（光学工程专业论文）大客车前部结构碰撞仿真试验及结构安全性评价.pdf

摘要 随着世界各国汽车工业发展和交通运输车辆分布网越来越密集，汽车及其他 各种营运车辆被动安全性始终是人们关注的焦点。在我国，汽车保有量逐年增加， 商用车在数量、类型也逐步增加，从不断发生重大交通安全事故中人们看到，事 故中车毁人亡的情况一直不断发生。因此，各政府及汽车企业为保证人们出行安 全而进一步研究商用车安全性能的步伐刻不容缓。 尽管各国对事故数据继续深入研究以及计算机辅助设计的应用，车身安全性 能己得到一定改善，但国内外针对商用车量的被动性安全法规仍不完善。e c er 2 9 关于就商用车驾驶室乘员保护批准车辆的统一规定中制定摆锤实验不能全面 反映商用车前部在多种碰撞条件下的车身安全情况，客车更是没有统一的正面动 态碰撞法规。鉴于此，综合事故中不同车辆碰撞形态，设计一套不同速度不同角 度下的客车一货车互撞系统可以弥补客车耐撞性研究的空缺，进一步帮助企业更 加全面研究车身安全性能。 本文以客车作为车辆结构安全性能研究的目标车辆，h y p e r m e s h 软件计算的 数值结果作为车身研究的基础数据，通过客车前部每个关键吸能部件在碰撞过程 中的变形情况来分析客车前部结构耐撞性。其次通过对比个客车前部吸能部件变 形情况，进一步分析客车结构刚度是否达到最佳的设计和匹配。通过方案的合理 设计来找到车身在耐撞性结构缺陷，也同时能够进一步指导客车结构安全设计， 避免更多的事故伤亡，进一步实现客车结构系统安全和公共交通安全的提升。 关键词：交通安全事故；商用车安全；计算机辅助设计；结构刚度；耐撞性结构 缺陷；交通安全 a bs t r a c t w i mt 1 1 ed e v e l o p m e n to ft l l ew o r l da u t o m o b i l ei n d u s t 巧a i l d 仃a 1 1 跚r tv e k c l e s d i s t r i b u t i o nn e 呐o r ki sm o r ea 1 1 d m o r e 洫e n s i v e p a s s i v es 疵锣o fa 1 1k i l l d so f v e m c l e si sa l w a y sm ef o c u so fa ：舵m i o n ho u rc o u n 缸y ，血ec a rq u a n t i 够k e e p s i n c r e a l s i i 培y e a rb yy e a r m e a i 】砒i l e 咖eq 啪t i t ya n dt y p ec o m m e r c i a lv e h i c l e sa r e a l s od e v c l o p i n gs t e a d i l y ni sk n o w n 衄m a n y p e o p l e1 0 s tm e i rl i v e sd u et o 仃a 瓶c a c c i d e n t ，也e r e f l o r e ，也eg o v e m m e n ta n d 也ee n t 唧r i s ec o n d u c tf h r 出e rr e s e a r c ho n 也e c o m m e r c i 猷v 枷c l es 疵t ) ，p e r f o n l l a n c e i r 姗e d i a t e l yi no r d e rt 0p r o t e c tp e o p l e s 疵哆 a 1 t l l o u 曲t h es “e t yp e r f o m l a l l c eg e t si m p r o v e m e n ti ns o m ee x t e n t 谢t l lt 1 1 et h e d e 印e ra 1 1 a l y s i so f 也ea c c i d e n td a t a 趾dm ea p p l i c a t i o no fc o m p u t c ra i d e dd e s i g i l ，m e c o m m e r c i a lv e h i c l ep a u s s i v e s a f i e t yr e g u l a t i o n sa r es t i l ln o tc o n l p l e t ea th o m ea n d a b m a d t h ep e r l d u l 啪 e x p e r 咖e n ts e tb yt l l ee c er 2 9 u i l i f o 盯np r o v i s i o i l s c o n c e n l i n gn l ea p p r 0 v 2 l lo fv 宅m c l e sw i t hr e g a r dt 01 1 1 ep r o t e c t i o no f1 1 1 e 0 c c u p 趾t so ft h e c a bo fac o m m e r c i a l 牺c 】e ”c a n n tr e n e c tm es a f - e t v p e r f l o r m a n c ei nm 盟y 虹n d so fc r a s hs i t u a t i o n s ，a r l dm e r ea r en oc e r t a j nd 1 锄i cc r a s h r e g u l a t i o n si no u rc o u n n yf o rt l l a tr c a s o n ，s u m m a r i z em ea c c i d e n tp a t t e m sa c c i d e n t i 1 1d i 饪打e n tv e h i c l ec o l l i s i o na n dd e s i g na s y s t e m a t i cb u s t o 缸u c km e t l l o d si nd i f r e r e n t v e l o c i 够a n da i l g l ec a i lf i u 吐1 eg a p so nc r a s h w o r 曲n e s so f b u s ，丘l 弛e rs t l l d i e so nb u s s 讯l c t u l 埘s a 侥够i sr e a l i z e db yc o m p a n y t h eb l l si s 瓴k e na st h et a 略e tv e l l i c l ei n 也er e s e a r c ho fm ev e l l i c l es 觚l c t i l r a l s a f e 够t h en u m e r i c a lr e s u l t sc a l c u l a t e db yh y p e 肌e s hs o f h w ea r eu s e df o rb o d y 咖d ya st 1 1 eb a s i cd a 妇o f t l l en 啪e r i c a ld a t at ob er e g a r d e da st h er e s e a r c h ，t h eb u s d e s i 韶i nt l l em a t 甜a la n dt h j c k n e s sc a nb ea 1 1 a l y s e da c c o r d i i l gt 0e a c hk e ye n e r g y a b s o r b i l l gc o m p o n e n ti 1 1m ec o l l i s i o np r o c e s so fd e f o m a t i o ns i t u 撕o n s e c o n d l y c o m p a r i n gt oe n e r g y a b s o r b i n gc o m p o n e n td e f b n n a t i o n ，也es t r u 曲1 r a ls t i 倚i e s si s 也e b e s td c s i g na n dm a t c m n go rn o tc a nb es t u d i e d t h ec r a l s l m r o r t b j n e s ss 打u c t u r ed e f e c t s c a nb ef m dm r o u 曲m er e a u s o n a b l ed e s i 鲫s c h e m ea n dt h es 疵锣d e s i 盟o f b u sc 锄b e f 时m e r 叫d e d ，m e a d - w m l em o r ec a u s 脚t i e sa r ea v o i d e d ，t 1 1 es 劬c t u r ms y s t e ms a f e t v a n dp d b l i ct r a m cs 疵母a r e 曲1 p r o v e d l ( e yw o r d s ；缸锄ca c c i d e n t ；c o n u n e r c i a lv 枷c l es 姗p 曲肋趾c e ；c o m p u t e r a j d e dd e s i g n ；s m l c t u r a ls t i f j h e s s ；c r a s h w o r m i n e s ss t n 虬t u r ed e f e c t s ；仃a 伍cs a f - e 哆 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着汽车技术不断发展和汽车保有量的增长，乘坐车辆的安全性逐步成为人 们最为关注的主题。车辆安全性包含主动安全和被动安全，主动安全性能保证到 汽车行驶时有惊无险，而被动安全性则是汽车发生事故时能做到“车毁人不亡”， 因此不断提高车辆安全性也成为各汽车制造企业追求的目标。表1 1 为从2 0 0 1 年 到2 0 1 0 年全国道路交通事故统计【l 】o 表1 12 0 0 1 2 0 1 0 年全国交通事故统计 t a b1 1n a t i o n a l 廿嘣i ca c c i d e n ts t a t i s t i c s 丘o m2 0 0lt o2 0lo 直接损失 年份事故次数( 次)死亡人数( 人)受伤人数( 人) ( 亿元) 2 0 0 17 5 4 9 1 91 0 5 9 3 05 4 6 4 8 53 0 8 8 2 0 0 27 7 3 1 3 71 0 9 3 8 15 6 2 0 7 43 4 2 2 0 0 36 6 7 5 0 71 0 4 3 7 4 4 9 4 1 7 4 3 3 6 9 2 0 0 45 6 7 7 5 39 9 2 1 74 5 1 8 l o2 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 l8 9 4 5 54 3 1 1 9 31 4 4 9 2 0 0 73 2 7 2 0 98 1 6 4 9 3 8 0 4 4 21 2 4 8 2 0 0 83 4 5 6 2 17 3 4 8 43 9 8 7 7 21 5 2 2 0 0 92 3 8 3 5 l6 7 7 5 92 7 5 1 2 5 9 1 2 0 l o2 3 8 3 5 l6 7 6 7 82 9 2 2 3 4 1 2 3 1 1 嘣 1 6 o _ ， 1 2 o 篙 7 。f 6 。f 一f 5 晚毒ll“。 1 7 o l 7 0 l 6 o 鼍 、 6 沸 图1 1 所有伤害类型的碰撞事故的概率分布 f i g1 1a l lo f 吐l ed 锄a g et ) r p e so fm ep r o b a b i l i 够d i s 廿i b u t i o no fi nc r a s h 2 第一章绪论 在美国，如图1 1 所示，在汽车不同受撞事故中，发生正面碰撞( 包含全宽碰 撞、偏置碰撞和斜角碰撞) 的概率是3 9 左右，是车辆事故的主要形式之一【z j 。同 时，根据国内在2 0 0 1 调查的有关于车辆事故的死亡人数看出，正面碰撞是造成乘 员死亡最主要的原因，在各类车辆事故中伤亡人数占到3 0 左右【3 j ，如图1 2 所示。 因此，进行汽车正面碰撞( 全宽碰撞、斜角碰撞和偏置碰撞) 安全性的研究非常 的关键，对减轻交通事故中人员的伤害具有非常重要的意义。 3 】5 - 约蚴 1 5 4 皤 6 7 9 16 0 4 4 7 9ia ， 圈 訾2 i 1 。_ 2 i 堕。- z 詈一 囊曩篱羹景藿掌簟奏冀鋈茬 霪鬟疆梨梨荔辈 图1 2 国内2 0 0 1 年车辆事故的死亡人数 f 逸1 2t h ed e a t h t 0 1 lo f m ev e h i c l ea c c i d e n t s 洫2 0 0 1i nc l l i n a 在大客车在发生事故时，群死群伤更加是屡见不鲜。2 0 0 6 年全国发生伤亡人 数在2 0 人以上的特大事故多达3 8 起，客运汽车事故约占8 0 。大客车发生正面 碰撞事故约占整个大客车事故的5 0 6 0 【4 】。数据调查显示造成“群死群伤 的 特大恶性交通事故多发生在西部地区，由于大客车运输具有载客量大和且车身没 有明显的碰撞吸能区域，成为交通事故中“群死群伤 最大隐患，尤其是事故发 生时现场惨烈，触目惊心，从众多事故现场观察看，伤亡人数较多的事故大客车 其前部变形也非常严重，经常是玻璃粉碎、蒙皮撕裂、甚至车项坍塌，造成骨架 侵入大客车内部，对乘员的伤害显而易见，如图1 3 所示。同时，目前国内仍未有 针对大客车正面的动态碰撞安全相关法规【5 】，更没有匹配约束系统、安全气囊及假 人的被动安全实验，令大客车耐撞性研究受到了一定的限制。在这种情况下，开 展对大客车前部结构的研究一方面找到大客车在被动安全上存在的结构缺陷，减 小类似事故中乘员伤害情况，同时本文也能为大客车正面碰撞法规做前瞻研究， 形势已刻不容缓。 鲫 蝴 藿砉 粼 脚 一 蹦 。 第一章绪论 图1 3 大客车正面碰撞事故 f i g1 3f r o n tc o l l i s i o na c c i d e n t so fb u s 1 2 国内外汽车正面碰撞安全研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外关于汽车被动安全性的法规和仿真主要包括车身结构耐撞性研究、碰撞 生物力学及伤害机理研究、乘员约束系统及人体各部位伤害忍受限度研究。1 9 7 9 年，为r 鼓励汽车生产厂商提高车辆的安全性，同时为消费者在购车时提供一个 相对公正独立的有关汽车安全的资讯，n h t s a ( n a t i o n a lh i g h w a yt r a 所cs a f e t v a d m i n i s t r a t i o n ) 设置了新车安全评价规程n c a p ( n e wc a r a s s e s s m e n tp r 0 2 r 锄) ， 这是世界上最早的n c a p 试验【6 1 。 4 第一章绪论 为进一步减少汽车事故造成的巨大损失，各国乘用车碰撞法规和测试方法逐 渐完善。世界各发达国家都对汽车碰撞安全性作出强制性要求，并建立了各自的 法规体系，其中比较有代表性的是美国联邦机动车安全法规( f m v s s ) 和欧洲法 规( e c e 和e e c ) 。f m v s s 2 0 8 碰撞时的乘员保护制订了三种碰撞试验方式， 分别是轿车总轴线垂直于碰撞壁表面，碰撞壁前端放置一个3 0 。的楔形块，碰撞时 轿车左右两侧先接触楔形块，并采集车内h y b r i d i i i 假人头部、胸部、腿部伤害值 来评价乘员伤害情测7 1 。在欧洲关于车辆正面碰撞法规e c er 9 4 正面碰撞乘员保 护中制订了轿车与可变性吸能壁障发生4 0 偏置碰撞测试方法及乘员损伤评价 指标。另外，e c er 2 9 商用车驾驶室乘员保护也阐述了通过检测摆锤前部侵 入量来评测商用车前部结构耐撞性。摆锤实验时大客车处于静止状态，在测试大 客车前部结构安全性存在局限，不能反应车辆在发生较严重事故时毁坏状况，因 此摆锤实验在模拟商用车事故损坏程度上依然需要进一步探讨。w p 2 9 g r s g 于 2 0 0 6 年就提出联合国经济委员会法规要针对大客车正面碰撞制定法规【s j 。 各国通过计算机仿真研究也逐渐取得了很大的成就，在进行计算机模拟仿真 时针对不同的情况选择合适有限元软件，目前在汽车碰撞领域广泛使用的有限元 分析软件主要有l s d 、i a 【9 1 ，a b a q u s 【1 0 】，p a m c r a s h 【1 1 1 ，r a d i o s s 【1 2 】等。国 外先进大客车厂组建了高性能的c a e 系统( 由高速计算机、三维图形工作站、以 及各种仿真分析软件组成) ，其队伍与产品开发( c a d ) 同步，在指导设计、提高 质量、降低开发成本和缩短开发周期上发挥着显著的作用。早在2 0 世纪7 0 年代 初，通用汽车公司( g m ) 的k a m a l 等人就使用凝聚参数模型( l 硼叩e dp a r a 珈e t e r m o d e l ，简称l p m ) 研究了汽车的抗撞性，这种方法以矢量力学和分析力学为基础， 其优点是构造和计算迅速，但进行成功的模拟计算需要大量的试验经验和模型操 作经验。0 恤u b o 、a k 锄a t s u 和s h i r a s a w a 在1 9 7 4 年通过试验的方法测得了薄壁梁 的平均轴向压缩力【l3 1 ，从而开辟了薄壁结构件的研究新领域。随着有限元方法引 入汽车碰撞领域的计算越来越精准，新型材料试验通过数值仿真技术大大缩短了 研究周期和成本，基于壳体有限元理论，在满足车身设计规范前提下，进行大客 车车身轻量化定量仿真研究也成为大客车技术革命革新领域。 1 2 2 国内研究现状 我国的道路条件较差，人车混杂的情况较多，汽车碰撞事故在我国成为更为 突出的问题，我国针对国内汽车产业发展状况制订了自己法规和c n c a p ( c h i n a n e wc a r a s s e s s m e n t p r o 铲a i i 衄e ) 。c n c a p 更以独立、专业、客观的原则，对引导 第一章绪论 和提升中国汽车产品的安全技术水平发挥着重要和独特的作用。 在法规方面，g b l l 5 5 1 2 0 0 3 乘用车正面碰撞的乘员保护制订了乘用车在 发生正面碰撞时驾驶员和副驾驶员位置的碰撞假人损伤，车辆燃油泄漏，车门打 开等情况检查项目 14 1 。2 0 0 7 年，我国又颁布了针对正面偏置安全性的国家推荐标 准一乘用车正面偏置碰撞的乘员保护，由此看出，乘用车的被动安全研究内容 和法规已相对完善 1 引。 图1 4 大客车摆锤实车实验 f i g1 4t h ee x p e r i m e n to fc o a c hp e n d u l u m 中国大客车协会在2 0 0 9 年中国大客车学术论坛年会也首次提出了将要制定 大客车前部结构强度规定标准的设想 16 | ，进一步开始深入研究大客车前部车 身结构安全性。2 0 0 9 年5 月国内某大客车企业参照e c er 2 9 关于商用车驾驶室 乘员保护批准车辆的统一规定的标准，进行了大客车驾驶室摆锤撞击计算机模 拟和实车试验，初步研究了摆锤正面撞击下大客车前部驾驶员生存空间，图1 4 为 海格汽车摆锤碰撞实验。近年来随着高速公路的建设和道路运输的飞速发展，与 营运大客车相关重夫交通事故频发，大客车法规和实验进程也会进一步加快。1 9 9 8 年，吉林工业大学贾宏波、黄金陵、郭孔辉等建立了国内第一个用来做碰撞分析 的整车结构有限元模型 17 1 。2 0 0 5 年，清华大学范子杰、杜良进、陈宗渝等建立了 全板壳单元的微型大客车车身结构有限元模型，利用p a m c i u s h 软件对某款微 型大客车带有乘员约束系统的耐撞性及乘员安全性进行了计算 i8 1 。碰撞软件结果 要达到与实验结果相近，通过设计材料属性及其边界条件得到理想的计算结果。 清华大学马春生、黄世霖、张金换、白远利比较美国、欧洲等国和我国汽车正 面碰撞法规中对乘员保护指标的规定，结合人体冲击损伤机理和耐受极限的相关 第一章绪论 研究，分析我国法规中头部伤害指标( h i c ) 的不合理之处。各企业和高校也进行 j ，大客车自仃部耐撞性研究，如图l ，5 所示通过有限元软件对大客车摆锤实验进行模 拟。 一虿1 1 -。；l i 二二 i i 二遵 l j _ 圈 圈阚 暖奠目_ 。_ _ _ = _ 口j 1 1 日口w 觥 1- 1 一。 一 图1 5 大客车摆锤计算机仿真 f i g1 5c o m p u t e rs i m u l a t i o no fc o a c hp e n d u l u m 同时，现实世界绝大部分交通事故类型是包含正面、斜向碰撞等在内的复杂 碰撞上况，事故统计数据表明，较为常见事故类型丰要是偏置或斜向碰撞，尤其 在斜向碰撞工况下乘员胸部经常受到米白约束系统和汽车内饰什的伤害，导致较 高的死亡率20 1 。只进行平面一维碰撞仿真通常不能反映事故的真实情况，不能全 面评价人客车在事故中安伞性能，在研究过程中更需要考虑较为复杂的二维碰撞 情7 兑。 1 3 大客车安全研究方法 在汽车被动安令研究领域，对于车身结构耐撞性的研究方法丰要有两类， 个足通过检验整车及相关安全部件( 如乘坐室的耐撞性) ，此类研究主要目的是汽 车牛产尚检测整车及安全部什是否能符合各国相应的安伞法规。人客车早期有过 台架冲击试验和实车碰撞实验，但f 同大客乍在质量和车身结构差别较大，碰撞 实验 醚难建、统一的评测标准，阻碍了人客车被动安全研究的进展。另种研究 力1 法足基于有限元理沦的汽年碰撞性能数值仿真。随着计算机硬件技术和算法理 沦的发展，各汽午制造企业在车辆碰撞安全性的研究引用j 有限元仿真技术，成 为日前人客车结构安全研究的重要手段之一。 第一章绪论 1 3 1 实验研究 早期主要通过试验来进行汽车被动安全性研究，有关汽车被动安全性研究的 试验有台架冲击试验、台车碰撞模拟试验和实车碰撞试验。 台架冲击试验用来模拟人体的不同部位与车辆有关部件之间的碰撞，以评 价车辆部件本身的安全性能。 台车碰撞模拟试验主要用于对车内乘员约束系统进行性能评价，其原理是 利用可调节的机构( 如缓冲器、程序器、活塞针阀等) 使台车能够重复利用且符 合真实的碰撞减速度状态。 实车碰撞试验用来对已开发出的成品车型按法规要求的试验，以鉴定其是 否达到法规要求。如f m v s s z 2 0 4 ( 转向控制装置的向后位移) 、f m v s s 2 0 8 ( 乘员 碰撞保护) 、f m v s s 2 1 2 ( 挡风玻璃的安装固定) 等。这些标准均要求进行速度为 4 8 k n 油的实车与固定障壁的前部碰撞试验。此外，试验中要用到很多传感器和高 速摄像机等。这些数据采集设备及试验中安放的的假人需要在试验前进行严格的 标定，因此试验准备费时费力。另外，被动安全性试验尤其是整车试验大多数是 破坏性的试验。并且，试验中有某些随机因素的影响，往往致使试验结果缺乏稳 定性，可重复性差。随着计算机技术在计算速度、图形功能等方面的迅速发展， 包括有限元和多体系统动力学建模方法的不断完善，通过计算机进行有限元模拟 仿真的技术越来越成熟忙1 1 。 1 3 2 计算机仿真研究 计算机辅助工程技术c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n c e r i n g ) 计算机技术和数 值分析技术相结合的新兴学科就在这种情况下产生。目前，c a e 的发展已经达到 较高水平，许多大型的通用分析软件大量应用各企业、学校的研究。c a e 软件分 析的对象也逐步由线性系统延伸到非线性系统，从单一的物理场发展到多场耦合， 并在航空航天、机械、汽车、船舶、建筑、电子等领域取得了瞩目的成就。随着 互联网技术的不断普及和发展，通过网络信息的传递，不仅针对某些技术难题， 甚至包含全面的c a e 分析过程都有可能得到不同程度的技术支持，这将在c a e 技术的应用及推广发挥相当重要的作用。目前，计算机模拟仿真技术越来越成为 汽车、机械等行业研究的核心技术，其主要表现在以下几个方面【2 2 j ： 仿真各种试验方案，可重复性教好，减少试验周期和经费； 增加产品与工程的可靠性一在产品制造或制定技术方案前预先发现潜在的 第一章绪论 问题； 采用优化设计，从而减少材料的消耗； 设计成本低廉，进一步缩短设计和分析的循环周期； 结果信息全面，更容易进行机械事故分析并查找事故的原因； 1 4 研究的目的和主要内容 从大量事故中乘员伤亡和车身严重毁坏的情况来分析，要减小乘员在事故中 伤害则需研究大客车前部结构的耐撞性能，综合考虑复杂的碰撞工况来建立一套 完整的货车一大客车碰撞体系，分析大客车在多角度、多速度碰撞下存在的安全 结构问题，既实现对研究车辆的安全性分析，同时能够为各种类型大客车在被动 安全性方面提供研究方向，进一步指导企业对大客车进行车身设计，能够为改善 大客车企业生产水平和社会公共安全系统提供前瞻性和合理性的建议。 本文通过建立货车一大客车碰撞系统来实现对大客车前部结构耐撞性的研 究，通过大客车前部骨架最大变形量、驾驶员生存空间参数等对大客车结构安全 性规律进行研究，找到大客车结构安全的薄弱环节。 分析国内外大客车身结构耐撞性研究进展，根据事故中乘员伤害和大客车 车身前部损害情况来确定本文研究对象。 结合显式有限元理论，薄壳理论及边界处理方法，分析大客车车身结构在 h y p e r m e s h 软件中设置的关键问题，进一步提高软件计算精度。 建立车身安全评价体系，根据影响骨架力学性能特性设计多个参数，通过 有限元法对大客车前部进行耐撞性分析，得到影响大客车耐撞性规律。在大客车 与其他车辆发生的交通事故中，根据确定车辆位置所需的坐标分为一维碰撞和二 维碰撞。参数的选取能全面反映大客车在不同撞击情况下的车身安全性能。 层旺一 图1 6 三种碰撞方式示意图 f i g 1 6t h r e ec 0 1 l i s i o ns c h e m e s l 第一章绪论 建立模拟大客车和货车，1 0 0 全宽碰撞是维对心碰撞，4 0 偏置碰撞是 一维非对心碰撞，3 0 斜角碰撞是二维非对心碰撞，通过对三种事故类型仿真可以 更全面发现大客车在受到对面车辆撞击后车体形态的变化，通过分析大客车1 0 0 全宽、4 0 货车偏置和货车斜角碰撞的结果，如图1 6 所示，研究不同碰撞形式下 的大客车整体变形、部件刚度等特性和大客车驾驶员生存空间研究，找到大客车 在结构上薄弱点，为提高大客车结构的被动安全提供理论依据。 1 5 研究方案 本文研究的对象是大客车，通过总结事故类型和伤害程度，大客车和货车都 具有质量大、重心高，能反映重型车的特征，且货车与大客车发生事故时，大客 车车身变形量往往较大，伤亡人数多。采用货车作为大客车正面结构耐撞性研究 的撞击车辆。货车与大客车几何尺寸和质心相近，可实现货车与大客车对心和非 对心碰撞，大客车前部结构可以较全面参与碰撞吸能过程，避免分析大客车车身 结构耐撞性的局限性，在仿真过程中可以模拟多维碰撞，本文选取货车作为撞击 车辆，更全面体现出大客车在大质量物体撞击下结构耐撞性能幽j 。 根据交通交通事中的事故类型作为研究大客车仿真实验方案的依据，研究大 客车前部结构在受撞击过程中变形吸能规律，最终来指导分析大客车结构刚度是 否达到最佳的设计和匹配，这要求设计方案能够体现研究内容的系统性、全面性 和信息回馈性。图1 7 为设计方案的流程： 1 0 第一章绪论 图1 7 大客车耐撞性研究设计方案的流程图 f i g1 7d e s i g i ls c h e m eo f b u s o nc r a u s h w o n h i n e s s 第二章显式有限元理论及软件应用 第二章显式有限元理论及软件应用 2 1 显式有限元理论 汽车碰撞属于高速碰撞范围，描述这类情况的主要方法包括：e u l e r 法、 a l e ( 心岫l a n g m g i a l l s e _ e u l e r i a n ) 法和l a 印a n g e 法【2 4 1 。e u l e r 法一般大都应用于 流体力学问题；a l e 法是处理流体一固体相互作用的方法，并且适用于高速碰撞 现象的描述，其理论与算法相对复杂，在具体的编程中不易实现；l a g 眦g e 法是 目前描述固体碰撞最成熟的方法。采用l a g r a n g e 法描述的有限元法可以处理高速 碰撞工程中较为复杂的边界条件和复杂的材料木构关系，并且对接触滑移的描述 相当的方便。在汽车碰撞的计算机模拟中软件应用最为广泛的是l s d y n a ，其主 要算法采用正是l a 掣a n g e 法。 2 1 1 运动方程 图2 1 所示为物体变形的简化模型图。在笛卡尔坐标系中，当任意一点 以= = 1 ，2 ，3 ) 运动到点置= 1 ，2 ，3 ) 时，根据拉格朗日公式，物体的变形便由其坐 标以和时间，来表示。 弼 筋 图2 1 笛卡尔坐标系中物体变形的简化模型 f i 醇1s i m p l i f i e dm o d e lo b j e c tm u t a t i o ni nc 积e s i a nc o o r d i n a t es y s t e m 1 2 第二章显式有限元理论及软件应用 f = 0 时 式中，形是初始速度。 2 1 2 动量守恒方程 x ；= t ( 邑，f ) f _ l ，2 ，3 t ( 五，o ) = k l x ( k ，o ) = ( 以) j 6 七九 t = p x t 上式的解在边界弘上应满足应力边界条件为 岛= t ( f ) 同时，在边界a 6 上也需要满足位移边界条件 蕾( 五，r ) = d f ( f ) 当x ? = 百时，该点沿内边界a 6 3 满足接触连续条件 式( 2 2 ) 式( 2 3 ) 式( 2 4 ) 式( 2 5 ) ( 瞄一巧) 臻= o 式( 2 6 ) 式中气为c a u c h y 应力，p 为密度，厂为体力密度，x ；为加速度，一为a 6 3 边界上 该店对应的单位外法线【2 5 1 。 2 1 3 质量守恒方程 根据质量守恒定律得 风为密度，矿为体积。 p v = 氏 。魂 2 茁 ， 式( 2 7 ) 式( 2 8 ) 第二章显式有限元理论及软件应用 2 1 4 能量守恒定律 能量守恒定律 e = 倦扩勺一( p + g ) 矿 式( 2 9 ) i ，和p 分别表示来应力偏量和应力 岛= + ( p + 9 ) 屯 式( 2 1 0 ) p = 一圭毛一g = 一吾一鸟 式( 2 m ) 式中，g 表示体积粘度，岛表示k r o n e c k e r 变量，勺为应变速率张量。 于是方程的等效积分形式是 l ( 尸荽一，一户厂卢t 咖+ ，。( _ 一声薯西+ ，粥( 吒一町) _ 如豳= 。式( 2 1 2 ) 式中，j 薯满足所有在a 6 2 上的边界条件 由变分原理可得 l ( 占t ) ，j 咖= ，拍，哆万五幽+ f 啪( 西一盯i ) 吩6 薯幽 式( 2 1 3 ) 又 ( 万t ) ，一，万t = 仃f 艿t 式( 2 1 4 ) 于是 勋：f 。p 荽；5 t 西+ f ，口驴万薯西一f ，p z j 薯咖一f a 6 l t 万t 苏= o 式( 2 1 5 ) 勋= j 。p 溉5 t 西+ j ，口5 万薯西一j ，p z j 薯咖一ja 6 l t 万t 苏= o 式( 2 1 5 假设这一单元变形，则有 薯( 以，f ) = ( k ( 善，刁，f ) ，f ) = 办( f ，7 7 ，f w ( f ) 式( 2 1 6 ) 其中办为( f ，刁，f ) 的形函数，七为单元的节点数，0 是在第f 方向上第个节点的 节点坐标。 将力的单元相加可以得到近似的咒刀，即 勋= 帆= o 式( 2 1 7 ) 一 “ 1 4 第二章显式有限元理论及软件应用 则有 p ；妒咖+ 加孑咒西一如z 妒咖山研出 _ 0 式( 2 1 8 ) 式中 秽= ( 办，欢丸) ? 式( 2 1 9 式的矩阵的公式为 耋 j i 啪户西+ ，。盯巩一l p 7 6 西一孙。7 胁 ”= 。 式c 2 2 。， 是内插矩阵，盯为应力矢量 盯7 = ( 盯剃，盯y y ，仃z z ，盯胛，仃】z ，吒r ) 式( 2 2 1 b 是应变矩阵，口是节点加速度矢量，有 石 筋 筋 = 6 栩 q l q l ： 嗷 口政 = n 口 h 扣剀 2 2 有限元前处理软件_ h y p e r m e s h 式( 2 2 2 ) 式( 2 2 3 ) h y p e 刑o r k s 是世界领先、功能强大的c a e 计算软件包其中之一，是美国a 1 t a i r 公司的产品。a 炳r 公司的h y p e r w r o r k s 软件是一个创新、开放的企业级c a e 平台， 产品应用于几乎所有财富5 0 0 强制造企业。公司产品集成了设计与分析所需要各 种工具，具有先进的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。 a l 俯h y p e r l e s h 是一个高性能有限单元前后处理器，让工程师在高度交互及 可视化的环境下验证各种设计条件。先进的后处理工具保证更加好的查看复杂的 仿真结果1 2 6 j 。h y p e r m e s h 特点： 第二章显式有限元理论及软件应用 依靠高性能的有限元建模和后处理很大程度上减少了工程分析的周期； 直观的图形用户界面和先进的特性使用户更有效的研究； 能够输入多种c a d 几何模型及有限元模型，实现软件间的无缝连接，能降 低建模的重复工作和成本。集成的c a d 图形标准： a c i s c a t i a ( h p ，i b m ，w i n ，s u n ，s g i ) d e s d x f u g i d e a s i g e s p ! a r ra 卜7 p d g s v d a f s 等； 在一个集成的系统内支持范围广泛的求解器，确保在很多特定的情形下都 能使用适用的求解器。 高速度、高质量的自动网格划分很大程度上简化复杂几何的有限元建模过 程。工程中支持的有限元分析软件： a b a q u s a n s y s a u t o d v c m o l d d y t r a n l s d y n a 3 d l s n 1 k e 3 d 峪d y m o m a r c m o l d f l o w m s c 烈a s t r a n c s a n a s t r a n o p t i s t i m c t r m - c r a s h p 朗r r a n r a d l 0 s s v p g 等； 第二章显式有限元理论及软件应用 极高的性价比使用户的研究收到更好的效果； 研究方案的定制性能进一步提高效率。 2 3 显式非线性有限元软件l s d 寸a 简介 本文的有限元模型是建立在有限元软件l s d 呵a 的平台基础上。l s d y n a 程序9 7 0 版是功能齐全的几何非线性( 大位移、大转动和大应变) 、材料非线性和接 触非线性程序【2 7 1 。同时是是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真 实世界的多种非线性问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、 爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分 析软件包。无数次的仿真和实验对比结果证实了软件的可靠性。 由j o h a l l q u i s t 主持开发完成的d 町a 程序系列被世界认为是显式有限元程 序和有限元理论的鼻祖，是目前所有显式求解程序的基础代码。它以l a g r 龃g e 算 法为主，兼有a l e 和e u l e r 算法；软件计算以显式求解为主，并且有隐式求解功 能；以结构分析为主，兼有热分析、流体一结构藕合功能；以非线性动力分析为 主，兼有静力分析功能；广泛应用于、航空航天工业、汽车工业、机械制造业、 国防工业业和生物医学等重要技术领域。 2 4 本章小结 本章对动态显式有限元的发展历史和分析的基本理论进行了阐述，介绍了动 态显式解法的基本方程，为下文进行模拟分析阐述了理论基础。与此同时，提出 了本文设计需要应用的前处理软件h y p e r m e s h 和仿真计算软件l d - d 寸a 。 第三章货车一大客车有限元模型的建立及模型验证 1 7 第三章货车一大客车有限元模型的建立及模型验证 h y p e r m e s h 是美国a h a i r 公司的产品，它是针对目前各种主流有限元求解器开 发的通用前后处理软件，支持l s - d 叮a 、a b a q u s 、a n s y s 、n a s t 埘、 p a m c r a s h 等软件，利用h y p e r m e s h 划分好模型的有限元网格后，可以直接把计 算模型转化成不同的求解器文件格式，从而利用相应得求解器进行计算幽j 。同时， 尽管软件不断的在更新换代，但计算参数的选取和材料特性始终影响计算的精度， 因此，本文参数的选取借鉴了大量工程经验及模拟计算结果，材料属性是参考实 验的结果，进一步保证有限元模型在计算时精度。 3 1 车辆有限元模型建立流程 本文车辆有限元模型是建立在计算软件l d d 叮a 的平台上，l d d 呵a 是世 界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别 适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞和金属成型等非线性动力冲击问 题f 2 9 1 。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包。无数次的仿真和实车实 验对比证实了其计算的可靠性。图3 1 是车辆有限元建立模型的流程图。 图3 1 车辆有限元模型建立流程图 f i 9 3 1s i m u l a t i o np r o c e s so fv e h i c l ef i l l i t ee l e m e n t 1 8 第三章货车一大客车有限元模型的建立及模型验证 3 2 大客车c a d 模型机建立 在有限元分析过程中，模型的准确性与简化具有极其重要的意义。模型的准 确性直接决定分析的有效性，而简化的c a d 模型能降低后期有限元模型的复杂程 度，节省建模和运算的时间，同时不影响运算精度，很多仿真和实车实验的结果 也证明了c a d 建模过程进行必要的简化不会影响最终仿真计算准确性。因此建立 模型中省略了大客车中半径小于4 m m 的小孔、翻边小筋及凸台，这些位置对整车 强度和计算结果影响不大，且对应位置可以调整有限元节点位置来补充【3 u j 。发动 机及动力总成、座椅等附属件也做了相应的简化。 后 k。 十 9 一 广 1 “叶# 忆* 1 。 七 r 图3 2 大客车前围尺寸 f i 9 3 21 1 1 em e a s u 托m e n to f 疗d n t 加m e w o r k 前 广 产e 瞎0 争由。广硅 一_ - j r ， o 。j 蝈 五4 庠声气rx r1 h f ：i纩 i i 期陡 纩飞 - 一1 $ 丝 | 日l i q1 |4 2 ；上 1 一 。 图3 3 大客车侧围尺寸 f i 9 3 3t h em e 2 l s u r e m e n to fs i d e 疗锄e w o r k 第三章货车一大客车有限元模型的建立及模型验证 1 9 本文选用载重为1 2 吨的大客车，图3 2 和图3 - 3 分别为大客车前围和侧围骨 架的尺寸，表3 1 为大客车整车基本参数。根据c a d 二维图在c a t i a 进行整车三 维建图，保存成逸s 格式，再导入h y p e r m e s h 中，在此基础上划分网格，设置边界 条件和控制参数。货车在建模方法、建模过程与大客车相同。 表3 1 大客车整车基本参数 t i a b 3 1n l eb a s i c a lp 撇e t e r so f b u s 长度 1 2 3 2 5 m m 转向系统整体式动力转向 宽度 2 4 9 0 m m 车身形式半承载式车身 高度 3 1 0 0 m m 动力布置发动机后置后驱 整备质量 1 2 6 0 0 蚝 骨架材料 1 6 m n 座位公交专用座椅3 8 + l车架材料 q 2 3 5 3 3 大客车有限元建模精度的关键点研究 3 3 1 几何清理 在建立有限元模型之前，对导入软件中的c a d 模型进行几何清理是非常关键 的，错误的处理方法会影响局部甚至整车计算的精度，因此，将大客车c a d 模型 导入h y p e r m e s h 后，大客车各部件是以曲面的形式显示在软件中，需要对面进行 拓扑后才能进行下一步工作，在此环节工作主要集中在以下几点： 处理非共享边。导入曲面数据时，曲面之间存在间隙、重叠、错位等缺陷， 这导致在进行网格划分时其质量不合格，进行几何处理是基础工作。进行几何处 理前要首先观察几何图形拓扑关系，在曲面中包含共享边、自由边、压缩边和t 形连接边，自由边只能出现在几何的边缘，并将其他形式的边通过软件中q u i c ke d i t 面