（光学工程专业论文）大型客车车身结构正面碰撞有限元分析.pdf

摘要 在当今汽车技术发展的三大主题中安全位居首位。随着生活水平的提高，人们对乘 坐客车出行的安全性要求也越来越高，因此客车车身结构强度及碰撞安全性越来越受到 人们的关注。为保证乘车安全，特别是减少发生碰撞和翻车事故后的乘员伤亡，国际上 先后颁布了多项有关客车结构安全性的法规，我国也参照e c er 5 2 、e c er 6 6 、e c er 1 0 7 和2 0 0 1 8 5 e c 指令等制定了与国际接轨的客车车身结构强度标准。但值得注意的是， 目前国内外关于客车安全性的法规仅限于对车身结构的一般性要求、客车车载装置和附 件的安全性要求，以及在碰撞安全性方面对侧翻碰撞的要求，而对客车正面碰撞的安全 性，则至今尚未制定相关法规等规范性标准，缺乏客车正面碰撞安全性的评价指标。为 全面了解大客车车身结构强度和碰撞安全性，开展对大型客车正面碰撞的模拟分析，探 讨提高客车正面碰撞安全性的措施和途径，已成为车身结构安全性研究的方向之一，具 有重要的实际意义和前瞻性。 本文采用显式有限元分析程序a n s y s l s d y n a ，参照国内外有关标准( 如计算参 数设置参考了c m v d r2 9 4 关于正面碰撞乘员保护的设计规则和g b l l 5 5 1 2 0 0 3 乘 用车正面碰撞的成员保护的要求等) ，对某6 1 2 0 型客车的车身结构进行了正面碰撞的 有限元模拟仿真分析。主要分析了该型车身结构正面碰撞中的变形特点，初步探讨了客 车在正面碰撞中驾驶员生存空间的变化；针对变形特点，对前部骨架吸能结构进行改进； 通过对比分析两种不同型式吸能结构的缓冲吸能特性，提出了提高客车正面碰撞安全性 的建议。研究结果表明，目前客车正面碰撞的安全性不容乐观，碰撞时车身前部结构变 形较大，驾驶员生存空间较小，对驾驶员的生命安全构成威胁。 本论文的研究，对初步了解客车在正面碰撞中的变形特点进行了有益的探讨，所采 用的计算机碰撞模拟仿真分析方法，为进一步深入研究分析大型客车车身结构强度及碰 撞安全性提供了一定的参考。 关键词：大型客车，车身，结构强度，正面碰撞，生存空间，安全性，有限元 a b s t r a c t s a f e t yo c c u p i e st h ef i r s tp l a c ei nt h et h r e em a j o rs u b j e c t si nt o d a y sa u t o m o b i l e t e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t a l o n gw i t hs u r v i v a ls t a n d a r dr i s i n g ，p e o p l ea r ei nh i g h l yd e m a n d t h ev e h i c l es a f e t yw h e nt r a v e l i n gb yb u s ，t h e r e f o r et h eb u sb o d ys t r u c t u r es t r e n g t ha n dt h e c r a s h w o r t h i n e s sg e tp e o p l e sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t op r o t e c tt h ep a s s e n g e r s l i v e s s p e c i a l l yr e d u c ed e a t ha n di n j u r i e si nc o l l i s i o no rs i d e r o l l i n ga c c i d e n t 1 a w sa n dr e g u l a t i o n s f o rt h es a f e t yo fb u sb o d ys t r u c t u r eh a v e b e e np r o m u l g a t e di n t e r n a t i o n a l l y t oc a t c ht h es t e p s o fi n t e m a t i o n a l ，o u rc o u n t r yh a sa l s oc a r r i e do u tr e g u l a t i o n sa b o u tt h es a f e t yo fb u sb o d y s t r u c t u r er e f e r r e dt oe c er 5 2 ，e c e r 6 6 ，e c er 1 0 7a n d2 0 0 1 8 5 e ci n s t r u c t i o n h o w e v e r ，i t i s n o t e w o r t h yt h a tt h o s el a w sa n dr e g u l a t i o n sd o m e s t i ca n df o r e i g np r e s e n t l ya r eo n l y r e s t r i c t e di nt h eg e n e r a lr e q u i r e m e n to fb o d ys t r u c t u r e t h es a f e t yr e q u i r e m e n to fo n b o a r d d e v i c e sa n da c c e s s o r i e s ，a sw e l l 勰t h es i d e r o l l i n gc o l l i s i o nc r a s h w o r t h i n e s s 1 a c ko ft h e r e q u i r e m e n ta n de v a l u a t i n gi n d i c a t o r sa b o u tb u sf r o n t a li m p a c ta n dc r a s h w o r t h i n e s s f o rt h e t h o r o u g hu n d e r s t a n d i n go fb u sb o d ys t r u c t u r es t r e n g t ha n dt h ec r a s h w o r t h i n e s so ff r o n t a l i m p a c t ，c a r r yo u tt h el a r g e - s c a l eb u sf r o n t a li m p a c t ss i m u l a t i o na n a l y s i s d i s c u s sa b o u tt h e w a y st oi m p r o v eb u sf r o n t a lc r a s h w o r t h i n e s sh a v eb e c o m eo n eo ft h ed i r e c t i o n so fb u sb o d y s t r u c t u r es a f e t yr e s e a r c h ，g e tv i t a lp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n df o r e s i g h t e d n e s s t ：i l i sa r t i c l eu s e se x p l i c i tf e a p r o c e d u r ea n s y s l s d y n a r e f e r r e dt ot h ed o m e s t i c a n df o r e i g nr e l a t e dr e g u l a t i o n s ( s o m es e t so ft h ec a l c u l a t ep a r a m e t e r sa r ea c c o r d i n gt ot h e r e q u e s to fc m v d r2 9 4a n dg b 1 15 51 - 2 0 0 3 ) h a sc a r r i e do nf r o n t a li m p a c tf i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o na n a l y s i st oa612 0c o a c hb o d ys t r u c t u r e m a i n l yh a sa n a l y z e di nt h i sc o a c hb o d y s t r u c t u r ef r o n t a li m p a c td e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，d i s c u s s e dt h ec h a n g eo ft h ed r i v e r s u r v i v a ls p a c ei nf r o n t a li m p a c t ；i nv i e wo ft h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s m a k et h ef r o n t s k e l e t o ns o m ei m p r o v e m e n t s ；a t t r a c t st h r o u g ht h ec o n t r a s t i v ea n a l y s i st w od i f f e r e n ts t r u c t u r e p a u e r n s c r a s h w o r t h i n e s s ，a n dp r o p o s e ds u g g e s t i o n st oe n h a n c e st h ec o a c hf r o n t a li m p a c t c r a s h w o r t h i n e s s t h er e s e a r c hf i n d i n g si n d i c a t et h a tp r e s e n tc o a c hf f o n t a li m p a c ts a f e t yi s u n o p t i m i s t i c ，t h ef r o n ts t r u c t u r ed e f o r m si nab i gw a yw h e nc o l l i s i o n t h ed r i v e rs u r v i v a ls p a c e i st o os m a l l ，p o s e st h et h r e a tt od r i v e r sl i f es a f e t y i nt h i sr e s e a r c h ，p r e l i m i n a r yc a r r yo nt h eb e n e f i c i a ld i s c u s s i o ni nb u sb o d ys t r u c t u r e f r o n t a li m p a c td e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h em e t h o do fc o l l i s i o ns i m u l a t i o na n a l y s i sb y c o m p u t e rp r o v i d e sr e f e r e n c e sf o rf u r t h e rd e e pr e s e a r c ha b o u tl a r g e - s c a l eb u sb o d ys t r u c t u r e s t r e n g t ha n d t h ec r a s h w o r t h i n e s s k e y w o r d s ：c o a c h ；b o d y ；s t r u c t u r a ls t r e n g t h ；f r o n t a li m p a c t ；s u r v i v a ls p a c e ；s a f e t y ； f i n i t ee l e m e n t 1 l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝储虢磁锄刁年月乡日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者繇彬扮 导师签名： 呷涵群 吖年；f 月多日 印夕年多月岁日 k 安人学碰 学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 当l j i 安全、节能和环保已成为汽车行业的三太热点，是各汽车制造企业产品设计 所追求的目标。其中汽车的安全性与人的生命和财产安全关系最为直接，不仅得到了 有关政府部门的高度重视，而且也是广大群众关注的焦点之一。随着汽车安全技术的不 断发展以及道路交通设施的改善，我国汽车交通事故的数量驶伤亡人数逐年下降，但相 比发达国家仍然很高。据资料统计，2 0 0 4 2 0 0 7 年我国每年交通事故总数均超过3 0 万 起，因交通事故死亡人数超过8 万人，居世界第一。由于公路运输具有快速、方便、 灵活机动、效益高等特点，因此公路客运成为旅客运输的主要形式，其客运量和旅客周 转量占全国总客运量和客运周转量的8 0 0 , 4 以上。客车作为公路客运的主要交通工具，载 客量大，若发生交通事故，极易造成群死群伤，带来严重的社会影响。据公安部交通管 理局统计，仅在0 8 年1 1 月份，我国就发生一次死亡1 0 人以上特大道路交通事故2 起， 造成2 9 人死亡川。虽然交通事故的发生有多方面原因，但客车产品本身的安全性对发生 事故后乘员的生命安全有着很大影响。 近五年来我国营运车辆事故死亡人数变化趋势如图11 所示。 图l1 近五年来我国营运车辆事故死亡人数变化趋势 第章绪论 1 2 汽车安全性 汽车安伞性可分为主动安全性和被动安全性两大类。主动安全性指的是对汽车结构 进行合理设计或安装车载设备，主动防止和避免事故发尘的能力；被动安全性则指汽车 发生意外事故时对乘员进行有效保护的能力。通俗地讲，主动安全性保证汽车行驶时“有 惊无险”；而被动安全性则是使汽车发生事故时做到“车毁人不亡”。由于被动安全性常 与广义的汽车碰撞事故联系在一起，故又称为“汽乍的碰撞安伞性” 2 1 。汽车的被动安 全性与车身结构设计息息相关。为使汽车具有良好的碰撞安全性，对车身结构进行优化， 使其具有良好的刚性和缓冲吸能特性，是汽车车身结构设计的最终日标。 客车属于汽车的一种类型，汽车碰撞安仝性的研究内容及方法同样适用于客车，f h 客车卫有自身的特点。碰撞足交通事故的主要形式之一，发生碰撞时，驾驶员和乘客与 车身结构发生接触，造成一定的人身伤害。客车的碰撞丰要有i f - 面碰撞、斜侧面碰撞、 ，f 侧面碰撞、追尾碰撞及侧翻碰撞等多种形式。有资料介绍，客车的】下面碰撞和侧面碰 撞占客车事故总数的4 0 6 0 纠”。所以，研究客车j 下面碰撞的结构安全性报有必耍。 由于发生正面碰撞时客车的前部受力变形最大，所以其前部结构的设计尤其重要 合理的前部结构能使客车具有良好的刚性和缓冲吸能特性发生正面碰撞时可以把对驾 驶员生命的威胁减少到最低程度。此外，由于客车车身庞大一般情况下若与小型汽车 发生碰撞，客车毁坏较不严重，这也是造成我们忽视客午碰撞安争性的原因之一。据有 关资料统汁，在我幽高速公路行驶的车辆中，大、巾型客车占1 1 ，卡车占3 6 ，轿车 占5 3 【4 l 。山于保有量大，使用牢高，客牟与卡牛或客车与客车之日j 发生正面或追尾碰 撞事故时有发生，而大、中型客车与卡车的体积大小和质量相当，若发生碰掩，后果将 非常严重。由图12 4 以看到，如果客车发生正面碰撞，其后果触目惊心、损失惨重。 圈1 2 客车正面碰撞交通事故 长安大学硕上学位论文 1 3 国内外汽车碰撞仿真研究的发展及现状 1 3 1 国外汽车碰撞仿真研究的发展及现状 欧美地区对汽车碰撞安全性的研究开展较早，并已经制定了较完善的汽车碰撞安全 性法规体系，如美国的f m v s s 体系和欧洲的e c e 体系等。实车碰撞试验是评价汽车碰撞 安全性能最基本和最有效的方法，早在2 0 世纪3 0 年代，通用汽车就开始通过翻车试验和 固定壁碰撞试验研究汽车的被动安全性问题。而到了上世纪5 0 年代中期，各大型汽车企 业则普遍开展了碰撞试验。目前，欧美各国在新车上市前都实施了强制性碰撞试验要求 ( 如欧洲的n c a p 等) 。由于实车试验是汽车开发中一种昂贵的“试错 过程，试验车辆 不可重复使用，因此试验成本高，所需开发周期长，导致不能对车身结构作最优化设计。 随着计算机技术和分析算法的不断发展，出现了采用计算机仿真技术研究汽车碰撞安全 性的方法。这种方法利用有限元技术，以计算机有限元模型代替实际车辆，在计算机上 完成汽车碰撞安全性问题的计算分析。采用计算机仿真的优点是可以在产品早期设计中 及时发现问题，并进行改进设计，因而费用也相对较少，大大缩短了汽车的设计开发周 期。 有限元技术与计算机技术的发展息息相关。2 0 世纪6 0 年代，人们开始进行计算机模 拟碰撞技术研究，7 0 年代美国开始使用计算机辅助交通事故分析，而近2 0 年来计算机技 术的飞速发展，以及大量用于碰撞模拟的成熟商业软件的开发和普及应用，如 l s d y n a 3 d 、p a m c r a s h 等，使得汽车碰撞的计算机模拟技术得到迅速发展并趋于 成熟。国外开展的汽车碰撞计算机模拟研究主要包括事故再现、碰撞受害者模拟和汽车 结构抗撞性模拟三个方向f 5 j 。以下仅就汽车结构抗撞性模拟的发展概况作简单介绍。 1 9 8 5 年以前，汽车碰撞模拟的常用方法是多刚体系统动力学和机械振动学方法，但 由于汽车碰撞是一个瞬间的、复杂的非线性动态响应过程，因此这些方法都难以很好地 模拟汽车的碰撞过程。随着计算机技术的发展，1 9 8 5 年以后，基于显式积分的有限元方 法逐渐成熟，标志着汽车碰撞仿真研究新时期的开始，人们可以对大型结构进行动态有 限元分析，尽管仍有计算时间过长等缺点，但显式有限元法仍然被认为是求解汽车碰撞 问题的最有效方法【6 】。1 9 9 8 年，福特汽车公司采用计算机模拟的方法，对其生产的某型 轿车建立整车有限元计算模型时，所有主要部件均建立了精确的几何模型，不做任何简 化，如图1 3 所示。由于模型中各部件几何参数和物理参数均与真实情况一致，从而保证 了计算结果与试验结果的一致性【7 1 。 3 第一章绪论 婚一 瞬l j 福特某型轿车的碰撞有限元模型| 7 j 随着计算机技术和分析软件水平的不断提高，汽车的有限元分析模型也越来越复 杂，为得到更为精确的计算结果。仅对模型作少量简化就叮以真实地模拟出汽车碰撞 时的变形特点。利用计算机模拟仿真在节约成本、数掘可重复性、模型易于修改和缩短 开发周期等方面的优越性足宴车碰撞试验无法比拟的，通过计算机模拟分析的方法再 与实车试验十一结合，小断改进以提高汽车结构的安全性。所以，汽牛1 ； i 撞的有限元分析 已经成为世界上备大汽车公司生产某种车型时必进行的项目，是当今汽车企业与研发机 构水平的重要标志之一。 13 2 国内汽车碰撞仿真研究的发展及现状 近年来，随着中国汽车工业的发展和交通安全问题的r 益突出，汽车碰撞安全性问 题的研究得到了，- 泛重视，我国也加快制定了相芙法规，如c m v d r2 9 4 关r j 下面碰 撞乘员保护的设计规则和g b l l 5 5 1 2 0 0 3 乘用车正面碰撞的乘员保护等，进一步 规范和促进了我国汽车碰撞安全性的研究。 在碰撞试验研究方面，清华大学、天津汽车技术中心和国家汽车质榆中心等国内汽 车试验检测机构进行了大量研究，建立了技术、设各比较先进和先善试椅设施，并于2 0 0 4 年丌展了c n c a p 评价。山于实车碰撞试验的高成本大多数企业难以接受，因此使得碰 撞试验在国产汽车设计中的应用受到了限制，也导致了部分国产汽车结构安全性不足。 而采用计算机仿真试验的方法成本低、周期短符合i = i 前国内汽车制造企业的实际条件。 汽车碰撞计算机仿真研究存国内虽然起步较晚，但已逐步得到了部分汽车制造企 业、高等院校和科研院所的重视，并进行了大量的研究，取得了一定的成果。1 9 9 4 年， 湖南大学的钟志华教授对采用有限元进行汽车碰撞安全性问题分析的具体方法进行了 早期研究论述了汽车碰撞分析的基本方程、有限元法与有限差分的应用、材料本构关 系及接触问题的处理等1 8 1 ；1 9 9 8 年，吉林工业大学贾宏波、黄金陵、郭孔辉等建立了幽 内第一个用于碰掩分析的箍车车身结构有限元模型【9 l ：2 0 0 t o ) ( 2 1 0 ) p ，( x ，r ) = p ，( x ，f ) ( x 在s 仃上，r t o ) ( 2 1 1 ) 这里s 。+ s 仃= s ，r u ，( x ，f ) 和p 。( x ，r ) 都是预先知道的函数a 2 2 4 显式有限元时间积分算法 ( 1 ) 中心差分法 对于非线性问题，假设弹性系统系数k 为位移u 的函数。以简单的单自由度线性弹 簧阻尼系统为例，如图2 2 所示。 1 2 长安大学硕上学位论文 卜u i ) 图2 2 简单的单自由度线性弹簧阻尼系统1 7 1 根据达朗贝尔动力学原理，可得其运动方程： m u + c u + k ( u ) u = p ( f ) ( 2 1 2 ) 上述公式具有普遍意义。对于有限元法而言，上述运动方程的矩阵形式为： 膨u + c u + k u = 尸( ，) ( 2 1 3 ) 式中：u 一节点加速度列阵； d 一节点速度列阵； u 位移列阵； p ( f ) 一外力方向列阵； m 一质量矩阵； c 一阻尼矩阵； k 一刚度矩阵。 l s - d y n a 采用显式中心差分法来进行时间积分，在已知0 ，t l i 时间步解的情 况下，求解t 叶l 时间步的解，运动方程为： m u ( t ) = p ( t 。) 一f 谢o 。) + h ( t 。) 一c u ( 乙) ( 2 1 4 ) 式中：p ( t 。) 一外力向量列阵； f 缸( 乙) 一内力矢量，即单元内力和接触力之和； 日( 乙) 一沙漏阻力。 显式中心差分法是有条件稳定的，可以通过一个简单的线性自由弹簧系统进行说 明，此时运动方程为： 1 3 第一二章显式有限元法的理论皋础与方法 设为特征向量矩阵，则： mu + k u = 0( 2 1 5 ) 矽7 m c u + r k e y = 0 ( 2 1 6 ) 由于矽7 m e = ，7 r e = 国2 ，缈为圆频率，于是t n 时刻运动方程为： u ( t 。) + 彩2 u ( t 。) = 0 ( 2 1 7 ) 如果时间积分采用中心差分法，那么： = 盥等型 ( 2 1 8 ) = 盟拦掣 ( 2 1 9 ) 其中，a t 为时间步长。把u ( 乙) 代入运动方程，可得： u ( t 州) - ( 2 - - c 0 2 a t 2 ) u ( ，。) + u ( ，川) = 0 ( 2 2 0 ) 设u ( t 。) = ，代入方程就可以把差分方程变为多项式方程： 名一( 2 一国2 a t 2 ) 允+ 1 = 0 ( 2 2 1 ) 当挖_ o o 时，若u ( 乙) 是有界的，则该方程可以得到稳定解，这要求h 1 ，亦即满 足稳定条件的临界时间步长址值为： a t a t 。r f f = 二二 ( 2 2 2 ) c c ，m “ ( 2 ) 时间步长控制 时间步长出的选择涉及两个方面的约束： 址取值不能过大。在直接积分法中，实质是用差分代替微分，而且对位移和加速 度的变化采用引申的线性关系，这就限制了a t 的取值不能过大，否则结果可能失真过大， 不能正确表现冲击震动的真实响应以及数值稳定性问题。在每一步数值计算中，不可避 免地存在舍入误差，这些误差又不可避免代入下一个时间步算式中，如果算法不具备数 值稳定性，则可能导致结果发散，不能正确表现真实响应，甚至无法求解。计算误差控 制要求址的取值不能过大，这取决于算法本身构造对误差的容限。 1 4 长安天学硕士学位论文 a t 必须小于某临界值。显式差分算法是有条件稳定的，即时i 司步长必须小于由该 问题求解方程性质所决定的一个时步临界值： a t 。= 瓦万 ( 2 2 3 ) 其中，瓦是有限元系统的最小固有振动周期，一般只需要求解系统中最小尺寸单元的最 小固有振动周期m i n ( t ) 即可。 在a n s y s l s d y n a 中，考虑上面时间步长的两种约束及中心差分法的稳定条件， 采用“变时间步长法”，即每一时刻的时步a t 由当前结构的稳定性条件控制。具体算法 为：计算每一单元的极限时步长址们i = 1 , 2 ，取a t = m i n ( a t 引) 为下一步时刻的时间 步长。其中，壳和体单元的a t 。的计算方法如下。 a ) 壳元 a t 。= z ( l m c ) ( 2 2 4 ) 式中：三岫一壳元最小单元边长长度； c 一材料声速，c = 石二每丽。 b ) 三维体元 出。= 万赫 q 2 5 ， 式中：c 。，c 。一体积粘性系数，是无量纲常数，默认值为1 5 和0 0 6 ； q 一体积粘性系数g ，c 。的函数，q ：，c t c + c 。t i ；船l ，c 耋胜 。， 【0 ， ( ；胜 o ) t 一单元特征饿厶= 叫乞噶善震； c 一材料声速，c = 、百； 口一时步因子，由用户自行设置。 由公式( 2 2 4 ) 和公式( 2 2 5 ) 可知，显式时间积分的最小时间步长是由最小单元 1 5 第一二章显式自限冗法的理论基础与方法 长度曲和材料的声速c 所决定的。对于整个有限元模型来说，当模型的网络质量不是 很好时，如果存在很多的小单元，就会导致计算时间成倍增加，为减小计算量，需要人 为地控制计算时间步长，称之为质量缩放。 质量缩放技术是指在不改变有限元模型的i j 提下，加大实际计算时间步长，人为地 控制计算的最小时间步长。以壳单元为例，壳单元的质量缩放示意图如图2 3 所示。 单元l 23 ，i，2如 一一一一 图2 , 3 壳单元质量缩放示意图0 1 7 1 采用质量缩放后，壳单元的最小时间步长可按式( 2 2 6 ) 确定： 出曲：鳖：生 ( 2 2 6 ) 式中：乙广最小壳单元的最小边长； 卜采用质量所放后壳单元的边长； r 声音在所用材料的传播速度，州s 。c = ie 丽 采用质量缩放时，可以指定一个时步数值出渺删，通过调整址 出曲的单元密度， 实现最小计算步长的调整。 ( 竿) 2 - 半j 力= 裔 泣2 7 ， 在l s d y n a 中，有两种质量缩放方案： * d t 2 t m s 为正时间步，通过调整单元密度，使得所有单元具有相同的时间步长； 宰d t 2 t m s 为负时间步，质量缩放只用于小于指定时间步长出删的单元。 使用质量缩放可以显著地降低求解时间，但是某些单元密度的增大会导致模型总质 量增加。因此应根据实际情况，对增加的质量占总质量的比例进行控制，一般认为将质 量增加百分比控制在5 之内是合理的。 长安大学硬士学位论文 ( 3 ) 沙漏控制 使用单点高斯积分单元进行大变形非线性动力分析可以极大地节省计算时间，但采 用单点积分容易带来沙漏模态或称为零能模态。沙漏能在数学上存在而在物理上是不存 在的，它的典型特征是没有硬度和产生锯齿状的网格，如图2 4 所示。 。i e 体单元 图2 4 壳单元和体单元的沙漏模态i ”】 在汽车碰撞仿真分析中，如果沙漏模态在单元网格中不受任何控制的话，沙漏模态 将会使得结构的整体刚度变小，严重破坏仿真结果，所以必须对沙漏模态进行有效地控 制。目前常用的沙漏控制算法分为两类，即粘性阻尼控制和弹性刚度控制，这两种方法 分别通过引入沙蒲线性方向上的阻尼约束力和刚度约束力来抑制沙漏变形。粘性阻尼控 制法通常适用高速冲击问题，而刚度控制方法适用于低速碰撞问题。但是无论采取哪种 方法，当沙漏控制系数大于o 1 5 时，都可能导致单元的过度僵硬，使得计算结果发散。 在汽车碰撞分析中，大多采用刚度沙漏控制方法，沙漏控制系数般取0 0 5 0 1 之间。 沙漏能内能之比小于1 0 时，沙漏对计算结果影响不显著，一般可以接受，但通常将沙 漏能r q 能之比控制在5 之内为好。 2 2 5 接触界面的处理 ( i ) 接触算法 接触一碰撞问题是最困难的非线性问题之一。在l s - d y n a 中有三种不同的算法处 理碰撞、滑动接触界面，即动态约束法( k i n e m a t i cc o n s t r a i n tm e t h o d ) 、分布参数法 ( d i s t r i b u t e di m r o x n e t e rm e t h o d ) 和罚函数法( p e n u r ym e t h o d ) 。罚函数法于1 9 8 1 年由 h u a g 等人提出，1 9 8 2 年8 月开始用于d y n a 2 d 中。现在，罚函数法已发展为一种非常 有用的接触界面算法，在数值计算中被广泛应用。 罚函数法的基本原理是：在每一个时间步首先检查各从节点是否穿透主面，如没有 穿透不作任何处理。如果穿透，则在该从节点与被穿透主面刚引入一个较大的界面接触 1 7 第_ 二章显式有限冗法的理论基础与方法 力，其大小与穿透深度、主面的刚度成正比。这在物理上相当于在两者之间放置一法向 弹簧，以限制从节点对主面的穿透，而接触力则称为罚函数值。 对称罚函数法则是同时对每个主节点也作类似的上述处理。对称罚函数法由于具有 对称性、动量守恒准确，不需要碰撞和释放条件，因此很少引起h o u r g l a s s 效应，噪声 小。 ( 2 ) 接触搜寻方法 目前，用于接触搜索的算法主要有主从面法、单面算法和级域算法。本次分析中采 用的是单面接触算法。 单面接触用在一个物体表面的自身接触或它与另一物体表面接触的情况。在单面接 触中，程序将自动判定模型中哪处表面发生接触。因此，单面接触的定义是最简单的， 无需定义接触面与目标面，当定义好单面接触时，它允许一个模型的所有外表面都可能 发生接触，这对于预先不知道接触表面的自身接触或大变形问题很有用处。与隐式模型 过多定义接触面将大大增加c p u 的计算时间不同，在显式模型中定义单面接触只会较 少地增加c p u 时间，故碰撞等结构动力问题都是定义单面接触进行模拟计算的。 2 3 本章小结 客车车身结构的碰撞模拟仿真需要功能强大的仿真软件来进行模拟计算分析， a n s y s l s d y n a 作为大型商用软件，其在非线性分析领域成熟、完善和强大的功能完 全可以胜任为本文的分析工具软件。本章简述了论文中所使用的模拟软件 a n s y s l s d y n a 的发展及应用状况，对显式有限元算法及其基础理论做了较为详尽的 介绍，并对论文中涉及到a n s y s l s d y n a 的一些基本概念和基本设置作了初步介绍， 以为后面章节的分析打下基础。 1 8 长安大学硕十学位论文 第三章客车正面碰撞的研究内容 3 1 正面碰撞中乘员损伤机理 研究汽车正面碰撞的安全性，就是为了研究发生碰撞时汽车结构对乘员的伤害特 点，寻找降低乘员伤害的措施和途径。为讨论方便，人们常将汽车的碰撞称为“一次碰 撞”，而将人体与车内部件的碰撞称为“二次碰撞。显然“二次碰撞”是由于“一次碰 撞 导致人体与汽车快速相对运动造成的。通过对大量的事故研究表明，汽车发生碰撞 时车内乘员受伤害的主要原因有以下几点 2 1 ： 1 、“一次碰撞 过程过分剧烈，以致传递到乘员身上的加速度值和碰撞力超过了人 体的耐受极限，导致人体器官受到损伤。 2 、碰撞过程中乘坐室外刚硬物体( 仪表台或转向机构的转向盘等) 侵入乘坐室内 部，直接将乘员挤伤。 3 、乘员在车内遭受单次或多次“二次碰撞”而受伤。 4 、在碰撞过程中，乘坐室变形太大，以致乘员缺乏生存空间而死亡。 根据车辆碰撞过程中乘员的损伤机理，车辆碰撞性能的基本要求及评价指标主要有 以下几个方面【1 3 】： l 、在车辆的碰撞动能转化为结构变形能的过程中，碰撞加速度和碰撞力的总体水 平应限制在一定的范围内。 2 、作用于乘员的碰撞力及传递到乘员身上的加速度值应限制在合理的数值内。 3 、为乘员提供足够的生存空间。 4 、应具备乘员约束系统，避免乘员在碰撞发生时与车内部件发生相对运动。 5 、减少乘员受“二次碰撞的威胁。 对于车身结构来说，评价和改进其碰撞性能应着重于第l 和3 点。国内外的有关研 究、试验及模拟结果都表明：碰撞过程中车身合理的压塌顺序是决定车身前部缓冲吸能 能力和控制总体加速度水平的关键，对于保证乘员有足够的生存空间也有一定意义。所 谓合理的压塌顺序，是指车辆在碰撞过程中，保险杠总成应首先产生塑性变形以吸收部 分动能，随着碰撞过程的继续，前纵梁及其总成结构相继屈曲，分散吸收碰撞力和能量， 而车身中后部结构不应产生大的塑性变形。 1 9 第三章客车正面碰撞的研究内容 3 2 乘员伤害评价指标 汽车碰撞后乘员的许多伤害都是由于“一次碰撞”中的碰撞加速度过大和“二次碰 撞 中的结构变形导致的乘员伤害。国家标准g b l l 5 5 1 - 2 0 0 3 乘用车正面碰撞的乘员保 护中，对前排乘员主要伤害部位评价指标做出了相应的规定。 ( 1 ) 头部性能指标( h p c ) 头部重心处的加速度由加速度的三维分量计算得出，加速度采用分量测量时，c f c ( 测量通道的频率等级) 为1 0 0 0 ，如果发生头部与车辆部件接触，应根据测得的加速度 按式( 3 1 ) 计算，要求h p c s l 0 0 0 。 胱却z 一) 击i ：2a d t - j 。 式中，o ：一t 1 ) 是头部接触起点与记录结束两个时刻之间的某一段时间间隔，在该时间 间隔内h p c 值应为最大，( f ：- t 。) 6 e ) 这种力学模型的计算参数只包括材料常数e 和屈服极限盯。，故模型参数十分简单。 但这种模型没有考虑材料的强化性质，对材料在塑性阶段的变形描述过于简化，适用于 韧性材料的计算。 ( 2 ) 线性强化弹塑性力学模型 若要考虑材料的强化性质，则可采用线性强化弹塑性力学模型，又称双线性强化模 型，其应力应变关系如图5 1 1 所示。 长安大学硕士学位论文 图5 1 1 线性强化弹塑性材料的应力应变曲线图 双线性强化模型与理想弹塑性力学模型的不同之处在于，表示塑性变形阶段应力应 变关系的线段a b 与应变占轴存在一定夹角，可近似地表示塑性阶段应力随应变的变化， 因此较理想弹塑性力学模型更真实，其解析表达式为： 仃：如( 6 巳) b 2 式中，e 和e 1 分别为材料的弹性模量和切向模量。 这种力学模型既考虑了弹性阶段应力随应变的变化关系，也考虑了塑性阶段应力随 应变的变化关系，因此对一般材料计算的计算精度是足够的。计算时，材料参数需要定 义密度、弹性模量、泊松比、切线模量和屈服应力。 ( 3 ) 指数硬化弹塑性力学模型 指数硬化弹塑性材料在材料到达屈服极限后按指数塑性硬化，其材料参数设置需要 定义密度、弹性模量、泊松比、强化系数k 和硬化指数n 。指数硬化弹塑性材料的应力 应变关系如图5 1 2 所示。 o - 图5 1 2 指数硬化弹塑性材料的应力应变曲线图 3 9 第五章客车车身结构正面碰撞分析 ( 4 ) 多线性弹塑性材料模型 多线性弹塑性材料在材料到达屈服极限后硬化曲线由多线段组成，其材料参数设置 需要定义密度、弹性模量、泊松比、屈服应力和有效应力应变曲线。该类材料的应力应 变关系如图5 1 3 所示。 u 图5 1 3 多线性弹塑性材料的应力应变曲线图 上述四种计算模型是弹塑性力学计算最常用的力学模型，具体计算时应根据实际需 要选择合理的计算力学模型。由于某6 1 2 0 型客车车身结构的骨架材料主要是q 2 3 5 a 和 q 3 4 5 等，为简化分析计算，以及观察碰撞过程中车身结构中、后部的变形情况，骨架 全部采用双线性强化弹塑性力学模型的塑性材料( b i l i n e a rk i n e m a t i c ) 较为适合；发动机 和变速箱在碰撞过程基本上不发生变形，可以认为是刚性的，采用刚性材料r i g i d 模型； 轮胎及悬架等在碰撞过程中不会与刚性墙接触，采用刚性材料r i g i d 模型。各主要材料 的力学性能参数如表5 2 所示。 表5 2 某6 1 2 0 型大客车车身结构主要材料的力学性能参数 密度弹性模量切线模量屈服极限 名称 波松比 ( k g m 3 ) ( m p a )( g p a )( m p a ) q 2 3 5 a 7 8 5 02 0 60 382 3 5 q 3 4 5 7 8 5 02 1 00 383 4 5 5 3 3 网格划分 ( 1 ) 单元类型 由于客车骨架是由矩形、方形钢管和槽型断面的型材等焊接而成，其构件的长度远 远比壁厚大，因此可以认为是薄壁梁结构，在有限元分析中常用壳单元和梁单元对客车 骨架进行简化和划分网格。根据第四章对基本构件的分析可知，在碰撞过程中，薄壁梁 结构的变形表现为轴向的屈曲和端面的压溃，故薄壁梁结构采用壳单元划分网格较采用 4 0 长安人学硕士学位论文 梁单元划分更能真实地反映其变形特征。本次计算分析中，除发动机、变速箱、轮胎和 驾驶员座椅采用体单元划分外，车身结构骨架全部采用壳单元划分网格。在 a n s y s l s d y n a 中，壳单元和体单元分别只有s h e l l l 6 3 和s o l i d l 6 4 两种类型。下 面对s h e l l l 6 3 单元作简单介绍，s h e l l l 6 3 的示意图如图5 1 4 所示。 对于一个方向比其他方向薄得多的构件来说，一般采用壳单元划分网络。在 a n s y s l s d y n a 中，s h e l l l 6 3 采用的是平面应力条件，即单元法向的应力盯，= 0 。 单元计算公式有1 1 种，其中最重要的几种单元算法及其特点有【1 7 , 1 8 j ： b e l y t s c h k o t s a y 壳单元( b t 单元) 最简单的壳单元 计算非常快 翘曲时易出错 b e l y t s c h k o w o n g - c h i a n g 壳单元 速度是b t 单元的1 2 5 倍 适用于翘曲分析 推荐使用 b e l y t s c h k o l e v i a t h a n 壳单元 c p u 时耗为b t 单元的1 4 倍 第一个具有物理沙漏控制的单元 s r rc o r o t a t i o n a lh u g h e s l i u 壳单元 没有沙漏的壳单元 c p u 时耗为b t 单元的8 8 倍 l 图5 14s l t e l l l6 3 单元示意图 对比以上壳单元的几种算法可知，采用缺省的b e l y t s c h k o t s a y 壳单元的计算速度最 快。因其在面内采用单点高斯积分，计算效率很高，节省c p u 资源，对单元规模较大 的模型可以节省很多计算时间，通常对于大变形问题是最稳定有效的算法，虽然会产生 沙漏变形，但可以通过人为设定沙漏系数将沙漏能控制在一定的范围内。 ( 2 ) 单元尺寸 单元尺寸的大小不仅和计算精度有关，还和计算机的计算能力有很大关系。若单元 尺寸过小，会增加单元数量，不仅对计算精度贡献不大反而会大大增加计算时间；若单 元尺寸过大，模型显得粗糙，达不到要求的计算精度。w i e r z b i c k it 等人对车身用薄壁 4 1 k 第五章客车车身结构正面碰掩分析 梁构件的研究表明，沿轴向的直梁结构在局部失稳后将产生压塌效应过程，直梁的边会 沿着半径为r 的圆弧形成逐渐折叠【2 9 1 。其平均折叠半径r 可近似表示为： ，= 0 7 2 c 17 3 f 2 7 3( 5 3 ) 式中：c 一截面的宽度： 卜壁厚。 为了能充分描述结构在碰撞过程中的折叠变形，单元的尺寸应该小于折叠圆弧长的 一半，即单元边长： ， 0 5 n ，( 5 4 ) 在进行单元网格划分时，还应根据车身各部分在碰撞发生时的具体变形情况按不同 的网格密度划分单元。客车前轴以前的部分是正面碰撞时的主要变形区域，而前轴以后 的部分在碰撞中的变形已经很小了。所以，网格划分的规律应该是“前密后疏 ，即对 前轴以前的骨架构件其网格划分必须比较细密，以保证仿真计算精度；而前轴以后至车 尾的骨架部分其网格划分应逐渐变得稀疏，以使整个模型的单元规模控制在理想的范围 以内。 例如：某6 1 2 0 型客车的i j 部骨架构件中一根截面宽度为5 0 m m ，壁厚为3 m m 的矩 形构件，按照式( 5 3 ) 和式( 5 4 ) 计算，单元边长应小于8 7 m m ，构件在碰撞过程才 能较好地反映其折叠变形。而车身结构中后部以及发动机和车轮等其它部件在碰撞过程 中的变形不大，不会出现折叠弯曲变形，可以采用较大的单元尺寸划分网