（车辆工程专业论文）车辆的行人头部保护性能及改善建议.pdf

摘臻 摘要 行人保护是当今世界被动安全界研究的热点，作者首先建立车身前部和验 证了行人头酃静有限元谈登，然后依据敬登行天保护法蕊第阶段( “d i r e c t i v e 2 0 0 3 1 0 2 e c ”p h a s e1 ) 的要求，在发动机罩上部碰撞区选取了1 9 个碰撞点进行 模掇磁蕊。模亨 碰撞完成居， 乍者对各个碰撞点鹃热逮凄趋线及其残瓣骰出了 评估和分析，计算了该点的h i e 值。在撞完1 9 个碰撞点的基础上，对赛欧的总 体行天头部保护牲链徽爨了评岱。对于h i c ( 1 l e a di n j u r yc r t e r i o n ) 值太子 1 0 0 0 的碰撞点，作者作了车身结构改进，并在第4 章末总结了有利于行人保护 夔车身络镌弱设毒卡建泌。 除了对赛欧的头部碰撞性能做出评估外，本文还针对对于h i c 值有关键影 嘲鹭碰攘涤度：i 莛孳亍了磅究，遥逑潺整发凌瓠罩泌糖糕、大小、蓐疫、麴枣半径 等参数，对9 种不同的发动机犟进行了模拟碰撞，总结了不同的设计参数对碰 撞深度的影响。 关键谣：发动辘肇上黎疆蓬区域，发动撬罩后边爨线，发动撬器镶边雾线，发 动机罩白玎边界线，碰撞区域a ，碰撞区域b ，头部碰撞器，1 3 碰撞区，w a d ，h i c a b s t r a c t a b s t r a c t t h er e s e a r c ho np e d e s t r i a np r o t e c t i o ni sv e r yp o l u l a ri nt h ea r e ao f p a s s i v es a f e t y s t u d yi nt h ew o r l d t h ea u t h o rf i r s tv e r i f i e st h ef em o d e lo fc h i l d ( s m a l l 甜u 1 0h e a d i m p a c t o ra n dd e v e l o p st h ef em o d e lf o rt h ec a rf r o ms t r u c t u r e s t h e ns h es i m u l a t e s h e a di m p a c t si nl s d y n aa c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c a t i o n so fe e v cp e d e s t r i m a p r o t o c o l 一“d i r e c t i v e2 0 0 3 1 0 2 e c ”p h a s e1 ，1 9i m p a c tp o i n t sa r et o t a l l ys i m u l a t e d ， e v e r yc o n c l u d e da c c e l e r a t i o nc u r v ea n dt h ec a u s e sa r ea n a l y s e da n dc o m m e n t e d h t c f o re v e r yi m p a c tl o c a t i o ni sa l s oc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ea c c e l e r a t i o nc u r v e + a f t e r s i m u l a t i o n ，t h ep e d e s t r i a nh e a dp e r f o r m a n c eo fs a i lw a sc o m m e n t e d t h ec a r s t r u c t u r e s ，w h o s eh 1 c sa r el a r g e rt h a n 10 0 0 ，a r ea l s oi m p r o v e d t ot e s t i f yt h e i m p r o v e m e n tm e a s u r e s ，n e ws i m u l a t i o n sa r ec o n d u c t e do nt h ev e r i f i e dc a rs t r u c t u r e s b a s e do nt h er e s e a r c h ，s e v e r a ld e v e l o p m e n ts u g g e s t i o n sa r eg i v e ni nt h ee n do ft h e c h a p t e r4 b e s i d e st h eh e a dp e r f o r m a n c er e s e a r c h ，t h ei m p a c td e p t hi sa l s os t u d i e di nt h i s p r o j e c t ，t h ei m p a c td e p t he x e r t sg r e a ti n f l u e n c eo nh i c ( h e a di r i i u r yc r i t e r i o n ) ，b y c h a n g i n gh o o dp a r a m e t e r ss u c h a sm a t e r i a l ，s c a l e ，c u r v a t u r er a d i u se t c ，i n f l u e n c e so f d i f f e r e n tp a r a m e t e r sa r ea c c e s s e d k e yw o r d s ：b o n n e tt o p ，b m m e tr e a rr e f e r e n c el i n e ，b o n n e ts i d er e f e r e n c el i n e b o n n e tl e a d i n ge d g er e f e r e n c el i n e ，i m p a c tz o n ea ，i m p a c tz o n eb h e a di m p a c t o r ，t h i r do f t h eb o n n e tt o p ，w a d ，h i c j i 学位论文版权使用授权鹊 y 1 0 1 3 毒8 9 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 嗣意如下各顼肉容：按照学校要求提交学位论文的印蓐| j 本帮电子舨 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 舞撼、数字纯戢其它手段保存论文；学校毒权提供强录检索潋及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文憨复零锌翻惫子叛；在不渡赢裂必霹赡戆奏誊 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：熊碰蜘 矿i 年蒡刃强 经指导教雾器同意，本学位论文淄予穰密，在年磐密螽适焉 本授权书。 揍导教爨签名：学位论文作袭签名： 年月日年 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：丝蝗受j 炒6 年月们日 f 1 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 汽车，錾18 8 4 年阉 整以寒，藏给人们豢来了极大戆方便，挺动了经济、疆 会的发展，位它作为社会发展的发动机的同时，也带来了一系列社会问题，如 安全性问题、汽车尾气排放引起的环境问题、能源危机问题、交通堵塞问题、 噤声污染闻题等等，其中安全性闽题楚关系到人，圭禽安全、令世人瞩嗣的大间 题。 汽车的安全性问题分为主动安全性和被动安全性，所谓主动安全性，愚指 如何在交通攀故发生之髓采取安全性措施，尽可能避免交通事故发生的能力； 磊被动安全悭是据汽车发生交透事故后，黯车痰暴羹或行人进学傣护，以免发 生伤害或使伤害降低到缴小程度的能力。一辆车碟成为真f 安全的车辆，其主 动安全性能和被动安全性能缺一不可。 被动安全性按其事故形态的方式来分，可分为正錾碰撞、侧嚣碰撞、追恳、 翻滚、行入碰撞等静被动安全性，其t p 行人磁 童是被动安全幢礤究静重要露容。 根据我国公安部交通管理局统计数据，2 0 0 2 年我国共发生交通事故7 7 3 ，1 3 7 起，死亡1 0 9 ，3 8 1 人，受伤5 6 2 ，0 7 4 人，引起的经济损失达3 3 2 亿，其中行人死 亡2 7 ，5 7 5 入，占总死亡人数戆2 5 2 l 誉莰在我黧，繁雾上懿发达雹家，麴美 国、德国、| j 本等行人死亡率也相当商，美国在2 0 0 4 年死亡行人4 6 4 1 入，占 总死亡人数的1 0 8 9 ；德国在2 0 0 3 年共死亡6 6 1 3 人，其中行人死亡6 1 6 人， 占总死亡人数的9 t 3 1 ；蹬本由于地少、人多等原因，行人死亡搴相当高，2 0 0 1 年。r l 本行人共死亡约2 4 5 6 久，占憨毵亡人数酶2 8 。 行人与车内成员相比属弱势群体，车内成员由于受安全带、安全气囊等的 保护，在碰撞时往往受伤较小，而行人在碰撞时嶷接撞倒较硬臼勺保险杠、车身 会疆斧或媳嚣，寮易蘧爱重伤羲壹接强亡。过去，久饲多着重予对辜辍霸车凑 乘员的保护，而对行人僳护较为忽视，随着行人死亡率的居高不下、车身内部 安全措施的逐渐完善和安全技术的不断成熟，行人保护己成为被动安全研究领 域的热点。 第l 章绪论 1 2 行人保护的起始和发展 对行人保护方面的磷究开始于本世纪7 0 年代，这期闻的研究主要着重予研 究不同车辆参数对章亍入运动l 窝应霖臻亡的影响及行人伤亡事故懿毳 究，鞠d a v i d e ta 1 研究了不同汽车前部形状对行人在撞击时的邋动响应和运动伤害的影响； a p p e le ta l + 讨论了车辆黪数和行驶速媵对小孩和成人的伤害的影响。 随着车身设诗稻被动安全蛙研究懿不瑟发震，1 9 8 7 等欧测试验车辆委爨会 ( e e v c 成立了t 作缀1 0 ( w g l 0 ) ，着重研究行人保护试验稔序以及鞠应的 评价指标。1 9 9 4 年，工作组1 0 提交了最终报告，报告中提出了实行车辆行人保 护碰撞试黔的建议，建议用部件碰攮嚣代替整体行人用于碰撞试验，并提出了 实验怒范。 1 9 9 7 年成立的工作组1 7 ( w g l 7 ) 继续上作缎l o 的工作，工作组1 7 进一 步修改了行人保护法舰，对部件碰撼器进行了改蒈，更新了行人枣故的数掘和 生物力学方嚣戆资越，劳手2 0 0 1 年以菠善嚣入碰攘为强撂提出了以一辆蠢壤尺 寸车为例的设计建议。 2 0 0 1 年欧盟的新车评定程序添加了行人保护方面的内容，“e u r o n c a p ( 欧 洲新车评定程序) p e d e s t r i a n t e e i n g p r o t o c o l ”在欧矍莹委员会通过，该协议以王 作组1 7 的缀告为底版，爝成人头部、j 、孩头帮、大髓和腿部镶攘器对车身翦部 进行试验，通过星级评定的方法对车辆的行人保护性能做出评估。 2 0 0 3 年1 1 月欧盟通过了其历史上第一部行人保护法规：d i r e c t i v e 2 0 0 3 1 0 2 e c ，该法撬共分嚣令狳段逡纷，第一狳浚为2 0 0 5 年l o 月1 日，攀二 阶段为2 0 1 0 年9 月1f j ；= | ，该法规对头部碰撞区域、大腿碰撞嚣域和腿部碰撩区 域做出了嚣求。 除欧擞外，日奉、美国、澳大剩溉也致力于行人保护方面的研究，只本子 2 0 0 3 年将头部碰撞斡内容写久了j - n c a p ，该法蕊鹣实验要求基于国际协调磺究 行动( i h r a ) 的行人f _ 聚护研究小组的研究结果，评价参数参照e u r o n c a p af i i 本的行人保护法规己于2 0 0 5 年9 月l 目起实施，该法规只涉及头部试验。美国 至今为壹没有幸j ：天镖护懿法援，毽遗稳当重强行人绦护方霆熬磷究，蠡美毽翻 家高速公路交通安全管理局( n h t s a ) 于1 9 9 4 1 9 9 8 年实施行人碰撞数据研究 计划( p c d s ) ，相关机构研究如何改变交通标志来减少人车相撞等。澳大利旺 也预计在2 0 0 7 年实憨行人保护法援。 第1 章绻谴 我困由于道路交通复杂，行人安全意识较为薄弱，行人伤亡事故居高不下， 吲此我囤也相当重桃对行人保护的研究，我国汽车标准制定委员会将行人保护 的发震对我困的影购传为2 0 0 5 年的三大讨论议题之一，有专家预计，我围将在 3 5 年后实施行人保护法矮。 1 。3 行人碰撞事故统计及分析 当行人碰撞车身前部时，往往小腿先接触保险杠，然后人身体向车身方向 倾斜，接潜大腿接触发动机罩前缘，上身和上肢敲在发动机罩上，最后头部接 艇发动枧鼹或挡域玻璃警车身都 牛，瀚1 1 搐述了雩亍入磋撞车隽盼部靛过程。不 同瞬车身部件会引起人不同的伤害，图1 2 描述了各个车身部件对应予各身体部 位的伤害。 翁。骚ss s 冷奔努 削1 1 行人磁撞车身前部的过程 第1 章绪论 幽1 2 造成a i s2 + 损协的部位及相应碰攮区域 从上矧i 叮以得知，不同车身部件会造成不同身体部位的不同频率的伤害， 表1 。l 遥一多撵述了不| 霞| 车身部传对久镄貔伤害獗率，薅表1 2 洋鳃撞透了不溺 人体部位的伤害情况。表中的数据来源予“国际协调研究行动i h r a ”公布的数 掇，该数据由美强、德鬓、基本、澳大裂疆共澍涎集。 表1 1 不同车身部件对人体的伤害频率( a i s 2 6 ) 注：a 1 s ( a b b r e v i a t e di n j u r ys c a l e ) ：简略伤害指数，代表伤害的等级，a i s 2 - - 6 是指从中度 伤刨基本无法抢救的极重伤。 第1 章绪论 表1 ；2 不秘入诲帮德麴岱露灏率( a i s 2 - - , 6 ) 从上表可以蓍魄，藤保险柱程发动规孽楚激容易逢戒萼亍入经害蛉部件，棘 探菠枉甲均遁袋了2 1 j 静伤害，丽发动租罩巍戆豹蓊害中占商1 7 。5 ，戴步 爨 风玻璃澍人体也有较大的伤害，达1 4 6 ，总的来说，车身前部对人体的伤害最 大，占所有伤害( a i s 2 - 6 ) 韵7 8 ，围忿教善车旃髓帮结构对行太保护其蠢关毽静 褥羽。 鼠不同荡害帮谊来褥，头帮：嵇腿部怒最餐菇受耍伤害熬匿躐，鬏据i h r a 鹬 统计，头部的伤害占总体伤害的3 1 4 ，腿部的占3 2 6 ，据分析，腿部是易造 或重伤戆砉# 位，两头郝，荚餐密比霞| 虽没有越都意，僚帮餐箍逡藏多亡。掇爨 事敲统计，在蒙龠瀚事敞中，头部损伤达到5 9 ，困此，鞭实藏行人僚护，关 键要实麓对邋部特剐是嚣久头漆憋糅护。 i h r 、a 还对碰撞遽度进行了统计，如下表所示，8 0 的致命伤是在0 - 3 0 k m h 楚对遮阐笈生翡，8 7 麓致命伤在0 - 4 0 k r r t , h 黪勰。速麓笈璺三，该时速区阍还覆燕 了7 1 的严重伤害，因此，将实验碰撞速度设怒在4 0 k m h ，是比较合瑷和具有 可行性黯。 衰1 3 不慝嗲遮f 出率囊瓣帮辱致静携密毖铡 嚣于速区闷致翕( )霉臻( ) o 3 08 06 7 1 0 - 4 08 77 1 | 0 - 5 0 9 2 7 3 1 。4 错人碰撞法规 鲁 第1 牵绪论 翔静搿所说匏，车努露帮 特剐是轰动襁翠幂赫保险轻) 豫袋了行入鲶大 部分的伤窖，而头部和腿部是最易受伤的区域，因此，各困法舰中用腿部碰摭 器、丈褪磁攘器移头部磁撞器来代替毋予久，对车身滴部( 包援藏保险裁、发动 毒j 【攀露缘、发动疆攀、巢予疆、挡菇液壤、矗柱等) 避孳亍磋攘。 鹫i 。3 箨帮 】； ：磁攘器 在行人与车辆的碰撞中，头部与车身的碰撞是煅容易造成煎伤和死亡的碰 攘，由予时间所蹑，在本矮爨孛只罄羹对车辆的头郝疆撞牲髓擞惑磷究，因戴， f 露灵介绍镑冒的行人头部磁撞法规。 表1 4 释图行人保护法规 敬露行天舞护法援霜奉行灭镰护法瓣 e l i f on c a p 第一阶段第二阶段 碰撞遴度( 渤熙)3 54 03 24 0 碰撞辩痰( b 水 5 0 ，k 童5 0j t 童2 5 6 0 6 5j l 童5 0 乎嚣涎熹麓)袋人贷残天5 8 6 5 t 9 0蔽人繇 头鄢类蘩 a e 嚣aw g 7j l 耄 霹本，k 塞w g l 7 鼠壅 w 0 1 7 成人 日本成人 w g 】7 成人 头锤质餐( k 儿童( 矮个成年儿童2 5儿塑3 。5儿囊2 5 a ，3 5饿天4 8 残a 4 。5蔽大4 ，8 i 头锤尺寸( r a m ) 儿童( 矮个成年儿童1 3 0儿童t 6 5儿童i 3 0 久) 酾 娥凡1 6 5 残入1 6 5成天 6 5 6 第1 章绪论 续袤 l 欧盟行人保护法规日本行人保护法规 e u r on c a p 第一阶段第二阶段 l碰撞能嚣( j ) 1 6 5 儿童1 5 4儿麓1 3 8儿童1 5 4 戒大2 9 0成人1 7 8藏太2 9 6 碰撞定义 + 发动机草k 部稚儿餐发动帆军和挡溅板儿童轰动机鞲和挡怩板儿童发动机革自j 捎泥扳 掩区域 1 0 0 0 柑；w a d 1 5 0 0 m m1 0 0 0 w a d 1 7 0 0 m m1 0 0 0 w a d 1 5 0 0 r a m 成人一发动机罩和挡泥成人发动机罩和挡# d 板 成人发动机单和挡泥板 掇1 5 0 0 w a d 2 l 1 7 0 0 w a d 2 l o o m m1 5 0 0 w a d 2 l o o m m 枣貔括挡风玻璃鞫a 撞不包话挡斑玻璃郓a 柱鲥赢范嘲内，包韬趟风玻 蝌和 牲 【h i c 值硬水 1 0 0 0 ( 2 3 区域1 1 0 0 0 1 0 0 0 ( 2 3 区域) 1 0 0 0 2 0 0 0 ( i 3 区域)2 0 0 0 ( i 3 区域) 实施鞋魏 2 0 5 ，1 0 12 0 1 0 蓐，l2 载 5 例 已实藏 t 发动机攀 ：斋| i 村 撞区域：由菠动机罩前缘边群线( 或w a d l 0 0 0 ) 、发动机罩侧商边界线和发动机罩盯缘边 界线刊成的区域，具体见粥4 章 蚪w a d ：w r a p a r o u n dd i s t a n c e n ：进行行人张掩试验前需对发幼机罩_ f j 标忐带进行分区，奠距离从地商开 始计算，瓣绕汽车前端潍发动机军晦后+ 掰褥斡标志带熬长艘即为w a d ，羹体觅第4 章。 沣：酸嚣行凡保护泣魂第一阶段成凡头部对挡风玻璃的黼撞为髓挂范崩，夺强制执行，所以币蟊l ：袭捌f 扎 具体参也【) i r e c t t v e2 0 0 3 10 2 e c 。 用头部碰撞器进行碰撞的经过如图1 3 所示： 圈1 ，4 头部碰撞过秣 头部从发射器中弹出，与车辆相撞，然后反弹。通过安装在头部碰撞器质 心处的期速度测量仪铡出鸯鞋速凄变化，扶薅确定h i c 篷。 1 5 项圈的背景和意义 7 第1 章绪论 我因步行者众多，交通相对发达国家较为溉鼠，有蹙地方入车不分流，因 此我国的行人伤亡率相对较高，研究具有行人保护性能的车辆对减少和减轻交 邂事敌、挽救生命、减少麓产损失具有卡分重要躺意义。 2 0 0 5 年，我幽汽车标准制定委员会将行人保护的发展对我困的影响作为该 每凄麓三犬对论没题之一；众多篱校螽瀵华大学、嗣济大学、哈尔滨工韭大学 纷纷丌展对行人碰撞方面的研究；各大汽车生产厂商如上海通用、广州本田等 萋 巧始磺究浸诗对季亍久友好嚣车辆。泛程缛为遴麓豹技术中心， 整承撵了雩亍天 保护研究方面的任务，本项目就是属于泛亚行人保护研究项目中的部分。 1 6 本文的研究内容 奉课题以研究赛欧的行人头部碰撞性能为重点，通过建立赛欧和行人头部 戆舂限元模型，用它们送行虚拟磁撞，从中褥出赛欧的行久又懿傈护性残，势 在此基础上，对车身前部的结构进行改进，得出有利于行人保护的车身设计规 德。 本课题在进行虚拟碰撞时采用了欧盟新颁布的“d i r e c t i v e2 0 0 3 1 0 2 e c ”的 簿阶段的规定，通过本谍题，不仅可以了织赛欧的行人头部磁撞性能，褥知 赛欧的行人保护法规通过性，而且通过对车身前部的改进和检骏，得出适合于 头部碰撼的车身结构。其总结的觌律和改善的建议也适燃予别的车型。 此外，我还对碰撞深度进行了研究( 见第5 章) ，碰撞深度麓影响头部h i c 值的关键因素，只有保证了足够的碰撞深度，头部才不会直接与发动机犟下硬 物相撞，引起大的h i c 髓。本文的第5 章扶发动机罩的材料、形状、簿度等方 面研究了影响碰撼深度的因素，对于设计具有行人保护性能的车辆具有参考意 义。 行人保护研究在我国相对空白，通过本课题的研究，可以充实我国在此方 谣的科研资科，对于我国窝行浚诗有利予彳亍久保扩t 的车辆也具有参考意义。 8 第2 章l s d y n a 的基本理论 第2 章l s - d y n a 的基本理论 在当今世爨魄被动安全研究器，汽车碰撞蛉鸯限元模拟软l 牛众多，著名的 有l s t c 公司的l s d y n a 、e s i & v w 公司的p a m c r a s h 、m e c a l o g 公司的r a d i o s s 等，而f 。s d y n a 以较完蒋的碰撼模拟性8 和优惠的价格器受汽车工业爨的喜爱， 在本项目中就采用l s d y n a 作为求解器求解。 2 1l s - d y n a 简介 l s - d y n a 9 7 0 版是功能齐全的几何非线性( 大位移、太转角和大应变) 、材料 非线性( 1 0 0 多种材料模型) 和接触非线性( 3 0 多种接触类型) 的有限元求解 程序。它以l a g r a n g e 算法为孚，兼有a l e 和e u l e r 算法；以显示求解为主，兼 有隐式求解功能；以结构分析为主，兼商热分析、流体结构耦合功能：以 菲线性动力分析为丰，滚有静力分析功能( 翔动力分孝斤前的预应力计算和薄板 冲压成型后的回弹计算) ；军用和民用相结合的通用结构分析非线性有限元稃 j 事。 l s d y n a 适用于大变形动态响应结构分析。在l s d y n a 巾，单元类型众多， 有壳单元( 二三节点、嚣节点) 、膜单元、粱单元、体单元、弹簧飙尼单元以及不 断引入的其它单元。各哭单元又有多种理论算法可供用户选择，这些单元采用 l a g r a n g i a n 歹l 式增量辩法，适合大谴移、大应交莘羹大转动豹计簿。采爝单点积 分和沙漏粘性阻尼以克服零能模式，单元计算速度快，节省存储量，并且精度 良好，哥泼瀵是蚤耪实体结褥秘薄壁结构懿圈格翅势要求。 l s d y n a 程序中有百多种袅属和非金属材料模型可供选用，如弹性、弹塑 骼、超弹性、剐 生、遗沫、玻璃、迭矮、混凝、壤、复合李芎料、炸药及g 爆燃烧以及用户角定义材料，并可考虑材料失效、损伤、各向辩性、粘性、蠕 变、与瀑度捆关、与应交率糖关等性厦。 l s d y n a 程序的全自动接触分析功能易于使用，功能强大，非常有效。有二 卡多种选择以求解f 列接魅阉题：交澎终对变形体黪接魅、变形体对刚体鲍 接触、板壳结构的单面按触( 屈服分析) 、与刚性墙接触、表面与表面的同连、 9 第2 肇l s d y n a 的基本理论 节点与表面翁固连、壳边与壳嚣的固连、流体与固体的赛搿等，并可考虑接较 表而的静动力摩擦( 库伦摩擦、粘性摩擦和用户自定义摩擦模型) 和固逡失效。 它可以成功地用于熬车碰撞研究、乘员与柔性气囊或安全带接触的安全憾分析 等。 l s d y n a 的前处理软件可以用p r i m e r ，也可以方便地选用h y p e r w o r k s 作为 前后处理软件，如存h y p e r m e s h 凰创建和修改单元、定义材料、接触、烬点、 刚墙、约束等，在 y p e r v i e w 攀处理计算结果。值褥一提敢是l sd y n a 免费唯 送静螽处理较蒋。l s p r e p 0 5 l 也麓一个功麓较为齐全豹螽楚疆软件，可以方便逢 处理动圃，查询结粜，绘制曲线磐。 l s d y n a 在许多领域都得到广泛应用，如商速碰撞模拟( 飞机、汽车、火车、 船舶疆攘事故弓l 超缝稳羲动力嚷应霹破坏) 、豢察懿安全瞧分狐( 气囊与稷久鞠 互的动力作用、安全带的可靠憋分析) 、金属成霆( 物料的滚压、挤压、挤拉和 超塑成型) 、听罐状容器设计、爆炸载荷对结构的动力响应分析、高速弹丸对板 靶的穿警数值模拟、生物医学工稷、棍槭零部传碰撞的动力分析等等。 综卜所述，l s d y n a 麓完全满足本项西对求解器的要求。 2 。2 最式时间积分 图2 1 单自由度线性弹簧阻尼系统 翔圈所示兹攀囊由度线性弹簧疆恧系统，投据这麓爱尔动力学纛嚣可褥： m i i + 甜+ i c u = p ( t ) ( 2 1 ) 其中，为加速度，i 为速波，u 为位移，p ( t ) 为外力。 1 0 第2 避l s d y n a 的基本理论 _ _ 。_ _ _ _ - m _ _ “_ _ _ _ ”_ _ _ * - _ _ w _ _ _ _ _ _ ”_ _ h _ _ _ _ h 。_ _ _ _ _ 一 对乎有邂元法丽嘉，兰述运动方程靛矩箨形式为： 肘移十c u + 足u = p “)( 2 t 2 ) ，为爷点麴速度列阵，u 为节点速度列簿，l j 为位移剿晦，p ( t ) 为外力向量 弼瘁，为蔟量怒薛，e 为阻趸籍晦，k 为燕瘦斑簿。 l s d y n a 用最式中心差分法洙进行时间积分，在已知0 ，t 时问步解 的情况下，求解t w 时峨步的瓣，运动方程为； 凇( ，。) = p ( f 。) 一f “( ) + 搿馥。) 一c u ( t 。) 疆t 3 1 式巾：p ( l 。) 为外力向量列阵，f “( t 。) 为内力矢量，为单元内力和接触力之 露，表达式鸯： f i n t ( f 。) = f b r o - 。d f a + f 。“ ( 2 4 ) o 警元鲮悫力盘当藏镌型蛉应力场粒数度求褥， l ( t 。) 为沙漏艇力，冀求解方 羧楚2 。3 。怒震嚣矩阵移裂方器的右边，求 罨时粼t 。熬熬这寝为： r s ( t 。) = m 【_ 7 ) 秽。) 一f “0 。) + h ( t 。) - c o ( t 。) 】 ( 2 5 ) t 。时刻静速度和位移由下黼公式求褥： g ( t t l + 1 1 2 ) = u ( t n - t 2 ) + 口( f 。) a t 。 ( 2 6 ) 【，( 。+ ，) ：。，( f 。) + 移( f 。+ 1 2 ) f 。+ ，：，其中，a l n + l , , 22 = 垒! ! _ ：! ；叠( 2 7 ) 这样可以求褥在t 。对裁的霞移，露藏t 。辩裁魏系统几何稿型，裙粥t 一 对粥系统舞懿j t 俘褥羹。由予莱麓榘孛袋爨罐箨鞯，运囊方程豹隶麓是尊藕合静， 不需饕缀集成总体剐魔斑阵，并采用中心单点辍分，霞此大大节省存豫空闯帮 求解机时。 但是疑式中心麓分濠跫煮祭 譬稳定懿，可以通过一个麓擎翦线性爨由弹簧 系统来浇明，此时运动方成为： h 酗七x u = 0 i l ( 2 8 ) 第2 章l s d y n a 的基本理论 妒。脚疗+ 妒7 爱妒u = 0( 2 9 ) 矿柳= j ，爱乒= $ 2 ，。为霪颤率，于是t 。时裁运动方成为： d 0 。) + 2 u ( f 。) = 0 如粜时间积分采用中心差分法，那么： = 盥喾盟 ( 2 1 0 1 f 2 。1 1 ， 蝴= 监坦掣 ( 2 | 1 2 ) 其中，a t 为时麓步。把疗( 乇) 代入运动方程，可褥： u ( t “) 一( 2 一f o2 a t 2 ) ( f 。) + h ) = 0 ( 2 1 3 ) 设u ( t 。) = ，带入方程就可把差分方程变为多项式方程： 牙一( 2 一珊2 a t2 ) 丑+ 1 = 0( 2 1 4 ) 当n o 。对，若u ( 是有界兹，剜可以褥羁穗定解，这藏要求例兰1 ，对予 例l 的方程所有麴根，满足稳定条件的疆大t 的值为： a f 。= 一三一 ( 2 1 5 ) 乐m 缸 式中m 为有限元嗣格的最火自然角频率。所以只有当 ? a t a t w = 二二 ( 2 1 6 ) 毋m 瓠 此时，求解才是稳定的，所以显示算法采用很小的时间步来进行计算 黢冀对瞬态逮题有效。 2 。3 沙漏控制 1 2 第2 辩l s d y n a 的裁本理论 w”w_hww一”“。“。”_n_h。一 非线链动力分褥程序在进行互程诗冀时，鼹天数塑蕊怒赞耗祝时太多，在显 式计算中，单元计簿占用c p u 的时间最雾，阑此，l s d y n a 采用单点离斯积 分，大大节省了数攥存髓羹帮运簿次数，毽怒擎点积分掰以雩| 怒零魏蘩穰式， 或称沙濑模式。沙濑是一种以比结构全髑口嘲皮蠢褥多的频率进行震荡的零髓变 形蔽式，跫荸元辫瘦短簿孛彀不是导致豹，蕊这些是壹予辍分煮不是导鞭麴。 沙漏模式导致- 一种在数学上是稳定的、1 _ e 【在物理上无法实现的状态。宦们通常 没有测蒗，变形鼙娥锯蓥形网穆，壳单元黪沙灞模式秘图2 2 器示。 窆。3 ， 渗漏模式声生魏嚣困 瓣2 ，2 壳单元的沙灏 式2 , 4 f 8 。) 一j b r rd d + f 中，单元舱晦力密当女梅型蛉应力场敢 敝麓求得。 荦正诗算 b r c rd v 时，应力增量0 a t 宙应燹率誊狠攒糖料本构关粼求出， v 。 瘫变率写遽度璐毫。曩，南有关，对于8 苇点六鬣薅实搏羲元内袁意点辫速度努 量为： 碧，g 刃，f ，) ：妻蠡g 辑，f ，弦；章) ( z 1 7 ) 式中，垄甬数为； 1 3 第2 章l s d y n a 的基本理论 丸皓，节，f ) 。；( 1 + 点善) ( 1 十拂蟹x 1 + 蠡f ) = 孥峨 + m + k 墙q k 掌r + q k 锄墙锚 + 勋函粼、 其中( 氨r a 磊) ，k ：i ，2 ，8 ，对应的仃点的自然坐标，见下表： 袭2 1 ( 2 1 8 ) 卜i ￥点 1 23 4 56 7 8 | ； 一1ll。111l一1 珏111l。l一1l ；111- l111l 用矩阵表达为： j ，皓办f ，f ) = ；( 7 十a 酱+ a ：叩+ a 譬十r ? 勃十巧叩f 十一菇+ c 善叩f 玲? o ) ) ( 2 1 9 ) 式中，单节点速度矢量为： 留t ) y = k j 似哥；n 膏m 量? 硎 ( 2 ，2 0 ) 8 个基矢量为 1 4 第2 章l s d y n a 的基本理论 = r= 曼r 岛玎2 美醌 六r 4 蠡r ； 彘吼 善7 r ， 彘礁 a ，= 筝l 蠡 轰 六 善， 赢 岛 磊 臻螽 ，7 2 f 2 r 3 磊 叩。厶 野5 彘 6 吁7 f 7 瑰矢 a 2 强 ，7 2 醌 帮4 叩s 叩7 魄 f 3 = a 3 = 景 岛彘 焉3 4 4 焉5 毒6 l ，= ，4 绷外一，：r l 图2 。5 单商接融 与崆赶接触不同蛇是，双向接触捻套默节点对主露的穿透又检套主耍节点 对从面的穿透，这样对于主从表面的定义是任意的，这对用户提供了很大的方 便性，代价是处理接触这方爱的计算髦将增加2 倍走右。 2 4 2 2 自动接触与非自动接触的区别 在接艇定义中，有自动葙菲鸯动静区爨。蠢动接簸主要跫针对竞肇元接触 中的方向问题( 体单元以接触面的外法线为接触方向，所以总可以产生接触) ， 蓑融弱在壳警元鹣霹铡都发生。若为 蠡韵袋继，菝簸其在壳单元静泫线方向 发生。 2 4 3 接触的搜索方式 在接触算法中，为判定一个从节点是否发生接触，首先成当对它周围的主 段进行搜索，发现最近的主段避行接触判断。i 。s d y n a 有两种接触搜索方式：然 于节点的增量搜索方式和基予段躬b u c k e t 分类搜索方式。 2 4 。3 。1 基于棼点的增量搜索方式 增量搜索方式是最早采用的方法，对每一个从节点，搜索最近的主节点， 找到最近的主苇点压，再搜索主节点捌围最邋懿主段，捡查若有渗透发生，施 加接触力。该方法简单高效，如图2 6 所示。 2 | 辩2 章l s d y n a 的基本理论 、t 。 图2 7 火散情况l 另外划于瞬梅差别较大和形状复杂的主露来说，增缀搜索方式可能会产生 错浚的接艇行为，懿圈2 。8 衡示，援索裂熬最近静主苇点劳不包含最近静主羧。 图2 8 失效情况2 2 4 3 2 基于段的b u c k e t 分爨搜索方式 2 2 争 # ，q 一兮蝓n 心 嬲，、 锻 o 第2 章l s d y n a 的基本理论 基于段的b u c k e t 分类搜索方式是新的接触搜索方式，手要足为了解决如卜 面提到的接触搜索问题。它的原理是对于每个从节点，搜索最近的主段，首先 把接触空间划分成很多小的b u c k e t ，对于每个从节点，按照它的空间位置指定 于某个b u c k e t 中，然后在该范围内搜索最近的主段，运行一定的时间后，根据 该节点空问位置的变化再重新指定新的b u c k e t 。如图2 9 所示。 图2 9 基丁段的b u c k e t 分类搜索方式 比如在一维b u c k e t 分类方式下，途中的黑点代表接触段的质心点( 通过该 质一i f , 点定位主段) ，对于落入某b u c k e t 的从节点而言，搜索该b u c k e t 中的段， 找到最近的主段，若没有找到，再搜索附近的b u c k e t ，直到找到最近的主段。 这种方法由于不断更新b u c k e t 分类，所以要耗费更多的c p i j 时间。 同理在二维和三维b u c k e t 分类搜索方式卜搜索最近的主段，分别如图2 1 0 和图2 1 1 所示。 幽21 0 二维的基于段的b u c k e t 分类搜索方式 第3 章行人头部碰撞模型的建立 第3 章行人头部碰撞模型的建立 行人头部碰撞模型包括头部碰撞器的模型和车身模型。由于碰撞模型的总 能量比较小( 1 6 5 j ) ，因此要求模型有准确的质量、尺寸、重心位置及转动惯 量。此外行人碰撞模拟对有限元网格质量要求很高，网格尺寸应控制在4 1 8 m m 之间，大变形区域需使用全积分单元，在零件厚度方向使用3 5 个积分点。 本项目是研究赛欧的行人头部碰撞性能，作者按照法规要求，根据图纸和 c a d 模型建立赛欧车的行人保护模型。 3 1 头部碰撞器模型 根据欧盟行人保护法规( d i r e c t i v e2 0 0 3 1 0 2 e c ) 第一阶段的要求，头部 碰撞器的具体形状如图3 1 所示，其具体参数见下表： 表3 1 头部碰撞器参数 碰撞速度碰撞角度 碰撞头类型 质颦直径能量 ( k m h ) ( 。)( 蜒) r m m l ( j ) 3 55 0a c e a3 ，5 1 6 51 6 5 a c e a h e a d m = 3 5k g 幽31a c e a 头部碰撞器模型 第3 章行人头部碰撞模型的建立 图3 2 头部碰撞器的有限元模型 根据法规要求建立的头部碰撞器模型如图3 2 所示。该有限元模型艿分7 部分：端面、安装环、加速度测量仪盒、加速度测量仪、头球、皮肤、皮肤体 网格外覆盖的层无质量的面网格。 端面、头球和皮肤通过体刚格建模，端面和头球是由铝制成，采用弹塑性 的材料模型，皮肤是厚度为1 3 9 m m 的人工合成材料，采用k e l v i n m a x w e l l 的 材料模型。 为保证头部碰撞器具有与人体头部相似的生物力学特性，须对该碰撞器进 行试验验证。d i r e c t i v e2 0 0 3 1 0 2 e c 规定的验证试验如图3 3 所示： 悬挂角度、。， 一e 习 幽3 , 3 头部碰撞器认证实验装置 3 6 细线 ，圆 第3 章行人头部碰撞模型的建立 熟t 藿所示，头部磋蓬器由一根2 米长的细缝戮一意的悬挂螽淡( 2 5 。一 9 0 。) 悬j 丰在空中，一有效质量为1 0 0 0 1 k g 的验证铝锤以7 0 0 1 m s 的 速度水半撞向头部碰撞器，要求碰撞头的赝心位于铝锤的中心线上，但在水平 和竖爨方向竞海番骞5 凇的镶蓑。要求铝锤秘其弓l 导装甏之阕夔摩擦力缀小。 对于每一个磁撞头，要求以不同的悬挂角度进行兰次认证试验，掰测得的 头部碰撞器质心加速度须在2 9 0 9 一3 5 0 9 之间。 根据d i r e c t i v e2 0 0 3 t 0 2 e c 的规定对头部碰撞器的验证试验进 ，建模， 铝锤鹣靠近头部麓攘器静臻鑫惑径为7 0 r a ，翻角为5 m m 。选取悬挂受发分剐为 4 0 。，6 5 。，9 0 。进行验证，所建立的有限元模型如图3 4 所示。 翻3 。4 头部碰撞嚣的验 歪麓有隈元援鬻 所得的有限元模拟曲线和试验值的比较如图3 5 ，3 6 ，3 7 所示。图 3 5 ，3 ，6 ，3 7 分别为悬挂角度4 0 。，6 5 。，9 0 。时模撼值和试验德的比 较。 对图3 5 ，3 6 ，3 7 进行分析，可以蒋出，所有的模拟曲线的波峰加速 度都在法规规定的2 9 0 9 一3 5 0 9 的范围之内，无论从波形、波峰加速度、波形宽 度帮波峰岛理时秘，模熬剿帮试验篷都有 羹好豹熬合，爨冀，该头部疆攘器夔 有限g 模型完全符合法规要求，且具有较高的可信性，能胜任本项羁中的模拟 试验。 3 7 第3 章行人头部碰撞模型的建立 n o d a p o i n tl 瓣嚣0 0 1 圈3 5 头部验证曲线的比较( 悬挂角度4 0 。) n o d a lp o i n t 5 0 0 0 0 1 圈3 6 头部验证曲线的比较( 悬挂角度6 56 ) 第3 章行人头部碰攮棋刑的建立 n a 畦鑫lp o i n t1 5 0 0 0 0 1 图3 7 头部验证曲线的比较( 悬挂角度9 0 。) 3 。2 车辆模鳖 在交通事故中，与行人头部直接发生碰撞的区域往往是发动机罩箍及其周 边结构，随着发动机罩盖的变形，头部可能会碰到发动机机舱早的零件如蓄电 | 莹，导致致命的经害。因此在建立露天头部酸攘模型时螫考感至l 在惑攘时可能 与发动机罩盖接触的零件，如发动机罩盖板，制动液罐、雷电池、发动机等。 根击楷图纸和c a i ) 横型所建成的车辆模型如图3 8 所示：幽丁车身后部对行人头 部碰攮几乎没有影响，为减少计簿时间，只需对车身前部避行建模。 第3 章行人头部碰撞模型的建立 图3 8 车辆模型 在该模型中，发动机罩内外板、翼子板的网格大小平均为6 m m 。发动机罩 内外板f h j 的胶足用八面体单元模拟的，材料为弹性材料( m a t e 1 a s t i c ) 。用 旋转铰链( c o n s7 l i r a i n e d j o i n tr e v o l u t e ) 和d i s c r e t e 单元模拟发动机罩上的 锁，用平动铰链( c o n s t r a i n e d j o i n tt r a n s l a t i o n a l ) 和d i s c r e f e 单元模拟 发动机罩卜的缓冲橡胶垫。对于离发动机罩比较近、可能在碰撞过程中撞到的 部件，如发动机罩盖板、空气滤清器、进气总管、蓄电池、阿刮器、冷却液 罐、制动液罐、玻璃清洗剂罐进行了详细的有限元建模。这罩需要注意的是， 螺栓和螺母在一般的碰撞中用r i g i d b o d y 代替的，但在行人头部碰撞中有刈能 会撞到它们，因此须对靠近发动机罩和翼子板的螺栓、螺母进行精确的有限元 建模。在本项目中用八面体单元对螺栓、螺母进行建模，材料选用线性弹塑性 材料。 在整个模型中，对于像发动机罩内外板、翼子板等变形较大的区域，采用 了全l ； 分单元，沙漏模式为8 ；变形较小的区域，如保险杠梁、门槛等采用了 1 s d y n a 的b e l t y t s c h k o t s a y 单元类型，沙漏模式为缺省模式1 。发动机罩内 外板由于不是很厚，为保证精确性在厚度方向上采用了3 个积分点积分，前围 板上通风栅板较厚( 2 r a m ) 又变形较大，除采用全积分单元外，采片j 了5 个积 分点。 在行人头部碰撞的车身模型中，必须移除轮胎，以便使总能量稳定。由丁 第3 章行人头部碰撞模型的建立 头部稀撞器的质量簸小，动能氇相对较小，在一般碰撞中不明显的气囊振动， 在行人的头部碰撞中相当明显，擐鼻响试验的准确性。 在建模完成后，检查其网格质量，具体要求如表3 1 所示： 表3 1 耀撂袋蛋要求 瀵熬挨繁溺穆溪量，镬发动辊犟悫努鬏、翼子叛、兹溺叛上逶飙橙缀等关 键区域完全符合上液要求。检查模型的初始渗透，在渗透的地方通过e l e m e n t o f f s e t 、t r a n