（车辆工程专业论文）某微型车正面碰撞分析及结构改进研究.pdf

摘要 某微型车正面碰撞分析及结构改进研究 摘要 随着国内汽车保有量的不断增加以及车速的提高，汽车在改善人们生活品质的同时 汽车交通事故也成为危害人类生命安全的重大社会问题，其死亡人数已经超过了在战争 中死亡的人数。基于安全考虑，在参考欧美等国的法规标准的基础上，我国制定的汽车 被动安全法规关于车辆正面碰撞乘员保护法则( c m v d r 2 9 4 ) ，近几年又建立了中国 新车评价规程c - n c a p 。 为了满足法规要求和市场销售需求，汽车厂家纷纷重新考虑汽车碰撞安全性的结构 设计。由于实车碰撞费用巨大而且实验数据难以收集，所以汽车碰撞模拟仿真作为行之 有效的汽车安全性研究方法日益得到认可。 本文依托于实际工程项目，以某微型车整车为研究对象，采用计算机有限元分析与 实车碰撞试验相结合的方法对整车结构进行分析研究，找出设计不够合理的部位，进而 对相应车身结构进行改进。 根据项目提供的整车三维模型，进行网格划分，建立合理的有限元模型，运用c a e 软件进行碰撞模拟仿真；对碰撞仿真结果进行了能量、受力、变形、碰撞时序、加速度 等方面的分析；并与实车碰撞结果作对比，验证碰撞仿真与实车碰撞试验基本吻合；同 时根据分析找出车身设计不合理的部分，并对相应的结构进行改进；针对改进模型做再 次碰撞模拟仿真，计算结果表明：改进方案能有效地改变碰撞时序，更加合理地吸收碰 撞能量，车身加速度明显减小，使得改进后的汽车碰撞能够通过国家强制性碰撞法规 c m v n r 2 9 4 一关于正面碰撞乘员保护的设计规则，并在c - n c a p 中得到星级评定。 关键词：汽车碰撞，有限元分析，碰撞仿真，结构改进 a b s t r a c t w j t ht h ei n c r e a s eo ft h ea m o u n to fa u t o m o b i l ea n di m p r o v e m e n to fs p e e di nc h i n a , t h e a u t o m o b i l eh a si m p r o v e dt h el i f eq u a l i t yo fc h i n e s e ，b u ta tt h es a m et i m et h ea u t o m o b i l e t r a f f i ca c c i d e n th a sb e c a m eo n eo ft h eg r e a ts o c i a lc o n c e r n so fe n d a n g e r i n gt h eh u m a n s e c u r i t y , t h en u m b e ro f c a s u a l t i e sh a sa l r e a d ye x c e e d e dt h a td u r i n gt h ew a r f o rt h es a f e t yo f v i e w , c h i n ah a sb r o u g h tt h ec r a s hs a f e t ys t a t u t ec m v d r 2 9 4 d e s i g n r u l eo nf r o n t a li m p a c t a n dp a s s e n g e rp r o t e c t i o n ) ) i n t oe f f e c ta n de n a c t e dt h ec - n c a pf o rt h ep a s tf e wy e a r s a c c o r d i n gt ot h es t a t u t e se n a c t e db ye u r oa n d u s a f o rt h ep u r p o s eo fp a s s i n gt h ec r a s hs a f e t ys t a t u t ec m v d r 2 9 4a n dm a r k e t i n g ，t h em o s t a u t o m o b i l ec o m p a n i e sm u s tr e t h i n kt h es a f e t yb o d yi nv e h i l c ed e s i g n a si ti st o oe x p e n s i v e t o d ot h ec r a s ht e s to ft h er e a la u t o m o b i l ea n dd i f f i c u l tt oc o l l e c tt h ed a t ao ft h ec r a s ht e s t ，t h e c o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h ec a rc r a s hi st h o u g h t t ot h em o s te f f e c t i v em e t h o dt or e s e a r c ht h e a n t o m o b i l es a f e t y , a n da p p r o v e db yt h em o s ta u t o m o b i l ec o m p a n i s e b a s e do np r a c t i c a le n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，t h ep a p e rp r e s e n t st h er e s e a r c ho nt h ew h o l e b o d yo fam i n i v e h i c l ew i t hi n t e g r a t e dm e t h o do fc o m p u t e ra i d e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n d t h ec r a s ho ft h ev e h i c l et of i n do u tt h eu n r e a s o n a b l ed e s i g n ，a n dt h ei m p r o v e m e n to ft h e c o r r e s p o n d i n gp a r t so f t h em i n i v e h i c l e t h ep a p e rh a si n v e s t i g a t e df i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n da n a l y z e dt h ef r a m es t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i cb ys u m m a r i z i n gt h ep r a c t i c a lp r o j e c te x p e r i e n c e ，m e s h e dt h em o d e la n d e s t a b l i s h e dt h er e a s o n a b l ef i n i t ee l e m e n tc o m p u t i n gm o d e lb a s e do nt h e3 dm o d e lo ft h e v e h i c l e a n ds i m u l a t e dt h ec r a s ho ft h ev e h i c l e ；a n a l y z e dt h ee n e r g yc h a n g i n g ，p o w e r c h a n g i n g ，s h a p ec h a n g i n g ，t h eo r d e ro f t h ec r a s ha n da c c e l e r a t i o n ；c o n t r a s t e dt h er e s u l to f f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n di m p a c tt e s ts h o w st h a tt h ec u r v et r e n do fs i m u l a t i o na n d t e s ti s t h es a m e ；f o u n do u tt h er e l a t i v ew e a k n e s sa r e a st oi m p r o v es o m ep a r t so ft h ev e h i c l eb a s e d o n t h ea n a l y s i s ；t h e ns i m u l a t e dt h ei m p r o v e dm o d e la n dg o tt h er e s u l to ft h es i m u l a t i o nt h a t s h o w st h ec h a n g et ot h ev e h i c l eh a sc h a n g e dt h eo r d e ro ft h ec r a s h ，c o n s u m e dt h ee n e r g y m o r er e a s o n a b l ya n dr e d u c e dt h ev a l u eo ft h ea c c e l e r a t i o no b v i o u s l y , a n dp a s t st h es t a t u t e c m v d r 2 9 4 d e s i g nr u l eo nf r o n t a li m p a c ta n dp a s s e n g e rp r o t e c t i o n ) ) a n dg e t ss t a r sf r o m t h ec - n c a p k e y w o r d ：v e h i c l ec r a s hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s c r a s hs i m u l a t i o n i m p r o v e m e n to fs t m c t u r i i 图表目录某微型车正面碰撞分析及结构改进研究 图表目录 表1 12 0 0 2 年2 0 0 8 年我国道路交通事故统计表。1 图1 1 包含所有伤害类型的碰撞事故的概率分布2 图1 2 不同撞击部位死亡人数概率分布2 图2 1 c q u a d 4 单元力学模型- 8 图2 2h y p e r m e s h 和l s d y n a 进行有限元分析的一般使用流程1 1 图3 1 整车三维模型。1 2 图3 2 ( a ) 物理模型( b ) 几何模型( c ) f e m 模型1 3 图3 3 ( a ) 物理模型( b ) 几何模型( c ) f e m 模型1 4 表3 1 载荷参数1 4 表3 2 材料参数1 5 图3 4 翘曲角和长宽比示意图1 6 图3 5 扭曲角示意图1 7 图3 6 锥度1 7 表3 3 单元质量控制参数1 8 图3 7 发动机舱有限元模型1 9 图3 8 后半部分车身网格划分1 9 图3 9 发动机、变速器和离合器网格划分2 0 图3 1 0 转向机构和轮胎的网格划分2 1 图3 1 1 整车碰撞有限元模型2 1 图4 1 汽车碰撞动能曲线图2 5 图4 2 汽车零部件吸收总内能曲线图2 5 图4 3 各零部件吸能曲线图2 5 表4 1 各部件吸能比例表2 6 图4 4 刚性墙的反作用力曲线图2 7 图4 51 2 m s 时整车变形图2 7 图4 63 7 5 m s 时整车变形图2 8 图4 78 0 m s 时整车变形图2 8 图4 8 实车碰撞变形图2 9 图4 91 2 m s 时零部件变形图2 9 图4 1 18 0 m s 时各零部件变形图一3 0 图4 1 4 截图3 3 1 图4 16 加速度传感器示意图3 2 图4 1 7b 柱左侧仿真碰撞加速度时间曲线3 3 图4 1 8b 柱左侧实车碰撞加速度时间曲线3 3 图4 1 9b 柱右侧仿真碰撞加速度时间曲线3 4 图4 2 0b 柱右侧实车碰撞加速度时间曲线3 4 图5 1 下纵梁和左右纵梁一3 6 图5 2 加长件布置空间图3 7 图5 3 加长件形状图3 7 图5 4 前支架改进示意图3 8 i n 图表目录 某微型车正面碰撞分析及结构改进研究 图5 5 前支架有限元模型3 9 图5 6 改进前发动机前支架受力变形云图3 9 图5 7 改进后发动机前支架受力变形云图3 9 图5 8 前支架在施加发动机重力荷载下的受力变形云图4 0 图5 9 后支架示意图4 l 图5 1 0a 柱加强板示意图4 1 图6 1 各零部件吸能曲线图4 3 表6 1 各部件吸能比例表4 3 图6 2 改进后3 7 5 m s 时整车变形图：4 5 图6 3 改进后8 0 m s 时整车变形图“：4 5 图6 43 7 5 m s 时各零部件变形图4 6 图6 58 0 m s 时各零部件变形图4 6 图6 6 截图1 4 7 图6 8 截图3 。4 7 图6 1 0 改进后b 柱左侧仿真碰撞加速度时间曲线4 8 图6 1 1b 柱右侧仿真碰撞加速度时间曲线4 9 i v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 们年莎月粕 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 们年6 肼日 硕士论文某微型车正面碰撞分析及结构改进研究 1 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 汽车被动安全性研究的意义 随着我国经济的不断发展，人民生活水平日益提高，汽车已走进千家万户。截止2 0 0 8 年我国汽车保有量已突破6 4 6 7 2 1 万辆。汽车作为一种便捷的现代化交通工具，在给人们 的生活带来极大便利的同时，也因其造成的交通事故给人类的生命和财产安全带来了严 重威胁。从全世界的统计数字来看，每年因道路交通事故而死亡的人数己高达1 0 0 万人 之多，伤残人数达数千万。我国是世界上道路交通事故最多的国家之一，近几年，每年 的交通事故都有数十万，致死致伤者数十万，直接经济损失达几十亿元【1 1 ( 见表1 1 ) 。 表1 12 0 0 2 年2 0 0 8 年我国道路交通事故统计表 年份 事故数( 起)死亡人数( 人)受伤人数( 人) 直接损失( 亿) 2 0 0 2 7 7 3 1 3 71 0 9 3 8 1 5 6 2 0 7 43 3 3 2 0 0 3 6 6 7 5 0 71 0 4 3 7 24 9 4 1 7 4 3 3 7 2 0 0 45 6 7 7 5 39 9 2 1 74 5 1 8 1 02 7 7 2 0 0 54 5 0 2 5 49 8 7 3 84 6 9 9 1 11 8 8 2 0 0 63 7 8 7 8 18 9 4 5 54 3 1 1 3 91 4 9 2 0 0 73 2 7 2 0 98 1 6 4 93 8 0 4 4 21 2 2 0 0 82 6 5 2 0 47 3 4 8 43 1 4 9 1 9l o 1 从2 0 0 2 年至u 2 0 0 8 年交通事故虽逐渐减少，一方面是因为国家强制执行各项法规，另 一方面是因为人们遵守交通法规意识逐渐加强，但可以看出我国的交通事故致死致伤数 仍居高不下。因此，汽车交通事故已成为当今威胁、残害人类生命的一大公害，汽车交 通事故造成的大量人员伤亡带来一系列社会和经济问题，严重影响了人们的生活和生 产，不得不引起人们的高度重视。 同时，为了汽车产品参与市场竞争，各大汽车制造厂和一些研究机构开展了汽车安 全性的专门研究，汽车安全性研究逐渐从汽车技术研究中分离出来形成了一个独立的分 支。我国汽车安全性研究相对国外起步晚，技术上还有一定距离，因此，汽车安全问题 越来越受到有关部门的高度重视，技术上取得了很大的进展。作为交通安全问题的重要 内容之一，汽车碰撞安全性( 被动安全性) 问题越来越得到广泛的重视。汽车碰撞安全技 术涉及的问题很多，其核心是在汽车碰撞事故中最大限度的保护乘员，努力做到“车毁 人不亡”或“车伤人不亡 。 l 绪论 硕士论文 1 1 2 汽车正面碰撞研究意义 汽车发生碰撞事故时，其碰撞形式多种多样，归纳起来大致可分为三种形式：正面 碰撞、侧面碰撞及后面碰撞，另外还有车撞行人与翻车等。正面碰撞的试验方法可分为 全宽碰撞、斜角碰撞和偏置碰撞等三种碰撞试验形式，其中全宽碰撞能够模拟重叠率为 9 0 - - 1 0 0 的正面碰撞交通事故，斜角碰撞和偏置碰撞能够模拟其他形态的正面碰撞交 通事故。在所有碰撞事故中，汽车发生各种形式正面碰撞的概率在4 0 左右 2 1 ( 见图1 1 ) 。 ll l6 。o l2 0 鲢 图1 1 包含所有伤害类型的碰撞事故的概率分布 在日本，因各种形式正面碰撞导致死亡的人数占因各种汽车碰撞事故死亡人总数的 7 2 0 。而在各种正面碰撞形式中全宽碰撞所产生的交通事故发生的概率占3 9 ，其他 形式碰撞发生的概率占6 1 。就死亡率而言，1 0 0 正面碰撞的死亡率占4 8 2 ，远远超 过其他碰撞的死亡率【3 】，如图1 2 所示。因此，进行汽车正面碰撞安全性的研究，对减 轻交通事故中人员的伤害具有非常重要的意义。 4 8 2 1 4 4 1 0 榭 1 2 6 9 鳓 9 铀 图1 2 不同撞击部位死亡人数概率分布 1 1 3 我国汽车碰撞安全法规 由于我国目前实施的是产品认证制度，与欧洲基本相同，因此参考欧洲的被动安全 2 硕士论文某微型车正面碰撞分析及结构改进研究 法规来制定我国的被动安全法规是顺理成章的。我国强制执行的汽车法规基本上都是按 照欧洲法规并结合我国自身情况而制定的。但欧洲的被动安全法规不如美国的完善，且 我国的情况与欧美都不尽相同，因此在1 9 9 8 年9 月的讨论中，以欧洲法规为蓝本，参 考美国法规并考虑到我国的国情，集编了中国汽车整车碰撞安全法规关于正面碰撞乘 员保护的设计规则( c m v d r 2 9 4 ) 。 关于正面碰撞乘员保护的设计规则( c m v d r 2 9 4 ) i 拘判断方法【1 2 1 ： 按照c m v d r 2 9 4 的技术要求，对试验车辆碰撞性能的评价还可以分为对车身削赞 求、对乘员约束系统的要求、对假人损伤指标的要求以及对燃油泄漏的要求等。 一对车身碰撞性能的要求： 1 ) 在碰撞过程中车门不得开启； 2 ) 在碰撞过程中，门前锁止系统不得发生锁止； 3 ) 碰撞后，不使用任何工具每排车门至少有一个车门能够打开。 二对乘员约束系统的要求： 1 ) 碰撞后，安全带系统完好，织带不能断裂，固定点不得脱落，锁扣不得自动另 启或脱落，但在锁扣上施加不超过6 0 n 的压力，锁扣应能打开； 2 ) 碰撞后不应有能够伤害假人的突出物侵入乘员室，假人应能完好地取出。 三对假人损伤指标的要求： 1 ) 碰撞过程中，假人头部综合性能指标m c f f n o 1 0 0 0 ； 2 ) 碰撞过程中，假人胸部性能指标t h p c ( 胸骨相对于脊椎的压缩量) 7 5 删n ； 3 ) 碰撞过程中，假人大腿性能指标f c p ( 大腿骨的轴向压力) 1 0 k n 。 四对燃油系统完整性的要求： 1 ) 碰撞过程中，燃料供给系统不允许发生泄漏； 2 ) 碰撞过程结束后，若燃料系统存在连续泄露，那么其泄漏率不得超过3 0 9 m i n 。 目前，我国强制性实施的汽车碰撞安全法规主要体现在c m v d r 2 4 9 上，侧面碰撞法 规也已经制定并实施，但相对于欧、美、日等汽车工业发达的国家来说，我国的汽车碰 撞安全法规还欠完善。另外，我国的道路交通也有自己的特点，应通过深入的调查研究 建立相应的法规，比如，大型货车在我国造成的交通事故死亡率很高，而死亡对象主要 是碰撞中的对方，但目前缺乏相应的碰撞法规对其进行约束；又如，我国的交通模式主 要是混合交通模式，即在普通公路上都是机动车、非机动车及行人混行的状况，而行人、 骑自行车或摩托车者在交通事故中所占的死亡人数比例也很高，但我国目前尚未建立汽 车与行人、骑自行车或摩托车者的碰撞保护评价方法。当然，还有儿童乘员的碰撞保护 问题、安全气囊的作用问题等，都是需要尽快加以研究和立法的。因此，紧跟国际形势， 并针对我国道路交通的具体实际情况，全面制定和实施更加系统和完善的汽车碰撞安全 法规，将使我国汽车行业政府部门下一步所要加紧进行的工作。 3 1 绪论 硕士论文 1 2 汽车被动安全研究方法 汽车碰撞的研究方法主要有经验法、试验法和数学分析法等。 经验法是研究方法和手段大多只能凭借人们日常生活中的经验或直觉，是比较主观 的设计方法；试验法是一种直接而客观的设计与验证方法，采用实车进行试验，其与事 故情形最为接近，试验结果最有说服力，虽然周期较长，费用昂贵且重复性差，但到目 前为止，却是不可替代的设计方法；数学分析法是目前应用最为广泛的方法，主要包括 解析法、多刚体动力学法和有限元法等。 近年来随着计算机软、硬件技术的发展以及现代设计方法在产品、试验中进一步应 用，计算机模拟技术在汽车产品开发中的作用愈加重要，涌现出一批成熟的碰撞模拟软 件如l s d y n a 等。与实际试验相比，计算机模拟方法具备以下优越性 4 】： 1 ) 费用廉价。计算机模拟不进行实车的破坏性试验，也不需要试验设备，因此可 以节省大量人力、物力和财力。 2 ) 设计开发周期缩短。c a d c 伽c a p p c 舢的计算机辅助4 c 系统的运用，使得 虚拟开发概念的逐渐被开发人员接受。使得产品在设计、开发阶段就可预测汽 车品质和性能，避免不必要的设计失误并代替部分试验，因此开发周期必然缩 短。 3 ) 可重复性好。试验过程易受随机因素影响，因此在研究不同系统参数对安全性 的影响时，不易得到相同的结果。而模拟依赖软件均为参数化设计，可以轻而 易举的得到参数改变时的模拟结果。 4 ) 结果信息全面。试验中测得的结果一般都是通过传感器和高速摄影机得到的， 而传感器与摄影机的数量与布置是受很多条件限制的，因此结果数据不甚全面。 而计算机模拟则不存在以上问题，可以从各个角度观察碰撞后的零部件的变形、 加速度和应力分布情况。 尽管计算机模拟不能完全取代实车碰撞试验，但在产品开发中可以使样车试制、试 验次数减少到最低限度，从而节省开发费用，因此计算机模拟仿真技术得到广泛的应用。 1 3 汽车碰撞计算机仿真研究的现状及发展 1 3 1 国外汽车碰撞计算机研究的现状及发展 国外较早开展汽车碰撞研究的是美国。早期汽车碰撞研究主要是进行各种条件下的 碰撞试验，包括实车碰撞试验和模拟碰撞试验。6 0 年代人们又开始了计算机模拟碰撞技 术。7 0 年代美国开始使用计算机辅助交通事故分析软件。而近2 0 年来，汽车碰撞计算 机模拟技术得到迅速发展，己经有许多成熟的用于碰撞模拟的商业化软件包。其中，最 常用的有限元软件有：p a m c r a s h 、m d y m 0 3 d 、c a l 3 d 和l s - - d y n a 3 d 等。这些软 4 硕士论文某微型车正面碰撞分析及结构改进研究 件能够进行车身结构碰撞大变形模拟和标准假人在碰撞过程中的动态响应分析，还可对 法规碰撞试验进行计算机仿真。这些功能强大的软件包在安全车身开发、碰撞受害者保 护措施优化、人体生物力学、碰撞试验用标准假人开发等工作中发挥了很大的作用。国 外开展的汽车碰撞计算机模拟研究主要包括事故再现( a c c i o e n tc o n s m c o n ) ， 碰撞受害者模拟( c r a s hv i c y i ms i m u l a t i o n ) ，汽车结构抗撞性模拟( s i m u l a t i o n o fa u t o m o b i l e ，s c r a s h w o r t i i s s ) - - - 个方向。 事故再现研究的内容是，在汽车事故发生后，由汽车的最终位置开始，运用经验建 立的运动学和动力学模型往回推算，即反向经由“碰撞后阶段碰撞阶段碰撞前 阶段 ，使事故的情况在时间和空间上得以重现。 汽车碰撞受害者模拟的研究工作开始于六十年代中期，使用的动力学分析模型是多 刚体系统模型和生物力学分析模型，分别用来模拟人体整体动力学响应和人体局部结构 伤害程度。 汽车结构抗撞性模拟的动力学分析模型是非线性大变形有限元模型。有限元模型的 优点在于能真实地描述结构变形，适用于建立汽车结构模型及人体局部结构的生物力学 分析模型。 1 3 2 国内汽车碰撞计算机研究的现状及发展 虽然我国己陆续开始实施汽车被动安全性认证法规，己有一些研究机构开展了汽车 安全性的专门研究，但国内有关汽车被动安全性的研究大多集中在己定型生产的实车的 检测方面，如清华大学、湖南大学、中国汽车研究中心、天津国家汽车质量检测中心、 长春等地相继建立了研究和试验基地，主要围绕汽车乘员配置保护，防止转向机构对驾 驶员的伤害，汽车碰撞时燃油泄漏等安全法规开展工作，在汽车碰撞计算机模拟方面的 工作还处于起步阶段。吉林工业大学、北京理工大学、湖南大学、江苏大学等单位均做 过一些有益的尝试，从公开发表的文献来看，研究范围主要集中在汽车正面碰撞的计算。 综上所述可以看出，由于整车计算模型规模较大，每次计算都将耗费大量的机时和 计算机资源，在进行汽车碰撞的计算机仿真模拟时，国内外的做法都是先通过对基本结 构的碰撞研究，掌握建模和碰撞计算要点，在此基础上研究汽车主要吸能部件的耐撞性 能，最后才是对整车进行计算机仿真模拟。所不同的是国外在汽车碰撞主要吸能部件的 基础研究、关键零部件的吸能模式和机理研究、不同碰撞类型的研究、安全气囊的设计 和匹配、吸能结构的优化设计研究等方面的计算机仿真模拟已经相当深入和广泛，积累 了大量的经验和数据资料，并成功地将该技术应用到了汽车产品开发中，使得他们所生 产的汽车在结构的耐撞性和对乘员的保护方面与国内比都遥遥领先【1 6 1 。 计算机模拟方面国内目前虽然取得了许多可喜的成绩，但由于国内在汽车碰撞计算 机模拟方而的研究起步较晚，并且该研究受计算机软、硬件和试验条件的限制较大。因 5 l 绪论 硕士论文 此，在碰撞模型的建立、参数的选择以及计算机模拟研究方法等方面的工作仍有待进一 步深入，计算机模拟碰撞的真实性和实用件也有待于提高。 1 4本课题的目的和意义 汽车的被动安全性研究是汽车设计和开发过程中一个重要的环节。计算机模拟仿真 技术在为汽车被动安全性提供快速、有效的研究手段的同时，大大减低了研究成本，因 此得到广泛的应用。 本文中所研究的是某款微型车，为了满足国内市场需求需要改变动力总成，从而改 变其安装方式，影响发动机舱碰撞吸能布局，造成正面碰撞时加速度峰值偏高，不满足 我国强制实行的汽车法规关于正面碰撞乘员保护的设计规则( c m v d r 2 9 4 ) 的要求。 本文通过厂家提供的三维汽车模型，进行整车网格划分，建立整车有限元模型，对整车 改进前后模型进行正面碰撞仿真模拟，以确定改进方案的正确性和有效性。 通过碰撞仿真模拟，确定改进方案，使改进后的汽车达到国家标准，通过国家汽车 法规关于正面碰撞乘员保护的设计规则( c m v d r 2 9 4 ) 。 1 5本课题研究的内容 本文运用知名的商业c a d c a e 软件，对某微型车进行整车正面碰撞计算机模拟仿 真。具体研究内容包括： 1 ) 了解有限元分析软件l s d y n a 的基本理论和算法基础。 2 ) 探讨碰撞模拟仿真中的建模方法和控制参数的选择。 3 ) 运用h y p e r m e s h 软件对整车进行网格划分，建立有限元模型，进行碰撞模拟， 并与实车碰撞的结果进行比较分析。 4 ) 根据碰撞模拟分析结果，运用a b a q u s 软件对零部件进行分析，提出合理的改 进方案，建立相应的改进模型，进行再次碰撞模拟仿真，验证改进方案的正确 行和合理性。 6 硕士论文某微型车正面碰撞分析及结构改进研究 2 汽车碰撞有限元分析基本理论以及软件简介 2 1 有限元基本思想 有限元法是2 0 世纪6 0 年代逐渐发展起来的对连续力学和物理问题的一种新的数值 求解方法。它是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物，有着自己理论基础和求解 方法。其一般做法是，对所要求解的力学或物理问题，通过有限元素的划分将连续体的 无限自由度离散为有限自由度，然后基于变分原理或用其它方法将其归结为代数方程组 求解。 有限元法的基本思想是将一个实际的结构( 弹性连续体) 划分为有限大小的，有限个 数的单元组合体进行研究。这些单元仅在节点处连接，单元之间的载荷也仅由节点传递。 这个把连续体划分为离散结构的过程称为有限元的离散化，也叫单元划分。有限个的单 元称为有限单元，简称单元。利用离散而成的有限元集合体代替原来的弹性连续体，建 立近似的力学模型，对该模型进行数值计算，通过对这些单元分别进行分析，建立其位 移与内力之间的关系，以变分原理为工具，将微分方程化为代数方程，再将单元组装成 结构，形成整体结构的刚度方程。离散后单元节点的设置、性质和数目应根据问题的 性质、描述变形形态的需要和计算精度而定。般情况下，单元划分越细则描述变形情 况越精确，即越接近实际变形，但计算量也越大。所以有限元法中分析的结构已不是原 有的物体或结构物，而是同样材料的由众多单元以一定方式连结成的离散物体。这样做 的结果造成用有限元分析计算所获得的结果只能是近似的。如果划分单元数目足够多而 合理，则所获得的结果就与实际情况相符合l i 。 分析过程中首先从单元分析入手，确定单元内的位移、应变和应力模式，并确定单 元节点力与单元节点位移的关系，建立单元刚度矩阵。根据离散化结构的联接方式，将 各个单元刚度矩阵进行组集，得到反映整体结构位移与载荷关系的总体刚度方程。通过 求解该刚度方程可以得出各个单元的位移，再利用单元分析得到的关系可以求出单元应 力及其应变。可见，有限元分析的主要内容是：单元离散化、单元分析、整体分析。 有限元法的优点岭j ： 1 ) 由于可任选单元体的形状和尺寸，故可以“组拼 出形状复杂的机械零件。在 作应力分析时，无需对零件的几何形状作过多的简化，从而提高了解题精度， 扩大了可解的范围； 2 ) 对于应力集中区可以减小单元体尺寸来细加考察； 3 ) 对于各种复杂类型的外载荷都可以采取适当的方法将其分配至节点来计算； 4 ) 易于解决有初应力、热应力的问题； 5 ) 易于处理材料的不均匀性，对各向异性材料也可求解； 7 2 汽车碰撞有限元分析基本理论以及软件简介 硕士论文 6 ) 可以解决材料的非线性和结构的非线性问题； 7 ) 采用大型的通用有限元程序，可一次计算大型复杂结构的应力、位移、振动和 稳定性。 同时，当分析对象尺寸较大，求解精度要求较高时，计算机的资源要求也提高了。 2 2 壳单元在汽车碰撞模拟分析中的应用 本文所研究的微型车白车身结构几乎都是由薄板冲压件组装而成，厚度在4 1 0 m m 之间，远小于其面向尺寸，可以用二维壳单元来模拟分析。针对线性分析，l s d y n a 中的壳单元行为特作以下假设【6 】： 1 ) 薄板厚度远小于其面向尺寸； 2 ) 薄板中面变形相对其厚度来说很小； 3 ) 垂直法线假设：中法线在薄板变形后仍垂直于弹性面； 4 ) 薄板弯曲后，假设中面各点没有平行于板面的位移，即中面只发生弯曲变形而 不发生伸缩的中性层。 四边形c q u a d 4 单元( q u a d r i l a t e r a lp l a t ee l e m e n t ) ：c q u a d 4 单元在l s - d y n a 使 用较多的单元，根据l s d y n a 提供的p s h e l l 特征参数卡片，它能k 很z 好地模拟平面板 的弯曲和横向剪切变形行为。c q u a d 4 单元力学模型如图2 1 ： 口生主 图2 1c q u a d 4 单兀力学模型 e ，e 薄板x , y 方向力，只，垂直x y 平面方向力，收，m ，坞 薄板x , y 方向力距和垂直础面的扭距 以薄板中面为x y 平面，垂直于中面的轴为z 轴。在平面应力问题中只有平行于x y 平面的三个分量： o ，ay ，乞删= t 珏 ( 2 1 ) 这三个分量沿厚度方向不变，它们只是x 和y 的函数，与坐标z 无关，其余分量为 零。平面应力胡克定律表达式为： r 夥 互k 哆lt 硕士论文 某微型车正面碰撞分析及结构改进研究 卜丢( 。，一舾y ) y = 去( 。y 一舾，) ( 2 2 ) 1 1 卜27 夥 薄板弯曲变形后，中面由平面变成曲面，称为弹性曲面。中面包内各点在垂直于中 面的方向的位移w 称为挠度。当挠度远小于厚度时，可以认为中面无线应变和角应变， 此时称为薄板弯曲的小挠度问题。薄板弯曲小挠度问题的应力与变形间的关系可表示 为： e z fa 2 w a 2 w1 q 一再i 万栅矿j 。y 一芒e z 烈( a 矿2 w + 甜萨0 2 w ( 2 3 ) 。y 一芒“zl 砂：栅萨j n3 、 在车架有限元模型中，平面三角单元( c r i t a 3 ) 也经常被到，三节点三角形单元是常 应变单元，存在刚度过刚，计算误差相对较大的缺点；因此一般认为有限元计算模型中， 全部采用此类单元是不合理的，它主要用于单元的过渡区和填充不规则边界。而对于应 力、应变梯度较大或工程中较为关注的局部应当避免使用这类单元【9 1 。因此，在建立有 限元模型时，在所关心关键区域( c r i t i c a la r e a ) 尽量用四边形单元。同时，在利用壳单元 进行有限元建模时，单元质量的好坏是影响计算结果的一个主要因素。单元质量控制参 数将在以后的章节中具体介绍。 2 3 刚性单元在车架分析中的应用 刚性单元主要用于车架点焊、螺栓连接处的模拟，在l s d y n a 中r b e 2 ( r i g i db a r e l e m e n t ) 是最典型的刚性单元，r b e 2 单元有两个节点，+ 每个节点有6 个自由度，它 既没材料特性又无物理属性，且不会对有限元模型加入额外的刚度，因此它不会引起计 算上的困难，我们可以把它看作刚度无限大的杆或梁。 2 4 软件简介 2 4 1h y p e r m e s h 由于有限元技术的特点，使得有限元软件的前后处理软件成为一个相对独立而又十 分重要的部分。目前，在国际上被认可的前后处理软件包括a l t a i r 公司的h y p e r m e s h 、 9 盟劬 旦 兰 = 锄 2 汽车碰撞有限元分析基本理论以及软件简介硕士论文 m s c 公司的p a t r a n 、e d s 公司的f e m a p 、s a m t e c h 公司的s a m c e f f i e l d 和c a e b e t a 公司的a n s a 等。 应用最广泛的前后处理软件应首推h y p e r m e s h ，它是一款高效率的有限元前后处理 软件，可与大多数的有限元分析软件搭配使用，如n a s t r a n 、a b a q u s 、a n s y s 、l s d y n a 等。h y p e r m e s h 主要用于汽车行业，它已经成为全球汽车行业的标准配置，几乎所用的 整车厂商和大多数配件厂商都在采用它。同时，h y p e r m e s h 也广泛进入各行各业，如航 空航天、通用机械与日用品等行业。本文使用的有限元前后处理软件 h y p e r m e s h 一个高效的有限元前后处理器，能够建立各种复杂模型的有限元和有限 差分模型，与多种c a d 和c a e 软件有良好的接口并具有高效的网格划分功能。 h y p e r m e s h 是一个针对有限元主流求解器的高性能有限元前后处理软件，工程设计人员 可以在一个极佳的交互式可视环境下对多种设计条件进行分析。 h y p e r m e s h 通过输入输出功能，可以阅读各种业内主要的c a d 软件的数据格式， 以生成有限元模型。在h y p e r m e s h 中有一系列的工具，可用来对输入的几何实体进行清 理或修补。所输入的几何模型中如含有面的信息，以及含有缝隙、重叠和不对齐现象， 这就会妨碍网格自动划分器生成高品质的网格。通过对相邻面间的边界进行抑制，可以 在模型更大、更广的区域内划分网格，从而提高整体网格划分的数度和质量。 h y p e r m e s h 还提供了一整套后处理功能，能够使用户方便准确地理解和分析复杂的 模拟结果【1 6 j 。 2 4 2l s 。d y n a l s d y n a 是功能齐全的非线性显式分析程序包，可以求解各种几何非线性、材料 非线性和接触非线性问题。其显式算法特别适合于分析各种非线性结构冲击动力学问 题，如爆炸、结构碰撞、金属加工成型等高度非线性问题，同时还可以求解传热、流体 以及流固耦合问题。其算法特点是以l a g r a n g e 为主，兼有a l e 和e u l e r 算法；以显式 求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流固耦合功能；以非线 性分析为主，兼有静力分析功能。 l s d y n a 具有丰富的单元库，具有二维、三维实体单元，薄、厚壳单元，梁单元 以及a l e 、e u l i r i a n 、l a g r a n g i a n 单元等，各类单元又有多种算法可供选择，具有大位移、 大应变和大转动性能，单元几分采用沙漏粘性阻尼以克服零能量模式，计算速度快， 可满足各种实体结构。薄壁结构和流固耦合问题的有限元网格破分的需要。 l s d y n a 程序具备模拟汽车碰撞时结构破损和乘员安全性分析的全部功能。用 l s - d y n a 的壳单元、实体单元构造完整的汽车模型，可以选用金属、玻璃、塑料、橡 胶等各种材料模型。程序的a u t o m a t i c s i n g l e s u r f a c e 接触功能可以保证汽车全部构件内外 表面以及外部障碍物表面相互接触时不穿透，可以相对滑动，考虑摩擦，实现汽车高速 1 0 硕士论文 某微型车正面碰撞分析及结构改进研究 碰撞时全过程的数值模拟和有关数据的输出【1 9 1 。 图2 2 h y p e r m e s h 和l s d y n a 进行有限元分析的一般使用流程 2 5 本章小结 本章主要介绍了有限元基本理论以及壳单元、刚性单元在仿真分析中的应用，又介 绍了建模和分