（光学工程专业论文）主被动结合新型汽车碰撞缓冲吸能装置的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 提高汽车安全性以尽量减少交通事故带来的损失是当前汽车领域急需解决的重要 科技问题。 本文针对目前主动安全技术仍然难以大幅度地避免交通事故发生的现实情况，创新 性地提出了一种利用主动安全中的事故预测技术来提高汽车碰撞安全性能的主被动结 合新型汽车碰撞缓冲吸能装置。论文对该装置的整体方案进行了研究与设计，通过仿真 分析证明了该装置的吸能保护作用。同时对该装置进行了设计与开发，并通过安装实验 验证了该装置能够有效的工作。论文的研究内容主要有以下几个方面： 1 在对交通事故调查结果进行研究分析的基础上，创新性地提出了基于车辆制动加 速度的事故预测方法。并通过实验研究验证了该方法的有效和可行性。 2 对该装置的触发方式和吸能方式进行了分析研究。采用弹簧触发方式及金属薄壁 吸能梁作为吸能方式对该装置的机械结构进行了设计与开发。 3 采用多刚体与有限元耦合的模拟计算方法，利用m a d y m o 软件建立了汽车正 碰、侧碰及与行人碰撞的仿真模型，对有无该装置时车辆的碰撞性能进行了比较与分析， 结果表明安装有该装置时车辆具有更好的缓冲与吸能特性；结合前保险杠安全气囊技 术，不仅可以进一步减少碰撞事故对乘员及行人的伤害，而且可以减少碰撞事故对车辆 本身的损坏。 4 设计开发了基于车辆制动加速度的移动窗积分算法的控制系统硬件电路及软件 程序，使其与该装置的机械结构形成一个完整的系统。 5 通过安装实验，验证了本文所开发的这套吸能装置能够有效地工作。 关键词：主被动结合吸能装置；主动安全技术：碰撞安全技术；计算机仿真 1 1 主被动结合新型汽车碰撞缓冲吸能装置的研究 abstr act i m p r o v i n gv c h i c l e ss 疵t yt od e c r e a s et h el o s sc a u s e db yt r a 艏ca c c i d e n ta sm u c h a s p o s s i b l ei sa ni m p o nt e c h n o l o g yp r o b l e mo f 也ea u t o m o b i l ef i e l dt o d a y w h i c hi si nd i r e n e e do fs 0 1 u t i o n c o n s i d e r i n gt h er e a l i t ys i t u a t i o nt h a ta c t i v es a f e t yi ss t i l ld i f f i c u ht oo b v i o u s l yp r e v e n t t r a f f i ca c c i d e n t st oo c c u r ，t h i sp a p e ri n n o v a t i v e l yp r c s e n t e dat y p eo fv e h i c l ec r a s he n e r g y a b s o r p t i o ne q u i p m e n tc o m b i n e sa c t i v e a n dp a s s i v es a f e t y ，w t l i c h u s i n gt h ea c c i d e n t p r e d i c t i o nt c c h n i q u eo fa c t i v es a f e t yt oi m p r o v et h ev e h i c l ep a s s i v es a f e t yp e r f o m a n c e r e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h ew h o l ep r o j e c to ft h i s e q u i p m e n ti sm a d e t h ee n e r g y a b s o r p t i o np r o t e c t i v ee f f e c to ft h i se q u i p m e n ti sp r o v e db ys i m u l a t i o n d e s i g n e da n d d e v e l o p e dt h j se q u i p m e n t ，a n dt e s t i f l e di t se f b c t i v e n e s sb yo n b o a r dt e s t t h er e s e a l h c o n t e n t so ft h i sp 印e ra r em a i n l yi n c l u d i n gt l l e s ea s p e c t sa sb e l o w ： 1 a f t e rm a d er e s e a r c ho nt r a m ca c c i d e mi n v e s t i g a t er c s u l t ，i n n o v a t i v e l yp r e s e n t e da c o l l i s i o na c c i d e n tp r e d i c t i o nm e t h o do nt h eb a s i so fv e h i c l ea c c e l e r a t i o n a n dt e s t i f i e dt h i s m e t h o di se 虢c t i v ea n df e a s i b l eb yt e s ta n a l y s i s 2 r e s e a r c h e dm i se q u i p m e n t st r i g g e rm e t h o da n de n e r g ya b s o r p t i o nm e t l l o d b y a d o p t i n gs p r i n ga st r i g g e rm e t h o da n dm e t a lm i n n e dw a l lc y l i n d e ra se n e r g ya b s o r p t i o n m e t h o d ，t h i se q u i p m e m sm e c h a n i c a ls t r u c t u r ei sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d 3 u s i n gt l l e s i m u l a t i o nm e t l l o dc o u p l i n go fm u l t i - b o d ya n df l i l i t ee l e m e m ，t h e s i m u l a t i o nm o d e lo ff r o n t a li m p a c t ，s i d ei m p a c ta n dc a r - p e d e s t r i a ni m p a c to fac e r t a i nt y p e o fv e h i c l ei se s t a b l i s h e db ym a d y m os o r w a r e ，a n dt h e c o m p a r a t i v ea 1 1 a l y s i so f i m p a c t i n gp e r f o m a n c eo ft l l ev e h i c l ef i t t i n gw i t ho rw i t h o u tt h i se q u i p m e n ti sm a d eo u t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ev e h i c l cf i t t i n gw i t ht h i se q u i p m e mh a sb e n e rd 锄p i n g a 1 1 de n e 玛ya b s o 叩t i o np e r f o r m a n c e c o m b i n e sw i t h 丹o n t a lb u m p e ra i rb a g ，n o to n l yt h e i n j u r yt ot h eo c c u p a m sa n dp e d e s t r i a n si nc r a s ha c c i d e mc a nb ed e c r e a s e df u r t h e r ，b u ta l s o t h ed 跏a g et om ev e h i c l ec a nb ed e c r e a s e d 4 d e s i g n e da l l dd e v e l o p e dt h es o rh a r d w a r eo ft h ec o n t m ls y s t e mo fm o v i n g w i n d o wa l g o r i t l l i no nt h eb a s i so fv e h i c l ea c c e l e r a t i o n ，a i l df b m e d a i m e g r a t e ds y s t e m w i t l lt l l ee q u i p m e m sm e c h a i l i c a ls t r u c t u r e 5 t e s t i f i e dt h ev a l i d i t yo f t l l i se q u i p m e n td e v e l o p e di nm i sp a p e r t r o u g ho n b o a r dt e s t k e yw o r d s ：e n e r g ya b s o r p t i o ne q u i p m e n tc o m b i n e sa c t i v ea n dp a s s i v es a f c t y ；a c t i v e s a f e t y ； p a s s i v es a f e t y ； c o m p u t e rs i m u l a t i o n t t t 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名：荔7 、老_ 日期：加弼年歹月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“巾) 作者签名：荔j 刽范日期：加年r 月，7 日 剔币鹤：常披日期：z z 年妒， 日 硕士学位论文 第1 章绪论 本章介绍了课题研究的背景和意义，分析了目前国内外汽车主、被动安全技术的研 究现状，同时介绍了本文研究的主要内容。 1 1 本课题研究的背景和意义 随着汽车逐渐地普及，汽车已成为方便、快捷的交通运输工具，在人类社会的政治、 经济、社会生活各个领域发挥了相当重要的作用，已成为人类文明与进步的象征和标志 之一。但是，其负面效应交通事故，也成了世界性的严重社会问题。据统计，全世界 每年约有1 2 0 万人死于交通事故【1 】。我国是汽车交通事故死亡人数最高的国家之一，表 1 1 列出了近年来我国道路交通事故的统计情况【2 1 3 l 。事故伤亡加上事故现场抢救、伤亡 善后处理、生产力和劳动力损失，所付出的各种费用，给国家造成了巨大的社会经济损 失。最大限度地减少汽车交通事故中的人员伤亡和财产损失是车辆工程和相关研究领域 要解决的重要科技问题。 表1 12 0 0 0 2 0 0 5 年全国道路交通事故统计 年份事故次数，次死亡人数，人受伤人数，人直接经济损失+ 亿元 2 0 0 0 6 1 6 9 7 19 3 8 5 34 1 8 7 2 l2 6 6 2 0 0 l7 5 4 9 1 91 0 5 9 3 05 4 6 4 8 53 0 8 2 0 0 27 7 3 1 3 7 1 0 9 3 8 l5 6 2 0 7 43 3 2 2 0 0 36 6 7 5 0 71 0 4 3 7 24 9 4 1 7 43 3 6 2 0 0 45 1 7 8 8 91 0 7 0 7 74 8 0 8 6 42 3 9 2 0 0 54 5 0 2 5 49 8 7 3 84 6 9 9 1 11 8 8 目前，汽车安全性设计理念已由原始的强化自身设计发展到车毁人不亡、碰撞相容 性设计等1 4 “】。许多安全措旌如安全带、安全气囊、安全车身结构等已使汽车在正面碰 撞中具有较好的对乘员保护性能，有效地减少了碰撞事故中的人员伤亡口】。然而，由于 变形空间有限，汽车前部必须具有足够的刚性以满足正面碰撞安全性要求。这就使得在 侧面碰撞事故中，由于被撞车侧面的变形吸能空间很小，刚性也相对较小，采用常规的 设计理念和方法难以达到对乘员很好的保护效果【7 j 。尤其是在汽车与行人碰撞事故中， 由于行人本身无任何保护，按常规方法设计的车身结构很难大幅度减少碰撞事故中的人 主被动结合新型汽车碰撞缓冲吸能装置的研究 员伤亡限”。因此，研究一种新型的碰撞吸能结构，在汽车正面碰撞、侧面碰撞及汽车 与行人碰撞事故中均能起到更好的保护效果，具有重大的社会效益和经济效益。 本课题创新性地将主动安全技术与被动安全技术融合为一体，形成一套完整的集成 系统。该系统将主动安全技术中的事故预测技术及被动安全技术中的结构缓冲吸能技术 紧密结合并赋予新的内涵，使其达到1 + 1 2 的效果。系统的工作原理是：在系统检测 到汽车碰撞事故不可避免时，瞬间触发推动装置，将固定于保险杆与汽车前纵梁之间的 一套可伸出的吸能梁结构迅速推出车前并将其限位，在碰撞过程中通过吸能梁的压溃变 形吸收大量碰撞能量，从而可大大改善汽车碰撞吸能效果。结合前保险杠安全气囊技术， 不仅可以在正面碰撞、侧面碰撞及汽车与行人碰撞事故中进一步减少乘员及行人的伤 亡，而且可以减少碰撞事故对车辆前部本体结构、主要总成件及重要车身附件的损坏， 从而减少车辆修复费用。研究成果具有成本较低、适应面广等特点，可以广泛应用于新 车型的开发和在用车型的改造。 1 2 汽车安全技术的研究现状 国内外正在研究和采用的汽车安全技术主要可分为主动安全技术和被动安全技术 两大类。主动安全性是指通过对汽车内部结构进行更趋合理的有效设计，优化车辆驾驶 操纵系统的人机环境，主动预防事故的发生。被动安全技术主要是在发生意外事故时， 如何对驾乘人员及行人进行保护，尽量减少事故造成的人员伤亡。 1 2 1 主动安全技术的研究现状 主动安全技术主要包括提高汽车的制动性、动力性、操纵稳定性、驾驶舒适性及信 息性等方面。目前，除了普遍采用的防抱死制动系统( a b s ) 、驱动防滑系统( a s r ) 、 车距报警系统之外，国外还开发出智能巡航定速系统、驾驶状态监控装置、盲点信息系 统( b l i s ) 、轮胎气压监测系统等安全装置。 1 ) 智能巡航定速系统 智能巡航定速系统是由、b l v o 汽车公司开发成功的，该装置通过在车前安装的两个 雷达感知仪，可以不间断地监测与前方车辆之间的距离，并自动调整车速以便与之保持 安全距离。刹车在必要时就会自动提供一定限度的制动力，因而可在行驶过程中避免不 必要的猛烈刹车现象【1 0 1 2 ”。设计该系统的主要目的是减轻驾驶车辆时所感到的压力。 2 ) 驾驶状态检测系统 法国一些研究机构联手开发出一种检测司机注意力下降的系统，它可以实时监测驾 驶员精神状态的变化，通过测量与分析汽车与旁侧车道白线间的距离，方向盘及脚踏板 的活动情况，驾驶员眼睛睁的大小和眨眼频率等各种信息，判断驾驶员的警觉程度和疲 硕士学位论文 劳程度，如果发现驾驶员处于疲劳驾驶状态，通过声音和光信号提醒司机或代替司机实 现自动驾驶【l l 到j 。 3 ) 盲点信息系统( b l i s ) ”盲点信息系统( b l i s ) ”系利用数字摄像技术来监视司机视野中出现的盲点，它将 两台快速摄像机分别装在车门的后视镜上，能够帮助驾驶员同时消除后视视野中的死 角、视觉误差和空间盲点，确保汽车在变换车道、转弯、倒车等各种情况下的安全1 1 2 2 2 1 。 4 ) 轮胎气压监测系统( t p m s ) 汽车轮胎压力检测系统主要用于汽车行驶过程中实时监测轮胎气压，并对轮胎漏气 和低压进行报警，以保障行车安全。目前( 即m s ) 主要分为两种类型：一种是间接式 t p m s ，它通过a b s 的轮胎传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到检测胎压的目的， 其缺点是无法对两个以上的轮胎同时缺气的状况和速度草果l o o k “曲的情况进行判断。 另一种是直接使t m p s ，它利用安装在每一个轮胎里的锂离子电池为电源的压力传感器 来直接测量轮胎的气压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上，监视器随时 显示各轮胎的气压，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低或有 漏气时，系统会启动报警m 驯。 虽然以避免事故发生为目的的主动安全性研究已取得较大的进步，但由于事故发生 原因的复杂性，尤其是大多数事故发生的突发性，例如车辆突然变道，车辆、行人突然 横穿公路等，使得目前的主动安全技术难以大幅度降低交通事故的发生。对交通事故原 因的统计分析表明，以预防事故发生为目的的主动安全技术只能避免5 左右的事故【12 】。 1 2 2 被动安全技术韵研究现状 目前，汽车上普遍采用的被动安全措施主要包括采用安全带、安全气囊等乘员约束 系统来保护乘员，采用结构缓冲与吸能措施来减少碰撞过程中乘员承受的碰撞能量【4 ，5 】。 其中，提高汽车碰撞安全性能的一个主要方面是改善汽车的结构缓冲与吸能特性，因为 一次碰撞”在很大程度上决定了“二次碰撞”的剧烈程度，而汽车结构的缓冲与吸能特性 是控制“一次碰撞”的关键。它一般是靠设计具有较好的变形吸能特性的安全车身结构或 者车体碰撞时带动其它液压、气压或机械装置来吸收碰撞能量。例如，目前汽车上普遍 采用不同截面形状的薄壁吸能管产生折叠式塑性变形来消耗大量的碰撞动能，达到缓冲 吸能的目的【4 ，l3 1 。其它措施包括将碰撞能量转换为弹簧势能，在汽车纵梁与保险杠之间 安装液压、气压装置等，或利用碰撞能量将发动机连接件松脱以分解部分碰撞能量等 【1 4 。“。由于这些方法都是将吸能结构固定在汽车内部，其布置要受到汽车结构尺寸的 限制，缓冲吸能的空间被限制在一定的范围内，难以很好地控制碰撞过程中( 特别是高 速时) 的吸能。 随着汽车碰撞安全技术研究工作的深入，主动安全技术与被动安全技术结合已成为 发展趋势”7 “”。然而，目前的大多数结合仍然停留在相加式地结合，即仅仅是在同一 主被动结合新型汽车碰撞缓冲吸能装置的研究 辆车上同时使用主动安全技术与被动安全技术。本文在综合分析主动安全技术与被动安 全技术的情况下，创新性地提出了将主动安全技术与被动安全技术有机结合的新型汽车 碰撞安全性设计方法，利用主动安全技术进一步改善被动安全技术的效果。该方法将变 形吸能空间拓展到车外，从而可以大大改善碰撞吸能效果。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题以汽车安全性理论、多刚体动力学和有限元方法为基础，采用理论分析、计 算机仿真分析和实验研究等手段，对这种主被动结合新型汽车碰撞吸能系统进行了研究 与开发。全文共五章研究的主要内容归纳如下： 第_ 章介绍了本课题研究的背景和意义。在查阅大量文献的基础上，分析了国内 外汽车安全技术的研究现状。 第二章介绍了“新型汽车碰撞缓冲吸能装置”的方案设计、工作原理及结构的设计。 第三章在对目前汽车被动安全领域中所采用的计算机仿真计算方法进行研究的基 础上，介绍了多刚体动力学的基本理论和多刚体动力学软件m a d y m o 软件。利用 m a d y m o 软件对这种吸能装置在正碰、侧碰及与行人碰撞过程中的吸能保护特性进行 了仿真研究。 第四章介绍了这种新型汽车碰撞缓冲吸能装置控制系统硬件电路及软件的设计与 开发。 第五章对控制系统所采用的触发算法进行了实验研究，验证了该算法的可行性。 同时对开发的这套吸能装置进行了台车和实车实验，验证了该装置能够正常运行。 最后在总结上述研究工作的基础上，对研究过程中出现的一些关键问题及还需进一 步改善的工作进行了探讨。 硕士学位论文 第2 章主被动结合新型汽车碰撞缓冲吸能装置 的方案与结构设计 本章首先对这套新型汽车碰撞缓冲吸能装置的设计方案进行了研究，并介绍了其工 作原理。然后对本装置的结构进行了设计与开发。 2 1 方案设计及工作原理 2 1 1 设计方案研究 因为汽车的碰撞吸能过程是一个将碰撞能量转化为变形能及其它形式能量的过程， 根据变形做功公式： w 2 j f ( t ) d s ( 2 1 ) 在汽车动能一定时，( 即w 一定时) ，为了减少碰攘力f ( t ) ，就必须增大外力作用的距离 j d s 。所以从提高汽车的碰撞缓冲与吸能特性的角度考虑，变形吸能区的刚性应足够的 低，变形越大越好，以尽可能地减少碰撞作用力，使得作用于乘员身体上的力和加速度 值不超过人体的耐受极限；但另一方面，为了保证碰撞过程中乘员的生存空间，即乘坐 室不发生过大的碰撞变形( 包括车轮、发动机、变速箱等刚性部件不得侵入驾驶室) ， 变形吸能区的刚性越大越好，但这又会影响汽车的碰撞缓冲吸能特性。为了解决这个矛 盾汽车缓冲吸能区必须设计成“外柔内刚”式的结构【2 ”。由于又受到汽车结构布置的限 制，缓冲吸能空间被限制在一定范围内，所以，目前汽车上所采用的各种缓冲与吸能措 施一般都难以达到理想的缓冲吸能效果。特别是对于侧面碰撞而言，被撞车辆受到撞击 的部位一般是车门或立柱，而车门和立柱所围住的直接就是乘员乘坐空间，几乎没有可 以利用的缓冲吸能区间。虽然通过采用乘员约束系统、安全内饰件及侧面安全气帘等安 全对策来保护乘员，仍然难以确保乘员在碰撞事故中( 特别是高速时) 免遭伤亡。所以， 为了减少碰撞作用力，又不使车体结构产生过大变形，必须将缓冲吸能空间拓展到汽车 外部。 根据上述设计思路，本吸能装置拟采用的设计方案如下：在汽车前纵梁与保险杆之 间安装一套可以将吸能梁伸出的结构，正常情况下，吸能梁处于紧靠车身的位置。汽车 行驶过程中，控制系统不间断地检测车辆运行状态，当判断到碰撞事故不可避免时，瞬 主被动结合新型汽车碰撞缓冲吸能装置的研究 间触发推动装置，将吸能梁迅速推出车前并将其限位。下面对本方案须采用的一些关键 技术分析如下： 1 ) 事故预测技术的研究 事故预测可以采用的技术较多，但为了适应不同车型的需要，系统开发成本是一项 关键指标。采用激光扫描雷达、g p s 系统等先进技术来达到事故预测是一种可行的方法， 在一些高档车型上可以结合自动巡航驾驶等技术使用。但是，对于中档或经济型车辆， 这套事故预测系统的成本则太高，需要研究简便易行的措旖。事故分析表明，在大多数 交通事故中，驾驶员能够察觉事故即将发生，并采取了紧急制动等相应措施。但往往由 于采取措旌时为时已晚，事故仍无法避免。因此，根据驾驶员在事故发生前的行为和车 辆状态，研究出一套简单、实用的事故预测技术是本课题的研究重点之一。本系统拟采 用驾驶员紧急制动产生的加速度信号作为事故预测的基本依据。本文第四章研究了基于 制动加速度的时间窗积分控制算法并开发了相应的控制系统。 2 ) 触发方式的研究 触发装置可以采用弹簧触发、压缩气体触发或安全气囊触发等多种方式。弹簧触发 成本低且可在没有损坏时重复使用，但响应较慢、重量大；压缩气体触发简便易行，成 本低，但需要占用车内空间；气囊触发可以兼顾汽车与行人碰撞的安全性，但成本较高。 因此，根据不同的车型，需要研究不同的触发方式。 3 ) 吸能方式的研究 为了减少样车的改装成本，并充分利用样车的纵梁结构及前部空间，采用成本低廉、 性能可靠的金属薄壁吸能结构作为吸能部件。这种金属薄壁吸能梁是通过对金属薄板进 行冲压、弯折等冷加工变形后，再通过焊点( 点焊) 连接而构成的，通过优化设计吸能 梁的壁厚、横截面的形状、焊点位置与强度等参数，及在局部部位采取强化或弱化措施， 可以使其达到理想的碰撞吸能效果。图2 1 是台车实验中金属薄壁吸能梁产生变形吸能 后的结果。 图2 1 薄壁吸能粱的碰撞变形结果 6 硕士学位论文 2 1 2 系统的工作原理 图2 2 是采用保险杠安全气囊作为触发装置的工作原理图。图a 为触发前的状态， 图b 为触发后的状态。在碰撞过程中，通过吸能梁的压溃变形吸收车辆的碰撞能量，从 而大大改善汽车碰撞吸能效果。结合安全气囊的缓冲吸能作用，不但可以进一步减少乘 员及行人的伤亡，还可以减少对车辆前部结构的损坏，从而减少修复费用。 ( b ) 触发后 图2 2 吸能装置工作原理 ( 1 薄壁圾能梁，2 保险扦。3 安全气囊) 2 2 机械结构的设计与开发 根据所拟定的方案，对本装置的结构进行了设计与开发。考虑到开发的成本因素， 本装置开发时采用的是弹簧触发方式。图2 3 为开发的实物模型( 吸能梁前端没有安装 保险杆) 。其结构原理图如图2 4 所示。薄壁吸能梁( 6 ) 前端与保险杆( 5 ) 相连，另一 端与弹簧( 8 ) 连接，在汽车纵梁前面安装两个矩形截面的柱状吸能梁壳( 7 ) ，吸能梁 壳应具有一定的强度，以保证能够承受吸能梁变形时的载荷，吸能梁装入此吸能梁壳内， 形成能够相对滑动的间隙配合。在吸能筒后端底座及吸能筒壳上开设有能够相互对齐的 小孔，安装时，将吸能梁推入吸能梁壳内使小孔对齐，将与电池铁铁芯相连的插销( 4 ) 插于该孔内，使推动弹簧处于压缩状态，如图中( a ) 所示。当预测到碰撞事故必然要 发生时，控制系统输出触发信号将电池铁( 3 ) 通电，使插销( 4 ) 拔出( 如果是采用的 车外安全气囊作为推动装置，则发出点火信号触发气体发生器) ，吸能梁( 6 ) 及保险杆 主被动结合新型汽车碰撞缓冲吸能装置的研究 ( 5 ) 就在推动装置( 8 ) 的作用下，被迅速推出，在达到极限位置后，限位圆柱销( 1 ) 在处于受压状态下的弹簧( 2 ) 的作用下，插入吸能筒( 6 ) 的末端之后，使吸能筒不能 往后移动，如图( b ) 所示。 图2 3 设计开发的新型汽车碰撞吸能装置 ( a ) 触发前 ( b ) 触发后 图2 4 吸能装置结构原理图 ( 1 限位销2 弹簧3 电磁铁4 插销 5 保险杆 6 吸能筒7 吸能粱套筒8 推动弹簧) 8 硕士学位论文 另外，对于轿车而言，纵梁前部普遍采用薄壁金属吸能管作为碰撞吸能结构措施( 如 图2 5 所示) ，为了结构的协调及布置方便，可以将该装置的吸能梁伸入纵梁内以充分利 用空间，并将定位机构安装在纵梁前端上。通过合理设计吸能梁的结构，保证碰撞过程 中纵粱能够承受吸能梁变形的载荷，就可实现碰撞时从吸能梁到纵梁的逐级变形吸能， 从而大大地改善车俩的缓冲吸能特性。 图2 5 莱车型的碰撞缓冲暇能结构 9 主被动结台新型汽车碰撞缓冲吸能装置的研究 第3 章主被动结合新型汽车碰撞缓冲吸能装置 吸能特性的仿真研究 本章旨在通过计算机仿真研究，验证这种吸能装置在不同碰撞事故巾的吸能保护 作用。在对计算机仿真计算方法及多刚体动力学基本理论进行研究的基础上，介绍了 m a d y m o 软件，并利用该软件对该装置在正碰、侧碰及与行人碰撞事故中的保护性能 进行了比较分析。 3 1 计算机仿真计算在碰撞安全研究中的应用 早期在汽车被动安全研究领域直以实验方法为主要研究手段。为改进或设计某种 结构或部件，往往需要做多次重复性实验，使得汽车生产厂家和设计者必须通过大量的 实验找出有关结构和零部件的各类缺陷，加以改进，使其满足标准要求。这种“试错”实验， 需要花费大量的金钱和时间。这些问题促进了计算仿真技术山现和发展。同实验方法相 比，计算机仿真具有以下优点： 1 ) 费用低廉。计算机仿真不用进行实车的破坏性实骑，也不需实验设备，冈此可 以节省大量的人力、物力、财力。 2 ) 周期较短。c a d ，c a m 的具体运用，使得虚拟样机的概念逐渐被产品开发人员 所接受。使产品在设计、开发阶段就可预测其品质和性能，避免不必要的设计失误并替 代部分实验，因此开发周期必然缩短。 3 ) 可重复件。实验过稗易受随机因素影响，网此在研究不同系统参数对安全性的 影响时，不易得到明确的结果。而仿真依赖于计算机硬件，大多数仿真软件均为参数化 设计，可以轻而易举的得到参数改变时的仿真结果。 4 ) 结果信息全面。实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足受很多条件限制的，因此结果数据不甚全面。而计算 机仿真则不存在以上问题。 但是，采用模拟计算并不意味着放弃实验技术，设计阶段模拟计算得到的只是对汽 车及其零部件耐撞性的预先评估，在产品的设计和开发过程巾具有指导意义，只有最终 的产品实验才能真丁f 反映汽车及其零部件发生碰撞时的变形过程，并且模型中的参数要 根据一些相关的实验获得，模型的正确性也要由实验来验证，只有通过验证的模型= ；才是 可行的，因此实验技术与模拟技术的关系是相辅相成的。 可行的，因此实验技术与模拟技术的关系是相辅相成的。 硕士学位论文 目前在汽车被动安全研究中，模拟计算采用的方法主要有多刚体动力学法和动态大 变形非线性有限元法。 多剐体动力学法采用一些刚体、无质量的弹簧、阻尼以及各种动态铰链来描述系统 的动态响应，与传统的汽车动力分析相比，它可以对大位移系统做运动分析，能够更好 地处理非线性问题，建模方便并且计算速度快，缺点是不能得到车与人体的各个部分的 详细的变形情况，不能对结构的耐撞性进行分析。在汽车被动安全研究中，对人体受害 者的模拟计算多采用多刚体动力学法。这主要是由于有限元假人模型的单元数目过大， 计算复杂；并且在模拟法规实验中最终也只需得到的是假人头部、胸部和大腿等部位的 总体响应和受力。 动态大变形非线性有限元法与传统有限元法的区别在于考虑到了结构的几何非线 性和材料非线性，且不局限于小变形系统，因此十分适合于处理碰撞接触问题。它是将 连续的空间系统进行离散化，实际结构的各个部件是通过节点联系在一起，可以用于人 体和车的详细建模，能够得到各个部件的变形情况、速度和加速度分布、应力应变分布， 缺点是计算时间过长。 为了克服有限元模型过大的弊端，提高计算速度，当前出现了采用多刚体动力学和 非线性有限元进行耦合计算的方法。这种方法突出了有限元的特点又可通过局部多刚体 的处理来提高建模和计算速度。其中m a d y m o 软件就同时具有多网0 体和有限元处理模 块，本章将利用该软件对“新型汽车碰撞缓冲吸能装置”的吸能特性的进行了模拟分析与 研究。 3 2 多刚体动力学的基本理论 对于多刚体系统，在进行运动学分析时会遇到系统各部件的大位移运动和空间非线 性，在构造动力学方程时面临繁重的代数和微分运算，而且构造出来的动力学微分方程 一般不可能通过解析积分求解。现代计算机技术的飞速发展使得数值计算能力有了极大 的提高，建立适合于计算机数值计算的多刚体系统动力学方法对于解决多雕体动力学闯 题就显得非常重要。 多刚体系统动力学是近2 0 年来在经典刚体力学、分析力学和计算机技术基础上发展 出来的一门新的力学分支，它以多刚体为研究对象，建立所研究系统的数字模型，对它 们进行运动分析和动力分析。其发展的直接动力来源于航空、航天、机器人和车辆等工 程领域对复杂机械系统的机构设计及运动学和动力学响应分析的需要。由于其在对复杂 多体系统的运动学和动力学描述方面的简洁性，以及由其建立的运动学和动力学方程在 计算机编程方面的通用性和方便性，在复杂多体系统的分析中应用越来越广泛。 用多刚体方法建立的模型是一组彼此之间用不同类型的铰链连接起来的多个刚体， 一般形成一个开环的树状结构，通过定义铰链的自由度、约束力、约束刚度和剐体的惯 主被动结合新型汽车碰撞缓冲吸能装置的研究 性得到多体系统的刚体动力学模型。模型中的刚体形状可以是平面、柱面、椭球或超椭 球，它们形成了多刚体模型在碰撞环境中的接触表面。根据动量守恒规律，多刚体系统 中的每个两0 体在进行直线与旋转运动时的运动控制方程由欧拉方法得到。刚体关于它自 身惯性中心的运动方程为： m ，r ，= 一； ( 3 1 ) 以。+ 国，j f 国，= l ( 3 2 ) 式中m ，质量 ，关于惯性中心的惯性矩 ，角速度向量 f 力向量 r 力矩( 相对于惯性中心) 向量 r 位移向量 对于多个刚体中的某一个刚体来说，f 和z 还包括通过铰链的作用力，一般除非知 道了整个系统的加速度，否则这些铰链的约束力是不知道的。在( 3 1 ) 式中对位移向量 取变分，( 3 2 ) 式中对方位取变分，然后两式相加，则取变分后的i 个刚体有： 以 m ，一f ) + 勘， ，国，+ 。，国。一i = o ( 3 3 ) 若由铰链所产生的约束不被破坏的话，则按照虚功原理，可咀得到用铰的自由度对时间的二阶 导数表示的如下方程： qq = m u y q + q v ( 3 4 ) 式中r 是在父刚体i ( 树状结构的上一层刚体) 坐标系中的线性和角加速度分量组成的 列矩阵，m ，和q i f 取决于刚体的惯性及瞬时的几何位置，q f ，还与系统的瞬时速度和作 用的载荷有关。利用( 3 4 ) 式由开环刚体系统的分枝始端点计算，就可以求解整个系统。 可以用不同的积分方法以各种外力和加速度场作为初始条件求解运动方程( 3 4 ) ，如改 进欧拉法，固定时间步长的四阶龙格一库塔( r u n g 0 u n a ) 法或可变时间步长的五阶 龙格一库塔法等口“。 3 3m a d y m o 软件介绍 m a d y m o 软件是由荷兰i n o 道路汽车研究院开发，主要用于分析车辆碰撞和评 估乘员受伤程度的计算机软件，其英文全名为：m a t h e r i l a t i c a ld ”锄i cm o d e l 。虽 然，m a d y m 0 软件最初主要开发用于研究汽车碰撞过程中乘员的响应，现在它也可灵活 硕士学位论文 地广泛应用于分析其它碰撞工程问题，如火车、飞机、摩托车、自行车碰撞事故等，及用 于评估各种约束系统，包括安全带、安全气囊的实用性。m a d y m o 到1 9 8 3 年形成了3 o 版，到1 9 8 8 年形成了4 2 版，附有六卷文献。目前，m 如y m o 已发展到6 3 版， 并成功地将有限元融入多刚体系统分析中，成为了一个多刚体与有限元结合的数学模拟 软件【2 7 】。 m a d y m 0 软件包包括数学求解器、假人模型、人体模型及一些应用于汽车、航空 的实例模型。除了m a d y m 0 2 d 和m a d y m 0 3 d 这两个求解器之外还包括一些前后处 理程序。在m a d y m 0 2 d 中，用椭圆( e l l i p s e ) 或超椭圆0 y p e r _ e l l i p ) 来代表刚体。在m a d y m 0 3 d 中使用椭球( e l l i p s o i d ) 、超椭球 师c f - e l l i p s o i d ) 、椭圆形柱体( e l l i p 廿c a lc y l i n d e r ) 和 多面体( 缸e t s 蛐e ) 等来代表刚体，可以描述三维运动。一个多刚体系统可以通过任 意多个刚体和铰链来描述，相邻刚体之间的连接可以通过定义具有不同自由度的铰链来 模拟，在m a d y m 0 3 d 中定义了以下八种基本铰链形式： 1 ) 固接铰( b r a c k e t j o i m ) 如图3 1 所示， 相互连接的父刚体i 和子剐俸；之间没有 自由度。 2 ) 圆柱铰( c y l i n d r i c a l j o 砬) 如图3 2 所示，相互连接的刚体i 和刚体i 之间有两个 自由度：沿轴向的平移d l 和绕轴旋转自由度r 1 。 图3 1 国接铰图3 2 圆柱饺 ( r l 一，d l s ) 3 ) 自由铰( f r e e j o i m ) 如图3 3 所示，相互连接的刚体i 和刚体j 之间有六个自由度： 沿三个轴的轴向的平移及绕三轴的旋转。 4 ) 平面铰( p l a l l a f j o i n t ) 如图3 4 所示，这种铰链有三个自由度：绕孝轴的旋转自 由度和沿轴叩和轴f 的平移自由度。 主被动结合新型汽车碰撞缓冲吸能装置的研究 图3 3 自由铰链 5 ) 转动铰( r e v o l u t e j o i m ) 转运动。 6 ) 球铰( s p h e r i c a l j o 缸) 的旋转运动。 图3 4 平面铰链 ( r l 一庐，d 1 一s 叩，d 2 s f ) 如图3 5 所示，这种铰链只有一个自由度：绕f 轴的旋 如图3 6 所示，球铰有三个自由度：分别绕善、v 和f 轴 图3 5 转动铰 限1 一妒) 7 ) 滑移铰( t r a i l s l a t i o n a l j o i n t ) 平移运动。 8 ) 万向节铰( u n i v e r s a l j o i n t ) 轴和7 7 轴的旋转运动。 图3 6 球铰 如图3 7 所示，滑移铰只有一个自由度：沿亭轴的 如图3 8 所示，万向节铰有两个自由度：分别绕f 桊 r淖以 岛 ， 一 硕士学位论文 圈3 7 滑移铰图3 8 万向节铰 在刚体的铰链处可以定义非线性的扭矩弹簧、阻尼以及干摩擦，如铰链约( j o 缸 f e s 臼面n t ) 、c a f d a l l 约束( c a r d 锄- r e s t r a h ) 等。各刚体之间的相互碰撞接触作用力可以 通过预先定义的加载、卸载曲线及迟滞模型，根据贯穿量和接触特性来确定产生接触的 非线性弹力、粘滞阻尼和摩擦力的大小；还可以通过定义无质量的弹簧阻尼单元( 如： k - e l 、，i n 单元、m 懿w e l l 单元) 及点约束( p 0 i n t - r e s t r a i n t ) 等来模拟刚体之间的约束作用。 通过定义加速度场来对处于场内的多刚体系统加载，可以对刚体进行选择性的定义加速 度场。 在m a d y m 0 3 d 中的有限元模块中，将实际的连续体分为有限个体积、面、线， 称之为单元。这些单元通过离散节点相互作用，这样将复杂的连续体转化为由相对简单 的有限个单元组成的系统来进行分折。在m a d y m o 中提供梁单元、薄膜单元、桁架单 元、板单元、六面体单元等常见且实用的单元类型及其相应的单元材料特性。在 m a d y m o 软件中，多刚体和有限元之间的相互耦合关系如图3 9 所示。对于有限元部 分和多剐体部分的运动方程，允许使用不同的时间积分方法。所有使用的积分方法是条 件稳定的，所以对所使用的时间步长是有所限制的。为了增加整个分析过程的效率，有 限元模块相对于多剐体模块，使用针对不同模块而定的不同的定常时间步长来进行子循 环。除此之外，m a d y m 0 还提供了接口，以便用户加入自己例程代码，以实现特殊的 建模目的。f 2 8 驯 图3 9m a d y m 0 结构示意圈 主被动结合新型汽车碰撞缓冲吸能装置的研究 3 4 吸能特性的仿真研究 考虑到与不同车型结构的协调及布置方便，本装置设计了两种不同的吸能结构。 采用多刚体与有限元耦合的方法，利用m a d y m o 软件对这两种结构在正碰、侧碰及在 结合保险杆安全气囊的情况下与行人碰撞中的吸能保护作用分别进行了仿真比较。 3 4 1 正碰仿真 为了分析该装置在正面碰撞中的缓冲吸能作用，首先利用m a d y m o 软件建立了某 车型的正碰实验仿真模型，通过调整车辆模型前部的接触刚度特性使车辆的正碰实验模 拟加速度曲线与其实验曲线基本一致，从而得到了该车整体的正碰刚度特性。利用m a d y m o 软件的有限元模块建立了该装置两种结构的有限元模型，将它们与车体模型耦合 起来分别进行模拟计算，通过比较分析得到了它们在正碰中所能达到的缓冲吸能效果。 1 ) 正碰模型的建立 利用m a d y m 0 软件建立了某车型的正碰仿真模型( 如图3 1 0 所示) 。该仿真模型共 由三个系统组成：地面、车体和碰撞壁。 图3 1 0 某车型的正碰实验仿真模型 其中，系统1 ：地面，地面定义为惯性坐标系统中的一个平面，地面的接触特性用 关键字( c h a ra c t e 砒s t i c c o n t a c t ) 来定义。 系统2 ：碰撞壁，碰撞壁只包含一个刚体，用超椭球来代表，该刚体通过一个“固接 铰”与惯性坐标系连接，自由度为零。因为实际碰撞壁的刚性很大，所以将超椭球表面 定义为一个刚性很大的接触面。 系统3 ：车体，车体与惯性坐标系之间用自由铰链连接。因为在正面碰撞中汽车前 部为主要的变形部位，而尾部及乘员室的变形量相对很小，所以本仿真车型的乘员室和 车尾部分都采用椭球模型( e 1 1 i p s o i dm o d e l s ) 来表示其外形。而汽车前部( 包括发动 机罩、保险杠外壳和左右翼子板) 采用多面体( f a c e tm o d e l s ) 建模，以较真实地反应 车辆前部的外形轮廓尺寸及接触受力部位。车体前部的变形刚度用多面体的接触特性 ( c h a r a c t e r j s t i c c o n t a c t ) 来定义。定义车体水平方向的初速度为1 3