真技术已成为代表当今汽车企业与研发机构 水平的重要标志之一。 汽下止面碰擅吸能元彳，i 耐撞眭研究与结构优化 国外在6 0 年代中期就丌始了计算机仿真技术的研究，先 ；推出 了多种用于碰撞仿真的商业化软件包，著名的有l s d y k 、3 d ， p a m c r a s h 、m a d y m o 等。而美国e t a 公司出品的v p g ( 汽车虚拟试验 场) 是一款功能强大的的后处理专业软件( 带有多种软件的接门) ， 可作为l s d y h a 3 d 的专用前处理软件。同时，改软件还包含各种悬 架、轮胎与路面库，可以陕速地建立整乍模型，便于进行汽刁：耐久 性分析、n v h 分析与评价、碰撞安全分析等方面的研究工作。这些功 能强大的软件包不再只用于科研，存安伞车身刀发、碰掉受： ；者保 护措施优化、人体生物力学、碰撞试验用标准假人丌发等方i 西也发 挥了很大的作用。与软件相匹配的碰撞仿真模型的丌发也一，f 在进 行之中，常用的模型主要分为四种：模拟汽车事故的模型、模拟结 构大变形的模型、模拟人体整体动力学响应的模型、模拟人体局部 结构的生物力学模型。目酌，训算机仿真的理论基础是有限兀理论 和多体系统动力学理论。有限元法的优点在于能真实描述结丰，j 的变 形，适用于建立汽车结构模型以及人体局部结构的生物力学模型。 多体系统动力学模型适合于人体动力学州应的模拟，通过把人体的 各个部分抽象为多体系统中的“体”柬建立人体的多体系统，可进 行快速的仿真分析与优化。值得注意的是多体系统动力手已经从8 0 t 年代的多刚体动力学发展到目前的柔性多体系统动力学，由- j ：柔陛 多体系统动力学用于汽车碰撞分析可提高分析的精度，因而必将在 今后的碰撞仿真研究中获得广泛的应用。 1 5 本文研究的主要内容 汽车吸能元件耐撞性的研究与结构优化是汽车f 面碰撞安全陆 研究的重点，本文咀某款三厢轿车作为研究对象，参照我国j 1 面碰 撞法规c m v d r2 9 4 对其进行了碰撞仿真模拟计算与试验研究，以 博十币出站报告 提高陔车的下面碰撞安全性，并为基于整车平台的吸能结构的设计 与优化探索一条有效的路径。具体的研究内容如下： 1 系统全面总结汽车碰撞有限元模拟的基本理论与算法，为 j 续的 汽车碰撞仿真与优化奠定孥实的理论基础。 2 对方形博壁直梁在冲击载荷下的屈曲变形情况和计算方法进行研 究。在此基础上，以典型方形薄壁直梁作为研究时象，通过研究 方形薄壁直梁的结构参数对其吸能特性的影则，初步确定，j 形薄 譬直粱结构设计的基本原则，为后续的整车碰撞仿真与优化研究 奠定基础。 3 在参阅大量囤内外有关汽车碰撞有限元建模方面文献的基础上， 律立汽车碰撞有限元模型。通过碰撞仿真模拟结果与试验结果对 比，校核并修j 下该车的碰撞有限元模型，以提高仿真计算的精度， 并为后续的汽车碰撞仿真建模标准与流程的制定与壳善奠定峰实 的基础。 4 存整车碰撞仿真平台下研究纵梁的结构变化对其吸能特忭的影 “向，在此基础上探索条能有效改善汽车- r 面碰撞安仝陛的途径， 并用买年试验结果对其进行验证。 1 6 本章小结 交通安全问题是一个世界性的问题，而我国的情况特别，9 重， 因而尽快丌展汽车被动安全性的研究具有极其重要的意义。本章酋 先叙述了国内外汽车被动安全性研究及汽车碰撞仿真技术的致展状 况，而后介绍了汽车被动安全性研究的几个主要方面和常采j j 的研 究方法，在此基础上列出了本文研究的主要内容， 汽卞j 【面碰撞吸能元什耐撞性研究i ，结构优化 第二章汽车碰撞有限元模拟的基本理论与算法 有限单元法是一种根掘变分原理束求解数学、物卵问题的数值 计算方法，对分析复杂结构或多自由度系统柬说是一种行之有效的 方法。有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组笮f 限单 元的组合体，而各单元之问按一定方式相互联结在一起。由予单元 能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因 此可以用束模拟具有复杂几何形状的物体，并且通过细化单元尺寸， 可以达到很高的模拟精度。 1 9 6 5 年，有限单元法首次被提出，随后人们逐步认识到该方法 在解决不同类型的应用科学和工程问题方面的巨大潜力。近些年束， 随着计算机技术的飞速发展，有限元法已经获得了长足的发展和广 泛的应用，其应用范围己经从弹性力学平面问题扩展到塑性力学空 日j 问题；从静力平衡问题扩展到瞬时动态问题：从固体力学领域扩 展到连续介质领域。 出于有限元法具有诸多优点，目前已被广泛应用到汽车及其零 部，牛的结构分析中，特别是在汽车安全性问题上的应用尤其普近”。 众所周知，汽车碰撞是在非常短的时间内承受剧烈碰撞冲击衍载情 况下发生的一种复杂的非线性动态响应过程，因而本章将首先介绍 与求解非线性问题相关的非线性有限元法的基本理论，在此基础上 对求解高速冲击问题时常用的显式算法做一简单的描述，最后再详 细介绍本课题所使用的碰撞仿真软件p a m c r a s h 的基本算汪。 2 1 非线性有限元法的基本理论 汽车碰撞是一个动念的大位移和大变形的过程，接触和尚速冲 击载荷影响着碰撞全过程，而且系统具有几何非线性和材料非线性 博士后出站报告 等多重非线性。这类问题一般不适于采用线性有限元法求解，而需 要采月动态非线性有限元法进行计算。 目j j 在汽车被动安全性研究中，应用比较成功的理论和计算方 法是出美国l a w r e n c el 1v e r m o r e 国家试验室在2 0 世纪7 0 年代丌发 的，其之许多软件都是以陔理论为核心，并在此基础上不断加强和 完善的”。 咳理论的具体描述如下： 考虑空问物体( 见图2 1 ) ，在仞始时刻t = 0 ，构型为鼠，j 上仔 一点在围定坐标系中的坐标为以 = 1 2 ，3 ) ，在任一时刻t 移动到一个 新的位盈t o = 1 , 2 ，3 ) 。 幽2 1 空同构掣的夏换 应瑁拉格朗同物质描述的方法有： x i = x t 【x ，d 对应时刻t = 0 ，有初始条件： x i 晖。，0 = x 。 i ，( 丘，o ，= v ，( 以) 其中：v ，为初始速度。 运动微分方程为 o q 。i 秘 2 彤t 对应不同的边界分别满足； 1 )力边界条件动， a 。一= ( f ) 2 ) 位移边界条件o b 2 x , c x ，) = p ( ，) f2 1 ) l2 2 ) f2 3 ) f 2 4 ) f 2 - 5 ) f2 6 ) - 1 1 - 汽下j l 面碰撞吸能元竹耐撞性研究与结构优化 3 ) 接触内边界条件a 玩 ( 盯j 一吒) ，= 0 ( x + = x - ) i2 7 ) 其中：为应力张量，p 为物体密度，为体积力，量为加速度， 巩为边界外法向的单位向量。 须毽) 恒定律可描述为 p v = 风 2 - 8 ) 其中：v 为相对体积，p o 为参考密度。 变形梯度矩阵可表示为 = 熹 睁9 ) 能量方程为 应= 瞩乞- ( p + q ) v ( ：一l o ) 其中s 。和p 分别为偏应力张量和压力。 s , j = + ( p + g ) 磊 ( 2 11 ) p = 一毛。u | 5 q q = 一j 1 。一q ( z - l z ) g 为体积粘度，乞= 器：i ；，毛为应变卒张量。 乎衡方程的等效积分形式为 且盘，一矿。一) 蠡，d v + f ( o o 月，一，) ，c l s + 且盯j c r y ) n , & ，d s = o ( 2 1 3 ) 其中蠡在a k 上满足所有边界条件，积分在当前构型下进行。b 用散 度定理有 p 。& | 、i d v = l 。q nj 斑l d s + p ：一, z d n 蠢，d s q 一1 4 ) 注意到： ( 融) ，- - o 口。鼠= 口。瓯， ( ! 一1 5 ) 可导出平衡方程的弱形式： a p l = l 簿i & 。d v i 仃o i y o c , 。i d v - l 巧j f d v i | 融t d s q t 6 ) 博十后出站报告 假设将具有内部节点相连的有限元网格体系加到一个参考的环 境中，其节点位胃随时i 日j 的变化关系为 z ，( 。k ，f ) = 工，( a 乙( f ，7 ，善) ，) = 乏：移( f ，瑁，善) ( ，) ( 2 一1 7 ) 其中，以为参数坐标系f ，仉孝中的插值函数，k 为单元节点数，j ? 力第j 个常点沿j 方向的节点坐初、。 对于柠个单元，可近似得到： 其中 艿兀= 万n 。= o = i 再结合式( 2 - 1 7 ) 可得： ( 2 1 8 ) 乳成彬+ ，p 似一，乡缈一斗。 ”司l _ 一i 一 执 j = ( 磊，办，识) ? ( 2 2 0 ) 方程的矩阵形式为 耋 。p 7 讹d 矿+ p 7 耐肚，p 矿一7 傩) = 。 c z 一2 t ， 。1 l 曲 j 其中，n 为插值函数矩阵，盯为应力向量。 d 7 = ( ，吒，仃，盯f ，吒) ( 2 2 2 ) b 为位移矩阵，口为节点加速度向量 b 为体积载荷向量，f 为面力。 m b = l 工l ， 匕j = n a( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 在碰撞的模拟计算中采昭的是显式积分的方法d , 3 1 】，下面主要介 1 3 ： l i 1j k墨 一一 垒! 生耍鲎丝堕堡垂堡堕丝丝塑窒兰丝塑垡垡 绍一下显式算法。 2 2 显式算法 下面以如图2 2 所示的单自由度线肚弹簧质量系统束解f 显式 时问积分原理。 kmf 幽2 2 线性弹盏质封系统 该单自由度系统的运动方程是 m d 2 x d t2 + k x = f ( 2 2 5 ) 显式算法是沿时问轴t 来离散各个物理量，如图2 - 3 所示。速度 足在半时间间隔t 。，t 。，。上离散的，位移和加速度是在乎时| 、h j 日j 隔t 。，t 。，t 。上离散的，n 是时问增长的序号。 运度t t 一一一一j 一一一i 一一一 l 一一一一 位移 圜2 - 3 位移、速度、加速度在时间轴上的离散 考虑在时间t 。时的方程： m d 2 x 。d r2 + k x 产f 。 己知量确：在时| 日jt 。时的位移x 在时| 日jt 。，：时的速度d x 。12 d t 在时间t 。耐的外载f 。 未知量为：在时j ；jt 。时的位移x n 十i 在时间t 。，：时的速度d x 。1 ，2 d t 在时日jt 。时的加速度 d2 x 。d t 2 ( 2 2 6 ) 堡巫些塑堡鱼 这样就可算出时间t 。时的加速度 +d z x 。d tz _ - ( f 。一k x 。) m ( 2 - 2 7 ) 接着用中心差分法计算在t 。，：时的速度及t 。时的位移。 d x 一2 d t = d xe - i 2 d t + d x 。d t 2 a t 。( 2 - 2 8 ) x 。+ l ：x 。+ d x 。i ，。d ta t + 。，( ? 一2 q ) 式中：a t = t 2 一t 。i a t 2 - tn + l - - t 。 咳算法的优点是只有质量l 做为除数。在多自由度系统中，只 有质量矩阵m 需求逆阵。如果m 是对角陴，那它的逆阵是很矫易计 算的。 该算法的缺点是为保证计算收敛，时问步长t 有上限，蒯是 a t 瓜 ( 2 3 0 ) 在碰撞模拟中，为获得足够的轨迹，时日j 步长t 本身就很小， 因此在碰撞模拟软件中采用的都是显示算法。 2 3 汽车碰撞模拟有限元软件p a m c r a s h 的基本算法 目 i 在汽车碰撞仿真方面，常采用的有限元软件有l s - d y n a 3 d 、 p a m c r a s h 和r a d i o s s 等。通过实际应用表明，它们在分析和研究结 构三维动态大变形方面具有较强的功能，特别是在汽车被动安全性 领域的研究十分成功。 本文采用p a i d c r a s h 软件建立碰撞计算模型及分析计算 ；果。 p a m c r a s h 是法国e s i 公司推出的有限元碰撞软件，在欧洲得 到了广泛的应用。从1 9 8 2 年起被用束进行汽车耐撞安全性研究，在 1 9 8 5 年首次成功地模拟了整车碰撞过程。其前处理软件p m j g f e r i s 可以接受d a i s y 、p a m s o l i d ，i d e a s 、p a r r a nn a s t r a n 、m e f q o s a i c 、 s t y l e r ( s t r i m1 0 0 ) 、a n s y s 、d y n a 、e l f i n i 等软件的文件格式，在 l j 处理中可以定义材料，接触、焊点、刚墙、约束等，其后处理软 汽中止面碰撞吸能元彳，| 耐撞性研究与结构优化 件p a m v i e w 可以方便地处理动画、查询结果、绘制曲线等。 在p a m c r s h 中，描述动力学的方程是广义拉格朗日方狸，求 解方戊采用显式中心差分算泫。单元运动方式为大变形、大化移、 大转动，单元类型有壳单元( 三节点、四节点) 、体单元、梁鲍元以 及不断引入的其他单元等。材料设置方式有弹性材料、弹塑件材料、 吸能泡沫和其他材料( 如弹簧) 等。除给出材料的本构方程外，还 提供材料的状念方程。在接触面算法处理上，采用紧密连接接触表 i 自算，去、分和参数接触面算法、空隙自动搜索向算法和自身作用接 触面算法等。另外，还设有刚墙接触面，用柬模拟车辆结构或部件 同固定壁障的撞击试验n “”。 p a m c r a s h 的基本算法着重介绍薄壳单元，实体单元、柯郇元、 桑单元的基本算法与壳单元相类似。 2 3 1 初始阶段 仞始阶段主要完成以下三步操作： 1 计算每个壳单元的局部坐标系，单元的局部坐标系由单元叫个节 点坐标定义，如图2 4 所示。 n 圈2 4 壳单元局部坐标系 2 计算节点的惯矩主轴，即节点的局部坐标系。 为了获得每个节点的质量和转动惯量，程序先计算出每个单元 在自身坐标系下对该单元的每个节点的质量和转动惯量的贡献： 博士后出站报告 l = l 户一y , ) 2 d a ，( 2 - 3 2 ) ，= l p g _ ) 2 幽。 ( 2 3 3 ) j 。= i 。+ f j y ( 2 3 4 ) ，。= ，= 【( ，州8 l ( 2 1 2 ) ( ：一3 5 ) f j 。0 01 l 却卜叫：o 。oj q ：= e 彳 q 喝6 a = 阢】 ( 2 3 7 ) 通过转移矩阵彳将节点在整体坐标系下的惯矩张蕈l 转化为局 ，l 0 0 1 ，m = l 1 2 0l = 一i l l 。一= 7 i , a(238)0 1 2 0 a ii a a ，m = ll =。s 2。 ( 2 一 o 0 1 3 。n c 似，肼，胁：，：厶) 7 = ( ，f 7j k ) ( 2 - 3 9 ) - 1 7 - 汽寸正面碰撞吸能元竹耐撞性研究与结构优化 ，= = 一： ( 2 4 0 ) 删”= ，村品，- - m l “n 。 ( 2 4 1 ) n 4 = ，“，竹c z a s ，= i ； = 豫；：爱三参誊 囊! 彭墨 c z a a ， 博十后出站报告 ( 5 ) 更新节点速度。利用中心插分法更新速度： v ”“2 = p ”7 2 + 4 ”，4( 2 - 4 7 ) + 加= & ，一17 2 + a a t ” ( 2 4 8 ) ( 6 ) 更新节点坐标。利用中心插分法更新坐标： x ”+ 1 = x ”+ ，肿17 2 矿“+ 7 2( 2 - 4 9 ) ( 7 )计算局部坐标系。计算在t 。时刻的局部坐杯系： a ”= a “a af 2 - 5 0 ) 式中的增量a 一是小转动： ( 2 5 1 ) 该矩阵是正交规范化矩阵，将坐标从局部坐标转到整体坐标。 ( 8 )计算动能。计算t 。，。时刻的动能： e = ”= ( 1 2 ) m y v 七毽| 2 、di 。n c t 2 5 2 ) 式中r 是节点在整体坐标上的速度，四是节点质量，厶一，是主倒矩张 量，。是节点绕其自身主惯矩轴的角速度。 ( 9 )计算整体坐标下的角速度。将角速度由局部坐标转化成整 体坐标： “2 = 爿“口“” ( 2 5 3 ) 在上述计算过程中存在如下的近似： t 。，：时刻的角速变用在t 。时刻的平衡方程中是有误差的。 在更新局部坐标系统的方程中假定小转动。 2 单元计算 在此阶段有以下这些主要特点和假设： m 1 n d l i n r e is s n e r 壳单元理论， 1，j 玎露薯 x i + + 一 矿口 ； 胂 址肿酊 十 + + 彳g 誓 ，l =