（光学工程专业论文）某轿车侧面碰撞安全性能优化改进研究.pdf

摘要 在1 7 6 6 年瓦特改进蒸汽机拉开了工业文明的大幕之后，1 7 6 9 年法国工程师 古诺制造出了第一辆蒸汽机驱动汽车，但由于试车的时候转向系统失灵，撞到了 附近的兵工厂墙壁上粉身碎骨，发生了世界上第一起机动车事故。由此可见，汽 车碰撞安全问题从汽车诞生开始就成为制约汽车发展的关键问题之一。 近年来，由于我国汽车工业的迅猛发展，汽车人均保有量的不断上扬，导致 了与汽车有关的各类突发事故的快速增长，这其中正面碰撞、侧面碰撞、追尾和 翻滚是最为常见的事故种类，据公安部对交通事故的调查统计，侧面碰撞约占总 数的3 0 。而我国城市道路交通路口主要以相互交叉类型为主，侧面碰撞发生率 最高，致人伤残率高居第一位，致人死亡率仅次于正面碰撞。因此，如何提高车 辆侧面碰撞的安全性成为各大主机厂和科研单位迫切需要解决的重大课题。 我国于2 0 0 6 年7 月发布并执行了国家标准g b 2 0 0 7 卜2 0 0 6 汽车侧面碰撞的 乘员保护，与此同时，中国汽车技术研究中心推出了第一版中国的新车评价程 序( c n c a p ) ，更于2 0 1 2 年发布了最新版的新车评价规程( c n c a p ) ，为汽车生 产厂家提出了更高的生产要求和安全评估准则。 本文是结合2 0 1 2 版c n c a p 侧面碰撞工况的最新要求对国内某车型进行的安 全性改进研究。首先将车型的原始c a d 数模进行离散化得到整车有限元模型，建 立移动可变形壁障( 佃b ) 模型并验证其准确性，运用h y p e r m e s h 软件按照c n c a p 的要求搭建符合实际工况的侧面碰撞仿真模型。其次通过l s d y n a 软件计算得到 仿真结果，将其与实车碰撞的结果对比，验证了整车仿真模拟与实车碰撞的一致 性，并在一致性较高的基础上对结构进行了优化改进。最后通过合理的设计和布 置侧面结构使其能吸收和分散更多的碰撞能量，改进后的模型计算得出的仿真结 果满足法规要求，从而部分取代实车碰撞试验，减低开发成本，极大缩短开发周 期。 关键字：2 0 1 2 c - n c a p ，侧面碰撞，仿真分析，结构优化 a b s t r a c t s i n c et 1 1 ei n d u s t r i a lc i 访l i z a t i o n 、 ，嬲l e a db yw a 位si i n p r o v e m e n to fs t e 锄e n g i n e i n17 6 6 c o 啪o t ，af r e n c he n 爵l l e e rm a d et h ef i l s ts t e 锄- d r i v e nc a r ，i i l17 6 9 h o w e v e r ，n ss t e e r i n gs y s t e mf 甑l i n gi nt h et e s tr u i l ，l ec a rh i tm e 砌1 s o fan e 曲y a r s e r 试锄dw a sd e 蛐v e d nw a sm ef i r s tm o t o rv e l l i c l ea c c i d e n ti i lt l l ew o d d t h u s ， t l l ei s s u eo fa u t o m o b i l ec o l l i s i o ns e c 咖h a sb e e no n eo ft h ec r u c i a lp r o b l e m sw h j c h c o l l s 妇dve ：i l i c l ed e v e l o p i n e 她s 讥c et h ev c 巧b e g i i l 玎【i i l go fv e m c l eb e i l l gm a d e i nr e c e n ty e a r s ，d l l et 0t l l er a p i dd w e l o p m e mo fa u t o m o b i l ei n d u s 仃yi nc 1 1 i n 如 p e rc 印妇p o s s e s s i o no fv e h i c l eh a sb e i n ga r o l l s e dc o n t 删y m e a n t m e ，i tl k l sl e a d as v 矗rg r o w mo fa 、砸d er a n g ei i lv e h i c l e - r e l a t e ds u d d e na c c i d c n t s t h e 矗o n ：t a g e c o l h s i o n t 1 1 es i d ec o l l i s i o n ，也er e 盯e n dc o l l i s i o na n dt h er o ua r e 也em o s tc o m m o n a c c i d e n tt y p e s a c c o r d i i l gt 0t 1 1 ei n v e s t i g a t i o ng 眦i s t i c sb ym 试s 臼yo fp u b l i cs e c 嘶t ) ， 龇s i d ec o l l i s i o nh a s 印p r o x i m a t e l yc o m p o s e d3 0 i nt o t a l i ti s l a t 廿1 ec r o s s c 蚍吨 雠i cj u n c t i o n st a k em ep r i m a 搿p a r t si i lo u rc o 咖su r b a i lr o a d a sar e s u l t ，b o t l l o ft l l ei 1 1 c i d e n c eo fs i d ec o l l i s i o n 锄dt l l er a t eo fd i sa _ b i l 匆a r ct 1 1 e1 1 i g h e s t ，a s 、e 1 1a s m er a t eo fm o 砌i 够i so i l l yi i l f e r i o rt o 舶n t a g ec o l l i s i o n t h e r e f o r e ，h o wt oe r l l l 锄c e m ev e l l i c l e ss i d ec o l l i s i o n t ss e c 面够l l a sb e e na i lu 玛e n ta n di m p o 心m ti s s u et ov e m c l e m a n l 】f a c t l h e r sa n dr e s e a r c hi n s t i t i l t e s i nj u l v ，2 0 0 6c l l i n ar e l e 硒e d锄dc a r r i e do u tm en a t i o i l a l删a r d s g b 2 0 0 7 1 2 0 0 6 ，”t h ep r o t e c t i o no ft l ：屺o c c u p a n t si l lt h ee v e n to fal a t e r a lc o l l i s i o n ” a tm es 锄e 缸e ，m ef i r s te d i t i o no fc l l i n an e wc a ra s s e s s m e n tp r o 伊a m m e ( c - n c a p ) w a sl a u l l c h e db yc l l i n aa u t o m o t i v et e c l l i l o l o g ) r & r e s e a r c hc e n t e r ， w 1 1 i c ha l s oi s s u e d 缸l el a t e s tv e r s i o no fc - n c a pi l l2 0l2 b e c a u s eo fm e m ，l l i g h e r p r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t sa n ds e c u r i 够a s s e s s m e n tc r i t e r i a a r es e tf o rt 1 1 ea u t o m o b i l e m a n u 囱c t i 】r e r s 7 1 1 1 i sp 印e ri s 廿l es e c u r i 够i i i 】- p r o v e m e n tr e s e a r c ho no fad o m e s t i cc a rm o d e l w 1 1 i c hc o m b i n e s 舭1 a t e s ts i d ei i i l p a c tr e q u e s ti i l2 012c n c a p f i r s t l y ，恤o r i g i 蹦 c j 气dm o d e li sd i s c r e d i t e dt 0ac 伽叩l e t ec a rf m i t ee l e m e n tm o d e l 1 h e nam o v i n g d e f b m 曲l eb a r r i e r ( m d b ) m o d e l i se 虹b l i s h e da n di t sa c c l l r a c yi sa l s ov 毹f i e d a c c o r d i n gt om er e q u e s to fc - n c a p ，b 嬲e do nh y p e 彻e s h ，t h i sa n i c l eb u i l d su pa i i s i d ec o l l i s i o ns i n n d a t i o nm o d e l f o l l o w e db yt l l es i m u l a t i o nr e s u l tc a l c u l a t e d l r o u 曲 l s - d y n a ，w h i c hi sc o m p a r e d 晰mr e a lv e l l i c l ec o l l i s i o nr e s u l t ，t h ec o l l i s i o n c o n s i s t e n c yo fm e v e l l i c l es 妇1 1 1 a t i o na n dn l er e a lv e h i c l ei sv 商f i e dt ob e h i 曲 u i l i f o m l i 够b a s e do n 也el l i 曲u i l i f o m l i t ) r ，t h es t n j c t u r ei so p t i m i z e da n di l n p r o v e d f i i l a l l y ，t l l r o u 曲r e 嬲0 n a b l ed e s i 弘a n ds i d es 咖c t u r e 猢g e m e n t ，i tc o u l da b s o r ba 1 1 d ( 1 i s p e r s em o r ec o l l i s i o ne n e 唱i e s t h ec a l c u l a t e ds i i 砌a t i o nr e s u ho fi m p r o v e dm o d e l m e e t st l l el a w s 觚dr e 刚a t i o 璐r e q u e s t a sar e 剐d t ，i tc a np 矾yr e p l a c e 也er e a l v e l l i c l ei ni r n p a c tt e s t t h e r e f o r e ，t l l ed e v e l o p m e n tc o s ta n dd e v e l o p m e n tc y c l ec o u l d b er e d u c e de n o m o u s l y k e y w o r d s ：2 0 1 2 c - n c a p ，s i d ec o l l i s i o n ，s i i 础a t i o na i l 出s i s ，s t r u c l 珊eo p t i 血z e i i i 附图清单 图1 1 不同事故形态的死亡人数比例1 图1 2 车门和b 柱间的安全气囊示意图3 图1 3 解析法的基本模型5 图1 4 多刚体动力学的基本模型5 图1 5 有限元法的基本模型6 图1 6 本课题的仿真分析流程8 图2 一lf s s 2 1 4 侧面碰撞示意图1 l 图2 2f m v s s 2 1 4m d b 示意图1 1 图2 3e c er 9 5 侧面碰撞示意图1 2 图2 4f s s 2 1 4m d b 示意图1 3 图2 5a e m d b 及其尺寸示意图1 3 图2 6c - n c a p 侧面碰撞示意图。15 图3 1 空间物体变形示意图18 图3 2 有限元模型基本组成示意图2 2 图3 3 关键字组织关系示意图2 3 图3 4 工程应力应变曲线与真实应力应变曲线对比示意图2 4 图3 5 单点实体单元沙漏模式示意图2 4 图3 6 壳体单元沙漏模式示意图2 5 图3 7 主从面接触示意图2 6 图3 8 对称罚函数法物理示意图2 7 图4 1 仿真模型建立示意图2 9 图4 2 模型几何清理示意图3 0 图4 3 车身有限元模型示意图3 2 图4 4 底盘有限元模型示意图3 2 图4 5 部件连接简单示意图3 4 图4 6 单元初始穿透示意图3 5 图4 7 移动变形壁障几何模型示意图3 6 图4 8 吸能件各种结构示意图3 6 图4 9 吸能件尺寸位置示意图3 7 图4 1 0 移动变形壁障示意图3 7 图4 1 1 初始速度设置示意图3 8 图4 1 2 整车壁障接触设置示意图3 8 图4 1 3 刚性墙设置示意图3 8 v t t 附表清单 表1 1 本文研究车型具体参数8 表4 1 常用的量纲组合3 2 表4 2l s d 、i a 中较常用于结构分析部分材料3 3 表4 3 控制卡片主要参数。3 9 表4 4d 籼a s eo p t i o n 输出选项明细3 9 表5 1 原车型侧面碰撞模拟与试验侵入量对比表5 1 表5 2 撞击侧侵入速度对比表( 单位：i i l s ) 5 8 表5 3 撞击侧侵入量对比表( 单位：i m ) 5 8 第一章引言 1 1 研究背景和意义 随着世界机动车保有量的不断增加，全球每年因道路交通事故造成约1 2 0 万人死亡，致使大约2 0 0 0 万人遭受终身伤残的伤害，由交通事故伤害造成的死 亡人数占总体死亡人数的比例很高，在1 5 5 9 岁年龄段内的死亡原因排序中，道 路交通事故伤害居于第4 位【1 】。据世界卫生组织( 1 j | h o ) 估计，道路交通事故每年 给全世界造成的经济损失约5 1 8 0 亿美元，占全球生产总值的1 2 。世界卫生 组织还指出，在2 0 0 0 2 0 2 0 年期间，道路交通事故死亡人数在高收入国家将下 降3 0 左右，而在中等收入和低收入国家则会大幅增加，如果不采取适当措施， 到2 0 2 0 年全球每年交通事故伤残和死亡人数还将增加6 5 以上，道路交通伤害 预计将成为全球疾病或伤害负担的第3 位【2 】。 随着我国机动车保有量的上升，道路建设速度明显滞后，道路安全系统不能 满足道路交通运输的需要，这导致我国每年死于各种交通事故的人数十分庞大。 中国公安部将交通事故类别按事故发生形态分为正面相撞、侧面相撞、尾随相撞、 对向刮擦、同向刮擦、刮撞行人、撞固定物、撞静止车辆、撞动物、翻车、碾压、 坠车、失火和其他1 4 种网。在汽车碰撞事故中，正面碰撞、侧面碰撞和尾随相撞 所占比例最大，如图卜1 所示。从图中可以看出，正面碰撞事故中死亡的人数占 首位，侧面碰撞次之。但由于我国道路交通情况的特殊性，侧面碰撞事故发生率 最高，致人伤亡率也是排在第一位【4 】。因此，汽车侧面碰撞安全性研究是汽车被 动安全性研究的一个重要组成部分，提高汽车侧面碰撞的安全性具有极其重大的 意义。 1 s o 赢 接1 - i 一- _ i 一- 一- 一_ i 穸矿矿黍薅毋帮毋 图1 1 不同事故形态的死亡人数比例 f i g l - lp r o p o r t i o no f m en u m b e r o f d e a m si i ld i 氐r e n ta c c i d e n tf b m 在道路交通事故中汽车发生碰撞的位置千变万化，其中来自侧面的碰撞属于 汽车侧面碰撞，汽车侧面碰撞可以分为直接碰撞和间接碰撞两种形式，直接碰撞 是指车与车之间的碰撞，而间接碰撞是指由于车辆的滑移，跑偏等引起的与障碍 物的碰撞，如树木，柱子等，侧面碰撞位居正面碰撞之后，是第二种最常见的碰 撞形式。对于整个车辆来说，最薄弱的部位是汽车的侧面，在汽车中占比例最大 的轿车来说，轿车的前部及后部、发动机、行李箱、相关车身及底盘部分的结构 强度设计要大于车辆侧面结构部分，在正面或者后面碰撞过程中可以通过这些部 分的结构变形来吸收碰撞能量。轿车发生侧面碰撞时吸能区域小，没有其前部、 后部那样的足够空间发生结构变形来吸收碰撞能量，而且被撞部分与乘员的距离 比较近，易于直接撞击乘员，尤其在拐弯和上坡时发生的侧面碰撞，由于车身可 能侧翻更加容易导致人员的伤亡，因此与正面、后面碰撞相比，车辆侧面碰撞对 乘员造成的伤害更大，对乘员的保护也就显得尤为重要【5 】。 本文是在某自主品牌现有车型的基础上进行的优化改进研究，使其车身结构 能够满足2 0 1 2 版c - n c a p 中对侧面碰撞安全性能的要求。目前国内对汽车碰撞 安全性的研究尚处于起步阶段，本文的宗旨是为了提高自主品牌轿车的安全性能 以确保自主品牌轿车的消费者能够更加满意更加放心。 1 2 汽车侧面碰撞安全性的研究内容 在汽车侧面碰撞事故当中，被撞车辆所承受的碰撞能量最终会转化成两部 分，一是转化成被撞车辆的系统动能；另一是转化成系统内能，包括车辆自身变 形吸收的能量和乘员损伤吸收的能量，这其中乘员损伤吸收的能量是导致乘员伤 害的最根本原因，这些能量的传递是通过车身与乘员间的碰撞来实现的【酗。在侧 面碰撞事故中，乘员所受伤害的大小通常是由车身侧面构件与乘员之间相互复杂 的接触过程来决定的，这种过程一般称其为二次碰撞。 根据世界各国的交通事故统计数据研究发现，在侧面碰撞过程中致使乘员死 亡或身体损伤严重的主要部位依次是头部、胸部、脊椎、腹部和骨盆【7 】。经过对 碰撞后车辆结构损坏特征和乘员受伤状况的分析，可以发现导致上述部位损伤严 重的主要原因有以下两点： 1 车辆在受到撞击后，由于侧面结构变形严重从而造成侵入量过大，导致 乘员失去了车内必要的生存空间，由挤压造成了乘员伤害； 2 乘员在二次碰撞的过程中与车辆侧面结构发生激烈接触造成的伤害。 一般二次碰撞中造成乘员伤害的主要接触发生在乘员和车内装饰件之间，而 乘员的损伤程度主要由接触位置、接触刚度和接触速度所决定。提高车辆侧面结 构的碰撞性能，降低乘员的伤害，一是要引导能量转移，即增强车身横向结构的 刚度，使更多的碰撞能量转换为被撞车辆的系统动能，减少内能的传递；二是要 控制侧围结构变形，减少侧围整体尤其是乘员附近的局部侵入量，从而保证乘员 的生存空间，减少由挤压接触造成的损伤；三是要控制二次碰撞中引起乘员伤害 的主要接触过程，根据人体不同部位所能承受撞击力的不同和车身侧面零部件入 侵速度的不同，来控制两者之间接触刚度【引。 由上述分析可知，提高整车结构安全性能，加强车身横向结构刚度，可以控 制能量转移，使更多的能量转换为被撞击车辆的系统动能，并且减少侧围的侵入 量，保证乘员的生存空间，降低由挤压造成的伤害。具体结构优化设计方法见第 5 2 节。 除了在车身结构方面进行改进之外，车内也增加了很多保护乘员安全的措 施，如安全带、安全气囊等，一般称之为约束系统。乘员约束系统旨在避免或减 轻车内乘员与车内部件发生二次碰撞( 汽车与障碍物的碰撞为一次碰撞) ，从而 使乘员所受到的伤害降低到最小。侧面碰撞时，能有效减少乘员伤害的主要部件 有：安全气囊和安全气帘、吸能式内饰等。 1 侧面安全气囊和安全气帘 统计资料表明，侧面碰撞对车内乘员身体和头部造成的伤害程度比正面碰撞 还要严重，在侧面碰撞死亡事故中头部伤害占5 9 2 7 ，胸部伤害占2 1 9 8 ，而 其他部位伤害占1 8 7 5 m 。车辆在发生侧面碰撞时，侧面安全气囊将乘客身体移 出危险区域，在侧面碰撞期间降低施加在身体上的力，从而有效地保护头部和胸 部。 在典型侧面碰撞中，在乘员和车门及b 柱之间的实际间隙必须迅速加以闭 合，如图1 2 所示。为了保护乘员的侧面部位，侧面安全气囊必须以极快的速度 在乘员和车门之间在很小间隙间展开。随着越来越多的安全气囊系统增加到量产 车中，头部伤害将减少了8 0 9 0 。可以说气囊系统的广泛应用有效地降低了 乘员的碰撞伤害程度。 图1 2 车门和b 柱间的安全气囊示意图 f i 9 1 - 2a 曲a g ss c h 锄a t i cb e 觚e e nt i l cd o o r 柚dbp i l l a r 2 侧面吸能式内饰 安全带、气囊等在车辆受到撞击时会对乘员起到非常重要的保护作用，但需 要注意的是内饰件的吸能作用也不可忽视。车辆内饰件不仅仅能满足装饰作用， 还可以满足在一定工况下保护乘员的作用。 通过对侧面碰撞乘员伤害机理的分析，接触位置和接触刚度都与轿车的内饰 零部件有着直接关系。为了加强侧面碰撞过程中对乘员的保护，汽车内饰件一般 会在特定的接触位置，使乘员与其之间的接触刚度能够达到相对最优匹配。 接触刚度通常是指碰撞过程中与乘员发生接触的内饰件相对于乘员身体的 刚度。当碰撞中乘员与内饰件发生接触时，有一部分的撞击能量会在这个过程中 被吸收，如果这部分能量被乘员吸收，就会导致乘员损伤；但是如果这部分能量 更多地被接触的内饰件吸收，那么就可以相应的降低乘员所受的伤害。调整接触 刚度是改进侧面碰撞安全性能有效而直接的方、法【9 】。 设计内饰件时应从如下方面考虑： 1 ) 尽量避免头部撞击到刚性硬点，或者保证硬点在一定条件下可溃缩： 2 ) 内饰件应选用吸能特性的材料，或在内饰件内部增加吸能结构以达到同 样效果； 3 ) 内饰件加强筋的数量、厚度、高度和间距以及内饰件的本体设计等等， 对于降低头部伤害值作用很大，因此设计时应予以重点考虑。 1 3 侧面碰撞安全性的研究历史及现状 1 3 1 国外研究历史及现状 发达国家的汽车碰撞研究早在上世纪3 0 年代就已经开始了，早期汽车碰撞 研究主要是在经验的指导下进行实车碰撞和模拟碰撞的试验【l o 】。通过碰撞试验获 得的数据来对新车进行设计或对已有车型进行改进，以便达到相关法规的要求和 满足社会公众的需求。汽车碰撞试验主要是通过模拟或再现汽车碰撞事故中的一 些典型和重要的碰撞过程来获取对不同结构相应的受力模式，然后以此为依据来 改进或检验汽车零部件在汽车碰撞中的安全性，并对汽车碰撞损伤情况进行预 估。该方法对汽车安全性的评估准确率和改进能力取决于试验手段的先进性和测 量装置的准确性。涉及的零件越多、受力情况越复杂，测得结果误差越大，所需 的试验测量设备则越先进，试制和试验所需周期越长，经费越庞大。 为解决周期长成本高的缺点，人们在汽车碰撞安全研究中逐步引入了数学和 力学的方法进行研究【1 1 】。这种解析方法主要是将汽车主要部件简化为质量件，使 用弹簧和阻尼单元对这些简化质量件进行连接，使用力学分析和数学求解的方法 得到能够反映碰撞特征主要参数的解析解。该解析方法的引入为汽车安全性研究 和改进提供了宏观的指导方向，较大程度地减小了试验量，降低了研究成本、缩 短了开发周期，如图1 3 所示。 4 图l - 3 解析法的基本模型 f i g l - 31 1 1 eb 私i cm o d c io f t h e 蛐a l 如c a lm c 廿l o d 随着计算机的推广和使用，从2 0 世纪6 0 年代开始计算机也逐步运用到汽车 安全的设计开发中【他】，美国开发出世界上第一个专业仿真碰撞软件【】。最初，计 算机被用于在汽车碰撞分析的解析方法中求取解析解，随着计算能力的提升和力 学模型的复杂化，逐步发展和建立起了多刚体动力学理论。多刚体动力学来源于 对解析法中简化件的结构细化和连接复杂化，与解析法所建立的模型相比，多刚 体动力学所建立的力学模型与实际情况更接近，但求解更困难。计算机的出现和 发展将对多刚体动力学进行求解变成了现实，并推动了多刚体动力学的发展，并 用于乘员的伤害保护计算和车辆的碰撞分析，如图1 4 所示。 图l - 4 多刚体动力学的基本模型 f i 9 1 4n e b 够i cm o d c lo f m u l t i - b o d yd y n a i i l i c s 2 0 世纪8 0 年代随着计算能力更强的计算机的推广应用，有限元理论被运用 于工程计算【4 】，许多科研机构开发出了一系列高水平的碰撞仿真分析软件，比如 美国l 抓代n c el i v e 姗o r e 国家实验室开发了d 呵a 碰撞仿真程序【s 】，荷兰t n o 公司在其软件中增加了a u t od o e 模块等 1 6 】。通过有限元计算可对由网络划分 建立起的模型进行较高精度的求解，其力学模型和求解方法远比前面两种方法复 杂但却更为完善，能够真实的反应模型中各部件及其连接的真实力学性能和运动 方式，借助计算机强大的计算能力可对车辆碰撞问题进行系统准确的求解计算， 如图1 5 所示。 图1 - 5 有限元法的基本模型 f i g l 一5t h eb a s i cm o d e lo f t l l ef i n i t ee l e m e n tm e t l l o d 解析法、多刚体动力学法和有限元法都是使用力学建模和数学求解来减少试 验数量，降低研究成本，缩短开发周期的数学物理分析方法。这三种方法对车辆 碰撞的计算准确性和有效性依次提高，在汽车侧面碰撞安全性研究中的重要性也 依次提升。数学物理分析方法虽然有成本低、周期短、有限元计算精度较高的优 点，但是汽车碰撞过程是一个十分复杂的综合系统的瞬时冲击响应过程，不但涉 及复杂的接触、变形、失效、断裂等多种物理变化，还涉及乘员和行人保护装置 的触发、人体所受损伤等各方面的问题，要完全抛开试验仅用数学物理分析方法 来对汽车被动安全进行设计和改进还不现实。目前虽然有限元计算广泛应用于汽 车的被动安全研究开发，节约了大量汽车开发成本，但在使用有限元法对汽车被 动安全进行分析的同时仍然需要进行一定数量的实车试验，通过试验结果修改和 验证仿真计算的准确性。 随着数值分析方法大量运用于汽车安全研究，目前形成了从概念设计、中期 试验、优化改进到试验验证这样的一套整车被动安全开发流程【7 】。数值仿真计算 目前在概念设计和优化改进过程中被大量使用，在概念设计中数值模拟主要用于 对简化整车模型的基本结构件在各种工况下安全响应的评估和计算，在优化改进 中数值模拟主要用于整车在不同工况下的碰撞仿真模拟，根据仿真结果进行整车 或某一部件的优化和改进工作，通过这些改进工作使得车辆的安全性能得到提 升，满足汽车生产厂家和消费者的需求。 1 3 2 国内研究历史及现状 相对国外近八十年的车辆碰撞研究历程，我国从1 9 8 5 年才开始由清华大学 等单位率先开展了汽车碰撞安全领域的研究工作，清华大学在国内建成了第一个 可以进行整车和零部件台车碰撞试验的综合性汽车碰撞试验台，建有假人标定试 验台、行人弹射试验台等，采用了国际标准碰撞假人、车载电测量设备和高速图 像采集设备，并自主开发了多媒体数字序列图像运动分析处理系统等m ，。 6 由于研究的起点较高，我国在开展相对国外2 0 世纪3 0 年代的实车碰撞试验 研究的同时，也将目光投向了计算机仿真这一高效率、高质量的技术领域，并先 后引进了国外汽车碰撞研究领域的主流计算软件，如l s d 呵a 、m 加y m o 等， 在模拟实车碰撞的力学建模和数学解析方面有了长足的进步。为了促进学术研究 和交流，1 9 9 5 年，中国汽车工程学会成立了汽车安全技术专业委员会，在此后 的时间里，汽车安全技术专业委员会召开了十余届汽车安全技术学术会议，先后 有数千位来自国际著名汽车公司、科研机构和高等院校的专家学者参加，对于我 国汽车安全性能的不断提高起到了积极的促进作用r 嘲。经过几十年的积累和努 力，我国在汽车碰撞安全性设计等方面的研究取得了显著的进步和发展。 2 0 0 2 年5 月，奇瑞汽车在天津中国汽车技术研究中心进行了国内首次侧面 碰撞试验，各项数据都达到了欧洲法规中的标准，这是我国汽车工业历史上的第 一次侧面碰撞案例【2 0 】。2 0 0 8 年1 1 月，同样由奇瑞汽车公司研发生产的奇瑞a 3 轿车成为中国自主品牌轿车中第一款在c - n c a p 评价中达到5 星最高安全标准 的汽车。以上的事例充分说明，我国在车辆碰撞安全领域的研究已经获得了可喜 的成果。 1 4 本课题的研究内容 一款成熟的轿车产品问世需要经过市场调研、产品定位、概念设计、工程设 计、优化改进、产品上市等六个阶段，每个阶段在环环相扣的基础上都有各自的 独立性。数值仿真计算目前在概念设计和优化改进阶段被大量使用。在概念设计 中数值模拟主要用于对简化模型的基本结构件在各种工况下安全响应的评估和 计算。在优化改进中数值模拟主要用于整车在不同工况下的碰撞仿真模拟，根据 仿真结果进行整车或某一部件的优化和改进工作。 本文的主要研究内容是针对已上市的某国产紧凑型轿车( 具体参数如表1 1 所示) 在侧面碰撞工况下的仿真优化，主要可以归纳为以下几个方面( 如图1 6 所示) ： 1 在搜集了统计机构的详细数据和阅读了大量文献的基础上，阐述了汽车 被动安全研究的背景、意义、内容和方法，介绍了国内外的研究现状，给出了本 课题的研究内容和方法，突出了课题的最新研究方向； 2 对国内外主要汽车碰撞安全法规做了简要介绍，详细描述了与本课题有 关的2 0 1 2 c - n c a p 侧面碰撞法规； 3 对汽车侧面碰撞仿真分析的基本思想和理论进行了系统阐述，简单介绍 了有限元软件l d d 呵a 的发展情况； 4 根据某国产轿车的整车c a d 数模运用h y p e m e s h 软件建立了侧面碰撞 有限元模型，并按照中国最新版新车评价程序( 2 0 1 2 c - n c a p ) 标准中规定的侧 面碰撞实际试验工况设置了相应的接触、约束、初始条件和计算输出卡片，最终 输出一个用于求解的k 文件； 5 将k 文件导入求解器l s d 呵a 中，计算得出改仿真模拟碰撞的整个虚 拟试验过程，同时有关碰撞的数据也一并反应在其中。通过计算得出的侧面侵入 速度与侧面侵入量与实车试验对比可知，计算机仿真模型与实车试验的一致性得 到了肯定； 6 在一致的基础上，本文提出了该车在侧面结构耐撞性设计方面存在的问 题，并提出了提高侧面耐撞性的改进方案，将车身b 柱、车门防撞梁、地板横 梁和门槛结构进行了重新设计，仿真结果显示改进效果明显。 表1 1 本文研究车型具体参数 1 曲l e l - lv c 惦c l es p c c i f i cp 猢酏e r s 车辆属性具体参数 级别 长宽高( m m ) 轴距( m m ) 整备质量( k g ) 车体结构 驱动方式 前悬挂类型 后悬挂类型 紧凑型 4 5 9 0 1 7 6 5 1 4 6 5 2 7 1 0 1 3 2 5 三厢车 前置前驱 麦弗逊式独立悬挂 双连杆式独立悬挂 图1 6 本课题的仿真分析流程 f i g l - 6s i m u l a t i o na n a l y s i sp r o c e s s 五叫m i st o p i c 1 5 本章小结 本章结合世界交通事故的详细数据说明了汽车侧面碰撞安全性的研究内容 和意义，并就国内外汽车侧面碰撞的研究历史及现状进行了综合论述，进而点出 了本课题的研究内容。 9 第二章国内外侧面碰撞安全法规及c - n c 舻简介 从1 8 世纪汽车问世以来，汽车事故便随之产生，汽车的安全得到了人们的 极大关注。为提高汽车的安全性，世界各发达国家都对汽车碰撞安全性作出强制 性的要求，并建立了各自的法规。这些法规是基于大量的交通事故和试验中测得 的数据总结而来，要求汽车厂家推出的新车型在侧面碰撞安全性方面必须达到相 关的指标。在目前侧面碰撞安全性能的研究领域中，形成了以美国联邦机动车安 全法规( f m v s s ) 和欧洲经济委员会法规( e c e ) 为主的两大法规体系，中国 及其他国家的相关法规基本上也是以这两大法规体系为基础衍生而来的。 2 1 美国侧面碰撞试验法规 2 1 1 试验法规要求 美国联邦机动车安全标准( f m v s s ) 在上世纪七十年代提出并实施了乘用 车的侧面碰撞静强度标准f m v s s 2 1 4 ，随后根据该“准静态 试验结果做出 的评估显示，车对固定物体侧面碰撞造成的乘员损伤能够有效降低，但车对车侧 面碰撞造成的乘员损伤并没有降低【2 l 】。因此，经过了大量研究，1 9 9 0 年美国公路 交通安全管理局( n h t s a ) 对f m v s s 2 1 4 车门侧压静强度进行了修正，增 加了乘用车侧面碰撞试验条款，以此来评估车对车碰撞事故中乘员损伤的严重程 度，法规中要求从1 9 9 6 年9 月1 日起所有的乘用车都必须满足该法规要求，从 1 9 9 8 年9 月1 日起所有的公共汽车、卡车等也必须满足该法规要求瞄】。 f m v s s 2 1 4 法规中规定的动态碰撞试验可以表述为：重1 3 6 8 k g 的移动变形 壁障( m d b ) 以5 3 9 l 【i i 曲的速度撞向某静态的试验车侧面，其行驶方向( 即车 轮旋转方向) 与试验车成2 7 。夹角，以9 0 。碰撞面接触，m d b 左边缘距离轴距 中心点为9 4 0 i i l i i l 。若车轴距大于2 8 9 6 m m ，则为前轴中心线向后5 0 8 删m 误差 5 0 8 i 姗，障碍壁面的离地间隙为2 7 9 i l m ，在被碰撞侧的驾驶位和乘员为分别 放置s d 型假人【2 3 】。如图2 1 所示。 l o li 帅l o 脚一! l 一 - 一 一： ，_ 鞫 r i 一盒婴 一i ， ，ii 卜一而q i l n 汤 ， l l i 砂 i，i _ 一_ - ?蒌 奎 j 由匕 o g 纫 倒 n lv 图2 - 1f m v s s 2 1 4 侧面硪攫示惹图 f i 醇1n 压v s s 2 1 4s i d cc o l l i s i o ns c h e m a 主i c 2 1 2 移动变形壁障 美国侧面碰撞试验用的移动变形壁障( b ) 主要由两个部分组成，一个 是主体部分，一个是前端保险杠部分。主体部分用于配重、调整整个壁障的重心 位置，前端保险杠部分是指可变形的吸能块，目前通常采用蜂窝铝块，主要作用 是用来模拟实车前端的变形刚度，由于美国大部分车型相对来说都比较宽大，所 以f s s 2 1 4 中的b 既宽又高，质量也偏重，如图2 2 所示【2 4 】。 骧 羹 图2 2 f m v s s 2 1 4 m d b 不惹图 f i 9 2 - 2m d bo f m v s s 2 1 4s c h 锄砒i c 2 1 3 假人及其伤害指标 s i d 假人是美国侧面碰撞法规试验采用的标准假人，由 i y b m 1 5 0 百分位 男性假人改制而成，体重7 6 5 k g ，坐高8 9 9 n l i i l ，臀宽3 7 3 r m 。除了s i d 假人外， b i os i d 侧面碰撞假人也被考虑用于f m v s s 2 1 4 法规试验，它是由美国通用汽车 公司( g m ) 和美国汽车工程协会( s a e ) 合作开发，相比s m 假人来说更为复 杂，更为精密【2 5 】。 美国侧面碰撞试验中乘员受伤害的严重程度是以人体所受的碰撞加速度作 为评价指标，指出人体受伤害最严重的部位是胸部，然后是骨盆。所以f m v s s 2 1 4 法规中对乘员的损伤评估准则只规定了对胸部和骨盆的要求：胸部损害指标 ( n o r a c i ct r a u m ai i l d e x ，t t i ) 8 5 9 ( 四门车) 或者 9 0 9 ( 两门车) ，骨盆侧向 加速度峰值 ( 网格划分) 模型装配 设置物理属性 二 i 一 边界条件设簧 模型调整 输出信息选择 控制选项 控制选项 控制选项 材料模型和参数 单元类型和参数 图4 - l 仿翼模型建立不惹图 f i 酗- le s t a b l i s hs i i i l u l a 廿o nm o d ds c h 锄a t i c 4 1 整车有限元模型的建立 将汽车整车c a d 模型简化并创建c a e 模型是对汽车设计、车身布置、材 料力学、车辆运动学和有限元分析等多方面知识的综合运用和集中体现。通常在 建立汽车c a e 模型中首先会将车身、底盘、内饰件和座椅等部件的c a d 模型 分别进行几何清理，在完成几何清理后按其各自相应的要求来划分不同大小的 c a e 网格，然后对划分得到的网格部件进行组装，按照要求设置各部件问相应 的连接方式、接触类型、边界条件和控制参数。 本文的研究对象是某款现有的自主品牌车型，主机厂提供全套的几何模型， 所以本节就直接从几何清理开始，依次介绍网格划分、材料和属性设置、结构件 连接和接触设置等整车有限元建模的过程。 4 1 1 几何清理 在几何模型导入h y p e r m e s h 后，不能直接对其进行网格划分，因为碰撞仿 篆一 墅 一 真分析要求的有限元模型与汽车设计的几何模型侧重点不同。通常汽车在进行造 型设计的时候，为了美观或制造上的需要，会有一些微小的特别结构，体现到几 何模型上就是孔洞、倒角、品牌标志等细节特征，而这些对于有限元模型来说是 不需要的，如果直接对现有的几何模型进行网格划分，在这些细节特征部位会产 生尺寸很小且形状不规则的网格单元，最后所得到的有限元模型在仿真时会有很 大的误差，导致计算结果不可信或无法计算，另外，几何模型在导入过程中也可 能会出现模型缺省或重复的情况，所以在划分有限元模型网格之前对这些细节特 征进行清理工作是很有必要的【4 7 】。 几何清理主要是对导入的几何模型进行拓扑修复、改进和优化。拓扑修复主 要是针对几何模型导入网格划分软件过程中出现的模型缺省或重复的情况，在 c a d 模型中删除重复和多余曲面、创建丢失曲面、合并自由边等。拓扑改进和 优化则主要是通过对几何模型的改进和优化，得到符合要求或质量更好的网格， 通过简化短边和小孔，重新布置共享边和固定点来实现模型的改进和优化。 在整车模型几何清理的过程中，自由边只属于一个曲面，默认颜色为红色； 共享边被两个相邻曲面所共有，默认颜色为绿色；压缩边为两个相邻曲面所共 有或共享，但在划分网格时会忽略被压缩边，不会在上面布置节点，默认颜色为 深蓝色；t 形连接边表示曲面的边界被三个或三个以上的边界所共享，默认颜 色为黄色，如果在曲面t 字交叉以外的地方存在t 形边则说明模型存在重复面， 需进行几何清理，具体如图所示。 其享边( 绿色) t 形 边 黄 色 自 由 边 红 色 、 噩鳝边( 深噩色) 图4 2 模型几何清理示意图 f i 酣- 2m o d e lg c o m e 仃yc l e 柚一u ps c h e m a l i c 4 1 2 网格划分 l d d 呵a 程序中包含1 6 种单元类型，有梁单元( 一维单元) 、二维单元、 三维单元、e u l e r 单元、l a g m g