（车辆工程专业论文）大型客车追尾碰撞中乘员颈部安全性的影响因素研究.pdf

摘要 公路客运作为旅客运输的重要方式，对客车性能有较高要求，而在众多性能中，安 全性位居首位。据近年来国内外大量汽车交通事故的统计研究显示，在所有事故中，碰 撞事故( 正碰、侧碰、追尾和翻滚) 占有较大比例，其中追尾碰撞事故虽然在事故总量 中的比例仅占8 ，但引起的颈部损伤却占3 0 左右，而这一比例中的5 则是致命性的 【l 】。在汽车追尾碰撞中，乘员颈部经常会受到挥鞭样损伤，这种损伤将引起多种且持续 时间较长的病症( w d a ) 。颈部损伤的影响因素很多，如座椅结构特征、碰撞时车速、整 车质量及乘员个人身体素质等。由于目前各国还没有制定有关汽车追尾碰撞乘员保护法 规，只有乘用车正面碰撞乘员保护法规，且仅适用于m l 和m 2 类客车。因此，本论文的 主要研究目的是通过对大型客车追尾碰撞的仿真分析，初步了解大型客车在追尾碰撞中 影响乘员颈部损伤的主要因素，探讨提高乘员颈部安全性的措施和途径，为今后进一步 深入开展大客车追尾碰撞试验和计算机仿真研究，以及制定追尾碰撞的安全法规提供参 考。 本文首先采用显式有限元分析程序a n s y s l s d y n a ，参考国内外相关研究资料， 建立某6 1 2 7 型客车整车追尾碰撞的有限元仿真模型。模型除整车结构外，还包括h y b r i d 5 0 百分位假人有限元模型、安全带、座椅和移动车模型。随后应用该模型，分析了 座椅靠背倾斜角度、头枕到头部距离、乘员坐姿、座椅在客车中的位置、安全带和移动 车质量及速度等因素对颈部动力学响应的影响。最后，根据模型输出的主要参数：头枕 骨( o c ) 处的剪切力、弯矩、头部加速度、骨盆处和胸部加速度等，使用颈部损伤准 则n 蛔和n i c 评价颈部损伤风险。仿真结果表明，客车最后排假人颈部n 蛔值大于客车 中间和前部假人的n 蛔值；座椅靠背倾斜角对值影响较大；随着移动车质量和速度 的提高，n l i i 值也在增大；头枕位置和乘员坐姿对o c 处的剪切力、弯矩和颈部n i c 值 影响较大；而乘员颈部损伤不仅受座椅参数和移动车特征的影响，还与客车尾部车身吸 能结构的吸能特性有关。 研究结果还表明，通过以下途径可以减小颈部伤害：在客车尾部结构允许的情况下 适当增大座椅靠背倾斜角，并同时保持头枕和头部距离不变；提高车身尾部结构的吸能 能力，加强座椅地板骨架的刚度防止座椅向后过度翻转；乘车时缩小头枕和头部的距离 或将头靠在头枕上等。 关键词：大客车；追尾碰撞；颈部损伤；客车座椅；座椅靠背倾斜角；有限元仿真 a b s t r a c t r o a dp a s s e n g e rt r a n s p o r ta s 觚i m p o r t a n tm o d eo fp a s s e n g e ro nt h eb u sh a v eh i g h r e q u i r e m e n t sf o rt h eb u sp e r f o r m a n c e a n dt h es e c u r i t yr a n k si nm a n yp r o p e r t i e s i na l l i n c i d e n t s c o l l i s i o n s ( p o s i t i v ec o l l i s i o n , s i d ec o l l i s i o n r e a r - e n da n dr o l l ) a c c o u n tf o ral a r g e p r o p o r t i o no fal a r g en u m b e ro fc a ra c c i d e n t sa th o m ea n da b r o a d a c c o r d i n gt or e c e n t s t a t i s t i c a ls t u d i e sh a v es h o w nt h a tr e a r - e n dc o l l i s i o n si nw h i c ha l t h o u g ht h ep r o p o r t i o no ft h e t o t a l i nt h ea c c i d e n to n l y8 ，b u td u et on e c ki n j u r ya c c o u n t sf o ra b o u t3 0 w h i l et h e p r o p o r t i o no f5 a r ef a t a ll i nr e a r - e n dc o l l i s i o n , t h ec r e ww i l lo f t e nb ew h i p l a s hn e c ki n j u r y , s u c hd a m a g ew o u l dl e a dt om u l t i p l ea n dl o n g e rd u r a t i o no fi l l n e s s ( w d a ) n e c ki n j u r yi na n u m b e ro ff a c t o r s ，s u c ha st h es e a ts t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s 。c o l l i s i o ns p e e d ，q u a l i t ya n d p a s s e n g e rv e h i c l ea n do t h e rp e r s o n a lf i t n e s s a sc u r r e n t l yd e v e l o p e dc o u n t r i e sd on o tm a k e l a w sa n dr e g u l a t i o n so fr e a r - e n dc o l l i s i o no ft h eo c c u p a n tp r o t e c t i o n , o n l yt h ep a s s e n g e r f r o n t a li m p a c to c c u p a n tp r o t e c t i o nl a w sa n dr e g u l a t i o n s b u to n l ymla n dm 2c l a s sp a s s e n g e r t h e r e f o r e ，t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri sal a r g eb u st h r o u g ht h er e a r - e n dc o l l i s i o no nt h e s i m u l a t i o na n a l y s i s ap r e l i m i n a r yu n d e r s t a n d i n go fl a r g c s c a l ep a s s e n g e rc a ro c c u p a n t si n r e a r - e n di m p a c tn e c ki n j u r ya f f e c t i n gt h em a i nf a c t o r so ft h en e c kt oi m p r o v eo c c u p a n ts a f e t y m e a s u r e sa n dm e a n sf o rt h ef u t u r e f i r s t l y , b yu s i n ge x p l i c i tf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp r o g r a ma n s y s l s d y n a ar e v i e wo f r e l e v a n tr e s e a r c hd a t at oe s t a b l i s ha612 7 - t y p ep a s s e n g e rv e h i c l er e a r - e n dc o l l i s i o no ft h e f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm o d e l m o d e li n c l u d e sh y b r i di i i5 0p e r c e n t i l ed u m m yf em o d e l s e a tb e i t s ，s e a t , a n dm o b i l ev e h i c l em o d e l s u b s e q u e n t l y , u s i n gt h i sm o d e l ，t h ea n g l eo fs e a t b a c k s h e a dt oh e a d r e s td i s t a n c e t h ec r e ws i t t i n gp o s i t i o n , s e a tp o s i t i o ni nt h ep a s s e n g e rc a r , s e a tb e l t sa n dm o b i l ev e h i c l eq u a l i t ya n ds p e e do nd y n a m i cr e s p o r i s eo ft h en e c k f i n a l l y , t h e m a i np a r a m e t e r so ft h em o d e lo u t p u tf i r s to c c i p i t a l ( o c ) d e p a r t m e n to fs h e a rf o r c e ，m o m e n t , a c c e l e r a t i o no ft h eh e a da n dl o w c rn e c k w i t hn e c ki n j u r yc r i t e r i o nn i cn k ma n de v a l u a t i o n o ft h er i s ko fn e c ki n j u r y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h el a s tr o wo fp a s s e n g e rd u m m yn e c k n h g r e a t e rt h a nt h em i d d l ea n df l o u tp a s s e n g e rd u m m y i nt h en k m v a l u e s ；s e a tb a c ka n g l e g r e a t e ri m p a c to nn k mv a l u e s ；a st h eq u a l i t ya n ds p e e do fm o v i n gv e h i c l e si n c r e a s e d ，n 蛔 v a l u e sa l s oi n c r e a s e d ：h e a dp o s i t i o na n dt h ec r e ws i t t i n go nt h e0 cd e p a r t m e n to fs h e a rf o r c e a n db e n d i n gm o m e n tg r e a t e ri m p a c t ；a n dn o to n l yb yt h es e a to c c u p a n tn e c ki n j u r yp a r a m e t e r s a n dc h a r a c t e r i s t i c so fm o v i n gv e h i c l e s ，t h er e a rb o d y 谢t he n e r g ya b s o r b i n gp a s s e n g e r s t r u c t u r eo f e n e r g ya b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h ef o l l o w i n gm e t h o d sc a nr e d u c en e c ki n j u r i e s ：t h et a i ls t r u c t u r ei n t h eb u s ，w h e r ea p p r o p r i a t e ，t oa l l o wi n c r e a s e ds e a tb a c ka n g l e ，h e a d r e s ta n dh e a d ，w h i l e m a i n t a i n i n gt h es a m ed i s t a n c e ；t oi m p r o v eb o d ye n e r g ya b s o r p t i o nt a i ls t r u c t u r ec a p a c i t y , s t r e n g t h e nt h es k e l e t o no ft h es t i f f n e s so ft h ef l o o rs e a t st op r e v e n tt h es e a tb a c ko v e rf l i p ；c a r w h e nn a r r o w i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e nh e a d r e s ta n dh e a d ，o rh e a do nt h eh e a d r e s t k e y w o r d s ：b u s ；r e a r - e n dc o l l i s i o n ；n e c ki n j u r y ；p a s s e n g e rs e a t ；s e a tb a c ka n g l e ； f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n 1 1 长安人学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 众所周知，车辆交通事故已经成为当今世界威胁、残害人类生命的一大公害。全球 每年因道路交通事故造成约1 2 0 万人死亡，另有约5 0 0 0 万人遭受终身致残性伤害。近 几年，我国道路交通事故死亡人数居高不下，连续数年居于世界第一位( 2 1 。在我国，公 路客运是旅客运输的主要形式之一，其客运量和旅客周转量占全国总客运量和客运周转 量的5 4 以上。客车作为公路客运的主要交通工具，载客量大，且经常行驶在高速路和 各种不同等级的道路上，若发生交通事故，极易造成群死群伤，带来严重的经济损失和 社会影响。有关统计资料表明，2 0 0 9 年全国营运车辆事故导致一次死亡1 0 人以上特大 道路交通事故共1 9 起，占同类事故总量的7 9 2 t 3 1 。在我国高速公路行驶的车辆中，大、 中型客车、货车和轿车所占比例分别为1 1 、3 6 和5 3 1 4 1 。由于保有量大，使用率高， 客车与货车、货车与客车或客车与客车之间发生正面、侧面或追尾碰撞事故时有发生， 而大、中型客车与卡车的体积大小和质量相当，若发生碰撞，后果将非常严重。图1 1 所示为货车与大客车发生追尾交通事故的情景。 图1 , 1 货车追尾客车事故 汽车碰撞事故形态多种多样，归纳起来主要有四种：正面碰撞、侧面碰撞、翻滚和 追尾碰撞。近年来国内外大量汽车碰撞事故的统计研究表明，追尾碰撞事故虽然在事故 总量中的比例仅占8 ，但其引起的颈部伤害却占3 0 左右。据美国高速公路安全管理 局报导，在1 9 9 5 年内，大约有5 5 0 万美国人遭遇过交通事故，其中5 3 的人颈部受到 了损伤。由于颈部损伤发生率高，治疗困难，造成的经济损失每年大约4 5 亿美元；日 本汽车碰撞事故的统计数据表明，在汽车追尾碰撞事故中，7 8 2 的损伤发生在颈甜5 1 。 此外，国外的有关事故统计数据还表明，追尾碰撞所引起的颈部损伤风险几乎为正面碰 第一章绪论 撞和侧面碰撞的两倍；对6 0 5 个司机( 系安全带) 受伤案例进行受伤人数和汽车变形情 况统计得出：有颈部损伤的多达2 4 0 人，脊柱受伤的有4 0 人，而其他受伤如( 手臂、 骨盆、头骨和头皮受伤) 的人数仅不到2 0 人，并且颈部损伤和汽车的变形量关系很小 【6 1 o 由于大、中型客车体积和质量较大，且发动机大多后置，尾部结构变形吸能空间较 小，发生追尾时后排乘员受到的冲击力很大，座椅对乘员的碰撞力会在颈部产生很大的 剪切力和伸张弯矩，从而对脆弱的颈部造成致命伤害。虽然车内乘员的头部、胸部和腿 部受伤的几率较小，但在发生尾部碰撞时引起的头部与胸部加速度差值，对于颈部尤其 是脊柱以及神经系统的影响却是不可忽视的。 1 2 国内外汽车追尾碰撞研究现状 1 2 1 国外汽车追尾碰撞研究现状 国外对汽车碰撞安全性的研究起步较早，已经进行了较为持久、深入的研究，并建 立了比较完善的汽车碰撞安全性法规体系，如美国的f m v s s 体系和欧洲的e c e 体系 等。在该两大法规体系中，有关汽车追尾碰撞的结构保护法规主要有美国的f m v s s 2 2 3 和f m v s s 2 2 4 ，以及欧洲的e c e r 3 2 。其中，f m v s s 2 2 3 和f m v s s 2 2 4 针对总质量在 4 5 3 6 k g 以上的挂车和半挂车后部碰撞防护装置；e c e r 3 2 则规定了车辆后部碰撞时对车 厢结构耐撞性的要求，适用于m 1 类汽车。由于这两种法规只针对不同车辆以及车辆的 不同部分，因此并没有关于追尾碰撞中乘员安全性的相关规定。 在以上两大体系中，除正面碰撞乘员保护法规( f m v s s 2 0 8 、e c e 9 4 和侧面碰撞乘 员保护法规e c e 9 5 ) 外，还没有制定追尾碰撞乘员保护法规，而关于汽车正面碰撞乘 员保护的研究方法、评价标准等规定并不适合追尾碰撞的乘员保护研究。虽然欧美强制 实行的安全法规中没有专门针对汽车追尾碰撞乘员保护的规定，但部分组织和个人已经 对此进行了大量的研究，如w o r k i n gg r o u po n a c c i d e n tm e c h a n i c s 等。该组织主要研究 交叉学科，以指导大学、工程应用、技能培训、教学和事故中生物损伤特别是道路交通 事故生物损伤再现为目的，其中特别对乘员颈部损伤机理和评价方法以及影响颈部损伤 因素等问题进行了深入细致的研究。早在1 9 5 5 年，s e v e r y 等人就进行了实车碰撞的志 愿者实验，发表了关于颈部损伤实验研究报告 r l ；2 0 0 2 年，k r a t f t 等人的研究结果显示， 挥鞭伤害能在车辆低速碰撞下发生【8 】；而欧洲新车安全评鉴协会( e u r o - n c a p ) 目前所 采用的追尾碰撞乘员颈部伤害值评价方法则跟w o r k i n gg r o u po n a c c i d e n tm e c h a n i c s 完 2 长安大学硕士学位论文 全一致。到目前为止，尽管颈部挥鞭伤害机理还处于研究阶段，但学术界认可的些损 伤评价方法已经被广泛应用在实际研究中。 目前，国外进行汽车追尾碰撞乘员保护研究的方法主要是采用实车碰撞试验和计算 机模拟仿真试验。由于实车碰撞试验是汽车碰撞交通事故最直观的模拟，能够得到较为 真实客观的数据，因此具有其他研究方式不可替代的作用。实车追尾碰撞试验如图1 2 和图1 3 所示。 图1 2 追尾实车碰撞试验图1 , 3 追尾实车志愿者碰撞试验 但是，实车碰撞试验具有成本高、风险大、所需开发周期长等缺点。为此，提出了 采用滑车碰撞试验模拟实车碰撞试验过程的方法。所谓滑车试验是把座椅、假人等安装 在滑车上，然后给滑车施加类似碰撞发生时的加速度，通过数据采集系统采集假人在碰 撞中的响应参数，如图1 4 所示。该方法不仅可以检验车身吸能结构的设计方案、安全 带的选型及安装部位设计考核、安全气囊匹配和座椅及驾驶区设计方案等，而且还能进 行汽车追尾碰撞乘员保护的研究。利用滑车进行试验的目的是根据汽车在低速追尾碰撞 中乘员颈部受到的剪切力和力矩，并参照相应的评价方法来研究乘员颈部可能受到的伤 害。e u r o - n c a p 规则中有一项是针对追尾碰撞对乘员颈部损伤程度的测评，方法就是对 被测评车的座椅进行滑车试验。图1 5 是e u r o - n c a p 对某款车的座椅进行测评的截图， 图中真实地展现了乘员颈部在追尾碰撞中的运动状态及其过程。 图1 4 国内某机构进行滑车试验图1 5e u r o - n c a p 进行的座椅测评 第一章绪论 随着计算机技术和有限元技术的不断发展，自2 0 世纪6 0 年代以来，人们开始进行 计算机模拟碰撞仿真技术研究。采用计算机仿真的优点是可以减少试验中一些重复工 作，费用相对较低，但最主要的是可以在产品早期设计中及时发现问题并加以解决，因 而大大缩短了汽车的设计开发周期。目前，利用计算机模拟分析，再结合实车试验已经 成为各国汽车公司进行汽车碰撞安全性研究的重要手段，如图1 6 所示。 图1 6 汽车追尾碰撞有限元模型 1 。2 2 国内汽车追尾碰撞研究现状 近年来，为了提高行驶安全性，降低道路交通事故的伤害，我国加快了对汽车碰撞 安全性问题的研究，在参照国外相关法规的基础上，通过科研院所和高等院校的共同努 力，先后制定了一系列的相关法规。2 0 0 4 年6 月1 日，参照欧洲e c e r 9 4 法规制订的 国家强制性标准g b l l 5 5 1 2 0 0 3 乘用车正面碰撞的乘员保护正式出台，至此我国真 正拥有了自己的汽车正面碰撞标准；2 0 0 6 年7 月1 日g b 2 0 0 7 1 2 0 0 6 汽车侧面碰撞的 乘员保护和g b 2 0 0 7 2 2 0 0 6 乘用车后碰撞燃油系统安全要求开始实施，标志着我 国已初步建立了汽车正面碰撞、侧面碰撞以及后部碰撞三位一体的汽车碰撞国家强制性 标准体系，对提高我国汽车碰撞安全性有着重要意义。但以上三项法规只针对轿车和 m l 类汽车，并不包括m e 和m 3 类客车。而我国针对大客车的结构安全要求与m l 类汽 车相比则相对较早，1 9 9 8 年国家标准g b t 1 7 5 7 8 1 9 9 8 客车上部结构强度规定的制 定和实施，推进了我国对客车碰撞安全性研究的开展。 在国内，对于汽车追尾碰撞的研究还相对较少，只有个别高等院校在进行相关研究， 并采用了和国外相同的滑车试验方法。除了滑车试验外，有关单位和部分院校还进行了 实车追尾碰撞试验。图1 7 、图1 8 是东北大学和交通部公路科学研究院共同做的实车 追尾碰撞试验，其主要目的是研究汽车在追尾碰撞中前车乘员颈部运动及其损伤形态。 4 长安大学硕士学位论文 图1 7 1 9 l 追尾碰撞试验前车和假人图1 8 1 9 i 追尾碰撞试验前车和后车 1 3 课题研究内容 国外及国内的大量研究资料表明，乘员在追尾碰撞中颈部损伤的最主要形式是鞭打 损伤。造成鞭打损伤的原因比较复杂，损伤机理和评价标准等问题还正在研究中。乘员 颈部损伤程度受多方面因素的影响，如碰撞时的车速、车体质量、车型差异、座椅特征、 乘员身体素质，以及车身的碰撞吸能状况等，都会影响到乘员颈部的安全性。目前进行 的滑车试验和追尾碰撞的计算机仿真都是将座椅、人和整车分割开，这样很难反映整车 对乘员安全性的贡献大小，不能从整体上把握影响乘员安全性的各项因素。就客车而言， 无论是车身结构、座椅布置还是车身质量都和乘用车有着很大区别，因而对乘用车进行 的研究方法和结论并不一定适用于客车。因此，进行客车整车的追尾碰撞乘员颈部安全 性研究，对评价车身结构的碰撞安全性设计与改进具有重要的指导意义。本课题的主要 研究内容为： ( 1 ) 分析、研究国内外有关汽车碰撞安全法规、汽车追尾碰撞及追尾碰撞乘员保 护试验和计算机仿真等方面的研究文献，全面了解汽车碰撞安全性研究的发展及现状； ( 2 ) 以某6 1 2 7 型客车为例，根据a u t o c a d 图纸，采用u g n x 5 0 建立三维实体 模型，利用显式有限元分析软件a n s y s l s d y n a 及其前后处理软件l s p r e p r o s t 和l s t c 公司开发的假人f e 模型，建立整车追尾碰撞有限元模型。并在建模过程中分 析、探讨相关建模技巧和解决问题的办法； ( 3 ) 根据分析需要，对模型进行参数设计。其中，主要考虑了座椅靠背倾斜角度、 有无安全带、乘员在车内位置、乘员头部和座椅头枕的距离、乘员坐姿和后部追尾车辆 的动能大小等因素，对各组模型仿真进行对比分析； ( 4 ) 根据仿真结果，提取计算结果数据并按照评价指标计算乘员颈部损伤值；分 析各指标值的变化特征及其原因，找出对颈部安全性影响较大的因素； 5 第一章绪论 ( 5 ) 针对主要影响因素提出改进措施，重新进行仿真试验； ( 6 ) 分析比较改进前后的乘员颈部损伤结果，为下一步的深入研究提出建议。 1 4 课题研究的目的和意义 1 4 1 课题研究的目的 1 、采用计算机仿真分析的方法，研究某6 1 2 7 型客车在追尾碰撞时乘员颈部的动力 学响应； 2 、分析座椅参数和移动车碰撞能量等因素对乘员颈部安全性的影响，探讨提高乘 员安全性的措施和途径； 3 、通过分析，寻求大客车追尾碰撞有限元分析的一般方法，为今后进一步开展客 车追尾碰撞试验和计算机仿真研究提供参考。 1 4 2 课题研究的意义 1 、根据分析计算结果，找出影响客车追尾碰撞中乘员颈部安全性的不利因素，可 以有效指导车身结构的改进和优化工作，提高客车车身结构的碰撞安全性，进而改善乘 员安全性； 2 、为国家相关标准的制定和后续研究提供参考； 3 、在国家还没有制定客车追尾碰撞的相关法规和暂不具备实车追尾碰撞试验条件 的阶段，利用计算机仿真方法检验客车的追尾碰撞安全性能，对客车新产品的研发具有 一定的参考价值。 6 长安大学硕士学位论文 第2 章汽车碰撞过程计算机仿真的基本理论和方法 汽车碰撞是一个瞬态的复杂物理过程，它包含以大位移、大转动和大应变为特征的 几何非线性，以材料弹塑性变形为典型特征的材料非线性和以接触摩擦为特征的边界非 线性，这些非线性物理现象的综合作用结果使汽车碰撞过程的精确描述和求解十分困 难。汽车碰撞过程的仿真一般都基于有限元方法的空间域离散技术和基于有限差分法的 时间域离散技术【l o j 。目前，以显式算法即有限差分法中的中心差分法为计算核心的有限 元程序在处理大变形、复杂接触和强冲击问题时已显示出独到的优越性。显式解法不需 要求解联立方程组，也不存在收敛的问题，因而计算速度较快，其稳定性准则能自动控 制计算时间步长的大小，确保计算结果的精度。因此，汽车碰撞过程的仿真一般都采用 显式仿真算法。到目前为止，可以进行汽车碰撞仿真分析的软件主要有： a n s y s l s d y n a 、p a m c r a s h 、r a d i o s s 和m a d y m o 等。 本课题选择a n s y s l s d y n a 软件作为分析计算工具。 2 1a n s y s l s d y n a 简介 a n s y s l s d y n a 软件是a n s y s 公司在购买了l s d y n a 软件的使用权后形成的 一款应用于碰撞、冲击、爆炸等领域的大型通用分析软件。该软件具有丰富的材料模型， 其中包括1 4 0 多种金属和非金属材料模型，如弹性、弹塑性、超弹性、泡沫、玻璃、地 质、混凝土、土壤、复合材料、炸药及引爆燃烧、刚性以及用户自定义材料等，并可考 虑材料失效、损伤、各向异性、蠕变、与温度相关和与应变率相关等性质。在对接触问 题的处理上，a n s y s l s d y n a 软件有其独特的优越性，丰富的接触类型能够更好地 模拟实际问题。目前，有4 0 多种接触类型可求解以下接触问题：变形体对变形体的接 触、变形体对刚体的接触、刚体对刚体的接触、板壳结构的单面接触( 屈曲分析) 、与 刚性墙接触、表面与表面的固连、节点与表面的固连、壳边与壳面的固连，以及流体与 固体的界面处理等问题，此外还可用于考虑接触表面的静动力摩擦( 库仑摩擦、粘性摩 擦和用户自定义摩擦模型) 和固连失效等。 a n s y s l s d y n a 软件已被广泛应用在汽车、航天航空、国防、石油、核工业、 电子、船舶、建筑和体育器材等行业领域。在汽车领域，其应用主要有：碰撞分析、气 囊设计、乘员被动安全性研究和零部件加工等。 7 第2 章汽车碰撞过程计算机仿真基本理论和方法 2 2 显式有限元算法及理论基础 1 m 3 】 2 2 1 基本控制方程 汽车碰撞过程是十分复杂的非线性、大变形过程，基于线性小应变的算法显然不适 合非线性程序的计算，而l s - d y n a 程序采用的是适合于结构几何非线性的l a g r a n g i a n 描述增量法。图2 1 所示为l a g r a n g i a n 描述方程。 图2 1 l a g r a n g i a n 描述方程 取初始时刻的质点坐标为五o = l ，2 ，3 ) ，在任意f 时刻，该质点坐标为o = 1 ，2 ，3 ) 。 则该质点的运动方程是： 薯= 毛( e ，f ) f = 1 ，2 ，3 ( 2 1 ) 在，= 0 时，初始条件为 薯( 五，0 ) = 五 ( 2 2 a ) 薯( 置，o ) = k 置 ( 2 2 b ) 根据连续介质力学平衡原理，整个运动系统必须保持质量守恒，于是可得到动量方 程为： 吒j + p z = j c i 而 ( 2 3 ) 上式在弛边界满足边界力条件： = ( r ) ( 2 4 ) 在边界弧满足位移边界条件： 8 长安人学硕j 二学位论文 薯( 置，t ) ；皿( f ) ( 2 5 ) 在内部边界弛上，当t + = 为时，满足接触非连续性条件： ( 4 - 一吒) = 0 ( 2 6 ) 在以上各式中，为柯西应力张量；p 为体积力密度；z 为单位质量体积力；x 为加 速度：a 表示求偏导；为边界a 6 外法向单位矢量。 质量守恒方程可表示为： p v = p o ( 2 7 ) 式中：y 为当前质量密度；岛为初始质量密度；，为相对体积系数；即j a c o b i 矩阵毛的 行列式值。 毛专 泡8 ) 能量守恒方程为： e = m 呵s 一( p + g ) y ( 2 9 ) 式中：e 为当前构型的能量；为偏应力张量： 而= + ( p + q ) 靠 ( 2 1 0 ) p 为压力： p = 如毛一g = 一三一留 ( 2 1 1 ) 式中：留为体积粘性阻力；毛为k r o n e c k e r 系( 如f = ，则磊= 1 ；否则毛= o ) 。 伽辽金法弱平衡方程可写为： 一 ， i ( p x 一，一p f ) s x , d v + lp 驴乃一t 3 6 x a s + l ；一吒) 乃6 薯出= o ( 2 1 2 ) 式中：毛在鸲边界上满足位移边界条件。 应用散度定理得： 工( 6 t ) ，jd v = l 嘞乃6 五西+ l ( 西一吒) 吩艿薯西 ( 2 1 3 ) 经过变形得： 9 第2 章汽车碰撞过程计算机仿真基本理论和方法 ( o r q 6 x 3 ，jo x i = o q 6 x i ，j ( 2 1 4 ) 根据虚功原理，上式可改写成交分列式： 勋= p 。x 艿x f l u + j | 叩咖一一一d s = 0 f p ；圆x , ai p z 6 x , a o ( 2 1 5 ) 勋= u + j l 叩咖一 一 = ( 2 1 5 ) 然后进行有限单元离散化，则单元内任意点的坐标用节点坐标插值表示为： 七 ( z ，f ) = ( z ( 考，7 7 ， ) ，r ) = 屯( 善，叼，) ( f ) ( 2 1 6 ) 式中：以为以参数坐标( 髻，7 ，g ) 表示的形函数；七为单元节点数；0 为单元第歹节点在f 方向上的位移。 在有了插值表达式和形函数后可以得出整体单元的虚功求和表达式： 即 其中： 勋= 勋所= o 厶一” m = l ( 2 1 7 ) 妻 工p ：妒咖+ j ：仃f 妒咖一王p z 妒咖一l 凼) = 。 c 2 朋， = ( a ，如，九) 7 将式( 2 1 8 ) 写成矩阵形式，有： ( 2 1 9 ) 妻 工p 咖+ 工仃如一工p n b d o - l 胁 ”= 。 c 2 加， 式中：为形函数矩阵；仃为柯西应力矢量； o t = 如口，o 料，o 盘，o 掣，o 口，0 0 b 为应变位移矩阵；口为节点加速度向量。单元内任一点的加速度可表示为： 即 b 为体积力载荷矢量；r 为摩擦力矢量。 1 0 a a n ： 口儿 a 磊 = n a ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 长安大学硕士学位论文 6 塌喇翻 ( 2 2 3 ) 将式( 2 2 2 ) 、式( 2 2 3 ) 代入式( 2 2 0 ) 进行单元计算合并，可得离散化后的系统 平衡方程： x e e ( t ) = p ( x ，t ) - f ( x ，x ) ( 2 2 4 ) 式中：m 为组集后的整体对角质量矩阵；_ j 为总体节点加速度矢量；p 是总体节点载 荷矢量；f 是单元应力场的等效节点矢量组集而成： f = 窆工阿咖 ( 2 2 5 ) 对于式( 2 2 5 ) ，可以运用显式中心差分法进行求解。 2 2 2 显式中心差分法1 1 4 1 中心差分法是对方程式( 2 2 4 ) 直接进行逐步积分，而不进行任何形式的变换。求 解的基本思路基于如下两个概念： 1 ) 将在求解时域0 ， t 内任何时刻都应满足运动方程的要求，代之以仅在相隔 出的离散时间点上满足运动方程； 2 ) 在某时域内假定运动状态变量的时变规律，或采用某种差分格式就时间变量r 离 散方程组。在此基础上，可以建立由t 时刻运动状态新，新，五计算r + 址时刻运动状态 薯+ ，x r + a t ，薯+ 山的公式。 在中心差分法中，加速度和速度可以用位移表示为 薯2 寿( 一2 薯+ ) ( 2 2 6 ) 二f _ 熹( x t + a t x t ) ( 2 2 7 ) 新2 石( - f ) ( 2 。 为了求得，+ & 时刻的位移解答x t + 出，可在t 时刻建立运动方程，即 m x t + c x t + k x t = ( 2 2 8 ) 将式( 2 2 6 ) 和式( 2 2 7 ) 代入上式，得 k x , + 6 ，= 尸f + a t ( 2 2 9 ) 式中：k 为有效刚度矩阵；p ，+ 出为有效节点载荷。它们的表达式分别是： 第2 章汽车碰撞过程计算机仿真基本理论和方法 k = l _ m + l c ( 2 3 0 ) a t 2 a t _ f + 出= c 唯一- - 专m ) x , 一古m 一击c ) h ( 2 3 1 ) 当r = 0 时，为了计算，除了初始条件已知的外，还需要知道x 一。为此，利用 式( 2 2 6 ) 和式( 2 2 7 ) 可以得出 x 一6 f ：x 。一f 二。+ 了a t 2 x o o 。( 2 3 2 ) 式( 2 3 0 ) 是用相邻时刻的位移表示的代数方程组，由此可解出毛+ 血。 这种解析方法的优点是计算简单，缺点则在于它是有条件稳定的，即当时间步长& 过大时，积分是不稳定的。 2 2 3 时间步长的确定 出的选择涉及两个方面的约束：在直接积分方法中，实质是用差分代替微分，且 对位移和加速度的变化采用引申的线性关系，这就限制了出取值不能过大，否则结果 可能失真过大，不能正确表现冲击振动的真实响应；在每一步数值计算中，如果算法不 具备数值稳定性，则可能导致结果发散，不能正确表现真实响应，甚至无法求解。计算 误差的控制要求f 的取值不可能过大，这取决于算法本身构造对误差的容限。 中心差分算法是有条件稳定的，亦即时间步长必须小于由该问题求解方程性质所决 定的一个时间步长临界值：a t , = 等，其中乙是有限元系统的最小固有振动周期，一般 只需要求解系统中最小尺寸单元的最小固有振动周期m i n 舷) 即可。 各种单元的他的计算方法如下： 1 ) 杆元、梁单元：馘= 口眈) 。其中，口为时步因子，系统默认为o 9 ；三为杆单 元与梁单元的长度；c = 为材料的声速。 2 ) 航他2 口( 嘭) 。鼽k 为板元卧单元的边饿c = 厩而 为材料的声速。 3 ) 三维体元： 出c2 南。其中， t 为单元特征长度；q 为体积粘性系 长安大学硕士学位论文 数c o 、c l 的函数，q ：jc l c + c o 厶f 船i ，( ；肚 0 、；c o 、c l 为体积粘性系数，是无量纲 1 0 ，忙船 o ) 常数，默认值为1 5 和。6 ；c = i 磊为材料声速。 2 2 4 时间步长控制 由l s d y n a 显式积分中时间步长址的计算公式可知，显示时间积分的最小时间 步长是由最小单元长度三劬和声速c 决定的，随着计算过程中单元变形的增大，时步 缸曲不断减小，当结构变形很大时，临界时间步长将变得非常小，以至于无法完成计 算。这时可以采用质量缩放技术。 在l s d y n a 中可以指定一个时步数值f 辨删，通过调整， 0 时，表示所有的单元采用相同的时间步长，质量缩放加到全 部单元上；当d t 2 m s ， 昏p 昏pp a )b ) c ) a ) b )c ) 图3 1 1 1 6 i 颈部弯曲阶段图3 2 1 1 6 1 颈部回弹阶段 当头部和座椅头枕发生接触或胸部受到安全带作用时，头部会向前回弹。图3 2 a ) 表示头部开始向前一阶段相反的方向运动；b ) 中显示头部速度超过胸部速度，此时头 枕骨处受到向后的剪切力，同时承受头部向后转动的弯矩；当头继续运动进入下一个阶 段，即头向前弯曲，胸部相对向后运动，如图3 2 c ) 所示。可见，在整个过程中颈部主 1 7 第3 章客车追尾碰撞乘员保护的研究内容 要承受向后伸张和向前弯曲运动。有研究表明，人体颈部承受伸张的能力小于承受弯曲 的能力，而伸张运动是导致颈部伤害的主要原因【1 7 1 。 3 2 乘员颈部损伤的生物力学基础和损伤等级 损伤生物力学亦称碰撞生物力学，是汽车被动安全性研究的重要理论基础之一。碰 撞事故发生时，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， 人体各部分组织将产生一定的生物力学响应。若生物力学的响应使人体的组织超过了可 以恢复的限度或导致解剖学组织的破坏和正常生理功能的变化或丧失，就会发生人体损 伤。人体组织在碰撞过程中所包含的有关力学就称之为损伤生物力学。 早在2 0 世纪5 0 年代就有对于颈部生物力学的研究，最初的研究方法主要是通过志 愿者试验、尸体试验和动物试验。到上世纪七十年代，关于颈部损伤的生物力学研究已 经取得了较大成就，m e r t z 和p a t r i c k 等人公布了颈部的最大弯矩、轴向力和剪切力等参 数，从而推动了颈部损伤准则的制定【1 8 】；c l e m e n s h s 和b u r o w 进行尸体实验证明了座椅 头枕可以有效地保护颈利1 9 】。2 0 世纪9 0 年代以来，随着科学技术的进步，高速摄像机、 高速x 射线成像技术等被用来记录整个颈部和颈椎的运动过程，发现了很多对颈部伤 害的重要因素，从而也加快了假人的研发过程。 由生物力学引起的人体损伤的严重程度称为损伤等级。损伤参数是一个物理或者若 干个与身体某个部位损伤程度相关联的物理参数组成的方程。已经被广泛接受的解剖学 上的等级是a i s ( a b b r e v i a t e di n j u r ys c a l e n d a r ) 。a i s 指标可用于界定机动车辆碰撞事故 中的损伤程度，它用数字区别不同程度的损伤。表3 1 简要为研究者提供了一种用来对 比和分类损伤程度的数值方法以及各等级对应的损伤内容，其中挥鞭伤害属于a i s l 伤 害分类 1 8 长安大学硕士学位论文 3 3 挥鞭样损伤的病理改变和临床症状【2 0 l ( 1 ) 病理改变 挥鞭样损伤时的软组织损伤人体受到撞击时，当软组织的拉伸超过其弹性极 限时，会造成不完全性损伤，这可能导致韧带发生可塑性变形，并且有更多的胶原发生 断裂。在低速撞击试验中，软组织很少出现完全性的撕裂和断裂，但其载荷能力可能已 经丧失。 i 挥鞭样损伤时的骨损伤主要包括侧块骨折、关节突关节血肿、软骨下骨板骨 折、关节突关节内的关节盘挫伤和椎间盘纤维环撕裂等。 挥鞭样损伤时的脑与神经损伤造成脑组织的对撞伤和脑干、脊髓的牵拉性损 伤。 ( 2 ) 临床症状 颈痛据统计，交通伤患者有6 2 存在颈痛症状，典型的颈痛表现为颈后部的 疼痛，多数患者还伴有颈部肌肉痉挛和颈椎活动受限等症状。一般认为关节突关节疼痛 是引起颈痛症状的重要原因之一。 头痛在挥鞭样损伤中，头痛是仅次于颈痛的最常见症状。其典型表现为头枕 骨处疼痛，并可向前放射至颞部、眼眶及头顶部。头痛可能是由上颈椎椎间盘损伤、小 关节损伤造成的。 其它症状常见的有上肢放射痛、背痛、运动功能障碍、认知能力下降、头晕 1 9 第3 章客车追尾碰撞乘员保护的研究内容 目眩、视力障碍、颅内神经损伤、记忆和思维能力下降等等【2 1 1 。 3 4 颈部损伤的评价准则和颈部耐受限度 人体损