（光学工程专业论文）汽车正面碰撞结构耐撞性与乘员保护关系研究.pdf

research relation of structural resistive performance and personal protection on automobile frontal collision a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by xia xiuyue supervisor: prof. hu yumei major: automotive engineering college of mechanical engineering of chongqing university , chongqing, china april, 2008 中文摘要 i 摘 要 我国的汽车生产厂商都在努力提高其产品的安全性能，力求通过碰撞法规或 在 c-ncap 规程中得到更高的评分，以此促进销量、提高产品竞争力。本文针对 我国的正面碰撞法规乘用车正面碰撞的乘员保护（gb11551-2003）和中国新车 评价规程（c-ncap） ，运用基于有限元法的 cae 仿真技术对微型客车的耐撞性 关键结构、结构的耐撞性能、假人伤害三个方面内容进行研究，揭示结构耐撞性 与乘员保护之间的关系，力求达到利用低成本、优结构来提高乘员被动安全性。 主要工作与结论如下： 建立了包括车身、悬架系统、轮胎、刚性墙、假人、安全带、安全气囊等 较为完整的汽车正面碰撞仿真有限元模型，为碰撞仿真奠定了基础； 利用结构耐撞性主要的评价指标：吸能总量、吸能比、质量能密度、相对 位移、最大加速度、平均加速度、加速度均方根等，找出微型客车中对乘员保护 起到重要作用的关键耐撞性结构：前纵梁、前轮罩支撑板、前轮罩和前地板； 根据结构耐撞性设计原则，对关键耐撞性结构，尝试从吸能特性、刚度分 配、材料屈服强度等方面研究结构参数的改变对假人伤害的影响，分析了改进结 构的耐撞性能和对乘员保护的作用，并兼顾成本和工艺，选择合理的结构参数匹 配，确定了最终的改进方案。结果表明：最终改进方案使假人的头部、颈部、胸 部和大腿达到高性能指标，同时符合我国正碰法规 gb11551-2003； 总结出汽车正面碰撞的结构耐撞性与乘员保护的相关关系， 即 “为了获得 对乘员的最佳保护，同时达到节约材料，降低成本，应在前轮罩支撑板的吸能量、 前纵梁的刚度分配、前地板刚度、前轮罩材料强度等主要因素方面进行考虑，权 衡利弊得失，选择最佳匹配值” 。 本课题揭示了微型客车正面碰撞的结构耐撞性与乘员保护部位的相关关系， 使得乘员保护在符合我国正碰法规（gb11551-2003）的同时，提高了其 c-ncap 的得分，可为微型客车生产厂家在提高其产品安全性能方面提供参考，并对碰撞 仿真技术的应用和拓展增添新内容。 关键词：关键词：cae 仿真，正面碰撞，结构耐撞性，hybrid50th 假人，乘员保护 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstract automobile manufacturers of our country are all making effort to enhance production performance to meet the requirement of crash code or get higher grader in c-ncap regulation, so as to increase the sold-out amount and competition ability of production. in allusion to the frontal crash codepassenger protection of frontal crash of passenger cars(gb11551-2003) and china new car assessment program (c-ncap), the critical structure、structure crash-enduring character and dummy damage of mini-passenger car is studied using the technique of cae based on finite element method, the relationship between structure crash -enduring character and protection of passengers is revealed, aimed to enhance the passive security of passenger with the used of low cost and excellent structure .the central technique outline is as follows: built the complete frontal crash simulation finite element model of mini-passenger car which including the body、 suspension system、 tires、 rigid wall、 dummy、 safety-belt、 safety-gasbag etc, settling base for crash simulation; made assessment on the main structure of the car with aspect to displacement deflection、energy abortion gross、energy absorption ratio、mass energy density、max acceleration、average acceleration、rms of acceleration , found out the critical crash-enduring structure of mini-passenger car: front carling、support bracket of front wheel cover、front wheel cover and front floor; according to the structure crash-enduring design principles, discussed the influence of structure parameters on dummy damage with respect to the energy absorption character、stiffness distribution 、material yield intensity, investigated the effect of improved structure on passengers protection, combining techniques and cost, chosen the reasonable structure parameters, determined the final improve method . the results indicated: the final improve method ensured high performance of head、neck、 chest and thigh of dummy, and the passenger protection meet the requirement of frontal code gb11551-2003 and c-ncap. summarized the relationship between structure crash-enduring performance and passenger protection, namely, in order to obtain the best protection of passengers and material saving, consideration should be taken from energy absorption、stiffness distribution of front carling、stiffness of front floor、material intension of front wheel 重庆大学硕士学位论文 iv cover, then choose the optimal match; this paper revealed the relationship between structure crash-enduring performance and passenger protection of frontal crash, made the passenger protection meet the requirement of frontal code gb11551-2003 and c-ncap, which could provide reference on security performance improvement, and add new content to the application of simulation technique. keywords: cae simulation, frontal collision, structure collision-enduring performance, hybrid50th dummy, passenger protection. 目 录 v 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 1 绪论绪论 . 1 1.1 课题背景和意义课题背景和意义 . 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 . 2 1.2.1 国外情况 . 2 1.2.2 国内情况 . 3 1.3 研究目的和内容研究目的和内容 . 4 2 整车有限元模型的建立整车有限元模型的建立 . 7 2.1 网格的离散化网格的离散化 . 7 2.2 单元特性的选取单元特性的选取 . 9 2.3 材料属性的选取材料属性的选取 . 9 2.4 整车模型的装配整车模型的装配 . 10 2.5 假人和安全带、安全气囊的建立假人和安全带、安全气囊的建立 . 11 2.6 正碰刚性墙的建立正碰刚性墙的建立 . 11 2.7 整车接触类型的选择整车接触类型的选择 . 11 2.8 整车沙漏的控制整车沙漏的控制 . 12 2.9 显示积分时间步长的控制显示积分时间步长的控制 . 13 2.10 本章小结本章小结 . 14 3 碰撞试验假人的标定碰撞试验假人的标定 . 17 3.1 头部标定头部标定 . 17 3.1.1 假人头部的结构特点 . 17 3.1.2 标定的方法与要求 . 18 3.1.3 头部标定模型和标定结果 . 18 3.2 颈部标定颈部标定 . 18 3.2.1 假人颈部的结构特点 . 18 3.2.2 标定的方法与要求 . 19 3.2.3 颈部标定模型和标定结果 . 19 3.3 胸部标定胸部标定 . 21 3.3.1 假人胸部的结构特点 . 21 3.3.2 标定的方法与要求 . 21 重庆大学硕士学位论文 vi 3.3.3 胸部标定模型和标定结果 . 21 3.4 膝部标定膝部标定 . 22 3.4.1 假人膝部的结构特点 . 22 3.4.2 标定的方法与要求 . 22 3.4.3 膝部标定模型和标定结果 . 22 3.5 本章小结本章小结 . 23 4 原车正面碰撞仿真的模型验证与结果评价原车正面碰撞仿真的模型验证与结果评价 . 25 4.1 仿真过程参数设置与控制仿真过程参数设置与控制 . 25 4.2 模型验证模型验证 . 25 4.3 结构耐撞性评价结构耐撞性评价 . 26 4.3.1 位移变形评价 . 26 4.3.2 吸能特性评价 . 29 4.3.3 加速度水平评价 . 31 4.4 乘员保护评价乘员保护评价 . 32 4.4.1 乘员保护评价指标 . 32 4.4.2 乘员保护具体评价 . 34 4.5 乘员约束系统评价乘员约束系统评价 . 40 4.7 本章小结本章小结 . 41 5 结构耐撞性与乘员保护关系研究结构耐撞性与乘员保护关系研究 . 43 5.1 正碰的主要耐撞性结构筛选正碰的主要耐撞性结构筛选 . 43 5.2 确定关键的耐撞性结构确定关键的耐撞性结构 . 49 5.3 结构耐撞性能探讨结构耐撞性能探讨 . 51 5.3.1 结构耐撞性的设计原则 . 51 5.3.2 结构耐撞性的主要影响因素 . 52 5.4 耐撞性结构的改动与评价耐撞性结构的改动与评价 . 52 5.4.1 前轮罩支撑板的结构影响 . 53 5.4.2 前纵梁的刚度影响 . 58 5.4.3 前地板刚度影响 . 64 5.4.4 前轮罩的屈服强度影响 . 70 5.5 确定最终改进方案确定最终改进方案 . 76 5.5.1 提出最终改进措施 . 76 5.5.2 评定最终改进方案 . 76 5.6 建立汽车正面碰撞的结构耐撞性与乘员保护的关系建立汽车正面碰撞的结构耐撞性与乘员保护的关系 . 88 5.6.1 分析结构耐撞性与乘员保护的关系 . 88 目 录 vii 5.6.2 建立结构耐撞性与乘员保护的关系 . 88 5.7 本章小结本章小结 . 89 6 结结 论论 . 91 致致 谢谢 . 93 参考文献参考文献 . 95 附附 录录 . 99 a. 作者在攻读学位期间发表的论文目录作者在攻读学位期间发表的论文目录 . 99 b. 作者在攻读学位期间参与的科研项目作者在攻读学位期间参与的科研项目 . 99 重庆大学硕士学位论文 viii 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题背景和意义 随着汽车速度的提高，汽车保有量的增加，我国汽车交通事故也越来越严重， 己经连续数年是交通死亡人数最高的国家之一，尤其是在 2001 年至 2004 年，连 续 4 年死亡人数均超过 10 万人1。因此，汽车安全技术的研究己成为汽车科技研 究的重大课题。汽车的安全性分为主动安全性和被动安全性两大类。主动安全性 是指通过对汽车内部结构进行更趋合理有效的设计，优化车辆驾驶操纵系统的人 机环境，主动防预事故的发生；被动安全性主要是指汽车在发生意外的碰撞事故 时，如何对驾乘者进行保护，尽量减少其所受的伤害。目前，国内外关于汽车被 动安全性的研究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。提高汽车的被动安全性，在碰撞 事故中对人员采取有效的保护措施是汽车公司提高其产品竞争力的最重要手段之 一。汽车的被动安全性与人的生命和企业的效益紧密相连，因而得到了国家的高 度重视。 在 1995 年 9 月， 中国汽车被动安全技术专业委员会的成立标志着我国汽 车被动安全性研究工作走上了系统化和正规化的发展道路。 正面碰撞是被动安全性研究的最重要内容。通过研究表明：在所有汽车碰撞 事故中，发生正面碰撞(包括斜碰)的概率接近 40%2，如图 1.1 所示。因正面碰撞 (包括斜碰)死亡的人数占因各种碰撞事故死亡人数的 71.6%3，如图 1.2 所示。 由此可见，汽车前方位不仅是碰撞事故的高发区，而且还是乘员生命安全的 高危区。因此，研究汽车正面碰撞安全性对减轻交通事故中人员的伤害具有非常 重要的意义。2000 年 1 月关于正面碰撞乘员保护的设计规则的实施标志着我 图 1.1 包含所有伤害类型碰撞事故的概率分布 fig 1.1 probability distribution of crash accident including all damage types 图 1.2 不同撞击部位的死亡人数 fig 1.2 death toll of different crash position 重庆大学硕士学位论文 2 国的碰撞法规正逐渐与国际接轨 。 正面碰撞的乘员保护与汽车结构耐撞性非常相关，许多研究表明：优化车架 吸能结构、改变车身前部变形区的刚度、改进转向系统、增加防撞杆等方法都可 以有效地提高汽车结构的耐撞性能，从而达到增强对乘员保护的目的。虽然新设 计车型的结构耐撞性对乘员保护的最终评定是通过车辆碰撞性能实验来检验的， 但是不论是台车碰撞模拟试验还是实车碰撞试验，试验中都要用到大量的传感器 和一些高速摄像机，这些数据采集系统在试验前都要进行严格的标定，试验准备 工作十分耗时，并且车辆碰撞试验是破坏性试验，试验所需费用十分昂贵；另外， 由于试验中存在一些随机因素的影响，往往使试验结果不够稳定，可重复性差。 因此，完全依靠实验进行汽车安全性的设计与改进是不合理的。 为了降低成本、 缩短研发周期、 提高企业效益， 国内各大汽车公司运用了 cae 仿真技术，对汽车碰撞过程进行计算机仿真，这样不仅能较准确地预测碰撞过程 中乘员的响应与伤害程度，而且还能预测汽车结构本身的耐撞性能、评价汽车耐 撞结构的好坏，同时进行相应的改进与优化，从而可以快速地评价并选出最佳的 设计方案，使碰撞试验的费用减到最少。本课题利用计算机仿真的手段，探讨汽 车吸能结构的耐撞性能及其与乘员保护的相关关系，探讨最优的耐撞结构和对乘 员最佳的保护，并缩短我国与外国先进技术的差距。同时，本课题的研究涉及大 变形结构接触理论、沙漏控制理论、点焊失效控制理论、大变形结构耐撞性理论、 人体碰撞生物力学与人体伤害限度评定、材料力学与吸能结构的耐撞性、材料力 学与假人仿真、有限元分析与结构优化设计等多方面的理论与知识。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外情况 国外对整车碰撞的计算机仿真研究始于上世纪六十年代，由于计算机硬件、 软件和算法理论的局限， 整车碰撞的计算机仿真技术发展缓慢。 直到 1986 年美国 运用 ls-dyna 首次成功地模拟了整车大变形碰撞后，基于动态显式非线性有限 元法的 cae 仿真技术在国际上才逐渐得到广泛应用。 国外开展的汽车碰撞计算机 仿真研究内容主要包括事故再现(accident reconstruction)、碰撞受害 者仿真(crash victim simulation)、汽车结构耐撞性仿真(simulation of automobiles crashworthi-ness)。 其中运用 cae 技术对汽车结构耐撞性 仿真研究较为深入。 早在 1993 年， a.k.pickett 等人就利用反复数值模拟的方法对 客车碰撞性能进行优化改进4；l.castejon 等人对汽车碰撞吸能结构进行设计5； albert 等人对碰撞能量最优分配原则进行研究6；到 1996 年 6 月，日本丰田汽车 公司就已经开发出满足汽车安全标准部分要求的安全车身，并将其正式安装在 1 绪论 3 toyota/starlet 等轿车上。这些研究成果大大地推进了代表当今世界最高水平的 碰撞安全技术的研究步伐7，从而显著地增强了对乘员的保护功能。近 10 年来， 随着大量分析数据和设计经验的不断积累，国外各大汽车公司都有了自己的车身 结构分析数据库，包括不同的车身结构形式，车身上每个构件的自身特性及其对 整体性能的贡献大小等都有详细的描述，使得设计人员在协调车身制造和工艺两 方面要求的情况下，对车身结构进行有效的改进与设计，并能快捷地评估设计方 案，以保证碰撞安全及乘员保护的要求。值得一提的是 sae2006 国际年会关于汽 车结构耐碰撞性设计、生物力学、乘员约束系统和行人碰撞保护等方面的论文就 达到了 353 篇8，内容涉及该领域里几乎所有的重要方面。 伴随着汽车 cae 仿真技术的进步，相应的 cae 软件也得到了发展。关于汽 车碰撞具有代表性的商品化软件有美国开发的 cal3d 软件，荷兰开发的 madymo 软件，美国 lstc 公司开发的 ls-dyna3d 软件，法国 esi 公司开发 的 pam-crash 软件。根据建模方法和功能的不同，将这些软件分为两类：一类 是碰撞伤害仿真软件（如 cal3d 和 madymo） ，这类软件从上世纪 70 年代开 始发展起来的，采用的是多刚体系统动力学理论建模，主要用来模拟碰撞事故中 乘员与环境的相互作用。另一类是采用显式有限元理论建模，主要描述车身结构 的耐撞性，这类软件是从上世纪 80 年代开始发展起来的，以 ls-dyna3d 和 pam-crash 为代表。 它们是基于显式有限元法的计算机三维碰撞冲击仿真系统， 能够对大位移、大旋转、大应变、接触碰撞等问题进行十分精确的仿真，并且包 含了汽车经常使用的 100 多种材料模型，还允许用户输入自定义的材料特性。 1.2.2 国内情况 国内汽车被动安全性研究开展较晚，无论是在研究广度上还是在研究深度上 都与国外存在较大的差距。早期研究内容主要围绕数值模拟方法和数值计算方法 进行。吉林大学与长春汽车研究所合作，使用 msc/dytran 碰撞仿真软件完成 了红旗轿车的碰撞仿真过程，通过控制车身前纵梁等主要吸能结构的失效模式、 提高其吸能性能来减少碰撞时对乘员的伤害。近几年，随着我国 cmvdr294 正 面碰撞法规的颁布，微型客车的正面耐撞性研究成为了热点。清华大学、吉林大 学、湖南大学、上海交通大学等高校围绕微型客车正面耐撞性改进开展了以数值 模拟为主要手段，结合实车碰撞试验的车身结构改进研究。与此同时，碰撞过程 的计算机仿真也取得了一些成果，例如：吉林大学对计算机模拟碰撞中所需的汽 车碰撞刚度和正面碰撞方程等问题进行了研究；清华大学将多刚体动力学应用于 碰撞事故中人体的运动模拟，研究安全带对人体的保护作用；湖南大学钟志华等 人使用有限元法对汽车结构的耐撞性进行仿真研究。 随着汽车被动安全性研究的发展，汽车碰撞安全与乘员保护受到了广泛的关 重庆大学硕士学位论文 4 注。1999 年 10 月 28 日，我国颁布了第一项汽车技术法规-关于正面碰撞乘员 保护的设计规则 。按照法规中 cmvdr294 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的要求、对乘员约束系统的要求、对假人伤害指标的要求 以及对燃油泄漏的要求等。但是，当时由于我国汽车工业水平比较落后，汽车产 品的开发设计能力相对薄弱，而且汽车厂商对其产品的设计开发重视不足，导致 我国生产的微型客车的正面碰撞性能几乎都达不到法规要求。虽然一部分微型客 车经过车身结构的耐撞性改进，以及增加安全气囊等乘员约束系统的装置来达到 cmvdr294 法规要求， 但是这是以牺牲车身结构其它方面的性能和追加产品成本 为代价的，因而降低了产品的市场竞争力。 为了降低成本、 提高产品的竞争力， 国内各大汽车公司运用了 cae 仿真技术 进行汽车研发。但是，由于我国汽车 cae 仿真技术起步较晚，真正把汽车 cae 仿真技术应用到产品研发中去，面临的问题还很多。例如：如何对微型客车的正 面碰撞结构进行优化，以达到对乘员安全的最佳保护，使产品达到国家正碰法规 cmvdr 294 的要求，同时还能减轻重量、降低成本，就是当前微型客车厂商急 需解决的问题。 1.3 研究目的和内容 本课题运用基于有限元法的 cae 仿真技术对微型客车的耐撞性关键结构、 结 构的耐撞性能、假人伤害三个方面内容进行研究，揭示结构耐撞性与乘员保护之 间的关系，力求达到利用低成本、优结构来提高乘员被动安全性。主要内容如下： 整车有限元模型的建立 应用 ansa 软件建立整车有限元模型： 进行车身的壳单元离散； 轮胎的处理、 悬架系统的处理、有限元网格质量的控制、焊点的模拟、单元特性的选取、材料 模型的建立、部件的接触定义、时间步长与沙漏控制；对 hybrid50th 假人的坐 姿进行调整；建立安全气囊有限元模型，对安全气囊参数进行设定；将安全带进 行固定连接，并调整安全带与假人的接触距离；对于轮胎和悬架系统进行调整和 连接；建立刚性墙。 碰撞试验假人的标定 根据标定的要求和标定方法，建立假人头、颈、胸、腿的试验标定仿真模型， 进行头部加速度、颈部弯曲和伸张的伤害力和伤害力矩、胸部压缩量、膝部冲击 力的评价与标定。 原车正面碰撞仿真的模型验证与结果评价 将原车正碰仿真结果与该微型客车正碰的实验数据进行对比：选取汽车最关 键的吸能结构纵梁的仿真变形与实际变形进行比较，验证仿真模型的正确性。 1 绪论 5 改进的结构耐撞性与乘员保护关系研究 通过位移变形、吸能总量、质量能密度、吸能比、最大加速度、平均加速度、 加速度均方根这些评价指标，筛选出对整车耐撞性能起决定性作用的关键结构； 依据我国的正碰法规 gb11551-2003 和 c-ncap 规程，对假人的头部、颈部、胸 部、大腿、小腿等部位的伤害进行全面的评价，找到超出法规的伤害部位，从结 构耐撞性能方面分析伤害超标的各种原因；根据提高结构耐撞性设计原则，从关 键耐撞性结构的吸能特性、刚度分配、屈服强度等方面探讨提高结构耐撞性和乘 员保护的各种改进方法，并对每种改进措施的效果进行评价；兼顾工艺、成本等 要求，选择合理有效的方法进行综合改进，使得最终的改进方案对乘员的保护符 合 gb11551-2003 和 c-ncap 的要求。 建立汽车正面碰撞结构耐撞性与乘员保护的关系 分析每次得到的假人伤害指数和对结构耐撞性能起重要作用的相关参数，将 假人的伤害值与正碰法规值对比，评价改进方案对乘员保护的效果大小，总结各 个改进方案中，结构和耐撞性改进对乘员保护明显的部位，建立结构耐撞性与乘 员保护部位相对应的关系。 重庆大学硕士学位论文 6 2 整车有限元模型的建立 7 2 整车有限元模型的建立 汽车正面碰撞是一个动态的大位移和大变形过程，接触和高速冲击载荷影响 着碰撞的整个过程，