（车辆工程专业论文）缓冲吸能式保险杠的耐撞性研究.pdf

江苏大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 汽车碰撞问题是目前国内外研究的热点，如何有效的提高汽车 被动安全性一直是人们孜孜以求的目标。在汽车碰撞事故中，绝大部 分要涉及保险杠的碰撞。保险杠在吸收碰撞能量，保护车身和减轻乘 员以及行人受到的伤害等方面，发挥着重要作用。所以，以提高保险 杠的耐撞性和改善结构碰撞吸能特性为目标的研究工作有着非常现 实而重要的意义。 本论文的主要研究内容有以下几个方面： i 、建立了汽车保险杠低速碰撞的弹簧质量数学模型，研究和分 析了汽车追尾碰撞过程中保险杠刚度对碰撞加速度的影响以及保险 杠刚度与汽车质量大小的匹配性问题，并且运用结构塑性动力学分析 方法对保险杠在低速碰撞条件下塑性大变形动力响应特性进行研究， 得到考虑轴力效应的保险杠横梁塑性变形动力响应表达式，清晰地揭 示了保险杠塑性动力响应特性的动力学本质。 2 、试验研究是本论文研究工作的一个重要的部分，在模拟计算 的同时，与其他同志合作，首先在学校的力学实验室进行了汽车保险 杠的静态抗弯试验，之后在天津汽车技术中心利用台车对简易型保险 杠和缓冲吸能型保险杠进行了低速碰撞试验。试验验证了仿真结果的 有效性和可靠性，对仿真结果和台车低速碰撞试验结果之间的差异及 其产生的原因进行分析，使有限元模型尽量做到和实际相接近，从而 确保仿真优化设计结果的准确性。 江苏大学硕上研究生学位论文 3 、计算机仿真研究是现代汽车碰撞研究的重要方法，本课题 运用非线性结构分析软件a n s y s l s d y n a 对某轿车简易型保险杠和 缓冲吸能式保险杠的碰撞吸能特性进行了仿真研究。通过仿真结果对 比分析可知，简易型保险杠在低速碰撞刚性圆柱体过程中其耐撞性是 不理想的，缓冲吸能式保险杠具有较好的耐撞性，能充分吸收系统碰 撞能量。此外通过仿真计算分析了刚性圆柱体直径变化对保险杠耐撞 性影响。 4 、在缓冲吸能式保险杠结构优化设计中，建立了保险杠摆锤 碰撞有限元模型，采用正交优化设计方法，找出了影响保险杠缓冲吸 能结构耐撞性最重要的因素，最终得到了具有较好的耐撞性能的缓冲 吸能式保险杠。仿真研究还分析了实际碰撞事故中经常发生的汽车偏 置碰撞条件下的保险杠耐撞性问题，指出保险杠的耐撞性设计必须考 虑偏置碰撞的情形，以满足实际碰撞中保护车身的需要。 最后对本课题的研究工作进行了总结，并对缓冲吸能式保险杠的 研究作了进一步的探讨。 关键词：汽车碰撞；保险杠；耐撞性；缓冲吸能；试验 江苏大学硕士研究生学位论文 摘要 a b s t r a c t t h eq u e s t i o no fac a r si m p a c ti sac o n c e r n e db yd o m e s t i ca n de x t e m a lr e s e a r c ha t p r e s e n t t h ew a y f o ri m p r o v i n gt h ep a s s i v es a f e t yo fac a ri st h eo b j e c tf o rm a nt o c h a s ep e r s e v e r i n g l y b u m p e rc r a s h e sa r et h em o s tc o m m o ns c e n ei nc a rc r a s h a c c i d e n t s i nt h ec a s eo fc a rc r a s h , b u m p e r sh a v et h e i ri n d i s p e n s a b l er o l e si ni m p a c t e n e r g ya b s o r p t i o n , c a l b o d yp r o t e c t i o n , p a s s e n g e ra n dp e d e s t r i a ni n j u r ya l l e v i a t i o na n d p r e v e n t i o n t h e r e f o r ei t i sv e r yi m p o r t a n tt om a k ee f f o r t si nr e s e a r c ho fi m p r o v i n g b u m p e rc r a s h w o r t h i n e s sa n de n e r g ya b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： 1 、as i m p l i f i e ds p r i n gm a s sm a t hm o d e li ss e tu pf o rt h e o r e t i c a lr e s e a r c ho f b u m p e rs t i f f n e s st ot h et a r g e tc a ra c c e l e r a t i o nu n d e rl o ws p e e dr e a r - e n di m p a c t , a n d t h e b u m p e r - c a rm a t c hr e l a t i o ni sa l s os t u d i e d t h i sp a p e rh a sa l s om a d ed e t a i l e da n a l y s i s t ot h el a r g ep l a s t i cd e f o r m a t i o nd m m a i cc h a r a c t e r i s t i cf o rc a rb u m p e rb e a m su n d e r l o wi m p a c ts p e e d , a n di n f l u e n c eo fa x i a lf o r c ei sc o n s i d e r e d ，w h i c he x p l i c i t l yp r e s e n t t h ei n h e r e n tp l a s t i cd y n a m i cf e a t u r e so ft h eb u m p e rb e a m 2 、l o ws p e e di m p a c tt e s ti so n eo ft h em o s tp a r t so ft h i sd i s s e r t a t i o n d u r i n g c o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h ec a rb u m p e r sl o ws p e e di m p a c t , t h ea u t h o ra n do t h e r c o m r a d e s ，f i r s t l yc a r r yo u tc a rb u m p e rs t a t i c b e n dr e s i s t i n gt e s t i nm e c h a n i c s l a b o r a t o r yo fu n i v e r s i t y , t h e nc a r r yo u ts l e dl o ws p e e di m p a c t i n gc o l u m nt e s t i n gf o r b u m p e r si n l i e n t s i na u t o m o b i l et e c h n i c a lc e n t e r l o ws p e e di m p a c tt e s tf o rt h e b u m p e r sh a sp r o v e dt h ee f f e c t i v e n e s so fs i m u l a t i o nr e s u l t s d i s c r e p a n c i e sb e t w e e n t e s t a n ds i m u l a t i o na r ea n a l y z e da n dw a y st oi m p r o v ef e am o d e la c c u r a c ya l ep o i n t e do u t ， a n di n s u r et h a tr e s u l t so fs i m u l a t i o nf o rb u m p e r so p t i m i z i n gd e s i g na r ev e m c i t y 3 、c o m p u t e rs i m u l a t i o ni so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tw a y si nm o d e mc a ri m p a c t r e s e a r c h t oi n v e s t i g a t ee n e r g y - a b s o r p t i o np e r f o r m a n c eo fac e r t a i nd o m e s t i cc a r b u m p e rs y s t e ma n dt h eb u m p e rs y s t e mw i t he n e r g y - a b s o r b i n gs t r u c t u r eu n d e rl o w s p e e dc o l l i s i o n , t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nw i t hs o f t w a r el s d y n a 3 d w a sc a r r i e d i l l 江苏大学硕士研究生学位论文 摘要 o u t t h er e s u l t so fl o ws p e e dc o l l i s i o ns i m u l a t i o ns h o w e dt h a tc r a s h w o r t h i n e s s p e r f o r m a n c eo ft h es i m p l eb u m p e ri sn o ti d e a l ，b u tt h ee n e r g y - a b s o r b i n gb u m p e rc a n a b s o r bs u f f i c i e n t l yc a r sk i n e t i ce n e r g y f u r t h e r m o r e ，c r a s h w o r t h i n e s sp e r f o r m a n c eo f t h eb u m p e rf o ri m p a c t i n gd i f f e r e n td i a m e t r a lr i g i dp o l ei sa n a l y s e di nt h ed i s s e r t a t i o n 4 、i nt h i s p a p e r , t h e f e am o d e lo fp e n d u l u ml o ws p e e di m p a c t i n g e n e r g y - a b s o r b i n gb u m p e ri ss e tu p ，a n do r t h o g o n a ld e s i g ni sa p p l i e dt ot h ep a r a m e t e r s o fb u m p e r se n e r g ya b s o r b i n gs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ，f i n a l l yt h em o s ti m p o r t a n t p a r a m e t e ro fb u m p e r se n e r g ya b s o r b i n gs t r u c t u r ei n f l u e n c ec r a s h w o r t h i n e s so fc a r b u m p e ri s f o u n do u t a tl a s t , t h eb u m p e r se n e r g ya b s o r b i n gs t r u c t u r ew i t h o p t i m i z a t i o np a r a m e t e r si sd e s i g n e d ，a n d i tr e p r e s e n tf a v o r a b l ec r a s h w o r t h i n e s si nl o w s p e e di m p a c t b u m p e r c r a s h w o r t h i n e s sp e r f o r m a n c ei nc a ro f f - c e n t e r i m p a c t c o n d i t i o n sh a sb e e ni n v e s t i g a t e d i ti sp o i n t e do u tt h a ti nb u m p e rd e s i g nt h eo f f - c e n t e r i m p a c tc o n d i t i o ns h o u l db ec o n s i d e r e dt om e e tt h en e e d so f c a rb o d yp r o t e c t i o n f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o nh a sm a d eas u m m a r i z a t i o no fr e s e a r c hw o r kd o n e ，a n d m o r ed i s c u s s i o n sa r em a d eo ne n e r g ya b s o r b i n gs a f e t yb u m p e r k e yw o r d s ：c a rc o l l i s i o n ，b u m p e r ，c r a s h w o r t h i n e s s ，e n e r g ya b s o r b i n g ，t e s t i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以 将本学位论文的全部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。 保密团 本学位论文属于 ，在乡年我解密后适用本授权书。 学位论文作者签名： 不保密口 i 砰山 2 彬年彭月口日 指导教师签名冀易多乡 卵r 年易月阳 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容以外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果承担。 学位论文作者签名： 王砰l ， 日期：彬年多月口日 江苏大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 汽车安全性简述【1 】 2 1 1 3 1 随着汽车密度和行驶速度的提高，尤其是道路条件的改善，汽车安全性已成 为人们日益关注的社会问题。尽管各种高新技术在汽车上不断的得到应用，极大 地提高了轿车的主动安全性能，但事故依然难免出现。全世界因车祸伤亡的人数 已达5 亿左右，在我国因汽车交通事故而造成伤亡的人数也是惊人的。据统计 2 0 0 1 年，我国共发生交通事故7 5 5 万多起，死亡人数达到l o 6 万人，2 0 0 2 年， 发生交通事故7 7 3 万多起，死亡人数达到1 0 9 万人，5 6 2 万人受伤障羽。2 0 0 3 年，发生交通事故6 6 7 万多起，死亡人数达到1 0 4 万多人，4 9 4 万人受伤。 2 0 0 4 年，发生交通事故5 6 7 万多起，死亡人数达到9 9 万多人，4 5 1 万多人受 伤，直接财产损失2 7 7 亿元。虽然近两年来交通事故呈现下降趋势，但死亡人 数平均每天仍达到2 7 5 人。我国城市道路的交叉路口以平面交叉为主，机动车、 非机动车混合交通现象严重。改善道路安全交通、控制交通事故、提高汽车安全 性已刻不容缓。 汽车的安全性研究主要分为主动安全研究和被动安全研究。主动安全性研究 涉及汽车事故预防措施的研究，如制动性能、操纵稳定性、舒适性、轮胎性能、 灯光照明、视野、交通管理等等。汽车被动安全性研究则着眼于减少因交通事故 而造成的伤亡和损坏，包括车身结构强度、吸能结构、乘员约束系统、人体生物 力学特性等诸多方面的研究。汽车交通事故原因的调查结果表明，汽车的主动安 全性再好，也只能避免5 的交通事故，9 5 以上的事故是由于人和环境因素造 成的，也就是说，汽车主动安全性在汽车事故的预防方面所起的作用只占- d , 部 分。因此，提高汽车被动安全性成为汽车碰撞研究的主要内容，汽车被动安全性 的意义就在于事故发生时保护乘员，此外尽可能降低汽车的维修费用。 汽车碰撞事故可分为正面碰撞、侧面碰撞、追尾和翻滚等几种主要类型。早 在本世纪3 0 年代，美国通用汽车公司就开始进行翻车和汽车对固定壁碰撞试验。 3 0 年代末4 0 年代初，欧洲开展了汽车翻滚和汽车侧面与圆柱碰撞试验，到5 0 年代中期，各国汽车行业普遍开展了碰撞试验。随着公路条件的改善，汽车正面 江苏大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 碰撞成为交通事故中最为常见的碰撞形式。德国的m e r c e d e s b e n z 和大众汽车公 司在5 0 年代末开始进行汽车正面碰撞试验研究。6 0 年代初，欧洲开始在轿车上 采用飞机乘员用的安全腰带。不久，美国、日本等国也开始采用。1 9 6 7 年美国 制定了“联邦汽车安全标准( f m v s s ) ”。该安全标准的内容包括三大部分：( 1 ) 为防止事故的安全性；( 2 ) 汽车碰撞后保护乘员不受车内二次冲击损害的安全； ( 3 ) 汽车碰撞后的安全性。汽车安全法规的建立，有力地促进了汽车安全性研 究地发展。到了7 0 年代提出了无需乘员动作即能在汽车碰撞事故种提供保护地 被动式乘员保护装置。据此，通用公司1 9 7 4 后在部分车型装备了安全气囊。 早期汽车碰撞研究主要式进行各种条件下的碰撞测试，包括实车碰撞试验和 模拟碰撞试验。6 0 年代中期开始了计算机模拟碰撞技术。尤其进入8 0 年代，随 着计算机软、硬件技术的快速发展以及汽车市场竞争的加剧，汽车碰撞计算机模 拟技术得到了广泛的采用，欧美国家先后推出了可用于汽车碰撞过程模拟的商业 化软件包。 随着我国经济的不断发展和壮大，汽车工业作为国民经济的支柱产业也正处 于飞速发展的时期。但值得注意的式，近年来我国交通事故总量和所造成的人员 伤亡与财产损失一直是巨大的。我国是道路交通事故死亡人数最高的国家，连续 数年一直居世界第一位，死亡人数甚至达到发达国家的数倍。例如，2 0 0 3 年全 世界交通事故死亡人数约为5 0 万人。其中，中国交通事故死亡人数为1 0 4 万人， 美国、俄罗斯的死亡人数分别为4 万人和2 6 万人。因此，如何提高汽车在碰撞 过程中的安全性能，最大限度避免或减轻乘员在汽车碰撞中的伤亡是摆在我们面 前的重要研究课题。 1 2 汽车结构耐撞性研究 汽车被动安全性研究的核心是保护乘员，保护乘员主要从乘员约束系统、 车体结构耐撞性等方面进行研究。车体结构的耐撞性研究主要研究车身结构对碰 撞能量的吸收特性，寻求改善车身结构耐撞性的方法，在保证乘员安全空间的前 提下，使得车身变形吸收的碰撞能量最大h 1 。从力学观点来看，车、船、飞机等 交通工具都是运动的结构物。这种作用于运动结构物的碰撞或由运动结构物引起 的碰撞，都对结构设计提出了一个新要求，就是结构的耐撞性。在工程实际中， 江苏大学硕士研究生学位论文第一章绪论 这种耐撞性并不要求结构在撞击下毫无损伤，而是要求对它运载的人员和重要的 结构部位加以保护。 对运动结构碰撞问题的系统研究，是从5 0 年代后期开始的，代表性的工作是 m i n o r s k y 腼1 对船舶碰撞的研究和p u g s l e y 蚴对火车耐撞性的研究。汽车碰撞研究 在美国最为广泛和深入，每年都要召开学术会议( s t a p p ) ，来交流研究进展。 汽车结构耐撞性研究主要关心结构在碰撞中所吸收的总能量。同时，还要研 究结构在撞击下的特性细节，包括结构是如何控制碰撞减速度的，以及结构变形 和破坏的具体模式。当结构是由可延展性金属( 钢、铝合金等) 构成时，碰撞中 的能量吸收通常是由塑性变形来完成的。但实际结构在碰撞下的响应，往往有多 种变形和损坏模式混杂在一起。例如，当汽车的薄壁结构撞坏时，结构组件会发 生塑性弯曲、塑性扭转、塑性屈曲、裂纹扩展和断裂，有的组件可能被穿透。对 复合材料制成的结构，能量吸收的机制则完全不同于金属结构。复合材料大都比 较脆，不会发生像钢、铝材料那样的大范围塑性变形。碰撞对复合材料结构所造 成的损坏往往是肉眼不易察觉的。但碰撞结束后在结构中可能已经留下一些裂 纹。因此，结构的承载能力有可能大大的下降。 m i l l e r 在研究汽车吸能时，采用了由氨基甲酸乙脂泡沫层与蜂窝结构组成 的混合结构，由于泡沫在微能碰撞后能复位，而蜂窝结构在高能碰撞时能有效的 吸能，因此这种结构对小轿车很适用盯1 。例如，轿车保险杠采用内部蜂窝结构可 以大大的提高能量吸收能力1 。 汽车各零部件在撞击载荷作用下会发生大位移、大转动、大变形，这种变形 通常是线性弹性变形、非线性弹性变形、塑性变形、粘塑性变形及其组合等。在 低速碰撞情况下，理想的弹塑性材料的本构关系被广泛的采用。而在高速撞击中， 则有必要考虑应变率的影响。另外，有些汽车的零部件是由用非金属材料和复合 材料构成的，这样就有必要采用不同的本构关系等。很多情况下汽车受撞后有的 零部件发生断裂。这就要求建立可靠的材料失效准则。此外，汽车各部件在撞击 载荷下的变形、破坏机理和形式、能量吸收机理、汽车零部件材料的本构关系等 等也是当前汽车耐撞性研究的重点课题。 汽车耐撞性研究的最终目的是提高汽车被动安全性，以便在无法避免的碰撞 事故中减少人员伤亡。在汽车碰撞事故所造成的人员伤亡中，除一部分是由于座 江苏大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 椅安全带的原因以外，绝大部分是由于乘员与车内结构的“二次碰撞造成的。 汽车碰撞是瞬间的过程，由开始接触直到汽车结构塌陷变形终止，全部时间一般 约为0 1 0 1 3 s 左右。在这个极短的过程中，汽车的速度急骤下降，汽车车体 预变形，乘员与汽车内部结构的碰撞而造成伤害。因此，除了改进座椅安全带、 安全气囊等乘员保护装置之外，另一个重要的方面就是研究“安全车身结构膪h 这种结构在碰撞过程的变形中应能尽可能多地消耗碰撞能量，减少对乘员的冲击 作用。 为了推动汽车安全水平的进一步提高，1 9 7 0 年2 月美国运输部部长提出了 开发安全试验车( e s v ) 计划n0 。，该计划要求开发具有高度安全性能的1 8 0 0 k g 级的试验样车，以进行8 0 k m h 正面壁障撞车试验。其目的是弄清汽车的安全性 和撞车时生存的可能性，掌握如何通过改进安全性设计减少伤亡和经济损失的一 般规律，促进全世界汽车工业界强化汽车安全研究及其应用，把安全试验车评价 试验所得的技术资料用于制定新的安全标准。e s v 计划对于提高汽车耐撞性影响 很大，日本各主要汽车公司和欧洲各国都相继开发火和研制了e s v 。美国、日本 和欧洲的e s v 在汽车前部和后部的吸能结构的设计方面都体现了独特的概念和 风格，对汽车吸能结构的研究和设计具有良好的启示作用。 1 3 汽车耐撞性的研究方法 汽车耐撞性的研究主要有两种方法，即试验研究和计算机仿真研究。在汽 车耐撞性的研究中，受技术要求、时间和资金的限制，通常在不同的研究开发阶 段，采用相应的研究方法。汽车耐撞性的研究最早是通过试验来进行的。 1 3 1 汽车碰撞的试验研究 由于汽车碰撞事故形态干差万别，对安全性能的评价也必须从不同的角度进 行，因此评价汽车被动安全性能最终要靠各种动态试验，动态试验能不同程度的 再现碰撞事故中汽车和乘员的情况。汽车碰撞试验可分为两大类1 ，一类是实车 碰撞试验，另一类是模拟碰撞试验。 实车碰撞试验是利用一辆真正的汽车，车内放置假人，进行前部、侧面、后 部及与另一实车的各种角度碰撞试验，实车碰撞试验耗资大、费时、费力，但它 4 江苏大学硕士研究生学位论文第一章绪论 具有直观性，准确性和权威性，是汽车碰撞研究过程中不可缺少的。进行实车碰 撞试验可用于汽车安全性能的综合评价，衡量车身变形对乘员生存空间的影响， 设定模拟碰撞试验的碰撞环境及再现实际事故的过程。在美国、欧洲、日本等国， 汽车以4 8 k m h 的速度对固定壁的前撞试验，活动壁以3 2 k m h 的速度对静止汽车 的侧面、后部的碰撞试验及翻车试验均己列入法规和标准中，同时也广泛开展了 各种车对车的各种碰撞试验。 除了以上的实车碰撞试验外，还有一种速度为4 一- - 8 k m h 低速碰撞试验，如 美国汽车安全法规p a r t 5 8 1 保险杠标准就要进行这种试验。在美国摆锤冲击 试验是影响保险杠设计的一个最重要的标准 1 2 o 轿车保险杠系统耐撞性试验通常 采用摆锤式冲击试验装置进行的n 朝。 模拟碰撞试验n 4 1 是规模较小的动态试验，用一个比较坚固的台车代替汽车， 使其受到一个近似汽车碰撞压扁过程的减速度，检验固定在台车上的零部件或乘 员保护系统的抗冲击性能。这种试验无需破坏真实的汽车，成本低，重复性好。 另一类模拟碰撞是用台架上的冲击头( 有头型冲击头、膝部冲击头和胸块等) 对 某些零部件施加冲击力，测量各部件的响应，以评价其保护乘员的程度。 中国汽车碰撞安全研究始于8 0 年代末，并参照f m v s s 和欧洲的e c e 这两大 法规颁布了这方面的国家和行业标准，规定了一些指标限值。国内的汽车行业和 科研院所在汽车碰撞研究领域也展开了一些研究工作，取得了一些研究成果。目 前国内具有从事汽车碰撞试验能力的试验室有：清华大学汽车碰撞试验室、一汽 长春汽车研究所、二汽襄樊汽车试验研究所、国家交通部公路交通工程综合试验 场，上海汽车检测所也正在投资建设汽车碰撞试验室，上海交通装卸机械厂、上 海大众汽车有限公司引进了德国申克公司制造的碰撞试验机，主要用于座椅、安 全气囊等乘员约束装置的研究，天津中国汽车技术研究中心也建立了汽车模拟碰 撞试验系统及实车碰撞试验系统n 引。 1 9 9 5 年，西安公路交通大学研制成汽车牵引式汽车追尾碰撞模拟试验台n 7 1 。 该试验台可研究货车尾部护栏的耐撞性能，分析不同的吸能结构、材料的吸能特 性。碰撞台车采用汽车直接牵引方式拖动。在参数的测量中采用了电测量和高速 摄影技术。1 9 9 9 年，清华大学汽车碰撞安全试验室成功的进行了长安羚羊s c 7 1 0 7 轿车4 8 5 0 k m 速度下对固定方柱的碰撞试验。到目前为止，中国汽车技术研究 江嚣 学硕十州，c 学位论女* 章绪t 中心实车碰捕试验室已成功进行了奇瑞轿车、红旗轿车和赛欧轿7 f 的侧而碰撞试 验。 132 汽车碰撞的计算机仿真研究 2 0 世纪6 0 年代人们丌始r 算机模拟碰撞技术，7 0 年代荧国开始使用计讳 机辅助交通事故分析，而近2 0 年来，汽车碰撞计算机模拟技术得到迅速发展， 已经开发 r 了许多成熟的用于碰撺模拟的成熟商业软件包，如a n s y s i ，sd y n a 等。奉课题州的软件就足大型通用的显式动力分析有限元软件a n s y s l s d y n a 。 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、 汽车结构耐掩件模拟三个方向“1 。与碰撞试验一样，碰撞计算机仿真的应用足十 分广泛的，它可以进行整午的碰撞分析( 如图1 1 所示) ，部件或结构的仿真分 析，或者是安全带、安全气囊与假人的碰撞作用分析( 如图卜2 所示) 。 圆垴 剧】_ j 整牟碰撞的有腽元分析j 堇l 】2 安全带作用分折 j e 求解的内容可乜括保险杠、车身及车架等的撞。片变形及动态响应以及人体的碰 撞响应等多种术知量，求解结果可直接用米评价车辆或部件碰撞安全性能的好 坏，以帮助改进结构最计的缺陷。计算机仿真与试验相比，具有以下优越性： ( i ) 周期短。h 算机仿真与c d c m 帽结合，使得新产品的被动安全性能在 产品的开发过程叶1 就可以得到控制，减少产品的丌发研制周期。 ( 2 ) 费川低廉。由于不需大哥传感器、高速摄像机、强光源、动力驱动装置、 试验场地等硬件设备，同时在进行整牟被动安全性仿真时，不需耍进行破坏性试 验，因此可以节约大量的人，j 和物力。 ( 3 ) 可重复性好。由于试验过程受诎多随机因素的影响，因此在研究不h 的 系统参数对安全性能的影响时，不易得到明确的结果，而汁算机仿真依赖于计算 机硬件本身，所以当改变某一参数时，可以很容易地得到该参数对系统性能的影 响。 江苏大学硕士研究生学位论文第一章绪论 ( 4 ) 可以获得任意所需数据。试验中要获得较多的数据，就必须增加传感器 和高速摄像机的数量，而且由于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 关心的点上确立一个描述坐标即可。 ( 5 ) 不受时间、空间、气候等条件的限制，可以随时进行。 汽车碰撞是一个瞬态的复杂的物理过程，它包含以大位移、大转动和大应变 为特征的几何非线性，以材料弹塑性变形为典型特征的材料非线性和以接触摩擦 为特征的边界非线性，这些非线性物理现象的综合作用结果使汽车碰撞过程的精 确描述和求解十分困难。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。采用计算机仿真的方法来研究汽 车的被动安全性，所要描述的物理过程为：车身变形+ 人体运动以及人体与环境 的相互作用，因此，需要对车身、人体和碰撞环境进行建模。1 9 8 5 年以前，为 了弄清汽车碰撞的内在规律，人们尝试了许多方法，其中最优秀的是多刚体系统 动力学方法和机械振动学方法。模型简单、表述规范、编程方便和运算快捷是多 刚体系统动力学方法的突出优点。但由于真实世界中的物体都是可变形体，而且 对于汽车碰撞分析来说，汽车车体结构的变形特性是影响汽车安全性能的关键因 素。因此，该方法在汽车碰撞仿真中常常只用于对人体模型的碰撞响应分析。采 用机械振动学方法来分析汽车碰撞，可以弥补多刚体系统动力学方法不能研究可 变形体响应的不足。它是根据碰撞过程中汽车的实际变形情况将汽车离散为一个 非线性弹簧一质量振动系统，通过事先测定系统中弹性组件的非线性抗力特性， 利用机械振动学的方法来求解碰撞系统响应的。程序短小简明并能考虑变形体的 弹塑性变形特性是该方法的基本优点。从理论上说，它与多刚体系统动力学方法 的有机结合，能够解决汽车碰撞分析中所有的响应问题。但由于抗力组件的非线 性特性必须预先测定，同时又要保证所测得的特性恰恰是构件在真实碰撞中的力 一变形特性，在测试时，就必须精心模拟构件在碰撞中可能出现的各种约束条件， 而汽车碰撞中的有些接触约束条件是事先无法知道的，这就大大增加了测试的难 度。1 9 8 5 年显式有限元方法的成熟，标志着汽车碰撞仿真研究新时期的开始。 显式算法的优点是适用面广、精度高且能够处理异常复杂的约束边界。其不足之 处，是受c o u r a n t 稳定性准则制约的积分时间步长太小。由于汽车碰撞问题规模 7 江苏大学硕士研究生学位论文第一章绪论 大，非线性严重，积分时间步长太小，将使整个求解过程所需的运算时间太长。 尽管如此，显式有限元方法仍然被公认为求解汽车碰撞问题最有效的方法。 1 4 汽车保险杠低速碰撞研究 汽车的低速碰撞的研究吸引了越来越多的研究人员。一个原因是针对保险杠 性能制定的法规有了变化，而保险杠的设计也在变化，在许多保险杠对保险杠的 汽车低速碰撞事故中，有的乘员声称受伤了，而汽车的外观却未损坏n 8 1 。因此， 有必要通过对保险杠的低速碰撞进行研究，更好地认识保险杠的低速碰撞动力学 特性n9 1 。 1 4 1 各国保险杠法规和规范中试验方法 对于汽车低速碰撞特性研究以引起了许多研究人员的重视，一个原因是针对 保险杠低速碰撞性能的要求欧洲和美国都制定了相应的法规和试验规范n 引，如美 国c f rp a r t 5 8 1 、c o m s u m e r t e s t 和i i h s - t e s t ，德国的a z t - c r a s h r e p a r a t u r t e s t ， 加拿大的c f v s s 2 1 5 ，欧洲的e c e - r 4 2 ，我国参照欧洲e c e r 4 2 法规要求，也颁布 了汽车前、后端保护装置标准g b l 7 3 5 4 1 9 9 8 ，如表卜1 所示，虽然世界各国对 保险杠系统的试验方法和要求都不尽相同，但他们的目的都是提高汽车的低速耐 撞性。其次，许多研究人员认识到把从高速碰撞研究中得到的原则用到低速碰撞 的情况时得到的结论与实际不一定相符。对保险杠的低速碰撞机理进行进一步的 研究，更好地认识保险杠的低速碰撞碰撞的动力学特性，这对开发能量吸收式保 险杠，改善汽车的被动安全性能都是很有意义的。 保险杠系统是轿车车身的一个重要组成部分，其作用主要有四方面：当汽 车与其它车辆或障碍物发生低速碰撞( 通常小于l o k m h ) 时，保护翼子板、散热 器、发动机罩和灯具等部件：当汽车与行人发生碰撞时，最大限度地保护行人； 满足车身空气动力性的要求；装饰和美化车身。轻微事故时保险杠能吸收冲 击能量，碰撞后自动恢复原状，可有效的降低轿车的维修费用。遇到严重的撞车 事故时，冲击力经保险杠被合理导向分散给整个车身，以避免局部区域变形过大， 保证乘客有足够大的生存空间。现代轿车保险杠的设计还包含了低速在时速 8 k m h 碰撞下减少对行人下肢伤害的概念。为实现这一目标，许多汽车制造商多 8 江苏大学硕士研究生学位论文第一章绪论 开发了许多吸能型保险杠装备在高级轿车上。 表1 1 各国保险杠法规和规范中试验方法的对比 法规名 德国欧洲中国 彩 美国 美国加拿大a z t - c r a s he c e r 4 2g b l 7 3 5 4 - 试验忒 c f r p a r t 5 81 ii h s - t e s tc f v s s 21 5 r e p a r a t u r 。t e s t 1 9 9 8 摆锤正碰4 k h8 h h4 k m h4 k m h 摆锤6 0 。词2 5 k m h4 8 k m h2 5 k m h2 5 k m h 整车正碰 4 k m h8 k m h8 k m h 整车3 0 。8 k m h 斜碰 撞圆柱8 k m h 4 0 偏置碰1 5 k m h 法规要求镫除保险杠系统， 结果作为参汽车的一般髟结果只作参考，不么除保险杠豸除保险杠着 述其余部分正讳考，并公希能不受影响布于众统，其余部爱统，其余部爿 工作于众正常工作正常工作 1 4 2 保险杠结构形式 常见的保险杠系统一般由外饰面板，支架、抗弯横梁和骨架等组成。横梁通 常用金属材料制成，在一些轿车上也采用了金属铝材。支架一般为金属结构，也 可用其它材料制作。轿车车身结构一般都是沿车身地板往前后各伸出两根承载的 变截面弯梁结构。横截面形状有u 字形，四边形、等六边形等。通过改变截面尺 寸的大小可以使刚度分级。保险杠则通过缓冲减震器或冲击变形部件与承载的变 截面弯梁相连接。 保险杠按其功能主要分为非吸能式保险杠和吸能式保险杠心。非吸能式保险 杠是一种最简单的结构形式，这种保险杠只起装饰作用，不起保护作用。当前国 内外汽车安全法规都要求保险杠应具备一定的耐撞性能。因此，研究和开发吸能 型保险杠代表了今后一段时期世界各国汽车保险杠的发展趋势。国外许多汽车公 司已经开发了很多吸能形式的保险杠系统，其耐撞性能日益得到体现。具体的吸 能式保险杠系统主要有以下几种类型： ( 1 ) 聚胺脂泡沫塑料保险杠唧1 这种保险杠能够吸收一部分碰撞能量，对碰撞双方都能在一定程度上减轻伤 害，此外这种保险杠成形容易，已经部分在轿车上使用。但是此保险杠吸能效果 9 江苏大学硕上研究生学位论文 第一章绪论 不是太理想。 ( 2 ) 空气或弹簧复位液压缓冲型保险杠 这种类型的保险杠利用机械油通过节流孑l 时的粘性阻力吸收撞击能量，吸能 效率高达8 0 ，工作特性比较稳定。撞击后靠氮气或弹簧产生复原动力，使保险 杠复位。图1 - 3 为空气复位液压缓冲型保险杠。 图1 - 3空气复位液压缓冲型保险杠 横杠2 、横杠内侧加强件3 、氮气4 、活塞杆5 、浮动活塞6 、机械油 7 、节流孔8 、缓冲缸及其支座 ( 3 ) 尿脘橡胶减振复位保险杠 该保险杠中的橡胶材料具有一定的吸能和复位作用，保险杠的结构也简单， 但是其耐撞性较差，吸能效果不是很理想，较难满足法规的要求。 ( 4 ) 带安全气囊型保险杠n 4 1 目前国外在研究一种带安全气囊的汽车保险杠，他是在汽车与行人发生正面 碰撞的紧急状态下使行人免受伤害或减轻伤害的被动安全装置。该装置由传感 器、充气泵和气囊等部件组成，并集中装入保险杠内。这种保险杠可以有效的保 证被撞行人的安全，但处于研究和试验阶段。 ( 5 ) 带气腔式保险杠瞳2 3 带气腔式保险杠的保险杠系统( g a st u b eb u m p e rs y s t e m ) 与第一类普通型 保险杠系统( c o n v e n t i o n a lb u m p e rs y s t e m ) 的区别如图1 - 4 所示。气腔通常作为 内衬安装在外盖板和横杠之间。当碰撞发生时，气腔被压缩，进而影响其外面包 裹部件的变形方式，从而改善吸能效果。相关文献曾指出，合理的设计气腔个数 和气压并保证包裹气腔部件的强度，这种保险杠与第一类保险杠相比能使 1 5 k m h 、4 0 偏置碰撞的减速度减小2 0 - - 5 0 。 1 0 江苏大学硕士研究生学位论文第一章绪论 外盖扳 外差扳 a ) 普通保险杠( c b s )b ) 带气腔式保险杠( g b s ) 图1 - 4 带气腔式保险杠和普通保险杠的结构对比 ( 6 ) 自身吸能式保险杠 此种保险杠主要通过内衬和支架的塑性变形来吸收碰撞能量。一些保险杠与 车架之间也采用波纹管吸能组件。内衬的材料和结构是多种多样的，材料包括各 种塑料、金属材料、泡沫状金属材料、树脂复合材料、蜂窝状材料等，其结构更 是多种多样。此保险杠的缓冲吸能性能和耐撞性能是由其支架和内衬的吸能结构 所决定的。通过设计合理的支架和内衬的吸能结构，可以有效的提高汽车保险杠 的耐撞性，从而提高汽车低速碰撞性能。 1 4 3 低速碰撞对乘员的影响 在一些汽车低速碰撞事故中乘员受到伤害，而汽车却未出现明显的可见损伤 的实例n 羽可以认识到，研究汽车低速碰撞与乘员受伤之间的关系对于汽车在低速 碰撞下动力响应特性的设计具有很重要的参考价值。众多的研究表明，汽车在低 速碰撞条件下会引起乘员受伤乜3 2 4 诋矧。实际上，碰撞中保险杠所受冲击力的大 小及持续的时间与乘员颈部产生的力的大小和持续的时间之间存在一个传递函 数n 剀。该传递函数可以分为两个部分：一部分是碰撞中传递给保险杠的力及持续 时间与车速变化之间的关系；另一部分是车速变化与乘员颈部产生的力之间的关 系。显然，关于上述问题的理解，对于保险杠碰撞特性的设计是极为重要的。 第一个有记载的利用志愿人员进行汽车后部低速碰撞试验是由s e v e r y 等人 进行的乜7 1 。试验中用一辆质量相同的车以大约1 3 - - 一1 5 k m h 的速度碰撞一辆静止 的车。车身乘坐一位系有安全带的男性志愿者。碰撞结果表明，未产生任何伤害。 事实上他所用的车未装备吸能型保险杠，也未加头部保护装置。s e v e r y 等人的 碰撞试验首次显示了低速碰撞下人对伤害的最小忍受力。 m e r t z 和p a t r i c k 啪1 在1 9 6 7 年进行了数例滑车试验，以模拟后部碰撞。一位 江苏大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 处于绷紧状态下的男性志愿者经受了平均3 2 9 的减速度，未受伤害。另一位男 性志愿者在绷紧状态下的，坐在刚性座椅上，座椅备有平坦的、加衬垫的头部保 护装置，该志愿者在碰撞过程中经受了平均8 7 9 的加速度。作者的结论是：即 使在不知碰撞的情况下，乘员也应该能够承受速度为1 6 k m h 的后部碰撞。就人 体生理而言，一个人假设他的头一开始就靠在座椅靠背上的平坦头枕上的话，可 以承受7 7 k m h 的速度的后部碰撞而不受伤。 m c c o n n e l l 等1 9 9 3 年使用现代流行的汽车对4 位4 5 5 6 岁的男性志愿者进 行了汽车追尾碰撞试验。静止状态的受撞车在碰撞过程中的速度变化为3 8 k m h ，碰撞车速度变化为3 9 k m h 。两车均有志愿人员乘坐，试验中系有三点 式安全带。在为期1 1 天的时间里，每个人经历了三到七次的碰撞。四人中有两 人有轻度的颈部不适，但不超过5 小时就消失了。车对车碰撞中，撞击车的碰撞 速度为1 5 1 6 k m h ，被撞车的加速度峰值为5 - - - 一6 9 ，脉冲持续时间约为l o o m