（光学工程专业论文）轻型载重汽车正面碰撞控制结构分析与改进.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 轻型货车的结构特点决定了其前部缓冲吸能区短，一旦发生正面碰撞，司乘人员容 易发生伤亡事故。在我国，轻型货车在安全技术、安全装备和乘员约束系统上要明显落 后于乘用车，而且国内对于轻型货车的被动安全性也缺乏足够的重视，暂时还没有专门 针对轻型货车安全的强制性法规出台。近年来，随着我国公路运输对高速重载要求的不 断提高，轻型货车的被动安全问题日益突出。因此，为保护乘员，促进我国交通运输业 和汽车工业的健康发展，对轻型货车的正面碰撞安全性进行研究很有必要。 本文在参考大量国内外资料及前人工程经验的基础上，提出了针对轻型货车正面碰 撞安全结构的设计思想和方法。然后运用非线性有限元技术，对国内某款平头轻型货车， 参照c - n c a p 进行了正面刚性墙碰撞计算机仿真模拟，并对整个驾驶室和主要吸能构件 的碰撞变形及其变形特性进行了较为详细的分析讨论。从整车加速度、乘员生存空间等 方面研究了轻型货车碰撞安全性能的要求。然后针对原保险杠缓冲吸能区构件吸能能力 的不足，设计了多胞方管缓冲吸能装置，并对缓冲吸能区结构进行了相应改进。碰撞仿 真结果表明改进后的轻型货车碰撞安全性有了显著的提高。 在此基础之上，为了实现尽量增加吸收碰撞能量的同时，使得轻型货车的保险杠缓 冲吸能构件能够发生稳定的压缩变形，对不同的缓冲吸能结构进行了对比研究和优选。 采用计算机仿真模拟的方法，分析了金属薄壁方管在轴向压缩过程中的变形特性，设计 了一种具有较强吸能能力、压缩过程平稳的吸能结构：带有隔板和变形引导槽的双层薄 壁方管，为轻型货车正面碰撞安全设计与改进提供了有效的参考。 关键词：轻型货车；安全性；仿真；吸能构件 轻型载重汽车正面碰撞控制结构分析与改进 t h es t r u c t u r ea n a l y s i sa n di m p r o v e m e n tf o rl i g h t d u t yt r u c k i m p a c tsa f e t y a b s tr a c t t h es t r u c t u r eo ft h el i g h td u t yt r u c kd e c i d e st h a tt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ep a s s e n g e r sa n d t h ef r o n tf a c ei ss os h o r t s ot h ep a s s e n g e r sw o u l db ep r e s s e da n dl e a dt od e a t hw h e na c c i d e n t o c c u r r e d i no u rc o u n t r y ，c o m m e r c i a lv e h i c l ed r o p sb e h i n dp a s s e n g e rc a re v i d e n t l yi ns a f e t y t e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t i n s u f f i c i e n ta t t e n t i o ni sp a i dt oc o m m e r c i a lv e h i c l ep a s s i v es a f e t y a n dn oc o m p e l l i n gr u l ei sc a r r i e do u tf o rt h em o m e n t i tb e c o m e sam o r ea n dm o r es e r i o u s p r o b l e mt h a tp a s s i v es e c u r i t yo fc o m m e r c i a lv e h i c l eb e c a u s et h ed e m a n do ft r u c ko fh i 吐 s p e e da n db u r d e n t op r o t e c tt h ep a s s e n g e r sa n dp r o m o t eo u rc o u n t r yt r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r y a n dt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y ，t h er e s e a r c ho ns e c u r i t yo f l i g h t d u t yt r u c ki sn e e d e d o nt h er e f e r e n c eo ft h er e s e a r c ha b o u tv e h i c l e ss e c u r i t ya th o m ea n da b r o a d , i t e s t a b l i s h e saw a yf o rc o u p l i n gt h ev e h i c l ed e c e l e r a t i o na n d 也eo c c u p a n tr e s t r a i n ts y s t e m t h e t h e s i sd i dc o m p u t e rs i m u l a t i o nb a s e do nn o n - l i n e rf e mf o ra1 i g h td u t yt r u c kw h i c hi s d e s i g n e db yad o m e s t i cc o r p o r a t i o n a to n et i m e ，p a r t i c u l a ra n a l y s i sw a sa c c o m p l i s h e df o rt h e v a r i e t yc h a r a c t e r i s t i c so fd i s p l a c e m e n to ft r u c ka n dt h em a i np a r t s a i m i n ga tt h ef o r m e r d e s i g n sc r a s h i n gs a f e t yd e f - e c t s ，t h ee n e r g y - a b s o r p t i o nd e v i c e 丽mt h em u l t i - c e l lt u b eh a s b e e nd e s i g n e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gs u b s t r u c t u r eo ft h et r u c kh a sb e e ni m p r o v e d t h et r u c k s c r a s h i n gs e c u r i t yh a sb e e ni n c r e a s e dn o t a b l ys h o w nf r o mt h ed u m m yc r a s h i n gt e s tr e s u l t s t a b l ef o l d i n gm o d eo fv e h i c l ef r o n tr a i l sd u r i n gf r o n t a li m p a c ti st h ek e yt oa c h i e v e d e s i r e dd e c e l e r a t i o np u l s e a tl a s t t h ed i f f e r e n c ee n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c eh a sb e e n c o m p a r a t i v es t u d i e da n do p t i m i z e d u s i n g 矗n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n dt e s t v a l i d a t i o n b e n d i n gs t i f f n e s so ft h i n w a l ls q u a r et u b e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e f o r m a t i o ni n i t i a t o r s a r es t u d i e df o ra c h i e v i n ga p p r o p r i a t ee n e r g ya b s o r p t i o n an e wc o n s t r a i n e d - i n i t i a t e ds q u a r e t u b ei s d e s i g n e df o rf r o n tf r a m ed e f o r m a t i o na n dc r e a t e sap r o c e s sf o rd e s i g n i n ga n d i m p r o v i n gv e h i c l ef r o n t a lc r a s hp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：l i g h td u t yt r u c k ；s a f e t y ；s i m u l a t i o n ；e n e r g y - a b s o r p t i o nc o m p o n e n t i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文 作者签名 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 公路交通运输在综合运输体系和国民经济体系中正发挥着越来越重要的作用，公路 货运比重已占货运总量的5 0 以上，位居各类运输手段中的首位【l 】。商用车以其所具有 的方便、快捷、运输成本低、经济效益高等优势而成为公路运输的主力军。 然而，中国的公路交通安全状况却不能不令人担忧。据公安部的统计显示，2 0 0 6 年，全国共发生道路交通事故3 7 8 7 8 1 起，造成8 9 4 5 5 人死亡，4 3 11 3 9 人受伤，直接财产 损失1 4 9 亿元。与西方发达国家相比，我国的交通事故率、单位公里死亡人数等数据均 高出一个数量级【1 1 。汽车安全问题已经成为阻碍我国交通运输业和汽车工业健康发展的 因素之一。 国家发改委经济运行与发展研究室主任、高级研究员王小广博士0 6 年曾预计：“商 用车行业还会有1 0 年的增长期。商用车尤其是轻卡，最少也有2 倍以上的增加。 t 2 1 2 0 0 7 年，随着国家对“三农”的投入不断加大，大量农民开始淘汰农用车，因此承载性好、 性价比高、附加值高的轻型货车产品成为农民的首选车。另外，我国加快了以国家高速 公路网为载体，以国家公路运输枢纽为龙头的运输站场建设，基本形成了快速货运网络， 能够实现4 0 0 - - 5 0 0 k m 以内当日往返、8 0 0 1 0 0 0 k m 以内当日到达的目标，正在形成以农 村公路为依托，遍布城乡、四通八达的全国农村货运输网络。这促进了物流业的飞速发 展，近几年我国物流业呈现大幅增长态势，从而拉动了对货车的需求。轻型货车，特别 是轻型厢式货车，非常适合短途和城市内的物流配送，从而促进了轻型货车的需求。受 这些因素的影响，轻型货车2 0 0 7 年保持稳定增长，产销量分别为1 0 1 9 3 1 3 辆和1 0 0 5 2 6 4 辆， 比2 0 0 6 年分别增长1 9 5 和1 7 6 。2 0 0 7 年轻型货车的产销量接近2 0 0 1 年的3 倍。从总量 上来看，轻型货车占商用车的份额非常大，2 0 0 7 年占商用车市场份额的4 0 3 。 随着轻型货车保有量的增加，其安全性也越来越受重视。 我国轻型货车多为平头设计，兼有运货、载客的双重功能。轻型货车的安全性设计 和改进比较困难。一方面，由于造型和传统的原因，驾驶室前部缓冲吸能区距离短，且 其载货运输时的动能和惯性比一般乘用车大，整体刚度却比大、中型载重汽车小，在碰 撞安全性方面存在很大隐患：另一方面，它的载客功能( 比如大头车) 使驾驶室内乘员 较多，而且一般不配备安全气囊或安全带预紧器等乘员保护系统。因此，当发生碰撞时， 事故对乘员造成伤害的程度往往比较严重。由于汽车正面碰撞是最常见的交通事故之 轻型载重汽车正面碰撞控制结构分析与改进 一，正面碰撞事故中造成的死亡的人数占首位【3 1 。所以，对轻型货车的正面碰撞安全性 能的设计和改进很有必要。 1 2国内外汽车碰撞安全的研究现状 国外对汽车碰撞研究比较早，技术水平也比较高。 国外商用汽车制造商认为商用汽车的安全性和轿车的安全性同样重要。美国、欧洲 已制定了相应的法规，对商用汽车安全性的事故形态、安全指标和详细的试验方法都做 了明确规定 3 】。同时，国外一大批科学家在动态显式有限元方法的基础上，形成了较完 善的汽车碰撞动力学，可以处理具有大位移、大转动、大变形及未知接触界面等非线性 特征的汽车碰撞问题。汽车碰撞动力学以数值分析为核心，着重研究汽车碰撞过程中的 动态响应及其相关问题，主要包括：多刚体系统动力学、动态显式有限元方法、零能模 式控制、剪切自锁控制、点焊模拟方法、摩擦力计算方法、材料本构关系掣4 1 。国外对 汽车碰撞的计算机模拟研究始于上世纪六十年代，但一直受限于计算机硬件技术和算法 理论的发展，真正的突破始于1 9 8 6 年l s d y n a 首次成功地模拟了整车大变形，从此 以后，基于动态显式非线性有限元技术的碰撞仿真方法在国外开始得到广泛的使用。现 在已经有了许多成熟的用于碰撞模拟的商业化软件，如：l s d y n a 、p a m c r a s h 和 m a c d y t r a n 等【3 , 4 】。与此同时，国外也进行了大量的研究与试验，丰富了汽车碰撞 动力学的内容，为汽车的车体结构设计提供了新的手段，这对确保交通运输产业的可持 续发展具有重要的意义。同时随着大量分析数据和设计经验的积累，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 特性及对其整体性能贡献大小等都有详细的描述，这使得设计人员在很好的协调车身制 造和工艺两方面要求的情况下，对车身结构设计进行有效地修改和调整，以及能够方便、 快捷地评估设计方案，从而可以在整个设计过程中很好的把握车身结构的力学特性，以 保证各项主要性能指标达到要求。 我国汽车安全研究工作起步较晚，在设计、技术方面的积累相对薄弱。 但是我国科研人员立足于自主研发，通过大量的零部件试验，整车试验和模拟计算 分析，逐步摸索出汽车碰撞安全的一些规律，并完成了一系列车型的正面碰撞安全性改 进。其中，清华大学、吉林大学、上海交通大学等高校围绕乘用车正面抗撞性改进开展 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【6 】。国家也已经建立 了多处碰撞试验室，成立了汽车安全性能检测单位，为提高我国汽车被动安全性水平打 下了坚实的基础。一汽集团技术中心根据欧洲商用车驾驶室碰撞安全法规( e c e 2 9 ) 中 大连理工大学硕士学位论文 关于正面碰撞试验的试验规范，研制出了驾驶室正面摆锤碰撞试验机，并在实车碰撞试 验领域做了一些有益的尝试。该试验装置的成功研制和实车碰撞试验的开展，为商用车 驾驶室安全设计提供了试验基础，对我国汽车行业在商用车被动安全领域的研究发展具 有重大的实际意义【8 , 1 0 】。但是由于我国在汽车碰撞安全领域的研究起步较晚，在汽车改 进过程中缺少理论指导，往往对众多方案进行大量的计算分析和试验，改进方案也大都 局限于如何降低碰撞加速度，保证乘员空间不受到挤压等单一表面问题的解决，尚未形 成汽车安全性设计的系统化研究。 1 3 国内外汽车碰撞安全法规概述 我国汽车的出口量呈逐年增长的态势。按照出口金额对比，我国的商用车出口位居 我国汽车出口的第一位，并且绝大多数是具有我国自主品牌的产品。要想提高产品在国 际上的竞争力，必须使产品符合国际承认的安全标准。 汽车工业发达国家很早就制定了汽车碰撞安全法规，对于在试验中达不到法规要求 的车辆，不准许在市场销售【_ 7 1 。其中有代表性的是美国的联邦机动车安全法规( f m v s s ) 和欧洲法规( e c e ) ，其他如日本、加拿大、澳大利亚等国家的法规基本上是参考美国 和欧洲的法规制定的。 其实满足汽车碰撞安全法规的要求只是达到了汽车安全的基本要求，为让消费者能 了解并比较新车的安全性能，欧美汽车界建立了著名的新车评价程序n c a p ( n e wc a r a s s e s s m e n tp r o g r a m ) 。 n c a p ，吕p n e wc a ra s s e s s m e n tp r o g r a m ，是“新车评价规程”的英文简称，是最早 在美国开展并已经在欧洲、日本等发达国家运行多年的新车评价程序，一般由政府或具 有权威性的组织机构，按照比国家法规更严格的试验方法，对在市场上销售的车型进行 碰撞安全性能测试、评分和划分星级，并向社会公开评价结果。由于这样的测试公开、 严格、客观，为消费者所关心，因此也成为汽车企业产品开发的重要规范，对提高汽车 安全性能作用显著。近年，更多国家开始重视和建立本国的n c a p 【l l 】。 中国汽车技术研究中心在深入研究和分析国夕b n c a p 的基础上，结合我国的汽车标 准法规、道路交通实际情况和车型特征，并进行广泛的国内外技术交流和实际试验，确 定了c - n c a p 的试验和评分规则。c - n c a p 是将在市场上购买的新车型按照比我国现有 强制性标准更严格和更全面的要求进行碰撞安全性能测试，评价结果按星级划分并公开 发布。c - n c a p 与我国现有汽车正面和侧面碰撞的强制性国家标准相比，不仅增加了偏 置正面碰撞试验，还在两种正面碰撞试验中在第二排座椅增加假人设置，以及更为细致 严格的测试项目，技术要求也非常全面【l l 】。c - n c a p 对试验假入及传感器的标定、测试 轻型载重汽车正面碰撞控制结构分析与改进 设备、试验环境条件、试验车辆状态调整和试验过程控制的规定都要比国家标准更为严 谨和苛刻，与国际水平一致。今后，c - n c a p 还将随着技术的发展进行完善。 目前我国的法规还没有专门对商用车驾驶室安全强度提出要求，行业内缺乏统一的 标准。中国汽车产业“十一五发展规划纲要表明，商用车辆驾驶室内乘员保护是 在“十一五 期间拟制定颁布的标准法规目录之一，直接关系到商用车驾驶室的安全。 据了解，全国汽车标准化技术委员会在2 0 0 5 年年底成立的“商用车安全工作组 直接 负责上述标准的制定，汽标委是牵头单位，一汽，东风，重汽，江淮等都是标准制定参 与单位。商用车辆驾驶室乘员保护作为强制国标，可能将于2 0 0 9 年出台。 1 4 本文的主要研究内容 国内针对轻型货车碰撞安全性方面的研究很少。本文主要以仿真模拟作为研究手 段，采用理论分析和计算机模拟相结合的方法，对某轻型卡车与刚性墙正面碰撞的工况 进行研究，进而评价其结构的安全性能。本文的主要内容为： ( 1 ) 在c - n c a p 法规下对某轻型货车进行正面碰撞仿真，通过分析仿真结果，找出 该车在安全性方面的不足，然后对保险杠缓冲吸能区进行优化改进，并对改进后的轻型 货车再次碰撞仿真，评价改进的效果。 ( 2 ) 基于预变形控制理论，设计一种新型的带隔板的双层薄壁金属方管吸能结构， 并通过a n s y s l s d y n a 软件进行仿真，考察其承载能力。 图1 1 为本文的技术路线： 不合理 上 局 分 确整 部 建 安 析 正 圭 改 模 结 整 问 要 碰进 并 果 厶 奎 全 得 撞 及 进 后 口 碰 性 目 到 题 - 改 - 外 行 处 理 撞能 了e 分 并 进 性 理 性 满 析 规 的 能 刮 仿 及 能 足 报 目 分 设 真 分验 预 匕 划 标 析 计模 析 证 1 7 ：1 定 拟 型 _ _ _ _ - _ 否 图1 1 轻型货车碰撞安全性改进的技术路线 f i g 1 1 t e c h n i c a lr o u t eo fi m p r o w m e n tf o rl i g h t d u t yt r u c k ss a f e t y 大连理工大学硕士学位论文 2 轻型货车碰撞安全性的研究方法及理论基础 人体是一个非常复杂的生命体，法规所确定的安全标准就是人体对这些导致司乘人 员伤亡因素的极限承受能力的一个评定准则，也是对汽车安全技术水平提出的最低要 求。但是，安全标准只给出了人体安全状况的允许值，并未指明提高汽车安全性水平的 具体方法与措施。要真正提高汽车的碰撞安全性能，必须从分析导致车内司乘人员伤亡 的根本原因出发，并将它们对人体的伤害降至最低。 2 1轻型货车正面耐撞结构的控制目标与设计思想 一般来说，驾驶室变形过大和碰撞减加速度过大均是轻型货车正面碰撞事故中导致 司乘人员伤亡的主要原因【1 3 】。 由于轻型货车的驾驶室多为平头结构，可利用的缓冲吸能距离很短，一旦发生正面 碰撞的交通事故，乘员可能由于没有足够的生存空间，被挤压而导致受伤、死亡或卡在 驾驶室中而无法实施救援工作，耽误了宝贵的抢救时间。因此，要在整个碰撞过程中尽 量保持驾驶室的完整，以保证司乘人员有足够的生存空间。 在轻型货车碰撞安全性的研究中，正面耐撞性结构的另外一个重要任务就是使作用 于司乘人员身上的冲击载荷满足预定要求。 因此，在设计耐撞性结构时应主要考虑以下两个方面的问题： ( 1 ) 轻型货车在正面碰撞过程中究竟需要具备什么样的力学特性才能使司乘人员得 到有效的保护。 ( 2 ) 究竟要采用什么样的结构才会具备所需的力学性质。 良好的正面碰撞力学特性就是尽可能降低一次碰撞中传递到司乘人员身体上的最 大加速度峰值，并使碰撞过程中的冲击载荷曲线尽量平稳【1 5 】。 一旦确定了耐撞性结构应具备的力学特性，下一步就要确定结构设计所采用的控制 方式，即：耐撞性结构如何能够使得轻型货车的正面碰撞过程以设想的方式进行，也就 是如何实现正面碰撞过程控制的问题，一直是工程技术人员十分关心的研究课题【1 4 】。 从能量消耗的角度来看，尽管摩擦吸能原理早就为人们所认识，但摩擦力在本质上 具有不稳定的缺点，影响了它的工程应用【1 5 】。因此，轻型货车正面碰撞控制结构的主要 形式就剩下弹簧一阻尼式、纯阻尼式及金属结构等三种形式，前两种形式是阻尼吸能原 理的具体应用，后一种则是运用了金属材料的塑性变形吸能原理。 一个设计良好的耐撞性结构必须在碰撞过程中以可控制的方式吸收或耗散全部的 冲击动能，而不能是存储碰撞能量，如结构自身无法满足吸收全部碰撞动能的要求，则 轻型载重汽车正面碰撞控制结构分析与改进 需要采用专门的结构元件作为能量吸收装置【1 6 】。因此，能量的吸收是耐撞性结构研究的 核心问题。在上述三种能量吸收方式中，金属材料的塑性变形是最为有效的能量吸收方 式，而且由于材料来源广泛，成本低，容易加工而得到广泛的实际应用。 在轻型货车前部变形区长度不能增加的情况下，只有在提高变形区吸能效果而又不 过量增加碰撞加速度的前提下进行主体碰撞控制结构和吸能元件的设计和改进，以确保 变形区能够吸收大部分撞击能，并使耐撞结构能够以渐进的、稳定的压缩变形模式吸收 碰撞能量，同时保证驾驶室具有足够的变形刚度。另外，还需要借助于改进车架的横梁、 纵粱及驾驶室前围等其他吸能元件的结构、连接方式与它们之间的匹配，以提高轻型货 车整体结构的吸能能力。 2 2 轻型货车正面耐撞结构的研究方法 汽车正面耐撞性的研究方法主要有实车试验法、经验法和数学分析法等【1 7 】。 早期的汽车耐撞性研究主要采用试验手段来进行。在7 0 年代以前，汽车对障碍物 的撞击试验是评价一辆汽车抗撞能力的唯一方法。制造商们为了评价某种车型零部件更 改的效果，并证明最终产品符合各项汽车安全标准，往往需要投入数百万美元的费用， 进行数百次试验，这是一种很昂贵的试错过程。虽然实车试验成本高昂、技术复杂，而 且必须在试验前生产出样车，这就使得安全性能的验证在产品的早期设计阶段无法实 施，拖长了新车型的设计周期，而且试验可重复性差，但是，实车试验法是直接而客观 的验证方法，实车碰撞试验所模拟的工况与实际交通事故最为接近，试验结果最有说服 力，到目前为止，仍是不可替代的试验方法【3 】。若要在不影响安全性能的前提下，尽量 缩短设计周期，提高产品的市场竞争力，就需要寻找到一种切实可行的方法，能够在产 品设计阶段就可以对其安全强度进行评估，及时提出改进意见，减少实车碰撞试验的次 数，降低设计开发成本。 经验法是最直接的设计方法，主要是技术人员凭借以往的汽车安全性结构的设计经 验来设计和改进汽车的安全性结构。 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。 解析法以矢量力学和分析力学为基础，采用自由度少，计算量不大的几种质量模型。 该模型只能获得总接触力，得不到力的分布情况，多用于预测交通事故中汽车的运动。 多刚体系统动力学方法是近2 0 年来在经典刚体力学、分析力学和计算机技术基础 上发展起来的力学分支，它以多刚体为研究对象，建立所研究系统的数值模型，采用刚 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 体、无质量弹簧、阻尼和各种动态铰来描述刚体的动态响应，对它们进行运动分析和动 力分析。美国e a s i 公司的e a s i - - m a d 和荷兰国家科学研究院开发的m a d y m o 等碰 撞仿真软件都成功地应用了多刚体动力学理论。该方法的优点是模型简单、编程方便以 及运算快捷，能够很好的处理非线性问题，适合于进行人体动力学响应分析( 在汽车碰 撞中也称为碰撞受害者模拟) ，但是这种方法不能很好地体现出车身结构的变形特性， 不能对结构的碰撞性能进行分析。因此，该方法在汽车碰撞仿真中常用来对人体模型的 碰撞响应进行分析【2 1 1 。 有限元法是一种数值方法，其基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且 按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式组合起来， 并且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限元法 作为数值分析方法的另外一个重要特点就是利用在每个单元内假设的近似函数来分片 地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数及其导数在 单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未 知场及其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量( 也即自由度) ，从而使一个连续 的有限元自由度问题变成离散的有限元自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通 过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域内的近似解。显然 随着单元数目得到增加，即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精 度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后收敛于 精确解2 1 1 。 采用有限元法进行的分析与计算都是在计算机上进行，用于碰撞模拟的有限元软件 最常用的是a n s y s l s d y n a 、p a m c r a s h 和d y r r a n 。 目前，汽车抗撞性研究一般都采用实车试验和数值模拟相结合的手段。汽车碰撞模 拟理论的发展过程就是不断将最新的力学成果融入其中的过程。随着牛顿矢量力学、拉 格朗日分析力学、多体系统动力学和有限元理论的应用，以及数值方法和计算机技术水 平的不断提高，汽车碰撞模拟计算理论和方法得到了不断发展和完善。 与实车试验相比，计算机仿真具有以下优越性： ( 1 ) 所需周期短。计算机仿真与c a d c a m 相结合，使得新产品的被动安全性能在 产品的开发设计的过程中就可以得到控制，缩短了产品开发研制的周期。 ( 2 ) 所需费用低廉。由于不需要实车试验中所需的大量传感器、高速摄像机、强光 源、动力驱动装置等硬件设备，而且在进行整车被动安全性仿真时，不需要进行破坏性 试验，因此可以大量节约人力和物力。 ( 3 ) 具有可重复性。由于实车试验过程受到很多随机因素的影响，因此在研究不同 轻型载重汽车正面碰撞控制结构分析与改进 的系统参数对安全性能的影响时，不容易得到确切的结果。而计算机模拟仿真依赖于计 算机本身，改变某一参数时，可以很容易分析出该参数对系统性能的影响。还能够任意 多次的重复再现各个部件的中间变形过程，方便设计人员对结构的观察、分析和改进。 ( 4 ) 可以获得任意所需数据。在实车试验中如果需要获得很多的数据，就必须增加 传感器和高速摄像机的数量，并且，由于与传感器的安装位置要求以及不可摄像点的存 在，有些数据是不可获得的。而计算机仿真在数据获得方面是不受限制的，只要在所要 测量的点上建立一个描述坐标即可得到所需要的数据。不仅计算准确，还能模拟出车身、 车架等的撞击变形及动态响应，以及人体碰撞响应的多种未知量。求解的结果可直接用 来评价车辆或部件碰撞安全性能的优劣。 ( 5 ) 不受时间、空间、气候等条件的限制，可以随时进行。 由于用金属材料制成的汽车正面耐撞性结构是通过金属材料的塑性变形来吸收碰 撞能量的，是一种典型的大位移、大转动、大变形、大应变，弹塑性力学过程，因此可 以利用动态显式有限元方法与有限元模型试验方法相结合，来分析典型结构的力学特 性，从中寻找规律，并与确定的汽车正面碰撞理想力学特性进行比较，进而可以找出合 适的汽车正面耐撞性结构。 2 3l s - d y n a 简介 l s d y n a 是世界上最著名的通用显式动力分析程序，它以l a g r a n g e 算法为主，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、流体一结构耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能，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、爆炸和 金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工程应 用领域被广泛认可为最佳的分析软件。与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性【2 2 1 。 l s d y n a 是求解器，支持它的前后处理器非常多，例如a n s y s 、p a t r a n 和e t a 公司的f e m b 、t r u e g r i d 、i n g r i d 、h y p e r m e s h 等，新开发的后处理程序为l s p o s t 和l s - p r e p o s t 。通过前处理器，可以把c a d 模型转化为有限元模型，再施加边界条 件、约束和载荷，最后输出一个l s d y n a 的递交文件，称之为关键字文件 2 3 1 。通过后 处理器，可以完成彩色等值线显示、变形显示及各种动画显示；图形的p s 、t i f f 及h p g l 格式输出与转换；输出想要得到的轻型货车正面碰撞仿真过程中的参数等操作。 用l s d y n a 来进行汽车碰撞过程的仿真一般都是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。空间域的不同离散方法对应着不同的有限单元 大连理工大学硕士学位论文 类型，时间域的离散也有不同形式的有限差分法，如中心差分法 2 4 】。采用中心差分法时， 可通过将质量矩阵对角化而避免求解联立方程组，从而获得所谓的显式仿真算法。显式 仿真算法的特点在于不求解联立方程组，因而不需存储系数矩阵，占内存空间小，且单 项求解速度快，无收敛性问题。但显式仿真算法存在数值稳定性问题，即仿真时间步长 不能超过其临界值。隐式仿真算法的特点是要求解联立方程组，每步求解都需迭代，且 存在收敛性问题。但它是无条件稳定的，即仿真时间步长可以任意大而不会导致数值稳 定性问题【2 4 。2 6 1 。 由于轻型货车的碰撞过程具有很强的非线性特征，且是一个瞬态过程，其物理本质 决定了它的仿真只能采用足够小的时间步长，否则就会带来收敛性问题或过大的计算误 差，再考虑到隐式仿真算法必须迭代求解，其无条件稳定性特征在汽车碰撞仿真中并无 太多优势。因此轻型货车正面碰撞仿真可以采用中心差分时间积分的显示方法。 系统各节点在t 时刻的加速度 口，) 为： 函，) _ 】- 1 叶伊d ( 2 1 ) 式中，【f t 既 为施加的外力矢量， 觚 为内力矢量，m 为节点质量。 内力矢量 只矾 的表达式如下： e h = i o b t g ，d f l + f 船盯删 ( 2 2 ) 式中：，g 、，2 分别为沙漏阻力和接触力矢量。f q 写7 c r ，d q 表示单元应力场等效 节点力，即单元刚度矩阵b 7 与单元节点位移的乘积。 从而可以推出节点速度与位移矢量表达式如下： “+ 出，： = “- a t 2 + 妇， f ， ( 2 3 ) 函仙 = 函，) + “+ a h 2 a t ，+ 出，： ( 2 4 ) 公式( 2 4 ) 中的时间表达式为： 1 a t , + ，2 = 去( + f ，+ ，) ( 2 5 ) 二 新的几何构形由初始构型 加上位移增量 甜，+ ，) 获得，表达式如下： 扛仙) = x o ) + 函删) ( 2 6 ) l s d y n a 中所有的显式动力单元缺省为简化积分：一个简化积分单元是一个使用 最少积分点的单元；一个简化积分块单元具有在其中心的一个积分点；一个简化壳单元 在面中心具有一个积分点；全积分块与壳单元分别具有8 个和4 个积分点【2 5 】。 在显式动力分析中最耗c p u 的一项就是单元的处理，由于积分点的个数与c p u 时 轻型载重汽车正面碰撞控制结构分析与改进 间成正比，所有的显式动力单元缺省为简化积分，除了节省c p u ，单点积分单元在大变 形分析中同样有效，l s d y n a 单元能承受比隐式单元更大的变形。 2 4 l s d y n a 的关键字文件 轻型货车正面碰撞仿真有限元模型的所有信息，都可以在l s d y n a 程序生成的关 键字文件中反映出来。模型数据采用关键字格式，就可以灵活和合理地组织模型数据， 便于阅读和更改模型数据。 关键字文件采用的是在同一个关键字( k _ e y w o r d ) 后聚集同一类功能数据的结构 形式。例如，在关键字* e l e m e n t 后面，不仅包括实体单元、梁单元和壳单元，也包 括弹簧单元、离散阻尼单元、安全带单元和集中质量。文件以* k e y w o r d 关键字开始， 以* e n d 关键字结束。数据块以关键字开始并以下一个关键字结束，关键字必须被正确 输入。允许定义同一关键字的多重数据块。材料由材料名关键字指定，接触算法由接触 类型关键字指定，文件的格式为半自由格式，使数据具有可读性。每一个关键字后紧接 一个数据块，构成一个数据组，每个数据组具有它特定的输入，如木c o n t r o l 数掘组 用来重置缺省值，* m a t 数掘组定义材料本构常数，* e o s 数据组定义状态方程， * e l e m e n t 数据组定义单元标识和节点联结数组、* p a r t 数据组将材料、截面信息、 状态方程、沙漏粘性、体粘性等集合在一起，等等，几乎全部模型数据都可以用块形式 输入。一个数据组结束后紧接着下一个关键字，开始另一个数据组。一个关键字的第一 个字符必须放在行的第- y u 。如果需要，每一种关键字可以多次定义成多个数据组【2 3 。2 6 】。 图2 1 表明的是关键字文件输入数据组织的一般原理以及数据各部分的相互关系： * n o d e * e l e 加! 盯 木p a r tp * s e c t i o ns i 玎z l l 牛m 盯e l a s t i c * e o s * h 0 t g a s s 图2 1 关键字之间的数据组织关系 f i g 2 1 t h e o r g a n i z a t i o nb e t w e e nt h ek e yw o r d sd a t a 大连理工大学硕士学位论文 在图2 1 关键字* e l e m e n t 的数据组中，e l i ) 代表单元号，p i d 代表p a r t 号，n 1 、 n 2 、n 3 、n 4 代表节点号n i d ，节点号n i d 是在关键字* n o d e 的数据组中定义的。在 关键字* p a r t 的数据组中，p i d 代表p a r t 号、s i d 代表截面号、m m 代表材料号、e o s i d 代表状态方程号、h g i d 代表沙漏控制号。在关键字* s e c t i o ns h e l l 的数据组中，s i d 代表截面号、e l f o r m 代表单元算法、s h r f 代表剪切因子、n i p 代表沿壳单元厚度的 积分点数，等等。在关键字* m a t 的数据组中，需要定义各种单元类型的材料本构数据。 它的状态方程数据是在关键字* e o s 的数组中定义的。由于l s d y n a 程序在碰撞模拟 过程中采用单点积分，可能会造成零能模式，因此需要引入沙漏控制，有关数据需要在 宰h o u r g l a s s 中进行定义。 在关键字输入阶段读入模型数据，仅限于检查和计算数据量，以便配置数组大小和 重新排列。在输入第二阶段做更多的检查。在碰撞模拟过程中，应该经常从输出数据文 件m e s s a g e 文件中检查错误信息。 如果想要从仿真结果中的得到想要的碰撞参数，就需要在前处理中对各项参数进行 定义与控制。 2 5 本章小节 本章首先提出了轻型货车正面碰撞安全性结构设计的两个重要任务，随后总结了耐 撞性结构的控制目标和设计思想：在轻型货车前部变形区长度不能增加的情况下，只有 在提高变形区吸能效果而又不过量增加碰撞加速度的前提下进行主体碰撞控制结构和 吸能元件的设计和改进，以确保变形区能够吸收大部分撞击能，并使耐撞结构能够以渐 进的、稳定的压缩变形模式吸收碰撞能量，同时保证驾驶室具有足够的变形刚度。最后 介绍了轻型货车正面耐撞结构的研究方法：非线性有限元法和l s d y n a 软件及它们的 理论基础。 轻型载重汽车正面碰撞控制结构分析与改进 3 轻型货车碰撞安全性改进设计 3 1 轻型货车正面碰撞有限元模型的建立 本文采用l s d y n a 进行轻型货车正面的碰撞模拟。不仅可以大大缩短产品开发的 周期，节约了开发成本，最重要的是它能在设计阶段就能很好的保证车身结构的安全性 能。避免了以往早期设计缺陷，后期难以补救的问题，显著的提高了产品的质量。 3 1 1轻型货车有限元模型建立的一般流程 碰撞仿真的准确度在很大程度上依赖于有限元模型的建立，要保证建模的正确性。 轻型货车碰撞仿真分析的第一步是确定整车的基本信息，包括车身结构基本技术参数和 材料参数等；第二步是对整车的结构和特征进行分析、分解，确定重要和非重要的结构 部件，以及可能失效的区域，达到既简化又准确建模的目的。轻型货车碰撞部位的薄壁 金属是最重要的变形吸能部件，如驾驶室的覆盖件、底盘纵梁等。对于散热器、转向机 构、翻转机构、转向盘、座椅等对货车整车碰撞安全性能影响不大的前部总成，以及发 动机、变速器等刚度很大的部件，为了节省计算时间，可以在建模时处理成质量单元来 模拟它们的质量和位置对整个碰撞过程的影响。在前后轴上加上弹簧阻尼单元以模拟悬 架和板簧的作用。悬架简化为规则的梁。 材料属性对于模拟仿真的精度具有极其重要的意义。轻型货车的主要结构部件一般 都是采用综合性能良好的钢板制造的，可以采用分段线性塑性材料模型。轮胎采用弹性 橡胶模型。为了方便，可以将卷耳和吊耳定义为刚性体。 建模过程中要根据轻型货车不同的区域及特征划分不同的网格，定义不同的单元类 型和材料类型，根据部件之间的相互关系建立准确的接触及联接，并对各项参数进行控 制。 在轻型货车碰撞仿真分析中，应用最多且最重要的单元类型是薄壳单元，它是薄壁 金属件对应的单元类型。一般采用b e l y s c h k o w o n g - c h i a n g 算法，其适用于壳单元发生 翘曲时的情况 1 6 】，壳单元算法沿厚度方向需要3 个或更多的积分点。采用薄壳单元对货 车薄壁金属件进行网格划分，采用刚性单元模拟点焊和螺栓等其他紧固件的连接。由于 货车前部为主要碰撞变形区域，后部只提供惯性力，故应对前部的网格进行规则的划分 并适当加密，以提高模拟精确度；然后检查单元网格质量，及时修改质量不好的单元， 确保模型的计算效率：对于自由节点、重复单元，必须删除，以免影响变形结果。对于 考虑壳单元厚度后出现的穿透问题，必须在原模型上调整，力使整个模型没有初始穿透。 大连理工大学硕士学位论文 货车的零部件在碰撞中会变形，并与其他各部分相互挤压，所以对所有可能接触的 零部件之间都要定义接触运动关系。主要采用面对面的接触、节点对面的接触和单面的 自动接触，以反映结构件的实际受力和变形状态【1 6 ，2 3 粕】，并对控制参数进行设置。然后 将定义过的不同材料类型和单元属性赋给不同的p a r t 。 3 1 2 轻型货车有限元模型建立时应注意的问题 在建立轻型货车正面碰撞有限元时，应注意以下