（车辆工程专业论文）电动汽车正面碰撞仿真分析.pdf

武汉理丁人学硕士学位论文 摘要 随着汽车保有量的增长，道路交通事故己经成为世界性的一大社会难题。每 年有大量的人口因交通事故死亡，交通事故给人们的生命和财产带来了严重的灾 难。交通事故带来的损失日益剧增，研究汽车的碰撞安全性能，提高其耐撞性成 为各国汽车行业研究的重要课题。目前世界各主要汽车生产国都制定了严格的碰 撞安全法规，要求汽车生产和开发都必须通过严格的标准。 本文分析国内外汽车碰撞计算机模拟的发展情况，得出计算机模拟分析具有 费用低、周期低短、可重复性等优点。文中详细介绍了动态显示非线性有限元基 本理论，涉及的内容包括有限元求解控制、单元、时间积分与时步长控制、沙漏 控制、接触碰撞界面算法等。 本文在h y p e r m e s h 和f e m b 中建立了汽车有限元模型，并在其中对其正 面碰撞施加边界条件和求解控制条件。针对电动车正面撞击刚性墙的仿真分析， 对其进行合理简化和模型离散，并对各部件单元类型的选择、接触类型及焊点连 接方式的确定，刚性墙的模拟，非线性材料属性参数的设置等方面进行了研究， 以便准确、有效的建立有限元分析模型高仿真的精度，为汽车碰撞仿真计算中有 限元分析模型的建立提供参考。分析了汽车碰撞系统运动方程的建立与求解和大 变形接触碰撞问题力与应变的度量，并参照我国正面碰撞法规c m v d r2 9 4 对 轿车与刚的碰撞过程进行了模拟仿真。并对汽车以5 0 k m h 的速度碰撞刚性墙， 对整车进行了应力分析、变形分析、加速度分析和能量分析。 最后，对本文研究工作进行了总结，并对下一步的研究工作进行展望。 通过对正面碰撞的分析，结合汽车碰撞法规和已做的分析，本文所用模型比 较合理，分析基本结果正确，为对汽车碰撞进行进一步模拟分析奠定了基础。 关键字：电动车，正面碰撞，有限元法 武汉理丁人学硕 ：学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go fc a ra m o u n t t r a f i l ea c c i d e n th a sb e c o m eas e r i o u sp r o b l e m i nt h ew o r l d m a n yp e o p l ea n n u a l l yd i e di nt h et r a f f i ca c c i d e n t ，t r a f f i ca c c i d e n tg i v e s t h el i f ea n dp r o p e r t ys a f e t yo fp e o p l eb r i n gs e r i o u so fd i s a s t e r b u tn o wb e c a u s et h e l o s so fa c c i d e n ti n c r e a s e sg r e a t l y , t h es t u d yo fc a rc r a s hs a f e t yp e r f o r m a n c ea t t r a c t s t h ei n c r e a s i n ga t t e n t i o no fac o n s e q u e n c eo fc a rc o m p a n yi nt h ew h o l ew o r l d t o d a y ， s t r i c t l yc r a s hs a f e t ys t a t u t e sw e r ee s t a b l i s h e di nm a n yc a ri n d u s t r ya l lo v e rt h ew o r l d a n dc a rp r o d u c t sm u s ts a t i f yw i t ht h es t a t u t e s o nt h eb a s eo fs i m u l a t i n ga n a l y s i so ff r o n ti m p a c tb e t w e e nc a ra n dr i g i d w a l l ，t h e r e s e a r c h i n gc o n t e n t s i n c l u d e dm o d e ls i m p l i f i e d r e a s o n a b l ya n dd i s c r e t e m o d e l ， c h o o s i n gc e l lt y p e so fe v e r yp a r t ，c o n t a c t i n gt y p e sa n dw e l d i n gt y p e s ，s i m u l a t i n gr i g i d w a l l ，s e t t i n ga t t r i b u t ep a r a m e t e ro fn o n l i n e a rm a t e r i a la n ds oo n s u c hr e s e a r c h e s ， w h i c ha r et h eb a s i so fs e t t i n gu pf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l i nt h ec o m p u t e r s i m u l a t i n ga n a l y s i so f c a r s ，h e l pt ob u i l dm o d e lo ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i se f f e c t i v e l ya n de x a c t l y , a n dt oi m p r o v ep r e c i s i o no fs i m u l a t i n ga n a l y s i s t h ep r o c e s so f e s t a b l i s h i n ga n de v a l u a t i n ge q u a t i o no fm o t i o nf o rv e h i c l ei m p a c t s y s t e mw e r ea n a l y z e d ，a sw e l la sm e a s u r i n gm e t h o d so fs t r e s sa n ds t r a i nf o rl a r g e d e f o r r o a t i o ni nc o n t a c ti m p a c t t h ef r o n ti m p a c tb e t w e e nt h ec a ra n dr i g i dw a l lw a s s i m u l a t e da c c o r d i n gt oo u rn a t i o n a lc e n t r a lc o l l i s i o na p p r o a c h c m v d r2 9 4 t h e p a p e l a n a l y z e dc a rc o l l i s i o nc o m p u t e rs i m u l a t i o no fd o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a l d e v e l o p m e n t i th a sa d v a n t a g eo fl o we x p e n s e s ，l o wp e r i o da n dr e p e a t e du s e i nt h i s p a p e r , e m p h a s i sw a sp a i dt o t h eb a s i cd y n a m i ce x p l i c i tn o n - l i n e a rf m i t ee l e m e n t m e t h o dt h e o r y i ti n c l u d e dt h eg o v e r n i n ge q u a t i o n ，s h e l le l e m e n t ，t i m ei n t e g r a t i o na n d t i m es t e pc o n t r o l ，h o u r g l a s sc o n t r o l ，c o n t a c t i m p a c ta l g o r i t h m s t h ec a rf i n i t ee l e m e n t m o d e lw a sb u i l tu pi l lh y p e r m e s ha n df e m ba n db o u n d a r yc o n d i t i o nw i t h s o l v i n gc o n t r o lc o n d i t i o nw a se x e r t e df o rf r o n ti m p a c t ： f i r s t l y , t h ec a rc r a s h e dr i g i dw a l la tv e l o c i t yo ft h e5 0k m h ，t h e ns t r e s s a n a l y s i s ， d i s t o r t i o na n a l y s i s ，a c c e l e r a t i o na n a l y s i sa n de n e r g ya n a l y s i so fc a rw e r ec a r r i e do n ， t h es a m et i m es t r e s sa n a l y s i s ，d i s t o r t i o na n a l y s i s ，a n de n e r g ya n a l y s i so fl o n g i t u d i n a l b e a ma l s ow e r ec a r r i e do n i nt h ec r a s hp r o c e s s ，t h el o n g i t u d i n a lb e a mt o o kp l a c ea f o l dt y p eo fd i s t o r t i o n ，a b s o r b e de n e r g ya n dt h ea v e r a g ea c c e l e r a t i o ni sa b o u t2 5 9 w h e nt a k i n gp l a c ec r a s h f i n a l l y , d i s s e r t a t i o nh a sm a d eas u m m a r i z a t i o no ft h er e s e a r c hw o r kd o n ea n d e x p e c t a t i o no fn e x tw o r k t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ef i v eo fc r a s h i n gc a s e s ，c o m b i n i n g 砸t l lc r a s hs a f e t y s t a t u t e sa n dt h ea n a l y s i s ，t h em o d e lw a sf u n d a m e n t a la c c u r a t e ，i t sr e s u l eo fa n a l y s i s w a sa l s of u n d a m e n t a la c c u r a t e t h ec a rm o d e lc a l lb eu s e df o rf u r t h e rr e s e a r c hf o rc a r c r a s h k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e , f r o n ti m p a c t ，f e m i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：彳白牝 日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即t 学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 研究生签名：埤一一 武汉理 人学硕十学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 汽车安全性可分为主动安全性和被动安全性。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，则是汽车在发生意外事故时对乘员进行保护 的能力。由于被动安全性总是与广义的汽车碰撞事故联系在一起，故也称为“汽 车碰撞安全性 。大量数据表明，主动安全性再好，也只能避免5 的事故口1 ，9 5 以上的事故是由于人和环境因素共同造成的。在各种交通状况下发生的碰撞事 故，归纳起来包括正面碰撞、侧面碰撞、追尾、翻滚等1 。统计数据显示，在汽 车各类碰撞事故中正面碰撞的发生几率约为5 9 “1 ，同时其对车内司乘人员和生 命财产安全的危害性也是最大的。 汽车的安全，尤其是碰撞安全性越来越受到重视，各国各地区都加强了对安 全法规的制定工作。目前，在美国、日本、欧洲及澳洲都有称为n c a p 的组织机 构，对不同车型进行汽车碰撞安全性评估。汽车碰撞安全性评估主要包括正面碰 撞、侧面碰撞、儿童保护和行人保护四个方面。其中防正面碰撞的车身结构设计 已经成熟，由刚性的乘员舱与前后的吸能区组成，并注意吸能后撞击力的分流；防 侧面碰撞的车身结构设计也正趋完善，重点是放在加强车身刚性和冲击力分流两 个方面；为满足保护行人法规要求，整车的造型和汽车前部结构发生了很大的变 化。 目前，汽车安全已经成为制约我国交通运输业和汽车工业进一步发展的重要 因素之一，开展汽车安全性研究是十分必要和紧迫的。为了促进这一领域的研究 工作，中国汽车工程学会于1 9 9 5 年9 月成立了( 被动) 安全技术专业委员会1 。 这一专业委员会的成立，标志着我国汽车被动安全性研究工作正逐渐走上系统化 和正规化的发展道路。我国颁布的第一项汽车安全技术法规c m v d r 2 9 4 汽车 正面碰撞乘员保护的设计规则于1 9 9 9 年1 0 月2 8 日由国家机械工业局发 布，已列入了新的4 0 项强制检测项目中，这表明我国政府已对汽车的被动安全 性有了更全面的评价方法1 1 2 | ；2 0 0 3 年，g b l l 5 5 1 - - 2 0 0 3 乘用车正面碰撞乘 员保护引强制性国家标准的颁布则标志着我国的碰撞法规正逐渐与国际接轨。 天津汽车技术研究中心也自2 0 0 7 年展开n c a p 试验，对各种车型车辆进行评价。 随着国家8 6 3 计划电动汽车重大专项的实施，我国在纯电动汽车、混合动 力汽车和燃料电池汽车等新能源环保汽车方面的开发力度正在加强，我国拥有自 主知识产权的新能源汽车动力系统技术平台正在逐步建立，通过整车集成配套技 武汉理工大学硕七学位论文 术的研发，实现与传统汽车的技术对接，逐步向产业化延伸。电动汽车的一个重 要特点就是车内装有高电压的动力回路，由数十块甚至几百块储能单元( 如单体 电池) 串联或者并联组成的储能系统( 如动力电池组) 的电压远远超过安全电压， 所以相对传统汽车而言，电动汽车对碰撞安全性做出了更高的要求。 本课题结合中国汽车技术研究中心实际项目进行研究。目前国内对于轿车的 碰撞研究多是关注碰撞发生时乘员的安全。该项目以电动车作为研究对象，在关 注成员安全性的同时，也考虑到碰撞发生时蓄电池的安全性。该课题即是该项目 内容的一部分。 1 2 研究目的和意义 长期以来，轿车安全性能的提高一直是汽车工业界所追求的目标。用实车碰 撞试验可测定轿车安全性能，但因其需要在实物样机上安装各种测试设备，进行 实地试验，成本高，时间长。所以探索新的试验方法一直是汽车工业界非常关注 的课题。随着计算机技术的发展和各种应用软件的出现，轿车碰撞试验可以用计 算机来模拟来实现，利用虚拟现实技术设计的汽车虚拟试验场可逼真地实现试验 过程。通过交互改变汽车设计参数、试验道路环境，可以验证设计方案，从而达 到缩短设计周期，降低开发成本，提高产品质量的目的。与传统的实车试验相比， 应用虚拟试验场具有快速、逼真、可重复性等特点，可无危险，无损坏地进行碰 撞、翻倾等极限试验。 同时，正面碰撞是汽车碰撞事故中最多，对人体危害最大的碰撞形式，也是 国际上许多安全法规中规定的小型客车和轿车的最主要标准试验。我国颁布的第 一项汽车安全技术法规c m v d r 2 9 4 汽车正面碰撞乘员保护的设计规则口1 ，已 列入了新的4 0 项强制检测项目中。通过计算机模拟的方法研究电动车正面碰撞 问题满足项目的实际需求，同时也符合国家相关政策，具有良好的现实意义。 随着国家8 6 3 计划电动汽车重大专项的实施，我国在纯电动汽车、混合动 力汽车和燃料电池汽车等新能源环保汽车方面的开发力度正在加强，我国拥有 自主知识产权的新能源汽车动力系统技术平台正在逐步建立，通过整车集成配 套技术的研发，实现与传统汽车的技术对接，逐步向产业化延伸。电动汽车的一 个重要特点就是车内装有高电压的动力回路，由数十块甚至几百块储能单元 ( 如单体电池) 串联或者并联组成的储能系统( 如动力电池组) 的电压远远超过 安全电压，所以相对传统汽车而言，电动汽车对碰撞安全性做出了更高的要求。 本课题研究的目的结合天津汽车技术中心的实际课题，对电动车正面碰撞进 行仿真分析，确定电动车正面碰撞安全性的研究方法和实现手段，并为后续电动 2 武汉理j 人学硕十学位论文 车实车正面碰撞试验有一定的参考价值。 本课题研究的意义不仅仅在于能够解决中心在实际试验中参在的问题，为实 车试验提供实际的参考和指导，而且可以提供种计算机虚拟仿真的计算方法， 在降低试验成本以及缩短产品试验周期等方面均有着重要意义。 此外，由于目前国内对电动车正面碰撞安全性的研究较少，因此本课题研究 对电动车正面碰撞安全性的相关研究工作具有一定的借鉴和参考价值，有助于我 国电动车被动安全性设计整体性水平的提高。 1 3 汽车碰撞计算机仿真研究概况分析 早期在汽车被动安全性研究中采用的研究手段主要是试验的方法1 ，有关 汽车被动安全性的试验有台架冲击试验、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可靠的方 法舳。无论是台车碰撞模拟试验还是实车碰撞试验，都要涉及到试验数据的采 集和处理。通常采用的数据采集系统为电测量和光测量相结合的系统n 。试验 中要用到大量的传感器和数台高速摄像机，这些数据采集系统以及试验中采用的 假人在试验前都要进行严格的标定，其试验准备工作是十分费时的；另外，被动 安全性试验特别是整车试验都是破坏性试验，试验所需费用是十分昂贵的，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，可重复性差伽1 。 随着计算机在计算速度、内存容量和图形功能等方面的发展，以及有限元和 多体系统动力学建模方法的推广和应用，标志着以分析计算和试验验证相结合的 研究阶段的开始1 2 1 。与试验技术相比，计算机仿真不必等到新产品制造出来， 在其初期的设计阶段就可对产品的安全性做出初步的评价，可尽早地发现问题和 解决问题，从而极大地降低了开发费用和缩短了开发周期；同时由于每辆汽车和 每个零件都不完全相同，因此一些关键性的差别如零件铸造时的缺陷都会影响到 试验的结果，而在计算机上建模分析就不存在这些问题；还有，即使采用三维高 速摄像手段，也很难得到汽车内部的某些关键部件的变形情况，而采用计算机模 拟的方法不仅重复性好、存储的信息量大，而且还可将汽车沿任意截面剖开，观 察其内部零件的变形情况和应力应变分布情况，在提出改进方案后，能够快捷地 修改模型，经过计算分析对比有关零部件修改前后的变形情况，而不必等待样品 的制造。目前，国内外许多应用实例表明计算机仿真预测值与实验值密切相关， 大大减少了必须的实车碰撞次数。 采用模拟计算并不意味着放弃试验技术，设计阶段模拟计算得到的结果只是 对汽车及其零部件耐撞性的预先估计，在产品的开发和设计过程中具有指导意 武汉理_ t 大学硕士学位论文 义，只有最终的产品试验才能真实反映汽车及其零部件发生碰撞时的变形过程， 并且模型中的参数要根据相关的试验获得，模型的正确性还要有试验来验证，只 有通过验证的模型才是可行的，因此试验技术与模拟技术的关系是相辅相成的。 1 3 1 汽车碰撞有限元法研究概况分析 有限元方法的发展起始于电子计算机的崛起。作为结构或连续体问题的数值 近似解方法，首先要建立和求解控制系统响应的代数方程，只有在电子计算机上 才可能十分有效地应用有限元方法对复杂问题建立和求解控制方程。由于能被求 解的结构或连续体有其广义性以及建立方程相对地比较方便，并且形成的系统矩 阵有良好的数值特性，这一切使有限元法更具有吸引力。 有限元方法起用于1 9 5 6 年，由特纳( t u r n e r ) 等人最早应用于飞机结构分析 中并获得成功。c o u r a n t 等人的论文探讨了早期的有限元法的理论，促成了有限 元方法的诞生。克劳夫( c l o u g h ) 教授1 9 6 0 年首次使用“有限元法( f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ) 这一概念。2 0 世纪6 0 年代pvm a r c a l 和山田嘉昭导出弹塑性矩阵， 推动了弹塑性有限元法的发展。m a r c a l 于1 9 7 0 年推出第一个非线性有限元程序 m a r c 。此后，z i e n k i e w i c z 等人推动了有限元法的理论体系和计算方法的完善2 6 1 。 1 9 7 6 年，美国l a w r e n c e l i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y 在j 0 h a l l q u i s t 的主持下研制开发了第一个显式非线性动力分析通用有限元程序d y n a 3 d 和 d y n a 2 d1 2 7 1 。1 9 8 0 年，t b e l y t s c h k o 和c t s a y 合作开发了采用缩减积分方法的 t b e l y t s c h k o c t s a y 单元( 简称b t 单元) ，这是目前计算效率最高且应用最为 广泛的单元。 2 0 世纪8 0 年代以后，英国的o a s y s ，德国的e s i ，美国的n a s a 等相继推出 在公开的d y n a 源程序基础上开发出来的各自的显式有限元程序。1 9 8 8 年 h a l l q a i s t 成立了l s t c 公司( l i v e r m o r es o f t w a r et e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 专 门致力于l s d y n a 的开发。钟志华提出了一种同样的碰撞接触界面的计算方法， 即所谓的“防御节点法”来计算法向接触力。 1 9 8 8 年，m s c ( t h em a c h e a l s c h w e n d l e rc o r p o r a t i o n ) 公司对l s - d y n a 3 d 进行全新的改进后发布了m s c i d y n a ，它具备优秀的显式积分算法和多种材料模 式而被广泛用于分析大量的非线性瞬态问题。1 9 9 0 年m s c 公司推出m s c p i s c e s 程序，该程序的欧拉模式算法可以成功地用于分析复杂的流体固体相互作用 问题。1 9 9 1 年m s c 公司的新产品m s c d y t r a n 在欧拉模式算法的基础上自行开发 了物质流动算法和流固耦合算法，使得m s c d y t r a n 成为世界上第一个能够用完 全耦合的方法求解流体结构相互作用问题。 基于有限元法的汽车碰撞过程数值模拟，为汽车零部件的设计及优化提供了 4 武汉理一r 大学硕十学位论文 一个强有力的工具，可以在零部件初期的设计阶段就可以对其的安全性作出初步 的评价，备受行家的重视。目前，美国、日本和西欧等著名汽车制造公司都有专 门的人员和最先进的计算机设备从事汽车耐撞性的有限元分析。到目前为止，有 限元理论大体上可分为两大类，固体方法和流体方法。固体方法是运用增量原理 来解决弹塑性或弹粘塑性问题的有限元方法，大多采用完全的或修正的拉格朗日 描述，基本变量是变形体位移等与应变量有关的参数并采用标准的运动学表达形 式。流体方法，是根据刚塑性或刚粘塑性原理来解决成形问题的有限元方法。 目前在汽车碰撞研究中，应用比较成功的理论和计算方法是由美国 l i v e m o r es o f t w a r e 公司编制的l s d y n a 3 d 软件包是有限元方法具体应用的一个 范例，在国际上使用频率较高。这一动态显式有限元模拟软件最早于1 9 7 6 年出 版，以后主要由其开发人h a l l q u i s t 加以逐步发展完善。目前，它可以分析物体 大变形问题，能够成功地进行模型离散化处理。尤其该解法无需通过刚度求解节 点的运动方程，计算时间短，计算过程稳定；尤其对于工件形状复杂、加载条件 变化剧烈的计算规模较大的问题，动态显式解法具有明显的优势，求解对硬件内 存要求较低，计算效率高。它所具有的材料模型和状态方程几乎考虑到现今所有 的材料性能，可使求解时间大大减少。 ；： 1 3 2 汽车被动安全研究的发展和现状 汽车工业发达的国家如美国、日本，随着汽车安全性研究的深入和安全法规 的贯彻，虽然汽车保有量在增加，但交通事故的死亡率大大降低，成效十分显著。 这证明了先进的安全技术可以挽救人的生命及减少财产的损失。我国目前以进入 交通事故多发期，2 0 0 5 年，我国共发生道路交通事故4 5 0 2 5 4 起，造成9 8 7 3 8 人 死亡和4 6 9 9 1 1 人受伤，直接财产损失1 8 8 亿元。而且汽车安全水平落后，这已 经成为阻碍我国交通运输业和汽车工业进一步发展的主要因素之一，因此开展汽 车安全性研究是十分必要和紧迫的。 早先所有对车辆被动安全性研究的兴趣大都集中在车辆内部的防护装置上。 1 9 4 9 年，n 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一个成果一 一安全带。随后，安全仪表板、安全门锁、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，人们才真正认识到汽车车体结构的性能在汽车碰撞中的主 导地位，汽车安全车体结构的研究随之逐步开展起来，这时主要是依赖各种条件 下的碰撞试验，包括模拟碰撞试验和实车碰撞，由于试验要等待样车制造出来才 能进行根据试验结果对结构进行修改，往往要付出较高的代价。另外，由于受时 间和费用的限制，不可能对解决问题的所有可能方案进行尝试，该方法在汽车结 构耐撞性研究方面有很大局限性。且该方法试验费用昂贵，一辆车难以进行多次 5 武汉理 大学硕士学位论文 重复试验。因此，人们一直寻求用计算分析方法来预测某一部件或整车结构在撞 击过程中的变形形式和乘员在碰撞过程中的响应，以得到结构的安全性评价。到 了7 0 - - 8 0 年代例，出现了计算机仿真技术，采用虚拟模型代替实际模型，利用 计算机进行模拟碰撞得到了实际应用，并成为汽车安全技术研究的一个重要方 向。 其中，有限元法在碰撞过程模拟计算中运用较为广泛，它利用“离散化”的 概念，将具有无限多个自由度的弹性连续体简化为具有有限个自由度的单元集 合，从而求得数值解。这方面的工作在国外开展较早。 目前，国外已有一批应用价值很高的有限元商业软件被广泛地应用在汽车被 动安全性研究中，在实际应用中常用的有d y n a 3 d ( l s - d y n a 3 d 和o a s y s - d y n a 3 d ) 、 p a m c r a s h 和m s c d y t r a n1 3 8 1 。上述软件的核心部分都是以美国l a w r e n c e 版本的 理论为基础。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，在汽车碰撞仿真研究方面应用比较成功，特别是对于车身结构的 改进的研究，可以在相对很短的时间内对多种方案进行比较，得到较为满意的改 进方案。 六十年代末，美国、欧洲国家的汽车产业如通用、大众i 宝马相继研究汽车 碰撞，但是局限于对障碍物的碰撞。从八十年代开始，计算机技术的迅速发展， 使世界各国汽车碰撞研究突飞猛进，以美国、欧洲为代表涉及汽车被动安全研究 的各个领域，从一开始的单纯正面碰撞到1 9 9 9 年的翻滚碰撞性能研究。越来越 全面的安全性能被人们重视起来。模型也逐渐细化，精度越来越高。1 9 8 5 年， 德国大众汽车公司构造的p o l o 碰撞有限元模型中包括了5 5 5 5 个壳单元和1 0 6 个梁单元，在随后的几年中，分别对p o l o 轿车做了偏置、侧面、后部、翻滚的 碰撞试验研究，树立了小型轿车被动安全性的典范。1 9 9 2 年德国欧宝汽车公司 a s t r a 车正面碰撞的有限元模型包括了2 7 0 0 个单元，2 0 0 1 年，德国宝马汽车公 司b m wx s 车正碰的有限元模型包括的单元数日超过了5 0 万，几乎所有的构件在 模型中都能体现出来，计算模拟的模型都是采用了试验联系模拟的方法评定。 1 9 9 7 年，国外客车行业开始严格按照法规生产，奔驰、沃尔沃等都开始对开发 的新客车品种以试验满足法规要求来控制质量；日本也在2 0 0 0 年开始施行针对 大客车上部结构强度要求的安全法规8 。 我国汽车被动安全性方面的研究工作起步较晚，到八十年代末期才开始开展 这方面的研究工作施2 4 1 。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场，上海汽车检测所。其中， 中国汽车技术研究中心实车碰撞试验室，从提高试验能力和试验室水平出发，率 6 武汉理r 大学硕士学位论文 先考虑了正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞及动态翻滚汽车安全法规试验项目。 目前国内主要集中在轿车或小型客车的碰撞模拟研究。如2 0 0 1 年，同济大 学汽车工程系王宏雁、高卫民3 1 3 2 3 。利用模拟分析软件p a m c r a s h 建立了 轿车整车正面碰撞模型，模拟了白车身的碰撞过程。通过模拟计算结果与实际 碰撞结果分析对比，对模型进行了修改和完善，重点研究了材料与焊点的模拟方 式、运动机构、时间步长、刚体、自接触的定义、构件的选取与简化对模拟结果 的影响。碰撞模拟值与实验值间的误差小于2 0 ，证明其碰撞有限元模型基本正 确可用于碰撞模拟定性分析。两年后，清华大学王青春、范子杰、陈宗渝3 7 3 8 1 利用逆向工程法建立了某微型客车白车身有限元模型，对碰撞吸能特性进行了计 算机模拟计算，模型采用s h e l l 单元模拟所有的结构部件，采用直接定义节点的 方法来模拟点焊，整个有限元模型节点数为1 7 4 2 0 5 个，壳单元数为1 6 3 4 5 8 个。 同时进行了不同的速度下该车型白车身的正面碰撞试验，得到的冲击力时间曲线 以及加速度时间曲线。将模拟计算结果与碰撞试验所得到的数据进行分析比较， 发现两者数据结果基本吻合，证明所采用的建模和计算方法的正确性。研究指出， 对在几何建模以及有限元建模过程中，对结构适当简化、删除是可行的，并对合 理有效的单元划分方法等进行了阐述和验证。 。 中国汽车技术研究中心建成了室内台车碰撞试验台和实车碰撞试验台，试验 台性能稳定，可以按g b l 5 0 8 3 - - 9 4 、g b l 4 1 6 6 _ 9 3 、g b l 4 1 6 7 - - - 9 3 等标准要求进行 座椅强度、安全带性能的试验验证。其自行设计研制的塑料吸能器，可按照 e c e r 8 0 、e c e r l 7 和e c e r l 6 进行汽车座椅、汽车安全带等的动态试验。目前已对 国内的许多轿车( 如别克、富康、吉利等) 进行了实车碰撞试验。国家汽车质量监 督检测中心综合型试验场自行设计研制而成的汽车被动安全动态试验设施于 1 9 9 5 年6 月通过鉴定，它可进行e e c 规定的座椅、安全带、安全气囊的动态试验 和轿车整车正面碰撞试验等。并拥有t n o i o 型和混合i i i 型假人及其标定装置、3 2 通道数据采集系统。 燃料电池轿车代表了未来轿车的发展方向。它能满足日益严苛的环保要求， 实现零排放，同时也是能源储备战略的需要。由于燃料电池轿车目前仍属于前瞻 型产品，其高昂的制造成本决定了暂时无法进行实车碰撞试验，而且现阶段对燃 料电池轿车的开发仅是为了动力系统的研究和基于现有车型的总布置设计和车 身结构的改进；虚拟碰撞试验由于其无危险、无损坏、可重复性等特点正是非常 合适的试验方法。 综上所述，就本课题而言目前存在的问题和不足主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 目前碰撞模拟计算研究主要集中在轿车和小型乘用车上，但对电动车 的研究尤其是虚拟仿真较少，缺乏可借鉴经验； 7 武汉理l ：大学硕十学位论文 ( 2 ) 如何保证计算模型的正确性和精确性，减少计算结果与实车碰撞结果 之间的误差； ( 3 ) 如何利用现有计算机资源在保证计算精度的前提下控制计算规模； ( 4 ) 如何利用电动车轿车模拟碰撞数据为实车碰撞试验提供参考和依据。 1 4 本文研究内容 本课题研究的具体内容包括以下方面： ( 1 )电动车正面碰撞安全性问题分析 分析电动车与传统的燃油车辆在结构等各方面的相同和不同点。对其结构尤 其是动力装置的，对汽车安全性问题造成的影响进行分析，为整车建模与仿真提 供依据。 ( 2 ) 电动车正面碰撞试验技术分析 针对电动汽车结构特点和特性，总结和分析了国内外电动汽车正面碰撞试验 相对应的电安全法规和标准，提出了电动汽车正面碰撞试验程序和评价方法。进 行了电动汽车的实车正面碰撞试验，验证了试验程序和评价方法。比较和分析了 原型车和电动汽车的碰撞试验结果，揭示电动汽车在正面碰撞形式下的碰撞特 性，以及现行安全标准中存在的问题。 ( 3 ) 电动车正面碰撞被动安全性问题建模 研究在a n s y s 中建立电动车正面碰撞安全性的建模问题，在整车模型中分 析了各部件的简化建模问题，在忠实结构主要的力学特性的前提下建立电动车正 面碰撞的有限元模型。对初步建立的模型进行了修正，使模型充分体现实际结构 的主要关键力学特征。 ( 4 )电动车正面碰撞被动安全性问题仿真分析 在h y p e r m e s h 中对建立的电动车整车模型进行单元格划分，模型在 l s d y n a 中对其与刚性壁障1 0 0 正面碰撞进行仿真分析，并将其数据与实车 正面碰撞试验数据进行比较，验证建模及仿真分析的精确度。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽车碰撞模拟计算有限元基础理论 汽车碰撞是个瞬念的大位移和大变形的过程，系统具有几何非线性、材料非 线性和接触非线性等多重非线性特征，它涉及在动载下的本构关系、非线性问题 算法等问题。目前，动态非线性有限元方法成为了汽车碰撞模拟计算的主要研究 手段。 2 1 非线性动态有限元法 2 1 1 物体的构形描述 从物体的变形角度来讲，其变形过程实际上是从一种形态变换到另一种形态 的过程。物体是由质点组成的，物体的形状可以用质点的相对位置来表征。图 2 1 为一物体运动示意图1 4 0 1 。 图2 1 物体运动示意图 在固定直角坐标系中，设一物体在，= 0 时刻的初始形状为b ，经过任意时刻 f 后，其形状为b 。令设召中任意一质点a 坐标为丘心= 1 ，2 ，3 ) ，在任意时刻t 时， 该质点的坐标为x ，( f - 1 ，2 ，3 ) 在连续介质力学中，假设物体及其变形和运动都是连续的，它表明b 中每一 质点丘与且仅与b 中一个质点对应，因此质点间位置的改变而引起物体形状 的改变。质点口的初始位置坐标以与时间f 之间的函数关系为： x j = 薯( 以，f ) ( f = l ，2 ，3 ) ( 2 1 1 ) 对物体内质点的运动，通常有两种方式描述： ( 1 ) 以k = l ，2 ，3 ) 和时间t 作为独立变量来描述，称为物质描述，又称拉 9 武汉理r 人学硕十学位论文 格朗同描述，以变量和时间f 称为朗格朗同参数； ( 2 ) 以量( f = l ，2 ，3 ) 和时间f 作为独立变量来描述，汞尔s b ! i ! i f = j t i ：t l ，又称为 欧拉描述。变量置和时间，称为欧拉参数。 2 1 2 拉格朗日描述方法 汽车碰撞属于高速碰撞现象，描述这类现象的主要方法有：e i d e r 法、 l a g r a n g e 法和a l e ( a r b i t r a r yl a n g r a n g i a n _ e u l e r i a n ) 法。e i d e r 法多用于流体力 学问题，在固体力学中用的很少；a l e 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l a g r a n g e 法是目前描述固体碰撞行为的最成熟最方便的方法。采用 l a g r a n g e 法描述的有限元法可以处理高速碰撞过程中复杂的边界条件和复杂的 材料木构关系，并且对接触滑移而描述非常方便。 根据拉格朗日物质描述方法，物体的变形可由式( 2 1 1 ) 表示。在t = 0 时 刻，求得初始条件为 玉( 以，0 ) = 以 ( 2 1 2 ) 毫( 以，0 ) = k ( 瓦) ( 2 1 3 ) 式中：形为初始速度。 质量守恒方程可表示为： p = - ，岛 ( 2 1 4 ) 式中，p 为当前质量密度，岛为初始质量密度，为密度变化系数，即j a c o b i 矩阵e = 8 x i a x j 的行列式。 能量方程可表示为： e = 形岛一( p + g ) y ( 2 1 5 ) 式中，e 为当f ；i 构型的能量，p 为压力，q 为体积粘性阻力，矿为现时构形的体 积，宣，为应变率张量。 动量守恒方程可表示为： p x i = 以+ 。_ ， ( 2 1 6 ) 式中：p 为物体密度，j f ：为加速度，z 为体积力，为c a u c h y 应力张量。 物体在变形过程应满足的边界条件如图2 2 所示。 1 0 武汉理r j ：人学硕十学位论文 图2 - 2 边界条件示意图 a 图中，在s 1 面上的力边界条件可表示为： = f ，( f ) ( 2 1 7 ) 式中，v j ( j = 1 ，2 ，3 ) 为当前物体形状边界s 1 的外法线方向余弦，t ( f = l ，2 ，3 ) 为面 力载荷。 在s 2 面边界上的位移边界条件可表示为： 薯( x ，f ) = i q ( ，) ( 2 1 8 ) 式中，k ，( f ) ( f - l ，2 ，3 ) 为给定的位移函数。 当4 - = 可接触时，沿滑动接触边界妒_ k n 接触内边界条件可表示为： ( 西一啄) v j = 0 ( 2 1 9 ) 2 1 3 有限元方程和空间有限元离散 利用虚功原理和变分法，可得到有限元离散方程。虚功原理的变分可表示为： 6 x = i p 2 , s x , d v + 。6 x u d v - p f 6 x l d y l a , 6 x , d s = 0 晓弋10 ) vvvs 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 位置随时间的变化关系为： ( 以，彳) = x j ( 以( 孝，r ，f ) ，彳) = 力( f ，r ，f ) ( 彳) ( 2 1 1 1 ) 1 = 1 式中，以为参考坐标系善，r ，f 中的插值函数，m 为单元节点数，0 为第个节点 沿f 方向的节点坐标。 对玎个单元求和，结合变分列式，得到其矩阵形式： 武汉理一i ：大学硕士学位论文 窆l ，p n n a v x 8 + ，b a o - d v 一，p n 锄y 一，n a a d sl = o ( 2 1 1 2 ) ”刮l 砖 j 式中，为插值函数矩阵，仃为应力张量，b 为位移矩阵，a 为节点加速度向量， b 为体积载荷向量，为面力载荷。 2 2 汽车碰撞过程的非线性特性 2 2 1 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 来的静力条件下的应力和应变的度量都不适用。 应变度量有两类：一类是格林( g r e e n ) 应变张量，它是用变形前坐标表示的， 即它是拉格朗日( l a n g r a n g e ) 坐标的函数，另一类是埃尔曼什( a l m a n s i ) 应 变张量，它是用变形后坐标表示的，即它是欧拉( e i d e r ) 坐标的函数。 应力度量：对于大变形，只有在变形以后的位形上定义的应力张量才有实际 。物理意义，c a u c h y 应力张量就是定义在变形后的位形上的。但因为本构关系的 使用要求实现应力应变的关系，而变形后的应力和应变都是未知的，那么就需要 寻求对应变形前和格林应变张量相对应的应力张量。 2 2 2 材料非线性 在汽车碰撞仿真模拟计算中，由于车身及其它部件的材料大多使用钢材，这 些材料的应力应变关系满足各向同性弹塑性的特性。在高速