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A132 汽车 碰撞 模拟 实验 设计

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南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院毕业设计(论文)外文资料翻译修改后打印系： 机械工程系 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 方勇 学 号： 060104243 (用外文写)外文出处：Advances in Engineering Software 39 (2008) 459465 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语：外文翻译遵循了原文，用词准确，语句也比较通顺，整体质量良好，但存在个别语句较生硬的不足。 签名： 年 月 日注：请将该封面与附件装订成册。附件1：外文资料翻译译文基于车身三维变形分析的汽车碰撞事故的重构1.引言 车祸带给人引人注目的悲剧，已经成为严重的社会问题，危及人民和他们的财产，特别是像中国这样飞速发展的发展中国家。这些年由于民事诉讼案件的增加，车辆碰撞分析和事故重建已变得日益流行。车辆撞车事故重建的最关键因素是恢复车辆碰撞前的速度。汽车碰撞事故的整个过程可分为3个阶段：（1）碰撞前的影响汽车出发点的重建的依据是从事故现场获得。（2）碰撞时的影响汽车的速度、方向、位置等等因素的影响起决定性作用。（3）碰撞后的影响速度和轨迹（通常未知）起关键作用。事故分析的主要线索是通过车辆碰撞后的状态来推测碰撞前的位置。然后通过收集、记录、调查与分析事故现场。有很多方法来评估车辆的速度，评估速度通常用以下的一种或更多的方面入手：（1）动力/能量分析（2）伤害/能量分析（3）离心力分析（4）起动，翻倒或飞跃的分析（5）几何和时序分析（6）事件数据记录仪常用的事故再现方法在实际应用方面存在着一定的局限性，另一方面，动量/能量这个分析方法需要清晰地刹车痕迹或事故中其他车辆的位置，但是现在由于ABS系统刹车痕迹很弱或根本不存在了。变形/能量分析方法重建事故主要从车体的变形角度考虑。另一个方法只能应用在特殊的交通事故中。由于交通事故种类多样，复杂，瞬时性，对事故手动定量分析的精度相当的低。对于交通事故，找出碰撞前的速度和轨迹是主要目标。在车辆碰撞事故中车辆的弹性变形和其他碰撞物体是重要的信息，然而，考虑到变形这个因素，用计算机仿真模型重建交通事故很少。由于仿真技术的发展，变形可以通过有限元法被充分利用，这样对重建交通事故起到重要的作用。清晰地有限元法不仅能得到高速下的材料应变率，而且使用很小的积分时间元同样可以弄清塑料的弹性特征。因此，在研究重建汽车事故中使用有限元分析法可以取得一个很高的计算精度。此外，对结果的有效描述，通过使用有限元法后期加工软件和对主要能量吸收部分变形现象的直接观察可以得到三维动画，同样可以用于多种类型的事故，如挡泥板和前面的纵向梁。这不能通过其他事故重建程序完成。目前，有限元法广泛应用于车辆模拟碰撞，可惜的是FEM重来就没对事故重建很好的运用有限元法，因为那需要很多的模拟碰撞次数，也将花费大量的时间。因此，这是一篇关于使用神经网络和有限元方法发展重建事故技术的论文，在当前的方法中，模拟汽车碰撞事故采用LSDYNA非线性有限元法。在碰撞事故数字信息的基础上，一个三层正反馈神经网络用于生成一个初始碰撞参数与变形指数E的近似函数。E的近似函数是遗传算法约束下的最大速度和角度，本程序适用于一个典型的交通事故：纵向梁和挡泥板上要点的变形可以用来进行测量仿真结果。这些结果可通过BP学习规则用于培养神经网络学习，预先碰撞速度可以通过训练过的神经网络获得，那为事故判断提供了科学依据。2.非线性有限元方法和神经网络2.1非线性有限元法的碰撞模拟由于整体的某点，通过解决动量方程可以找到变形的时间现象。显示不了，所有公式再往右缩进2字符！ 式（1）式中，是柯西压力,是电流密度,f是体积力密度、是加速度。式（1)满足牵引力的边界条件： 式（2）在边界上，位移边界条件是： 式（3） 在的边界上，连续中断 式（4）沿着的边界上当时 ，能量方程： 式（5） 式中，V是相对体积，和代表偏应力和压力 式（6） 式（7）式中，是体积粘性，是张量积，如果i=j,=1,否则=0.是张应力已知 式（8）式中， 满足所有边界要求，这个综合结束通用几何学，通过使用分歧理论，它引出一个虚拟工作原理。 式（9）这个结构和成分可以通过很多原理模仿，形状函数方面的拉格朗日原理代表了几何元素，装配后，基本的质量集中在节点。然而,模拟碰撞有限元模型包含大量的要素，详细差分法的时间元是少的，计算的时间是相当的长。2.2 利用BP神经网络 神经网络作为全球性的近似工具被广泛使用，因为在过去经验的基础上它有能力去处理和绘制外部数据和信息。在神经网络中，传输和处理的输入数据被分配到一个简单的计算网络中的单位叫做神经元。当加权和的投入超过活化价值时，每个神经元返回一个输出信号。输出值通过定义一个转移功能可以计算出，也称为激活功能。在这项研究中一个正反馈多层神经网络被使用，该网络由第一层神经元，一个或多个隐藏层和输出层组成。图1作为补充。图1 神经网络结构第一层叫做输入层，收到外部输入信号转移到隐藏层。这个信号由隐藏层到输出层被改进、加权和重新分配。电流神经元的KTH层的输出信号可以计算出来： 式（10）式中，是地方传递函数考虑层，一个C形功能是用作神经元的隐藏层，这个功能可以写成： 式（11）神经元的输出层使用一个线性传递函数 ： 式（12）式中，fi是ki 神经元的激活信号，激活价值计算为： 式（13） 在学习神经网络的过程中涉及到很多的实例，训练集以输入输出为已知的一种经验，连接重量和神经网络的价值偏差改变了，所以最小化了已知和计算的输出中的偏差。利用BP神经网络学习法则，其中已知和计算的输出均方根是最小化得。训练的过程是执行L-M算法，这个算法最初是为最小二乘方设计的，其中目标函数被定义为平方的概括，像这样的目标函数正在研究。一个批处理模式用于完成训练过程，每个神经网络单一的平方误差的输出被规定为平方根误差的概括，由每个案例的训练的到。事实上，考虑到N对输入输出的训练区，最小化误差被定义为RMS 式（14）为了提高学习阶段的速度和效率，输入和输出数据被定标，于此，利用方程输入数据被标的为0和1之间的线性攀升。 式（15）式中，X是设计变量矢量的刻度值，Xmax和Xmin是各自设计领域的最大和最小值。当输出值主要和变形有关的时候，神经网络的输入值的选择描述了考虑结构的速度和角度。3. 有限元法的事故重建和神经网络根据碰撞事故的特征指标，给予事故评估的目录，X1，X2， . .,Xn，在碰撞中主要部件的崩溃体现了变形的关键。这个关键点是圆孔和螺栓孔的选择，这样很容易找到。中心圆孔的变形能通过孔上3分圆的变形测量，螺栓孔的变形可以通过在那的3坐标节点的信息测量。从调查事故现场使用这些指标的测量值，x1e,x2e, . . .，xne，这些指标的计算从电脑模拟:x1c,x2c, . . .,xnc,指数E反应了事故重建的难易度。 式（16）如何取指数E的最大值是重复电脑模拟的过程，在短时间内，计算机仿真和神经网络建模相结合的方法是事故重建的一种技术改造。有限元分析往往为神经网络培训和测试产生例子，并使用商务条列LS-DYNA。训练过的神经网络能够绘制清变量间的关系，也就是汽车的初速度和角度，目标函数也就是指数E。解决训练模式的执行是通过design-of-experiment这个技术，这为了得到均匀分配内部领域，最大的指数E是利用训练过的神经网络预测的遗传算法取得，如图2所示：图2 事故重建流程图4.交通事故实例应用4.1事故现场有限元模型建立 采用有限元法及神经网络技术对一例真实汽车事故进行了再现分析，该事故发生在2001年12月海南试车场，如图3所示。图3 事故现场的图片针对本次事故的特点，选择前纵梁和挡泥板作为变形量测量对象 用三坐标测量仪测量了车身变形，首先在车身后部未发生变形的部位建立车身坐标系选择前纵粱上的7个螺栓定位点 及挡泥板上4个圆孔的圆心作为关键点用三坐标测量仪测量了其坐标，因为这2个主要能量吸收部分几乎不受到粗糙表面的影响，他们应该比前面更可靠：图4是摄影测量变形的关键点，图5是挡泥板和纵前梁的关键点。图4 关键点变髟量删量现场照片 图5 挡泥板和纵前梁的关键点4.2 有限元建模车辆模型是先拆卸和组成几大类：框架、前面的内部、机舱、门、等。利用UG和catia软件获得三维几何数据的每个组成部分。接下来，为了啮合与模型装配这些文件输入到Hypermesh软件。最后，这个模型是翻译LS-DYNA输入文件。众所周知，这个系统地总体结构式由通过关节连接的130个部分组成（包括点焊机、电弧焊接、螺栓铆连接,连接和胶粘剂粘）。许多不同类型的元素是用来描述几何形状，连接特性等。当某些特定条件得到满足时，包括不合格的壳单元，横梁单元，杆单元，六面体单元，弹簧单元，刚性单元，特定焊接单元一个模拟正面碰撞中占有者的动态行为的三维虚拟模型被建立，模型的所有部分使用球面和转动关节连接，该数据模型根据CMVDR294对实验结果的方法被验证（中国汽车设计准则），图6是比较实验和数值间加速-时间曲线。图6 测试结果和仿真结果加速度曲线在这个模拟中，引擎的变形不被考虑，但被当做一个刚性的部分，门使用铰链和门锁连接到车身，根据交通事故现场的照片，整个模型也包含墙的有限元模型 图7是商业车辆和墙的有限元模型，图8是挡泥板和前纵向梁的有限元模型。 图7 墙和商用车辆的有限元模型 图8 挡泥板和纵向梁的有限元模型4.3 事故重建纵向梁和挡泥板的变形测量值都列在表1。把商用车辆的速度和方向作为设计变量，把上界和下界设计变量限制在表1 变形的要点表2所示：每个实际变量的六设计水平有各种相同的间隔。表2 设计变量和设计水平在设计区域中训练区总共由36个要点构成，测试区由设计领域内随机挑选的4个要点构成，平均CPU时间为一个单一的有限元分析约八小时的onyx3800使用4个cpu SGI系统并行计算机。要点11的变形数据和指数E是为神经网络输出值的每个模拟仿真设计的，培训参数主要包括学习速率和动力常数。如图9所示图9 训练过的神经网络从表3,可以发现,神经网络能映射关系初始坠毁的参数与变形指标的准确的方式，指数E的最大值利用训练过的神经网络的遗传算法获得的，图10显示仿真结果，可以这样说，真正事故中的速度和角度和模拟中的十分吻合。表3 有限元法和神经网络得到的指数E图10 16度和51km/h条件下的仿真结果4.4 结果确认 由于事故现场中轮胎的清晰痕迹（图3a显示）我们可以得到模型的标志，利用数字技术解决了帕方程得到了对象点集（见图11）。所以墙和车辆运动方向间的角度能够从这个模型中测量，结果是16.89度。然后这个模型会输入到PC-CRASH中，车辆撞墙前的速度能被计算出事49.3km/h。PC-Crash包含了几种不同的计算模型,包括一个脉冲动量模型，一个刚度冲击模型，一个模拟轨道动力模型，和一种简单的动力学模型。为了最大多功能化，PC-Crash模拟结果能在平面和立体图，三维透视图和大量的图表和表格中获得。PC-Crash的仿真结果非常接近有限元方法，但是这个软件不能利用车辆变形的信息，和它完全依赖轮胎的痕迹。众所周知，现在很多车辆安装ABS防抱死系统使得车辆很难获得清晰地刹车痕，此外，天气和人都很容易损坏刹车痕，有限元方法通过车辆变形解决了速度和角度，并不需要任何外部条件，如刹车痕等。因此，有限元方法可以得到更可靠的结果。图11 事故现场的三维重建5. 总结本文提供了结合有限元分析和神经网络来重建碰撞事故的一种新的技术，利用有限元模拟充分考虑弹性变形和应变速率的研究结果更准确。利用神经网络，最初的碰撞参数和关键点的变形之间的关系能正确的绘制出，因此它降低了有限元模拟的周期。为了验证，程序用于一个典型的交通事故。利用训练的神经网络仿真的碰撞前速度和角度和真正的意外相一致，可以为事故的判断提供一种科学的依据。附件2：外文原文（复印件） 南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：方勇学 号：060104243专 业：机械工程及自动化设计(论文)题目：汽车碰撞模拟试验台设计指 导 教 师:肖 猛2010年3月19日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 74082005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述1研究背景随着科技的进步、经济的发展、人民生活水平的不断提高，汽车己经成为人们学习、工作、生活中不可缺少的代步工具，对人们的生活、生产产生了深刻的影响。作为一种便捷的现代化交通工具，汽车在给人们带来极大便利的同时，也因其造成的交通事故给人类的生命和财产安全带来了严重威胁。随着全球汽车保有量的不断增加，交通事故也随之增加，交通事故己经成为全球范围内的一大社会问题。这是一组让人膛目结舌的数字。美国的汽车保有量为1.3亿辆，每年道路交通死亡4万人左右；日本的汽车保有量近8000万辆，每年道路交通死亡1.1万人，去年降到8000人。中国的汽车保有量是3000万辆，每年道路交通死亡近11万人，单车事故率相当于美国的近13倍，日本的近40倍1。除去交通状况等客观因素，一个不可回避的原因就是中国汽车安全系数低，我国交通事故的严重程度由此可想而知。随着我国道路交通状况的不断改善，我国汽车的保有量不断增加，车速也逐渐提高，交通事故总量和所造成的人员伤亡与财产损失近年来也呈上升趋势。加强道路交通系统和汽车安全的研究，预防交通事故，是需要全社会共同关注和迫切改善的重要课题2。汽车安全性问题与汽车的各种性能等直接或间接有关，对其研究最初是与提高汽车的整车性能的研究交织在一起的。随着二战后汽车工业的持续发展，到60年代中期，西方发达国家中汽车的保有量和汽车的动力性能有了明显的提高，公路上的车流密度和车流速度己达到了一个空前高的水平，汽车事故发生率空前高涨，汽车安全性受到了公众和政府部门的高度重视。从这一时期开始，各国相继制定或修订了安全法规，如美国的汽车安全标准FMVSS等3。在这些法规的制约下，以及为了提高汽车产品的竞争力，各大汽车制造商和一些研究机构开展了汽车安全性的专门研究。汽车安全性研究逐渐从汽车技术研究的其他领域分离出来形成了一个独立的分支。2汽车安全性的种类汽车安全性可划分为主动安全性和被动安全性5。被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员或车外行人进行保护，以免发生伤害或使伤害减低到最低程度的性能。目前，汽车被动安全性研究内容包括车身结构抗撞性研究、碰撞生物力学研究以及乘员约束系统及安全驾驶室内饰组件的开发研究这三个方面。汽车被动安全性研究方法包括试验研究和计算机仿真研究两种6。汽车被动安全性的研究最早通过实验进行，内容包括台架冲击试验、台车碰撞模拟试验和实车碰撞试验。实车碰撞试验主要用来对己开发出的成品车型进行按法规(如美国FMVSS汽车安全标准)要求的试验，以鉴定其是否达到法规要求。涉及整车结构的相关FMVSS安全标准都要求进行时速为48km/h的实车与固定障壁的前碰实验。前面固定障碍物的冲击代表最严重的汽车碰撞类型。适合于该碰撞试验的固定障碍物通常由至少3m宽、1.5m高、0.6m厚的钢筋混凝土制成。在障碍物后面堆有大约90.000吨夯实的砂土或其等价物。障碍物平面垂直于汽车最后趋近路线，且表面铺有19mm厚的层压板。采用道轨来控制试验汽车的方向，整个车辆的加速度可借安置于车地板或大梁或靠近车门中柱的车身门槛处的加速度仪来测量。我国的碰撞试验使用的是刚性的水泥墙，其上覆盖的20cm的木板并不存在变形吸能的作用，只是为了保护仪器，反而是欧洲的重叠碰撞试验中测试车辆并不是直接撞向刚性墙壁，而是与一个蜂窝结构的吸能块发生重叠碰撞，用这个吸能块来模仿对面来车。汽车主动安全对策主要涉及汽车的制动性、动力性、操纵稳定性、驾驶舒适性、信息性等方面。包括防抱死制动系统(ABS)、驱动防滑系统(ASR)、横摆控制系统、车距报警系统、驾驶辅助预警系统、安全导航系统后视镜、高位制动灯等汽车主动安全装置7。3汽车模拟碰撞的研究（1）国外汽车碰撞模拟研究与发展状况对汽车碰撞的研究，国外起步较早。较早开展汽车碰撞研究的是美国。早期汽车碰撞研究主要是进行各种条件下的碰撞试验，包括实车试验和模拟试验，如前所述。国外 汽 车碰撞模拟最早出现在60年代末期，由于当时受计算机硬件水平的限制，一辆车仅包含几十个节点，单元类型也局限于梁单元，当时的碰撞模拟主要是对实车碰撞实验的预测。80年代由于Cray等巨型机的出现和显式积分理论的成熟，人们开始研究对整车的耐撞有限元分析，汽车单元数量发展到几千个，同时开发出了与汽车结构相对应的薄壁单元。进入90年代以来，由于汽车碰撞的商业化软件不断完善，单元数量也扩大到几万个甚至几十万个，汽车碰撞模拟结果越来越接近于实际。由于计算机开始广泛采用了并行技术，使得运算时间大大减少，甚至现在普通的个人计算机也可以进行碰撞仿真分析。目前在汽车发达国家汽车碰撞模拟研究已经达到相当成熟的地步，开发出了许多成熟的用于碰撞模拟的成熟商业软件包，已经部分取代实验室的工作。（2） 国外开展汽车碰撞模拟研究的方向国外开展的汽车碰撞计算机模拟研究主要包括事故再(ACCIDENTRECONSTRUCTION),碰撞受害者模拟(CRASH VICTIM SIMULATION)、汽车结构抗撞性模拟(SIMULATION OF AUTOMOBILES CRASHWORTHI-NESS)三个方向9-12。事故再现研究的内容是，在汽车事故发生后，由汽车的最终位置开始，运用按经验建立的运动学和动力学模型往回推算，即反向经由碰撞后阶段一碰撞阶段一碰撞前阶段，使事故的情况在时间和空间上得以重现。汽车 碰 撞 受害者模拟的研究工作开始于60年代中期，使用的动力学分析模型是多刚体系统模型和生物力学分析模型，分别用来模拟人体整体动力学响应和人体局部结构伤害程度。汽车 结 构 抗撞性模拟的动力学分析模型是非线性大变形有限元模型。有限元模型的优点在于能真实地描述结构变形，适用于建立汽车结构模型及人体局部结构的生物力学分析模型。（3） 国内汽车碰撞模拟研究状况我国对汽车被动安全性进行系统研究是从上个世纪80年代后期开始的，汽车碰撞研究工作也开始于这一时期，取得了可喜的成绩。1989年，吉林工业大学和西安公路交通大学分别建立了“刚体+弹塑性弹簧”数学东北大学硕士学位论文第一章绪论模型和“刚体+弹簧阻尼”数学模型13。后者还做了模型碰撞试验，验证其理论模型。次年，吉林工业大学李卓森教授和李洪国教授就计算机模拟中所需的汽车碰撞刚度和汽车正面碰撞方程式等方面进行了探讨。1996年清华大学的黄世霖、王春雨等人应用DYNA3D研究了车架结构的耐撞性能并在此研究基础上对车架结构提出了改进措施。从2000年开始，我国一直实施汽车正面碰撞法规，即是100%正面全接触碰撞试验。2003年，我国己经制定GB 11551汽车正碰国家标准。而事实上，在道路交通事故中，由于侧面碰撞造成的伤亡事故也占有相当比例，约有20%。在清华大学汽车碰撞试验室和中国汽车技术研究中心碰撞试验室进行了大量的碰撞试验，才最终确定了我国汽车侧碰国家标准(送审稿)的内容，并计划于2006年7月1日起正式实施14-16。4.个人感想 汽车碰撞试验是汽车碰撞安全性研究中最准确可靠的方法，所开发汽车的碰撞安全性最终都得通过实车碰撞试验来检验。但此类试验是汽车开发中一种昂贵的“试错”过程，所需开发时间长，开发成本高。因此，寻求通过对汽车碰撞进行模拟计算来部分地取代与改进汽车碰撞试验工作，已成为汽车碰撞安全性研究中的一种必然趋势。通过模拟计算来分析汽车的碰撞性能，可以为汽车设计或改进工作提供一些基本规律和指导方向，减少试验次数，避免大量尝试性的工作，这样既能节约开发成本，又可缩短开发时间。在我国当前财力物力有限，相关的试验条件还不充分具备的条件下，应用有限元模拟计算的方法来研究汽车的侧面碰撞安全性，就更加具有现实意义。 参考文献1 上海市教育委员会.现代汽车安全技术M.上海：上海交通大学出版社，2006.2 钟志华等.汽车碰撞安全技术M.北京：机械工业出版社，2003.3 夏长高，曾发林，丁华.汽车安全检测技术M.北京：化学工业出版社，2006.4 王瑄，刘晓君，朱西产.我国安全带动态性能试验标准中滑车碰撞车速的探讨J. 汽车工程，1998（1）：10-16.5 刘君，王瑄.安全带动态性能试验方法研究J.汽车技术，1998（9）：16-20，27.6 曹玉平，阎祥安.液压传动与控制M.天津：天津大学出版社，2003.7 王瑄，陈弘，董丽莉，赵航. CATARC汽车模拟碰撞试验系统的研究J.汽车技术，1996（10）：28-32.8 杨培元，朱福元. 液压系统设计简明手册M.北京：机械工业出版社，2005.9 刘学术，宋振寰，于长吉.汽车碰撞基本规律研究J.汽车技术，2004（3）：22-25.10 开文果，金先龙，张晓云等.汽车碰撞有限元仿真的并行计算及其性能研究 J.系统仿真学报，2004,16(11):2428-2431.11 黄世霖，张金换，王晓东等.汽车碰撞与安全M，北京:清华大学出版社，2000.12 梁宏毅，关乔，陈建伟解析中国汽车正面碰撞试验法规J，世界汽车，2001.13 朱西产.实车碰撞试验法规的现状和发展趋势J.汽车技术，2001,4:5-10.14 胡少良.我国汽车碰撞安全性研究的现状J.天津汽车,1995,8(3):33-35.15 郭应时，吴晓武.汽车非对称正面碰撞过程模拟J.西安公路交通大学学报，1999,19(2):80-105.16 张觉慧，谭敦松，高卫民等.汽车碰撞的有限元法及车门的抗撞性研究J.同济大学学报，1997,25(4):450-454. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：研究问题：本课题主要研究的是设计一个轨道，一个撞击试验台，缓冲器和相关零件，设计缓冲器使撞击后减速曲线符合ECE16标准，给出模拟碰撞曲线。小车和缓冲器强度需满足要求。研究手段：（1）采用液压式缓冲器，设计缓冲器结构；（2）设计模拟碰撞试验台的其他部件；（2）通过CAD绘图软件绘制结构图。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：“文献综述”以交通事故的严重性作为课题研究的背景，简述了汽车检测与安全的重要性，阐述了国内外对汽车碰撞的研究和发展情况，最后结合课题内容提出了自己的看法。论述与课题研究内容和主题结合紧密，叙述清楚，有一定的综合能力，表明该同学对课题相关研究内容已有一定的理解。2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：本课题是关于汽车碰撞模拟试验台的设计，涉及面较宽，深度和广度适中，工作量适中，需要学生灵活应用所学的理论知识，应该能够达到预期目标。 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日 南京理工大学紫金学院毕业设计说明书(论文)作 者:方勇学 号：060104243系：机械工程专 业:机械工程及自动化题 目:汽车碰撞模拟实验台设计讲师肖猛指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2010年 5月毕业设计说明书（论文）中文摘要 汽车模拟碰撞试验台由基架、导轨、滑车、牵引装置、液压缓冲系统及碰撞壁组成。安装在导轨上的滑车被牵引装置拖动，拉伸弹性橡皮绳给滑车提供较大初始加速度，小车以48KM/h的速度碰撞缓冲器，缓冲器在一定的时间内把小车的速度由48KM/h减到0。本文主要研究的对象是液压缓冲器，该液压缓冲器主要作用是将小车的碰撞加速度控制在ECER16标准曲线范围内。关键词 模拟碰撞 试验台 液压缓冲器 毕业设计说明书（论文）外文摘要Title The Design of Vehicle Simulation Impact Test System Abstract：This simulation impact test bed of vehicle is composed of base mounting, guide rail, sheave block, draw gear, Hydraulic buffer system and Collisions wall. The sheave block mounted in guide rail is driven by draw gear, elastic rubber ropes as a kind of media is stretched to provide biggish initial acceleration, the sheave block collision the buffer with the speed 48km/h.The buffer reduced the speed of sheave block from 48km/h to 0 in a certain period of time. This paper mainly studies the object is hydraulic buffer, the buffers main effect is control the sheave blocks crash acceleration in ECER16 standard curve range.Keywords Simulation collision; test-bed; Hydraulic buffer 本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 1 页目录1 绪论11.1 课题来源与国内外现状11.1.1 研究背景11.1.2 汽车安全性的种类11.1.3 汽车模拟碰撞的研究21.1.4 本课题主要内容32. 碰撞试验台结构特点和技术要求42.1 结构特点和技术要求42.2 缓冲过程建模43. 碰撞试验台的设计和计算53.1 碰撞试验台的总体设计53.2 导轨机构的设计和计算53.3 小车的选择和设计及释放机构63.4 墙体的选择73.5 传动装置74. 减速缓冲装置的设计和计算94.1 减速缓冲器的种类94.2 吸能缓冲器94.3 多孔式液压缓冲器114.4 圆槽减速缓冲器的设计计算144.4.1 液压缓冲器的设计原理144.4.2 缓冲器的结果设计194.4.3 液压缓冲器装配图214.4.4 驻退液224.4.5 缓冲装置的运动22结 论24致 谢25参 考 文 献26附录一 液压缸体设计VB编程代码28附录二 加速度曲线VB编程代码30附录三 液压缸设计数据表31附录四 液压缸圆槽设计数据表33本科毕业设计说明书（论文） 第 37 页 共 37 页1 绪论1.1 课题来源与国内外现状随着科技的进步、经济的发展、人民生活水平的不断提高，汽车己经成为人们学习、工作、生活中不可缺少的代步工具，对人们的生活、生产产生了深刻的影响。作为一种便捷的现代化交通工具，汽车在给人们带来极大便利的同时，也因其造成的交通事故给人类的生命和财产安全带来了严重威胁。随着全球汽车保有量的不断增加，交通事故也随之增加，交通事故己经成为全球范围内的一大社会问题。这是一组让人膛目结舌的数字。美国的汽车保有量为1.3亿辆，每年道路交通死亡4万人左右；日本的汽车保有量近8000万辆，每年道路交通死亡1.1万人，去年降到8000人。中国的汽车保有量是3000万辆，每年道路交通死亡近11万人，单车事故率相当于美国的近13倍，日本的近40倍。除去交通状况等客观因素，一个不可回避的原因就是中国汽车安全系数低，我国交通事故的严重程度由此可想而知。随着我国道路交通状况的不断改善，我国汽车的保有量不断增加，车速也逐渐提高，交通事故总量和所造成的人员伤亡与财产损失近年来也呈上升趋势。加强道路交通系统和汽车安全的研究，预防交通事故，是需要全社会共同关注和迫切改善的重要课题1-2。汽车安全性问题与汽车的各种性能等直接或间接有关，对其研究最初是与提高汽车的整车性能的研究交织在一起的。随着二战后汽车工业的持续发展，到60年代中期，西方发达国家中汽车的保有量和汽车的动力性能有了明显的提高，公路上的车流密度和车流速度己达到了一个空前高的水平，汽车事故发生率空前高涨，汽车安全性受到了公众和政府部门的高度重视。从这一时期开始，各国相继制定或修订了安全法规，如美国的汽车安全标准FMVSS等3。在这些法规的制约下，以及为了提高汽车产品的竞争力，各大汽车制造商和一些研究机构开展了汽车安全性的专门研究。汽车安全性研究逐渐从汽车技术研究的其他领域分离出来形成了一个独立的分支。1.2 汽车安全性的种类汽车安全性可划分为主动安全性和被动安全性4-5。被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员或车外行人进行保护，以免发生伤害或使伤害减低到最低程度的性能。目前，汽车被动安全性研究内容包括车身结构抗撞性研究、碰撞生物力学研究以及乘员约束系统及安全驾驶室内饰组件的开发研究这三个方面。汽车被动安全性研究方法包括试验研究和计算机仿真研究两种6。汽车被动安全性的研究最早通过实验进行，内容包括台架冲击试验、台车碰撞模拟试验和实车碰撞试验。实车碰撞试验主要用来对己开发出的成品车型进行按法规(如美国FMVSS汽车安全标准)要求的试验，以鉴定其是否达到法规要求。涉及整车结构的相关FMVSS安全标准都要求进行时速为48km/h的实车与固定障壁的前碰实验。前面固定障碍物的冲击代表最严重的汽车碰撞类型。适合于该碰撞试验的固定障碍物通常由至少3m宽、1.5m高、0.6m厚的钢筋混凝土制成。在障碍物后面堆有大约90吨夯实的砂土或其等价物。障碍物平面垂直于汽车最后趋近路线，且表面铺有19mm厚的层压板。采用道轨来控制试验汽车的方向，整个车辆的加速度可借安置于车地板或大梁或靠近车门中柱的车身门槛处的加速度仪来测量。我国的碰撞试验使用的是刚性的水泥墙，其上覆盖的20cm的木板并不存在变形吸能的作用，只是为了保护仪器，反而是欧洲的重叠碰撞试验中测试车辆并不是直接撞向刚性墙壁，而是与一个蜂窝结构的吸能块发生重叠碰撞，用这个吸能块来模仿对面来车。汽车主动安全对策主要涉及汽车的制动性、动力性、操纵稳定性、驾驶舒适性、信息性等方面。包括防抱死制动系统(ABS)、驱动防滑系统(ASR)、横摆控制系统、车距报警系统、驾驶辅助预警系统、安全导航系统后视镜、高位制动灯等汽车主动安全装置7-8。1.3 汽车模拟碰撞的研究（1）国外汽车碰撞模拟研究与发展状况对汽车碰撞的研究，国外起步较早。较早开展汽车碰撞研究的是美国。早期汽车碰撞研究主要是进行各种条件下的碰撞试验，包括实车试验和模拟试验，如前所述。国外 汽 车碰撞模拟最早出现在60年代末期，由于当时受计算机硬件水平的限制，一辆车仅包含几十个节点，单元类型也局限于梁单元，当时的碰撞模拟主要是对实车碰撞实验的预测。80年代由于Cray等巨型机的出现和显式积分理论的成熟，人们开始研究对整车的耐撞有限元分析，汽车单元数量发展到几千个，同时开发出了与汽车结构相对应的薄壁单元。进入90年代以来，由于汽车碰撞的商业化软件不断完善，单元数量也扩大到几万个甚至几十万个，汽车碰撞模拟结果越来越接近于实际。由于计算机开始广泛采用了并行技术，使得运算时间大大减少，甚至现在普通的个人计算机也可以进行碰撞仿真分析。目前在汽车发达国家汽车碰撞模拟研究已经达到相当成熟的地步，开发出了许多成熟的用于碰撞模拟的成熟商业软件包，已经部分取代实验室的工作。(2)国外开展汽车碰撞模拟研究的方向国外开展的汽车碰撞计算机模拟研究主要包括事故再(ACCIDENTRECONSTRUCTION),碰撞受害者模拟(CRASH VICTIM SIMULATION)、汽车结构抗撞性模拟(SIMULATION OF AUTOMOBILES CRASHWORTHI-NESS)三个方向9-12。事故再现研究的内容是，在汽车事故发生后，由汽车的最终位置开始，运用按经验建立的运动学和动力学模型往回推算，即反向经由碰撞后阶段一碰撞阶段一碰撞前阶段，使事故的情况在时间和空间上得以重现。汽车 碰 撞 受害者模拟的研究工作开始于60年代中期，使用的动力学分析模型是多刚体系统模型和生物力学分析模型，分别用来模拟人体整体动力学响应和人体局部结构伤害程度。汽车 结 构 抗撞性模拟的动力学分析模型是非线性大变形有限元模型。有限元模型的优点在于能真实地描述结构变 形，适用于建立汽车结构模型及人体局部结构的生物力学分析模型。(3)国内汽车碰撞模拟研究状况我国对汽车被动安全性进行系统研究是从上个世纪80年代后期开始的，汽车碰撞研究工作也开始于这一时期，取得了可喜的成绩。1989年，吉林工业大学和西安公路交通大学分别建立了“刚体+弹塑性弹簧”数学东北大学硕士学位论文第一章绪论模型和“刚体+弹簧阻尼”数学模型13。后者还做了模型碰撞试验，验证其理论模型。次年，吉林工业大学李卓森教授和李洪国教授就计算机模拟中所需的汽车碰撞刚度和汽车正面碰撞方程式等方面进行了探讨。1996年清华大学的黄世霖、王春雨等人应用DYNA3D研究了车架结构的耐撞性能并在此研究基础上对车架结构提出了改进措施。从2000年开始，我国一直实施汽车正面碰撞法规，即是100%正面全接触碰撞试验。2003年，我国己经制定GB 11551汽车正碰国家标准。而事实上，在道路交通事故中，由于侧面碰撞造成的伤亡事故也占有相当比例，约有20%。在清华大学汽车碰撞试验室和中国汽车技术研究中心碰撞试验室进行了大量的碰撞试验，才最终确定了我国汽车侧碰国家标准(送审稿)的内容，并计划于2006年7月1日起正式实施14-16。1.4 本课题主要内容本课题在介绍国内外汽车碰撞试验台的基础上，提出一种汽车碰撞试验台设计方案，包括小车，导轨，牵引装置，减速缓冲装置等。重点进行减速缓冲装置的分析与设计，设计出液压式缓冲器，使得小车撞击后减速曲线符合ECER16标准，并给出模拟碰撞曲线。2. 碰撞试验台结构特点和技术要求2.1 结构特点和技术要求本课题设计的模拟试验台结构特点并不复杂，主要机械结构部分包括导轨、滑车、拖车、释放机构、牵引拉紧装置、拉紧力调节机构、减速器及水泥壁障等，导轨设计要让小车平稳滑行，小车选择稳定性比较好的，拖车、释放机构、牵引拉紧装置、拉力调节机构是一个整体的系统，其主要作用是给小车一定的速度，并在一个稳定的速度释放小车，减速器是让汽车的减速波形满足ECER16法规的要求。 ECERl6和ECERl7波形的模拟是关于安全带动态试验的法规，要求台车试验模拟出来的减速度波形在一定范围内，且停车距离在(40020)mm之间。因此我们的设计难点在减速缓冲装置上面。而其他的零部件按照一定的要求可以设计出来17。2.2 缓冲过程建模进一步了解缓冲器的实际工作过程(即其动态特性)，必须对缓冲过程进行动态分析，缓冲器的缓冲过程如图2.1所示，冲击载荷为质量M。的冲击块与转动惯量J1的滚珠丝杆的组合(冲击块运动速度与丝杆的角速度呈一定的比例关系)。冲击块撞击缓冲器活塞头时的速度为V0击载荷的质量远大于活塞的质量m(即Km0)，则撞击时的能量损失E可以忽略。由于冲击块与活塞头均为钢制件，在实际冲击过程中难免会发生冲击块与活塞头的多次撞击现象，为便于分析，建模时忽略多次撞击的过程，即假设冲击块与活塞第一次撞击后以相同的速度运行。1 液压缓冲器 2. 冲击块 3. 丝杆图2.1 缓冲过程原理图3. 碰撞试验台的设计和计算3.1 碰撞试验台的总体设计本实验台的主要部件如下图所示：1. 墙体 2.导轨安装板 3. 液压缓冲器 4. 缓冲块 5. 滑车6. 牵引车 7. 导轨 8. 电动机图3.1 试验台总体结构 3.2 导轨机构的设计和计算 导轨的功能是为滑车和拖车进行导向。导轨的断面形状为工字形用钢轨型钢加工而成。两根导轨的长度各为25m，彼此平行排列，距离为lm在导轨的下面有调整垫铁和水泥地基。这样的话小车可以稳定在导轨上滑行并且比较稳定。如图3.2所示图3.2 导轨示意图3.3 小车的选择和设计及释放机构滑车的长度为15m，宽度为12m，其上表面铺设钢板。在钢板上面装有塑料吸能器的钢筒与支承根据需要还可装座椅及其它试验需要的装置或部件。滑车后端设有与拖车插销相连接的带孔的零件和两个电磁铁偶件的吸盘。滑车的下面装有4组与导轨接触并上下左右限位的滚轮，借此与导轨实现滚动摩擦，为减少噪声，在钢滚轮外装有尼龙套。本系统采用电磁铁吸合、安全插销保险的简易机构。2个电磁铁的吸力约30kN，安全插销是利用一台小电机驱动的螺杆机构带着上下移动的，从而实现插销和拔销动作，由电控设计保证，在电磁铁吸合和安全插销插入滑车的带孔零件之中后，卷扬机才能往后拉动拖车，并且只有在安全插销从滑车带孔零件中拔出后，才能释放滑车。如果停电，安全插销便会锁住滑车，避免产生不需要的碰撞，从而达到安全保险的目的。图3.3 滑车与导轨配合图 3.4 墙体的选择为了适应广泛的需要，壁障深入地下1.5m，宽2m，长3m，总质量约30t，为钢筋混凝土结构，并同导轨的地基浇筑成一体， 壁障的碰撞平面装有厚20mm 的钢板，并在钢板上装置吸能器偶件之一的橄榄头杆座，根据需要还可装设载荷传感器等部件。图3.4 碰撞墙体3.5 传动装置拖车的结构与滑车相同，只不过长度仅为O5m，上面装有插安全销的部件及其支承以及两个电磁铁吸盘，其后端装有钢丝绳牵引钩环。利用卷扬机、钢丝绳并通过拖车和释放机构将滑车拉回到设定位置，以保证在碰撞前达到规定的车速在设定位置的滑车将多根橡胶绳拉紧，当释放机构 放时，橡胶绳的拉紧力便使滑车向前加速运行，一直到水泥壁障前，吸能器使其停止为止。根据车装载质量的多少和要求车速的大小，橡胶绳的数量可以相应地增减17-19。4. 减速缓冲装置的设计和计算4.1 减速缓冲器的种类在台车模拟碰撞实验过程中，缓冲减速装置决定了碰撞减速度波形，因此是台车实验的关键设备，国内外各厂家和科研机构关于缓冲减速装置的研究很多，缓冲的形式也多种多样。包括：高压气体型节流芯柱式，液压伺服式，金属或塑料褶皱吸能式和液压节流式等。4.2 吸能缓冲器正碰台车试验装置的设计思路将一根金属棒材的两端分别用3根销固定(如图4-1(a)所示)，若给其一定的预变形后在中间施加一质量为m，速度为v的冲击载荷(如图4-1(b)所示)，金属棒材将发生如图4-1(C)所示的变形。在变形的过程中金属棒材将吸收能量，其大小为冲击载荷(即质量块)所做的功。在质量块上测得其在冲击过程中的减速度或力，并通过两次积分运算得到质量块和金属棒材的相对位移。结果表明，在冲击过程中质量块所受到的减速度或力与质量块和金属棒材的相对位移或作用时问具有图6所示的梯形关系，即金属棒材受到的力或减速度逐渐增大到一定值后保持稳定，直到冲击块的速度减为零或金属棒材从销中脱离。 (a)棒材固定 (b)棒材预变形 （c）棒材受冲击后变形图4.1单根金属棒材受冲击载荷作用时的变形过程根据作用力与反作用关系，图4.2所示的即为单根金属棒材在图4.1所示状态下的力学特性。另外，根据F=ma，在冲击块质量不变的情况下金属棒材所能承受的减速度不变(与质量块的冲击速度无关)。基于单根金属棒材在这一工作模式下的力学特性，正碰台车试验装置以金属棒材作为复现波形用的吸能材料。图4.2 单根金属棒材的力学特性图4.3为整套金属棒材吸能式正面碰撞台车试验装置的设计简图。该系统可分为两部分：一部分是用于固定车身的台车装置，另一部分是用于模拟车身减速即车体变形的波形复现装置。其工作过程与实车正面碰撞过程类似，可分为如下3个阶段：（1）引系统牵引台车车架(车体焊接在其上)获得预定的速度；（2）在探杆离吸能装置23 m处牵引系统与台车装置分离，台车车架以预定的速度作匀速的自由运动(地面摩擦忽略不计)；（3）探杆与第一排金属棒材接触，在金属棒材的阻尼作用下台车装置开始作减速运动，直至速度减为0，试验结束20。 (a) 台车车架正视图 俯视图（b）波形复现装置图4.3 正碰台车试验系统的设计简图4.3 多孔式液压缓冲器清华大学碰撞实验室根据自身的特点和我国的国情，研制出液压节流式缓冲器。液压节流式缓冲器通常情况下是高速运行设备一种有效的安全保护装置，广泛应用于起重机、电梯和车辆机械中，但在传统的工程设计中，只是用估算的方法，对缓冲波形和模拟计算精度的要求都比较低。在台车模拟碰撞试验中，要求能精确地控制缓冲器的波形，因此需要高精度的模拟计算进行辅导设计和调试。图4.4为多孔式液压缓冲器的原理图，在碰撞前，蓄能器中预先充满一定的氮气，当台车撞击活塞时，液压油由节流孔从高压腔压缩到外腔，外腔通过回油孔与低压腔相通，节流孔产生的阻尼力对台车产生制动。台车的动能大部分转化为液压油的热能，同时还有一部分能量储存在蓄能器中，节流孔沿活塞的行程不等间距分布，每个节流孔的大小可以通过更换不同尺寸的节流螺钉来控制。这样可以按不同的碰撞要求控制缓冲器碰撞波形21。图4.4 多孔液压缓冲器的工作原理图本模型主要考虑了湍流状态下小孔节流流量特性、偏心环缝的流量特性、油的压缩性、活塞的运动特性和缓冲块的力学特性等，以动力特性为主。考虑到两次台车模拟碰撞时间间隔太长，温度对模型影响不大，因此忽略温度影响。（1）小孔节流流量方程为q1=CQAC2P-P2 式(4.1)式中：其为密度，Cq为流量系数，Ac为节流面积。 （2）偏心环缝流量方程（图4-4） q2=2.5d12lc(p-p2)3 式(4.2)其中为动力粘度,为l活塞头行程方向宽度，为活塞头偏心量，C为修正系数 图4.5 偏心环缝（3）油的压缩性方程 k=-dpdv dvdt=-vkdpdt 式（4.3） 式中K为体积弹性模量，V为高压油体积。（4）液压油的流量连续性方程v2=Q1+Q2+Q3+dvdt 式（4.4）式中：Q3为其他缝隙泄漏补充流量（5）活塞的力平衡方程m2dv2dt=F+p2A2-PA1-f2g2 式(4.5）（6）台车的力平衡方程 m2dv1dt=-(F+f2G2) 式（4.6）（7)其他补充方程气体绝热压缩 p2=p0v0v0-x2A0K 式（4.7）节流面积曲线 Ac=Ac(X2) 式（4.8）缓冲块的力学特性曲线 F=F(X1-X2) 式(4.9)综合上面方程可以得到微分方程组如下： dpdt=kL-X2A1V1-Q1-Q2-Q3dv1dt=-1m1Fx1-x2+f2G1dv2dt=1m2Fx1-x2+p2A2-PA1-f2G2dx1dt=v1dx2dt=v2 式(4.10)输入特性参数Cq，p，K，k,f1，f2和其他一些试验参数m1，m2，Vo，P0，以及节流面积曲线AC(X2)，缓冲块压力曲线F(xlX2)，最后确定台车的初速度V0，就可以用数值积分法求解上面的方程。这里用变步长的四阶龙格-库塔法求解方程组，可以得到高压腔的压力曲线、台车和活塞的减速度、速度和位移曲线，其中台车的减速度曲线是和试验进行对比的重点，通过对比验证模型的准确性，并对模型的各参数进行优化和修正。4.4 圆槽减速缓冲器的设计计算4.4.1 液压缓冲器的设计原理为了汽车各种零部件的试验研究，缓冲器应能模拟汽车在不同速度下实车碰撞的波形。多孔式液压缓冲器由于结构的原因，很难把某次实车的碰撞波形模拟的非常精确。从统计学的观点来讲，模拟某次实车碰撞波形其实是没有意义的，缓冲器能模拟出碰撞过程中的加速度峰值和脉宽等重要参数就足够了。但由于实车碰撞的速度特性和液压缓冲器的速度特性存在本质不同，这就需要一套调节缓冲器的方法，以适应在不同速度下的碰撞试验的需要21-24。在此设计的液压缓冲器模拟汽车碰撞波形要满足ECER16的要求,要求台车试验模拟出来的减速度波形在一定范围内且停车距离在(40020)mm之间。图4.5为本系统模拟出的满足ECER16要求的减速度波形，图中两条虚线为法规要求的减速度波形的上下限，该减速度波形的停车距离为399 mm。ECER17是关于座椅强度的法规，要求台车试验模拟出的大于20 g的减速度波形持续时间不小于30ms。图4.6是要用本系统模拟出的满足ECER17的减速度波形，该减速度波形最大减速度为23.31g，大于20g的减速度波形持续时间为34.5 ms。图4.6 满足法规ECER16要求的减速度波形图4.7 满足法规ECER17要求的减速度波形图4。8为液压缓冲器的局部正视图，从图中可以看出在液压缸底部有一个圆槽，因此称之为圆槽式液压缓冲器。改缓冲器主要依靠活塞在圆槽的位置变化改变驻退液的流量来改变小车碰撞的加速度变化。，在整个撞击的过程中，内压缸内的压力始终保持一定，如此便产生一固定大小之缓冲力，也就是所谓的线性减速。 经由此线性减速过程，油压缓冲器能将运动工作件平稳且安静地以最小的力量将运动件停止下来。图4.8 缓冲器局部正视图1. 工作腔 2. 非工作腔图4.9 缓冲器结构图由于活塞挤压1腔（工作腔）内液体，使其压力升高，被压缩液体通过活塞和变深度沟槽组成的流液孔高速射入2腔（非工作腔），这股高速射流最后射到驻退筒的底部，成为杂乱无章的涡流，随着后坐运动驻退杆不断从驻退筒中抽出，2腔出现真空，流液在变深度沟槽中受阻尼力对台车进行制动。汽车碰撞中的巨大动能转化为驻退液的热能，还有一部分能量贮存在2腔中。不难看出，缓冲装置内流体流动是十分复杂的，它属于可压缩粘性液体带有热传导的三维非定向层流动，过渡到大雷诺数紊流流动的问题。为了工程上处理方便，对缓冲装置中液体的流动作如下假设：1） 驻退液是不可压缩的2） 流动是一维定常数3） 驻退液在缓冲装置通道中的流动是以地球为惯性参考系的液流通道中某点的流速和压力P，即为该点所在截面上的平均流速和液体压力，并认为该截面上的值处处相等，对于恒定紊流（即流速和压力的时间均值不随时间变化的紊流），还应理解为对时间的平均流速和压力，这样，所讨论的模型不需要再区分层流和恒定紊流了。下面建立描述在缓冲装置作用下运动的基本方程组:1）建立驻退方程和缓冲阻力方程 mhd2xdt2=-FR 式（4.11） FR=Fh+Ff 式（4.12） 2）驻退机内液体的质量守恒方程（连续方程）为了确定驻退活塞后坐速度与液体流经流液孔德液流速度的关系，应用不可压缩定常流动的质量守恒方程：=常数式中：流液通道中任一截面的液流速度 A液流通道的截面面积在图4.9中的简单沟槽式驻退机上取1-1和2-2截面，并规定：工作腔内1-1截面上液体压力和流速 非工作腔内2-2截面上液体压力和流速 流液孔面积，其中，b沟槽宽度；沟槽的变深度：方形面积；d驻退筒内径；D驻退筒外径。驻退杆以V的速度后坐，若观察者位于驻退杆上，则可看出液体以V的速度流向流液孔，并的流速射向2腔，得： VA0=ax2 式（4.13） 2=A2aXv 式（4.14）上式解出是相对驻退杆的相对速度，活塞的相对速度为-V，故通过流液孔的绝对速度为： 2=A0axv-v 式（4.15）3）驻退机液流的机箱能守恒方程（伯努利方程）为了确定驻退机1-1和2-2截面上流体压力和流速的关系，引用定常流动的能量方程，有： z1g+p1+122=z2g+p2+222+Hr 式（4.16）式中：，1-1截面上液体具有的比位能，比压能和比动能 ， 2-2截面上液体具体的比位能，比压能和比动能 液体流到的比能损失 液体的密度式4.16说明如下能量守恒之事实：在定常流动同一瞬时，处于1-1截面上的单位质量液体和处于2-2截面上的单位质量流体所具体的全部机械之差，等于从1-1截面流到2-2截面流到2-2截面单位质量液体克服各种损失所损失的能量。比能损失一般包括两部分，一部分成为沿程损失-液体沿截面尺寸和角度不变的液流流动时的能量损失，它反映了液体分子之间以及液体与壁面之间的摩擦损失，另一部分称为局部损失-当液流通道截面尺寸与高度变化时，液体的能量损失，它反映了当液体流通道几何尺寸变化时，由于液体的惯性，不能完全沿壁面流动，产生脱离现象，造成局部流动紊乱并有涡流产生而损失的一部分能量，两种损失的内因都来自于液体的粘性，通常工程设计中，认为液体流到某截面的比能损失与该截面液体的比能动能成正比，即：Hr=22 式（4.17）式中液体的损失系数显然与液体的粘性，通道几何尺寸，壁面粗糙度，流动状态等有关。利用伯努利方程建立图1所示1-1和2-2截面的液体能量关系。在1-1截面上，压力为,流速（杆后坐），比能；2-2截面上，压力（2腔出现真空），流速为，比位能。因驻退机径向尺寸变化不大，1-1和2-2截面上液流中心高度相差无几，可认为将上述参量代人公式可得： p1=222+Hr=(1+)222 式（4.18）应该指出，利用上式计算工作腔压力p1,往往与实测压力值相差较大，这是由于损失系数不易取准，另一方面，三条基本假设与实际情况有较大差别。因此反后坐装置设计中用修正系数K代替，上式可写成： p1=k222 式（4.19）K称为驻退机的液压阻力系数。K不仅包括了驻退机内液体流到的沿程损失，而且还包括对上述公式不完善部分（如液体的收缩，截面，流速，压力的不均匀性等）的修正。因此，K实质上是一个理论与实际之间的符合系数。在反后台坐装置设计中，对液体阻力系数K选取合理与，是关系设计成功与否的关键。4） 液压阻力方程在后坐过程中，工作腔压力始终作用在驻退活塞的工作腔一侧，这个液压力作用在驻退活塞上的合力，就是阻止后坐的液压阻力，取驻退杆（包括活塞）为自由体。不难求出Fh=P1A0 式（4.20） 联立方程组，可得到缓冲后坐运动方程： mh=d2xdt2=-FR 式（4.21）FR=Fh+Ff2=A0axv-vp1=k222 式（4.22）Fh=P1A04.4.2 缓冲器的结果设计a）液压缸的设计与计算： 液压缸的主要尺寸包括： 液压缸内径D、活塞杆直径d、液压缸缸体长度l。1)活塞头宽度根据压杆的稳定性计算活塞的零件，活塞杆的两端简化为铰支座： PCr=2gI(l) 式（4.23）所以d=0.034用确定的d计算活塞的柔度： =li=47 式（4.24）对所有材料35CrMnSi来说： 2=2Ep=35 式（4.25）因为 所以可以用欧拉公式： cr=x=1300pa2)活塞杆直径PCr=2gI(l)2=crA 式（4.26）整理得：d2=2E64d4l2cr4 式（4.27）3)活塞直径活塞工作面积： A0=Fmaxpmax=14112035*103=0.004032m2且 A0=4(D2-d2)整理后得直径D=0.08m。即活塞直径为0.08m。则A0=0.00387m2。4)缸体外径缸体外径选择45刚，作表面乳白镀铬处理根据材料力学公式，可得： r=-p1a2b2-a2(b2r2-1) r=-p1a2b2-a2(b2r2-1) 式（4.28） r2=2pa2b2-a2 式（4.29）即b2-a22pb2所以考虑到变沟槽深度取厚度0.01m，因此缸体外径为0.1m。5)缓冲器的工作长度缓冲器的工作长度。b）液压缸的校核 1.缸体壁厚的校核中低压系统，无需校核，原则小于高压大直径时，必须校核校核方法： 薄壁缸体（无缝钢管） 当/ D0.08时： pmaxD/2 厚壁缸体（铸造缸体） 当/ D=0.08-0.3时：pmaxD/2.3 -3pmax 当/ D0.3时：D/2（+ 0.4 pmax/ -1.3pmax-1 2.液压缸缸盖固定螺栓直径d1的校核 液压缸缸盖固定螺栓在工作过程中同时承受拉应力和剪切应力 可按下式校核d15.2KF/z3.活塞杆稳定性验算当液压缸承受轴向压缩载荷时：若l/d10时，无须验算l/d10时，应该验算，可按材料力学缓冲器的密封装置选用金属密封作为缓冲器活塞的密封元件，金属材料选用紫铜T3，活塞杆与前后盖的密封采用皮革和橡胶填料的密封结构。缓冲器变深度沟槽的面积和深度计算采用VB语言编程进行计算。4.4.3 液压缓冲器装配图根据上面计算出来的各项数据，运用CAD制图软件绘制图4.10圆槽液压缓冲器装配图。1底板 2 密封圈 3液压缸体 4盖板 5螺柱 6活塞杆图4.10 圆槽液压缓冲器装配图4.4.4 驻退液目前驻退液主要是斯切奥尔液和斯切奥尔-M液。斯切奥尔液和斯切奥尔-M液中的络酸钾是良好的阻化剂，他可以减低驻退液对钢铁的腐蚀。氢氧化钠可使液体略带碱性以保持其性能的稳定，减缓变酸的过程。以甘油为基础的驻退液的优点是比热和密度大，对密封元件不亲润溶胀，低温粘性小。它的缺点是成本高，沸点低，换油期短，高压下易被氧化变酸。以络酸钾为阻化剂，在光和热的作用下易发生氧化还原作用，使驻退液变酸，对铜质零件腐蚀严重，西方国家多采用以石油为基础油的驻退液，比较明显的优点是来源丰富，价格便宜，但比重较小，粘性随温度变化较大。4.4.5 缓冲装置的运动采用VB语言编程，计算不同时刻的速度和加速度，程序界面如下图：图4-11 VB计算程序界面以length 代表节制杆工作长度，a代表活塞作用面积，d1代表驻退筒内径，d2代表驻退杆外径，DT2代表驻退筒外径。输入程序见附录A。加速度调用程序见附录B。经计算机模拟得到小车在48KM/h的速度碰撞时的加速度波形如图4.12所示: 图4.12 加速度曲线界面经过对比ECER16法规，该模拟满足要求。结 论本课题主要通过模拟计算这个途径，对小车正面碰撞墙体进行了模拟仿真，结合仿真结果分析，提出以下几点结论：1. 汽车碰撞的过程是个复杂的过程，碰撞时的加速度和小车质量，速度，缓冲器有关。2. 根据流体力学中的流量连续性方程和动力方程对圆槽式液压缓冲器建模和仿真，并对仿真结果进行分析，找到冲击速度、冲击物质量、节流面积等参数对缓冲特性的影响规律。3. 利用本系统模拟出的小车减速度波形符合ECER16法规要求。由于台车试验需要模拟的碰撞环境多种多样，该仿真过程对用液压缓冲器模拟不同的碰撞减速度波形具有十分现实的指导意义4从汽车安全方面考虑，汽车应该要有一段缓冲区，并且要很好的保护驾驶人员的安全，在此基础上最好再加上安全气囊。致 谢本论文是在导师肖猛讲师的悉心指导下完成的。从论文的选题，研究方案的确定，直到论文的撰写无不凝聚着导师辛勤的汗水和心血。导师严谨的治学态度，实事求是的科学作风，渊博的学识以及丰富的实践经验都给我留下极为深刻的印象。无论是做学问还是做人，导师都是我一生学习的典范。尤其是当我在完成论文的过程中遇到困难时，导师所给予的指导将永远激励我，并且将使我终生受益。在此，谨向我的导师肖猛讲师表示崇高的敬意和诚挚的感谢!。在学习期间，我有幸结识了许多老师和同学。在与他们相处的日子里，不仅开放式的学术交流和探讨使我受益匪浅，而且他们的热情帮助也让我感到了友谊的温暖。 参 考 文 献1 上海市教育委员会.现代汽车安全技术M.上海：上海交通大学出版社，2006.2 钟志华等.汽车碰撞安全技术M.北京：机械工业出版社，2003.3 夏长高，曾发林，丁华.汽车安全检测技术M.北京：化学工业出版社，2006.4 王瑄，刘晓君，朱西产.我国安全带动态性能试验标准中滑车碰撞车速的探讨J. 汽车工程，1998（1）：10-16.5 刘君，王瑄.安全带动态性能试验方法研究J.汽车技术，1998（9）：16-20，27.6 曹玉平，阎祥安.液压传动与控制M.天津：天津大学出版社，2003.7 王瑄，陈弘，董丽莉，赵航. CATARC汽车模拟碰撞试验系统的研究J.汽车技术，1996（10）：28-32.8 杨培元，朱福元. 液压系统设计简明手册M.北京：机械工业出版社，2005.9 刘学术，宋振寰，于长吉.汽车碰撞基本规律研究J.汽车技术，2004（3）：22-25.10 开文果，金先龙，张晓云等.汽车碰撞有限元仿真的并行计算及其性能研究 J.系统仿真学报，2004,16(11):2428-2431.11 黄世霖，张金换，王晓东等.汽车碰撞与安全M，北京:清华大学出版社，2000.12 梁宏毅，关乔，陈建伟.解析中国汽车正面碰撞试验法规J，世界汽车，2001.13 朱西产.实车碰撞试验法规的现状和发展趋势J.汽车技术，2001,4:5-10.14 胡少良.我国汽车碰撞安全性研究的现状J.天津汽车,1995,8(3):33-35.15 郭应时，吴晓武.汽车非对称正面碰撞过程模拟J.西安公路交通大学学报，1999,19(2):80-105.16 张觉慧，谭敦松，高卫民等.汽车碰撞的有限元法及车门的抗撞性研究J.同济大学学报,1997,25(4):450-454.17 刘正恒.机械系统碰撞动力学响应的计算机仿真研究D.长沙:湖南大学，200318 胡玉梅汽车正面碰撞设计分析技术及应用研究D，重庆:重庆大学，200219 顾力强，林忠欣.国内外汽车碰撞计算机模拟研究的现状及趋势J.工程,1999,21(1):1-920 马志雄，朱西产，商恩义，苗强.一种正面碰撞台车实验系统的开发及应用J，武汉理工大学学报，2008（2）.21 胡敬文,张金换,黄世霖. 汽车模拟碰撞用液压缓冲器的动态仿真J,北京，2003,25(4):4.22 雷天觉液压工程手册M,工业出版社，1990.23 王贡献，褚德英，沈荣瀛.被动式液压冲击波形发生器动态特性的数学建模与仿真M.振动与冲击，2007（07）.24 丁凡，路甬祥短笛形. 缓冲结构的高速液压缸缓冲过程的研究J,中国机械工程，1998，9(10)：52-54附录A 液压缸体设计VB编程代码Private Sub Command1_Click()Call sum Dim length As Single, a As SingleDim d1 As Single, D2 As Single, fmax As SingleDim Dt2 As SingleDim int1 As IntegerOpen c:data2.txt For Output As #2 输入数据文件fmax = 30 * 9.8 * md1 = 0.08D2 = 0.04Dt2 = 0.09a = 3.14159268 * (d1 * d1 - D2 * D2) / 4Call lay(lmax, Dt2, length)Text1.Text = CStr(length) & mmText2.Text = CStr(a) & mmText3.Text = CStr(d1) & mText4.Text = CStr(D2) & mText5.Text = CStr(Dt2) & mPrint #2, 序号; Spc(6); 面积; Spc(10); 深度int1 = 1Do While int1 0 ThenCall laya(v(int1), f(int1), d1, D2, ax)d(int1) = ax / 0.007Print #2, int1; ax; d(int1) ElsePrint #2, int1; Spc(10); 0; Spc(10); 0End Ifint1 = int1 + 1LoopClose #2End SubPrivate Sub sum()Dim int1 As IntegerOpen c:data1.txt For Output As #1m = 480f(0) = 0v(0) = 13.33333a(0) = 0l = 0Print #1, 序号; Tab(7); 缓冲长度（m）; Tab(18); 速度（m/s); Tab(30); 加速度（m/s/s); Tab(42); 液压阻力（n)Print #1, 0; Tab(8); Tab(25); v(0); Tab(42); a(0); Tab(57); f(0)int1 = 1Do While int1 = 80If int1 = 18 Thena(int1) = CSng(int1) * 1.6 * 9.8ElseIf int1 = 55 Thena(int1) = 30 * 9.8Else: a(int1) = (30 - 2 * (CSng(int1) - 55) * 9.8End IfIf int1 0 Thena(int1) = 0End Ifv(int1) = v(int1 - 1) - a(int1) * 0.001l = l + v(int1) * 0.001 - a(int1) * 0.001 * 0.001 / 2f(int1) = a(int1) * mPrint #1, int1; Tab(8); l; Tab(25); v(int1); Tab(42); a(int1); Tab(57); f(int1)int1 = int1 + 1Looplmax = 1Close #1End SubPrivate Sub lay(lmax, d1, length) 计算节制杆工作长度Dim dmax As Singledmax = d1 * 0.6length = lmax * 100 + dmax * 1000 + 50End SubPrivate Sub laya(v, f, dt11, dt21, ax1)Dim a0 As Single, k1 As Singlea0 = 3.1415926 * (dt11 * dt11 - dt21 * dt21) / 4k1 = 1.5ax1 = a0 1.5 * (k1 / 2) 0.5 * v / f 0.5End SubPrivate Sub Command2_Click()Form2.ShowEnd SubPrivate Sub Command3_Click()Unload MeEnd Sub附录B度曲线VB编程代码Private Sub Command1_Click() Dim i As Integer, j As Integer Form2.Line (1500, 5000)-(1500, 1000), vbRed Form2.Line -(1450, 1100), vbRed Form2.Line (1500, 1000)-(1550, 1100), vbRed Form2.CurrentX = 900 Form2.CurrentY = 1000 Form2.Print 加速度 Form2.Line (1500, 5000)-(6500, 5000), vbRed Form2.Line -(6400, 4950), vbRed Form2.Line (6500, 5000)-(6400, 5050), vbRed Form2.CurrentX = 6150 Form2.CurrentY = 5050 Form2.Print 时间 i = 0 Do While i = 16 Form2.CurrentX = 1650 + (i - 1) * 250 Form2.CurrentY = 5000 Form2.Print 5 * i i = i + 1 Loop i = 0 Do While i = 6 Form2.CurrentX = 1250 Form2.CurrentY = 4500 - i * 500 Form2.Print 5 * (i + 1) i = i + 1 Loop Form2.Line (2000, 5000)-(2000, 3400), vbGreen Form2.Line -(2250, 3000), vbGreen Form2.Line -(2750, 2400), vbGreen Form2.Line -(3700, 2400), vbGreen Form2.Line -(4250, 3000), vbGreen Form2.Line -(4500, 5000), vbGreen Form2.Line (1500, 2800)-(2400, 1800), vbGreen Form2.Line -(4500, 1800), vbGreen Form2.Line -(5500, 5000), vbGreen Form2.CurrentX = 1500 Form2.CurrentY = 5000 j = 1 Do While j = 70 Form2.Line -(1500 + j * 50), (5000 - a(j) * 100 / 9.8), vbBlue j = j + 1LoopEnd SubPrivate Sub Command2_Click() Unload MeEnd SubPrivate Sub Label1_Click()End Sub附录C液压缸设计数据表序号 缓冲长度（m） 速度（m/s) 加速度（m/s/s) 液压阻力（n) 0 13.33333 0 0 1 1.330981E-02 13.31765 15.68 7526.4 2 2.658042E-02 13.28629 31.36 15052.8 3 3.979615E-02 13.23925 47.04 22579.2 4 5.294132E-02 13.17653 62.72 30105.6 5 6.600025E-02 13.09813 78.4 37632 6 7.895726E-02 13.00405 94.08 45158.4 7 9.179667E-02 12.89429 109.76 52684.8 8 0.1045028 12.76885 125.44 60211.2 9 0.11706 12.62773 141.12 67737.59 10 0.1294525 12.47093 156.8 75264 11 0.1416647 12.29845 172.48 82790.4 12 0.1536809 12.11029 188.16 90316.8 13 0.1654855 11.90645 203.84 97843.2 14 0.1770626 11.68693 219.52 105369.6 15 0.1883968 11.45173 235.2 112896 16 0.1994722 11.20085 250.88 120422.4 17 0.2102732 10.93429 266.56 127948.8 18 0.2207841 10.65205 282.24 135475.2 19 0.2309952 10.35805 294 141120 20 0.2409122 10.06405 294 141120 21 0.2505353 9.770052 294 141120 22 0.2598643 9.476052 294 141120 23 0.2688994 9.182053 294 141120 24 0.2776404 8.888053 294 141120 25 0.2860875 8.594053 294 141120 26 0.2942405 8.300054 294 141120 27 0.3020996 8.006054 294 141120 28 0.3096646 7.712054 294 141120 29 0.3169357 7.418054 294 141120 30 0.3239127 7.124053 294 141120 31 0.3305958 6.830053 294 141120 32 0.3369848 6.536053 294 141120 33 0.3430799 6.242053 294 141120 34 0.3488809 5.948053 294 141120 35 0.354388 5.654053 294 141120 36 0.3596011 5.360053 294 141120 37 0.3645201 5.066052 294 141120 38 0.3691452 4.772052 294 141120 39 0.3734762 4.478052 294 141120 40 0.3775133 4.184052 294 141120 41 0.3812563 3.890052 294 141120 42 0.3847054 3.596052 294 141120 43 0.3878604 3.302052 294 141120 44 0.3907215 3.008052 294 141120 45 0.3932885 2.714052 294 141120 46 0.3955616 2.420053 294 141120