（车辆工程专业论文）轿车侧面碰撞中b柱的耐撞性优化设计研究.pdf

轿车侧面碰撞中b 柱的耐掩性优化设计研究 摘要 在汽车侧面碰撞中，b 柱作为重要的侧面结构，是承受侧面碰撞力的主要部 件。其侵入量、侵入速度和变形模式对乘员的损伤有着直接的关系。良好的b 柱 变形模式，在一定程度上能够有效地降低侧面碰撞中乘员的损伤。 本文旨在使用不同的方法从不同的方面入手对b 柱在侧面碰撞中的耐撞性进 行优化设计。通过控制b 柱在乘员正常坐姿胸部同高度处的侵入量和侵入速度， 以达到在侧面碰撞中对乘员胸部保护的侧面结构安全性设计的目标值。 文章首先建立了侧面碰撞有限元模型，并验证了模型的有效性，同时对本车 的侧面碰撞结构安全性能进行了简要的评价。然后从以下三个方面对b 柱在侧面 碰撞中的耐撞性进行了优化设计。 ( 1 ) 使用拼焊板结构对b 柱外板进行改进发计，结合正交试验设计和多目标遗 传算法对改进后的b 柱拼焊板结构进行多目标优化。获得了理想的b 柱变形模式， b 柱内板腰线处侵入量和侵入速度分别减小了18 和1 2 ，同时内板最大侵入量 也减小了1 0 ，b 柱总质量减小1 8 。 ( 2 ) 采用综合平衡法对b 柱的各组成部件进行刚度和强度的匹配优化。为了提 高优化效率建立了侧面碰撞简化模型，使用灵敏度分析评估了各设计变量对目标 值的显著度，确定了最终优化变量后使用综合平衡分析进行了最优方案的选择。 选择的最优方案使b 柱腰线处侵入速度减少了8 5 ，侵入量减少了1 2 3 。 ( 3 ) 使用h y p e r m e s h 、h y p e r s t u d y 和l s d y n a 软件对b 柱内板进行了尺寸和 形状优化相结合的结构优化设计。以最小的质量增加使b 柱内板腰线处侵入速度 减少到9 m s 以内，与优化前相比减少了8 5 。 研究结果表明：在b 柱上使用拼焊板米合理分配刚度能够改善b 柱的变形模 式、提高侧碰安全性能、减少部件的数量、减轻b 柱的质量。在应用拼焊技术的 同时结合优化方法对拼焊结构进行优化设汁能够有效地平衡耐撞性和轻量化的要 求；b 柱刚度和强度的匹配对b 柱耐撞性能有较大的影响，同时b 柱各组成部件 的材料对侵入量和侵入速度的影响显著性较厚童要大；对b 柱进行刚度和强度的 匹配优化使b 柱侵入量和侵入速度有了一定量的减少，但如果在优化时把整个侧 围部件考虑在内，材料的使用将会更得当，效果将会更明显；对b 柱进行尺寸和 形状优化相结合的结构优化设计可以在不改变部件的总体设计的情况下，以局部 刚度加强或减弱的方式来控制b 柱内板的侵入速度，达到加强对乘员保护的目的。 关键词：b 柱；拼焊板；多目标优化；简化模型；刚强度匹配；结构优化 u a bs t r a c t b p i l l a r ，a s a ni m p o n a n ta s s e m b l yo fp a s s e n g e rc a rs i d ec o n f i g u r a t i o n ，i st h e m a i nc o m p o n e n tt ow i t h s t a n dt h ef o r c ei nt h es i d ei m p a c t i t si n t r u s i o n ，i n t r u s i o n v e l o c i t ya n dd e f o r m a t i o nm o d ea r et h em a i nc a u s a t i o no fi n j u r i e so fo c c u p a n t s s ot h e i 1 1 ju r yr i s ko fo c c u p a n t si n s i d ei m p a c tc a nb ee f f e c t i v e l yr e d u c e db yc o n t r o lo f d e f o r m a t i o nm o d eo fb - p i l l a ri nar e a s o n a b l ew a y t h et h e s i sa i m st oo p t i m i z et h ec r a s h w o n h i n e s so fb - p i l l a rf r o md i f f e r e n t a s p e c t sb yu s i n go p t i m a z a t i o nm e t h o d s a tt h es a m et i m e ，t h ep r o t e c t i o no fo c c u p a n t s c h e s ti si m p r o v e db yc o n t r o l l i n gt h ei n t r u s i o na n di n t r u s i o nv e l o c i t yo f 王；- p i l l a ri nt h e l e v e lo ft h ec h e s tr e g i o no fo c c u p a n t sw h os i ti nt h ev e h i c l en o r m a l l y i nt h ep r e s e n ts t u d y ，as i d ei m p a c tn n i t ee l e m e n tm o d e lw a sd e v e l o p e da n d v a l i d a t e d m e a n w h i l et h es a f t e yp e r f o r m a n c ew a se v a l u a t e di nt e r m so fs i d ei m p a c t s t r u c t u r e t h e n ，t h ec r a s h w o r t h i n e s so fb - p 订l a rw a so p t i m i z e df r o mt h ef o l l o w i n g t h r e ea s p e c t s ( 1 ) a ni m p r o v e dd e s i g no ft h eb p i l l a rw a si m p l e m e n t e du s i n gt h et a 订o r 。w e l d e d b l a n ks t r u c t u r e t h el o c a t i o no fw e l da n dt h i c k n e s so ft h i ss t r u c t u r ew e r eo p t i m i z e d b yu s i n gd e s i g n o fe x p e r i m e n tm e t h o da n dm u l t i - o b j e c t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m a d e s i r e dd e f o r m a t i o nm o d eo fb p i l l a rw a sf i n a l l yo b t a i n e d i t sm a x i m u mi n t r u s i o n w a sr e d u c e db y10 t h ei n t r u s i o na n di n t r u s i o nv e l o c i t ya tt h em i d d l eo fb p i l l a r w e r er e d u c e db yl8 a n dl2 r e s p e c t i v e l y t h em a s sw a sr e d u c e db y18 ( 2 ) i no r d e rt oi m p r o v et h ee f n c i e n c yo ft h i so p t i m i z a t i o n ， as i d ei m p a c t s i m p l i f i e dm o d e lw a sd e v e l o p e df r o mt h ew h o l ec a rm o d e l t h e nt h es i g n i f i c a n t d e g r e eb e t w e e e nt h eo p t i m i z a t i o nv a r i a b l e s a n dt h eo b j e c t i v e sw a sa s s e s s e db y s e n s i t i v i t ya n a l y s i s t h ec o m p r e h e n s i v ee q u i l i b r i u mm e t h o dw a su s e dt oo p t i m i z et h e m a t c ho fs t i h n e s sa n ds t r e n g t ho fb - p i l l a r sc o m p o n e n t s t h eo p t i m i z e dr e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h e i n t r u s i o na n di n t r u s i o nv e l o c i t ya tt hem i d d l eo fb p i l l a rw e r e r e d u c e db yl2 3 a n d8 5 r e s p e c t i v e l y ( 3 ) t h es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，w h i c hc o n s i s t so fs i z ea n ds h a p eo p t i m i z a t i o n ， w a si m p l e m e n t e db yu s i n go fh y p e r m e s h ，h y p e r s t u d ya n dl s d y n as o f t w a r e t h e i n t r u s i o nv e l o c i t ya tt h em i d d l eo fb p i l l a rw a sc o n t r o l l e du n d e r9m sw h i l et h e m i n i m u mm a s sw a si n c r e a s e d t h ei n t r u s i o nv e l o c i t yw a sr e d u c e da b o u t8 5 c o m p a r e dw i t ht h ef o r m e r oft h a t i ln er e s u l t si n d l c a t e t h a t ：t a i l o 卜w e l d e db l a n ks t r u c t u r ew i t hv a r j o u s s t i f f n e s s u s e d1 nb p l l l a rc a no b t a i nt h ed e s i r e dd e f o r m a t i o nm o d e ，e n h a n c es i d e i m p a c ts a f e t y p e r f o r m a n c e a tt h es a m et i m et h em a s so fv e h i c l ea n d n u m b e ro fc o m p o n e n t sw i 】lb e r e d u c e d - ih l si sd u et ot h ep r o c e d u r eo f o p t i m a ld e s i g n i n go ft h i ss t r u c t u r ea p p l i e di n t h e s t u d yt h a tc a ne f f e c t i v e l yb a l a n c et h e r e q u i r e m e n t so fc r a s h w o n h i n e s sa n d l j g h 一w e l 曲t i n g t h em a t c ho fs t i 胁e s sa n d s t r e n g t ho fb p i j l a r h a ss i g n i 行c a n t 1 n “u e n c e so nl t sc r a s h w o n h i n e s s m e a n w h i i e ，t h ei n t r u s i o na n di n t r u s i o n v e l o c i t va r e m o r es e n s l t l v et ot h ef a c t o r so f m a t e r i a lo ft h ec o m p o n e n t si nb p i l l a rs t r u c t u r et h a n t h a to ft h i c k n e s s t h e r ei s ac e r t a i na m o u n to fr e d u c t i o no f b p i l l a r ，si n t r u s i o na i l d i n t r u s l o nv e l o c l t yd u et ot h eo p t i m i z a t i o no f m a t c h i n gt h es t i f f n e s sa i l ds t r e ng t h i fa n t 上l e c o m p o n e n t so fs i d ec o n 行g u r a t i o ns h o u l db ei n c l u d e d d u r i n gt h eo p t i m i z a t i o n p r o c e s sl nc o m b i n a t i o nw i t ht h eu s eo fm a t e r i a lm o r ea p p r 叩r i a t e l y ，t h eo p t i m i z a t i o n r e s u l t sw o u l d b ef u r t h e r i m p r o v e d t h es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no fb p i l l 虬w h i c h c o n s l s t so ts l z ea n ds h a p eo p t i m i z a t i o n ，c a ni m p r o v et h e p r o t e c t i o no fo c c u p a n t sb y s t r e n g t h e n i n go rw e a k e n i n gt h el o c a ls t i f f n e s s ，m e a n w h i l ei td o e sn o tn e e dt oc h a n g e t h eg l o b a ld e s i g no ft h eb p i l l a rs t u r c t u r e 。 k e y w 。r d s ：b p i l l a r ；t a i l 。r w e l d e d b l a n k ；m u l t i 。b j e c t i v e0 p t i m i z 痂n ；s j m p l i e d m o d e l ；m a t c ho fs t i f f n e s sa n d s t r e n g t h ；s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n i v 硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 侧面碰撞安全的研究背景和意义 2 0 0 9 年我国汽车产销量分别达到了创记录的1 3 7 9 1 万辆和1 3 6 4 4 8 万辆，同 比增长4 8 3 和4 6 1 5 ，已位居世界第一位。如此高的发展速度让我国汽车保有 量持续上升。汽车工业的蓬勃发展在给中国人民带来便捷生活的同时也导致了大量 道路交通事故的频繁发生。表1 1 是我国1 9 9 9 2 0 0 8 年间的道路交通事故概况1 j 。 表1 1 我国1 9 9 9 2 0 0 8 年道路交通事故概况 从上表可以看出，近年来我国道路交通事故次数和财产损失均有一定量的下 降。但相关数据表明我国仍然是全世界道路交通事故死亡人数最多的国家之一。 并且碰撞事故中的死亡率也大大高于欧美、日本等工业发达国家，其中除了人为 的因素外，车辆本身的碰撞安全性达不到要求是一个重要原因。 在车辆交通事故的主要形态中侧面碰撞占有相当大的比例：以2 0 0 7 年为例，我 国侧面碰撞事故总数占所有交通事故的3 6 8 4 ，所引起的人员伤亡数占伤亡总数 的3 6 6 9 。由于我国交通法规执行情况及道路使用状况的特殊性，因侧面碰撞 而导致死亡的比例高于国外乜1 。并且汽车侧面是车体【 i 强度较薄弱的部位，吸能 构件较少，对于在汽车中占比例最大的轿车，因其侧h 】是车门，强度更为薄弱口1 。 一旦受到来自侧面的撞击，不可能有像前部及后部那样，有足够空间发生结构变 形来吸收碰撞能量。车内乘员与强烈贯穿的撞击物之问仅隔着车门和2 0 到3 0 厘米 的距离，乘员将受到强烈贯入的冲击载荷作用，严重时危及生命。在斜坡上或在 转弯时发生的侧面碰撞，还有可能引起被j 篷车辆的翻倾，可能导致车门框变形使 轿车侧面碰撞中b 柱的耐撞性优化设计研究 车门不能正常开启，影响乘员离开危险地带及对乘员的救援。因而侧面碰撞对乘 员的伤害比其它类型碰撞造成的乘员伤害更为严重。所以针对汽车侧面碰撞安全 性的研究成为了汽车被动安全性研究的一项重要内容，提高汽车侧面碰撞安全性 对提高乘员的安全防护和改善道路交通安全有着非常重要的意义。 1 2 侧面碰撞安全的研究历史和现状 上世纪6 0 年代，由于西方发达国家中汽车保有量的快速上升和汽车动力性能 的明显提高，汽车事故发生频率空前高涨。汽车安全性受到了公众和政府部门的 高度重视。从这时起欧美就开始了对汽车碰撞安全的研究，但对侧面碰撞安全的 研究却起始于7 0 年代，在8 0 年代才真正兴起。在过去的三四十年间主要针对侧面 碰撞乘员损伤机理、整车和台车碰撞试验、侧面碰撞仿真方法、侧围车身结构改 进、侧面碰托i 儿童乘员安全、侧碰约束系统、侧碰假人和侧碰法规等方面进行了 一系列深入的研究。 d c e s a r i 【4 】等人较早地展开了对侧面碰撞损伤机理的研究，通过对比有侵入量 和无侵入量的试验结果得知侧面碰撞的激烈度主要由车体侧围的侵入量所决定。 d a i n i u sj d a l m o t a s 哺1 通过研究9 8 例在侧面碰撞中分别位于近碰撞侧和远碰 掩侧使用三点式安全带的乘员，分析了在受三点式安全带约束下的乘员损伤机理。 认为和正面碰撞相比，侧面碰撞中的乘员损伤机理更加多样和复杂，因此对侧面 碰撞中车辆性能的评估就很难用单一的整车试验来实现。 d a v i dj s e g a l 等人哺1 采用集中质量模型与c a l 3 d 软件建立了1 5 个刚体的多体 模型，研究了侧碰中不同类型的缓冲材料对身材不同尺寸乘员的伤害程度，认为 缓冲材料对乘员损伤的影响较大，而且对于小身材乘员的影响更大。 p m i c h a e lm i l l e r 和h a ig u 盯3 研发了一种能够真实的模拟动态侧面碰撞条件的 用于侧面安全气囊开发的加速度类型试验台车。 e n u n a n u e ll i z e e 警人阳3 收集了大量5 0 百分位成年男性的身体数据，并在一些 试验数据的基础上，建立了相应的人体有限元数值模型。 h a m p t o nc g a b l e r 旧1 基于美国交通事故统计数据研究了轿车，轻型卡车和大 货车之间的兼容性，为侧面碰撞保护措施的制定提供参考，并且探索了轻型货车 和轿车的碰撞兼容性和不兼容性。 d a v i dn e l s o n 等人n 们介绍了一种对不同乘员进行保护的侧面碰撞仿真技术和 开发优化程序，以此来对汽车结构设计，填充料和安全气囊的特性进行选择。 h a m p t o nc g a b l e r 1 等人通过研究人体类型，碰撞车型，碰撞方向，乘员 舱侵入量和损伤接触点的影响评估了远碰撞侧乘员在侧面碰撞中的损伤风险。以 此作为开发远碰撞侧乘员损伤防护措施的基础。 c h i e nh s u n w u 等人n 列按照f m v s s 2 1 4 中j i 门的静态试验的要求，使用 硕士学位论文 l s d y n a 和h y p e rs t u d y 软件对侧门防撞杆的厚度和形状进行了优化。 国外在侧面碰撞的研究中早期几乎完全依赖试验方法进行。从刚开始时采用 整车碰撞试验方法到随后出现的台车碰撞模拟整车碰撞的试验方法。都是以实车 试验的结果为基础。但是这类试验的成本高，可重复操作性差，研究周期长。随 着计算机技术的发展，出现了计算机仿真技术。很好地克服了实车试验的上述缺 点。如今使用较多的用于碰撞仿真分析的商用软件主要有m a d y m o 、l s d y n a 、 p a m c r a s h 、p c c r a s h 、m s c d y t r a n 等。其中使用m a d y m o 多刚体软件可 以模拟碰撞事故中乘员与环境的相互作用，能够很好的再现事故过程。而有限元 分析软件l s d y n a 则可以描述车身结构的耐撞性，处理复杂的非线性大变形问 题。目前，已经有用有限元与多刚体相结合的方法来研究车辆的碰撞安全性，即 软件的求解器可以同时计算有限元与多刚体程序。近年来，对于汽车侧面碰撞法 规的制定已成为汽车侧面碰撞安全性研究的热点。 为了降低在侧面碰撞事故中乘员重伤和致命伤害的风险，各国都制定了自己 的侧面碰撞法规。美国是最早执行汽车侧面碰撞保护法规的国家，1 9 9 0 年1 0 月 f m v s s 2 1 4 在美国颁布执行。之后，在19 9 5 年1 0 月，欧洲也制定了相应的汽车侧 面碰撞法规e c e r 9 5 ，但直到1 9 9 8 年1 0 月1 日欧洲指令9 6 2 7 e c 才强制执行；日本 起步较晚，到1 9 9 8 年才将侧面碰撞法规正式纳入日本保安基准。我国的侧面碰撞法 规2 0 0 6 年7 月1 日颁布实施，在技术内容上主要参照欧洲e c e e e c 汽车技术法规体 系，少数项目参照美国f m v s s 和日本安全基准，这是我国汽车行业多年来积极参加 国际汽车标准、法规工作，深入研究国际先进汽车标准、法规，并密切结合我国 汽车工业发展的实际情况而做出的决策。 相对于欧、美、日等国外汽车工业发达国家来说，我国关f 侧面碰撞安全的 研究起步较晚，但发展较快，自9 0 年代以来，国内高校如清华大学、湖南大学以 及相关研究院所等都建立了汽车碰撞试验设施，开展了较为深入的碰撞试验与仿 真研究工作。从近年来所有公开发表的文献可以看出，侧碰相关的论艾较多，其 中又以湖南大学在这方向的研究最为全面。召：侧面碰撞安全性仿真分析、侧面碰 撞车身结构改进、侧面碰撞侧围部件优化、侧面安全气囊、侧面柱碰撞等方向都 进行了深入的研究。 1 3 侧碰中的乘员胸部损伤与评价方法 1 3 1 损伤生物力学概述 损伤生物力学是汽车被，f j 安全性研究中人体损伤防护的重要理论基础。在碰 撞交通事故过程中，人体暴露在一个机械冲击载荷的环境中，在惯性力和接触力 的作用下，人体的各部分组织将产生一定的生物力学响应。若生物力响应使人 轿车侧面碰捕中b 柱的耐掩性优化设计研究 体组织超过可以恢复的限度或导致解剖学组织破坏或使正常生理功能变化或丧 失，就会造成人体损伤。人体组织在碰撞过程中所包含的有关力学问题就称为碰 撞生物力学引。 v i a n o 是这样定义损伤生物力学的研究目的和研究方法的1 ：“损伤生物力学 的研究目的是了解人体的损伤过程并研究人体在受到载荷时的防护方法。为了达 到这个研究目的，研究者必须了解损伤类型、人体的损伤机理、不同载荷条件下 人体各组织和器官的响应、人体的承受极限；研制出防护装置和材料来降低人体 的受伤程度；开发出可用来代替人体进行生物力学试验的机械假人和数学模型。” 人体在受到碰撞事故中的受伤过程可以用载荷损伤模型来说明n 钉，如图1 1 所示。该模型描述了人体从受到外部撞击到可能导致损伤的全过程。当发生交通 事故时，外部载荷通过各种方式传递到人体上，由于安全防护装置的保护作用而 使载荷强度得到了一定的降低，此时人体对此载荷做出适当的生物力学响应。 生物力学响应是指，在承受外界机械载荷的情况下，乘员身体会产生机械和 生物等方面的响应，具体表现为人体的位置和形状( 变形) 随时间的改变，和由 于机械变化所导致的人体组织和器官的生物变化。例如：头颈系统模型，机械响 应指的是在事故中由于方向盘的撞击而使头部的运动和变形或是胸部变形等。生 物响应指的是头晕、头痛等。当载荷超过人体的耐受极限时，将按照相应的损伤 机理而导致人体损伤。 图1 i 载荷损伤模型 1 3 2 侧碰中的乘员损伤原因 乘员损伤指标受到实际交通事故中人体损伤部位与严重程度分布形态的影 响，也和损伤生物力学中关于人体耐受值和各部位损伤机理的研究密切孝“关。要 避免或减轻汽车侧面碰撞事故t 乘员造成的伤害，首先必须要了解汽车侧面碰撞 损伤机理。一般来说，汽车发生侧面碰撞时都会伴随有两个过程，即“一次碰撞 和“二次碰撞 。一次碰撞是指车辆与障碍物之间发生的碰撞，而一二次碰撞是指车 内司乘人员与乘坐室内物体之问的碰撞。司乘人员在碰撞过程中受到损伤的主要 4 硕十学位论文 原因可归纳为以下四点： ( 1 ) 一次碰撞过程过分剧烈，以致传递到司乘人员身上的加速度值超过了人 体的耐受极限，使人体器官受到损伤； ( 2 ) 碰撞过程中乘坐室外部刚硬物体侵入乘坐室内部，直接将司乘人员挤压 伤亡； ( 3 ) 由于一次碰撞过分剧烈，致使司乘人员与车辆侧面结构发生多次“二次 碰撞”而受伤； ( 4 ) 在碰撞过程中，乘坐室变形太大，以致司乘人员缺乏生存空间而伤亡。 在以上四点中，除了乘坐室外部刚硬物体侵入乘坐室内部直接将司乘人员挤 压伤亡外，其它均与一次碰撞和二次碰撞的剧烈程度有关，由此可见，减轻这两 次碰撞的程度是提高车辆碰撞安全性的关键。在侧面碰撞中导致致命或人体严重 损伤的部位依次是头部、胸部、颈部、脊椎、腹部、骨盆及下肢n 引，受伤的原因 在于碰撞中车门、b 柱等侧围结构的侵入、冲击，以及外来物体的贯入，与人体 相接触部位产生了生物力学响应。如今，侧面安全气囊的使用主要在于避免二次 碰撞或减轻二次碰撞的程度，它们在保护碰撞事故中的司乘人员时发挥了巨大的 作用；但是，由于受本身制作材料以及人体承受碰撞能力的限制，安全气囊所能 吸收的撞击能量是有限的，因此，绝大部分的碰撞能量必须由车体结构来吸收， 一次碰撞的特性决定了车辆最基本的碰撞安全性能。 1 3 3 胸部损伤及评价方法 1 3 3 1 胸部损伤机理 人体胸部是除头部以外最需要保护的部位，胸部损伤的实质上几乎不存在长 期的伤残。基本上受害者要么在受伤后很快死亡，要么很快痊愈。从人体胸部骨 解剖学看，它实际上是一个可以在一定的外部载荷范围内保护其内部重要器官的 柔性和可变形的结构。胸部在钝性冲击下的损伤机理有3 种：直接压缩、胸腔内的 粘性载荷和内部器官的惯性载衍。胸部损伤可分为3 类：一是肋骨腔骨折；二是肺 部损伤，像气胸以及血胸等；三是其它胸部器官的损伤，像大动脉破裂等7 1 。大动 脉破裂在交通事故中非常常见，通常也是致命的。但是当考虑到损伤的严重性的 发生的频率时骨骼的损伤是排在首位的。其次就是气胸或胸腔积血等。 s t a l n a k e r 和m o h a n 以及m e l v i n 等人总结出胸部的最大压缩变形量是肋骨骨折 的决定因素，当变形超过7 6 m m 时，肋骨就很可能骨折，而当变形小于5 8 m m 时， 则基本上没有骨折。f u n g 和y e n 提出肺部损伤与速度相关。然而，气胸和血胸更 多的是由骨折引起，因而，更多的j 变形相关；而肺部的挫伤则更多的与速度相 关。大动脉破裂通常的原因是由于内部压力导致血管壁在其5 5 4 定部分和可活动部 分之间产生横向撕裂作用n7 1 。 轿车侧面碰撞中b 柱的耐撞性优化设计研究 1 3 3 2 胸部损伤评价方法 由于胸部的损伤是在挤压力、惯性力和冲击波载荷作用下发生的。胸部损伤 耐受度的定义与力、加速度和黏弹性数据有关。试验证实，人体胸部对加速度的 耐受度随着加速度作用时间的延长而下降。加速度是一种便于测量的量，就产生 了由单一参数决定的胸部损伤耐受度一胸部g 值。f m v s s 2 0 8 建议，试验假人的 胸部加速度值在超过6 0 9 时，作用时间不要超过3 m s 。k r o e l l 在进行尸体前碰撞 试验的基础上发现胸部挤压力比加速度更能表示胸部的损伤程度，建立了挤压( 定 义为变形与胸部厚度之比) 与a i s 指标之间的关系，提出了胸部挤压指标c 。由 于按照挤压指标进行过大量的动物试验，并不能很好地解释在更高碰撞速度下胸 部发生损伤的现象，发现胸部的损伤不仅与挤压力有关，而且在一定的挤压力之 下，损伤的强度( 用a l s 指标) 随着冲击速度的增加而增加，这种现象在前碰撞和 侧碰撞中都可观察到，当冲击的速度达到3 0 m s 以上时仅有速度的变化影响到损 伤。 水 褥 嫠 争 幽 裕 变形速度( m s ) 图1 3 速度变化对胸部损伤的影响 如图1 3 ，囚而提出了黏性指标v c 。v 幸c 值以胸腔的变形速率与胸腔的挤 压变形率的乘积来表示： y 幸c ；业型型( 1 1 ) d td 式中，d ( t ) 是胸腔厚度随时间变化的关系，d 为初始胸腔厚度，v 幸c 值的单 位为m s 。在v 木c 值的测量中，加速度信号的滤波十分重要，目前已有胸筘等 先进测量设备测量胸部的变形，使得v c 的值- l 丁以较准确地知道。c a v a n n a u g h 建议成年人最大的耐受度v 事( ：值为l m s 。我国标准中亦规定黏性指标应小于或等 于1 0 m s 另一胸部损伤耐受i ! 乏是t t i ( t h o r a c i ct r a u m al n d e x ) ，表达式为： t t i = 1 4 a g e + 0 5 ( r i b y + t 12 y ) m a s s m s t d ( 1 2 ) 式中，a g e 为碰撞试验用人体椅代物的年龄，r i b y 为在侧面碰撞中第4 根 6 硕十学位论文 和第8 根肋骨的最大加速度绝对值的平均值( g ) ；t 1 2 y 为第1 2 胸椎骨的最大加 速度绝对值( g ) ：m a s s 是试样的质量：m s t d 为标准参考人体质量，取为7 5 k g 。 t t i 的单位为g 。 由于t t i 考虑到了年龄、体重，并采用了便于测量的加速度值，容易使用， 因而f m v s s 2 1 4 碰撞试验标准采用了这一损伤耐受度指标。n h t s a 推荐成人的 t t i 值为8 5 9 ，儿童为6 0 9 。此外在前碰撞中胸部的挤压变形的耐受度为4 0 一9 0 m m ， 在侧面碰撞中为5 8 m m 6 l m m 。当胸部变形在2 8 3 5 之间时，将导致成人a i s 3 损伤，儿童产生a i s 3 的这一变形为2 5 。 胸部变形量( r i bd e f l e c t i o nc r i t e r i o n ) r d c ：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1 8 0 h z 。国际上较多 采用r d 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。 欧洲和我国标准中规定r d c 应小于或等于4 2 m m 。 1 4 本课题的研究背景和内容 1 4 1 本课题的研究背景 在汽车侧面碰撞中，乘员损伤涉及到头部、胸部、腹部、骨盆以及上下肢。 在美国，侧面碰撞中的头部和胸部损伤的比率分别占到5 1 和2 2 ，澳大利亚分 别为6 0 和1 2 “引。相关统计数据表明，交通事故中胸部损伤包含了所有级别的 损伤( a l s l a i s 7 ) n9 1 。并且从图1 8 可知，人体各部位a i s 3 + 损伤( 重度伤 害) 在侧面碰撞中的发生几率中以胸部的损伤几率最大。 图1 8 侧面碰撞人体部位损伤a l s 3 + 同时，在侧碰法规和n c a p 中针对胸部保护也做出了相应的评价标准。通过 对近期c n c a p 试验公布的碰撞结果进行统计和分析，我们可以发现所有获得四 星级和四星级以卜成绩的车型在胸部保护方面均有不同程度的失分。勇。且少数五 星级车型也存在胍部保护失分现象。由此可见，在侧撞安全性设计与乘员损伤防 护中，加强对乘员胸部的损伤防护是关键。 7 嘿 皑 镰 傩 帐 皑 6 5 4 3 2 l 轿车侧面碰撞中b 柱的耐掩性优化设计研究 现有研究表明，侧面碰撞中人体损伤主要原因之一是由侧面结构的入侵导致 直接人体接触而产生的心h2 2 1 。据美国国家车辆采样系统n a s s 统计的侧面碰撞时 驾驶室侧面侵入量与重伤率的关系，图1 9 所示：驾驶室( 乘员舱) 侧面侵入量与伤 害程度等级( 重伤率) 基本上成线性关系，即侵入量增大时( 即变形程度越大) ，乘员 死亡和伤害的比例也就增大，侧面撞击时乘员舱侵入量为8 c m 时，重伤率为2 2 ， 而乘员室侵入量达6 l c m 时，重伤率为l o o 。 文献他通过台车试验研究了侧围侵入速度对侧碰假人肋骨变形量的影响，研 究结果表明：胸部变形对侵入速度十分灵敏，肋骨变形量与侵入速度可以用线性 关系表示，如图1 1 0 所示，侵入速度每增加1 m s ，则肋骨变形量相应地增加 4 7 m m 。 l o o 8 0 艺6 0 褥 $ 4 0 恻2 0 0 美国n a s s 统计数据 = = r 一 图1 9 侧面碰撞重伤率与驾驶室侧面侵入置关系图1 1 0 肋骨变形量与撞击速度的关系 在侧面碰撞中，b 柱作为重要的侧面结构，是承受侧面碰撞力的主要部件。 其侵入量、侵入速度和变形模式对乘员的损伤有着直接的关系。文献乜3 3 研究了侧 面碰撞中b 柱侵入速度及变形模式对乘员损伤的影响，其结论显示减小b 柱整体 侵入速度、合理分配b 柱各部位的侵入速度以使b 柱产生较好的变形模式，在一 定程度上能够有效地降低侧面碰撞中假人的损伤。 综上所述，为了提高侧面碰撞安全性能关键是加强对乘员胸部的保护，为了 减少侧面碰撞中乘员的胸部损伤风险，则必须有效地控制与乘员正常坐姿胸部位 置同高度处的b 柱侵入量和侵入速度。 因此，本文以虚拟仿真软件l s d y n a 为分析工具，使用不同的方法从不同 的方面入手对b 柱耐搀性进行优化设计，通过控制侧面碰撞中b 柱在乘员胸部同 高度处的t 曼入量和侵入速度，以获得理想的b 柱变形模式来减少乘员胸部在侧面 碰撞中的损伤风险。 1 4 2 本课题的研究内容 本文研究的主要内窬如下： ( 1 ) 在阅读人量文献的基础上概括性地总结了侧面碰撞安全的研究历史和现 8 硕1 j 学位论文 状、侧面碰撞中乘员胸部的损伤和评价标准，最后指出了本文的研究背景和目的。 ( 2 ) 对进行汽车碰撞安全计算机仿真的非线性有限元理论和本文所用到的一 些优化理论以及试验设计理论进行了简单的介绍。 ( 3 ) 按照我国汽车侧面碰撞的乘员保护法规建立了侧面碰撞有限元模型， 并对模型进行了有效性验证。然后对本款车侧面碰撞结构安全性能做了初步的评 估。为后续的仿真分析和优化设计打下了基础。 ( 4 ) 针对b 柱在侧面碰撞中变形模式不理想而引起的乘员损伤风险过大及b 柱加强板数目较多而引起的超重等问题，采用拼焊板结构对b 柱外板进行改进设 计。同时介绍了拼焊板的特点和在汽车界的应用状况。最后在兼顾耐撞性与轻量 化的前提下，使用正交试验设计和多目标遗传算法对拼焊焊缝的位置以及各部分 的厚度进行多目标优化。 ( 5 ) 以控制b 柱腰线处侵入量和侵入速度来加强侧面碰撞中的乘员胸部保护 为目的对b 柱的各组成部件进行了刚度和强度的匹配优化。首先分析了刚度和强 度与其影响因素之间的关系。然后考虑到整车模型计算量大，计算时间长，影响 优化设计效率等问题而建立了侧面碰撞的简化模型。使用灵敏度分析评估了各设 计变量对目标值的显著度，确定了最终的优化变量。最后应用综合平衡法对本多 指标问题进行了优方案的选择。 ( 6 ) 以减少b 柱腰线处侵入速度，加强侧面碰撞中乘员胸部保护为出发点，使 用h y p e r m e s h 、h y p e r s t u d y 和l s d y n a 软件对b 柱内板进行了尺寸和形状优化相 结合的结构优化设计。以最小的质量增加来实现b 柱内板腰线处侵入速度减少到 预期大小的目的。 9 轿车侧面碰撞中b 柱的耐撞性优化设计研究 第2 章汽车碰撞仿真理论和优化方法 2 1 非线性有限元理论 在进行汽车碰撞安全的设计研究中，除了采用实车试验方法外，还可以通过计 算机模拟仿真。尤其在设计开发阶段，采用计算机仿真能够对整车安全性能进行初 步分析，对改善汽车安全性具有重要的指导意义。汽车碰撞计算机仿真的基本理论 主要有有限元法和多刚体动力学法。下文对本研究所涉及到的非线性有限元理论 进行了一个简单的介绍。 汽车的碰撞问题是典型的非线性、大变形和大位移问题心引，要对非弹性物体 和结构求解。所以目前一般是采用显式算法的有限元方式建立汽车碰撞的有限元 模型，其基本方程建立过程描述如下： 考虑空间物体( 如图2 1 所示) ，令其在t = 0 时在固定参考系 蜀) 中的初始形状 为b o ，b o 中任一点的初始位置为咒( 口= l ，2 ，3 ) 。其后任一时刻，该点移动到空间位 置疋( 卢l ，2 ，3 ) 。由l a g r a n g e 物质描述方法，变形可以由质点的初始位置向量艺及 时间f 表示为： t = 誓( 咒，f ) 图2 1 空间构型的变换 在f = 0 时有初始条件 t ( 九，o ) = t誓( t ，o ) = v f ( t ) 式中，v 为初始速度，对于物体内任一有限部分应满足动量守恒定律。由 c a u c h y 动量方矛。得： 仃盯，+ p z = p _ ( 2 1 ) 其t + 界条件形式为 l o 硕1 ：学位论文 ( 1 ) 牵引边界，满足条件：= ( f ) ； ( 2 ) 位移边界a 6 2 ，满足条件：t ( t ，f ) = p ( f ) ； ( 3 ) 接触内边界a 乞，在= i 时，满足：( 一万i ) 吩= o ； 这里，仃盯为c a u c h y 应力张量，p 为瞬时质量密度，万为体积力密度，x 为加 速度，以；为边界劭的外法线向量。 对于单元体，可以建立以下积分方程式： 且p t 一，j p z ) 6 一咖+ ，( 仃 _ 一f f ) 6 誓出+ j ( 仃一啄) _ 6 誓西= o ( 2 2 ) v 鹌鸭 其中，艿置满足a 6 上的边界条件，积分式在当前的几何形状下成立。应用散 度定理，有： j ( 仃扩6 ) ，咖= j 仃口_ 6 誓出+ j ( 仃；一仃；) 艿誓出 ( 2 3 ) v 鹚钨 并注意到 婶口6 x ) 。j ag j j 6 x t = 0 口6 x i 。j 乜 故可推出方程 p x x 咖+ p 声x 。d v l p 绎x i 如一l t 芦x i a s = q 幢 v v v 鸽 在( 2 5 ) 式中若设所研究的物体占据的空问域为q ，将其用有限单元离散化 并引入虚位移场后也可写成 m 】 口) = 名) 一 ) ( 2 6 ) 这里 m 为质量矩阵， 口) 为结点加速度向量， 名) 和 瓦，) 为结点的外和内 力向最，包括外载力、接触力和内应力犯副。可以采用中心差分法求解系统的加速 度，如果中心差分法中考虑的是集中质量分布，则 m 为对角质量矩阵，并用罚 函数法计算接触力，则式( 2 6 ) 成了一组互不相关的方程，免去了建立与求解联 立方程组的工作，得到所谓的显式求解法。显式求解法简易、快速，在汽车碰撞 和安全气囊仿真分析中得到广泛应用。然而在显式积分方法的迭代过程中，必须 保证其运算是条件稳定的，其时间步长由c o u r a n t 稳定性条件确定，这一条件要求 时间步长足够小，以使应力波传递在一个时间步长中不跨越有限元模型中的最小 单元。实践证明，显式积分方法所允许的时间步长恰好与精确描述材料本构关系 所要求的时间步长是同阶的陋引。 中心差分法是一种常用的显式积分方法，速度与位移计算如下： y 肿1 门：矿”一1 7 2 + 口”f 一 ( 2 7 ) u ”+ 1 陀：u ”+ y 肿17 2 & 肘1 7 2 ( 2 8 ) 轿车侧面碰撞中b 柱的耐掩性优化设计研究 热 扩2 = 华 u ，矿分别是节点的速度和位移矢量，时间步长用f 表示。 定性条件计算如下： 三 缸 c ( 2 9 ) f 按c o u r a n t 稳 ( 2 1 0 ) 式中：t 为单元p 中两个节点间的最短距离，计算中常取单元的最短边长或 最短对角线长度； e 为波在单元p 中