（车辆工程专业论文）客车整体骨架侧碰仿真与耐撞性分析研究.pdf

摘要 本文首先分析了汽车碰撞研究背景，探讨了汽车碰撞安全性的重要意义和国 内外汽车碰撞计算机仿真研究现状。在此基础上，分析研究大客车侧面碰撞仿真 分析的必要性和重要性，并且结合企业实际需求确立了本文的研究内容。 汽车碰撞仿真计算是一个涉及材料科学、力学、数学等多学科的问题，因此 碰撞仿真相关理论的研究是整个碰撞仿真分析的基础。l a g r a n g e 法是目前描述 固体碰撞行为的最成熟最方便的方法。这种方法可以处理高速碰撞过程中复杂的 边界条件和复杂的材料本构关系，并且对接触滑移而描述非常方便 在汽车碰撞理论研究的基础上，进一步探讨大客车侧面碰撞仿真的实现方法 和大客车耐撞性评价方法是十分必要的，并结合实际情况确立了大客车整车骨架 侧面碰撞计算仿真平台。 一 整车结构有限元模型是汽车碰撞仿真的重要基础，碰撞仿真结果的精度和准 确性除了与计算方法有关外，还在很大程度上依赖有限元模型的精度。根据大客 车车身结构的特点和碰撞仿真要求，为了兼顾模拟效率与精度的平衡，分别探讨 了单元类型、材料模型、时间步长控制和碰撞接触方法的选择问题。整车有限元 模型的建立后，根据企业需要，以某1 2 m 典型大客车侧面碰撞安全仿真为例， 分别模拟了大客车与大客车和货车与大客车的侧面碰撞仿真计算。 完成大客车整车骨架两种情况下的侧面碰撞仿真分析后，分别从车身骨架运 动、车身骨架碰撞变形、车内乘员生存空间和碰撞加速度以及碰撞能量方面，分 析和比较了两种碰撞情况下被撞大客车侧面碰撞安全性。最后根据耐撞性能分析 结果，提出了提高大客车整车骨架侧面耐撞性能的改进意见。 本文的研究结果对企业典型大客车侧面碰撞耐撞性能的提高有一定的参考 和借鉴，对我国整个客车行业的碰撞安全性的提高和大客车侧面碰撞法规的制定 也具有一定积极作用。 关键字；侧面碰撞被动安全性大客车有限元法 a b s t r a c t t h eb a c k g r o u n do ft h e a u t o m o b i l ec r a s h 。t h ei m p o r t a n to fc a rc r a s hs a f e t y a n dt h ec a rc r a s hs t a t u so fc o n l l p u t e rs i m u l a t i o nw e r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h i s ，t h en e c e s s i t ya n di m p o r t a n c eo fb u sf r a m es i d ec r a s hw e r e a n a l y z e da n dt h i sp a p e rr e s e a r c hc o n t e n tw a se s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o no fa u t o m o b i l ec o l l i s i o ni sa q u e s t i o no fm a t e r i a l ss c i e n c e 。 m e c h a n i c s 。m a t h e m a t i c s ，a n do t h e rd i s c i p l i n e s s ot h ea u t o m o t i v e c r a s h s i m u l a t i o nt h e c r y ss t u d yi st h eb a s i so ft h ea u t o m o t i v ec r a s ha n a l y s i s l a g r a n g em e t h o di sag o o dm e t h o di ns o l i dc o l l i s i o n 。1 1 1 eb o u n d a r yc o n d i t i o n s 。 m a t e r i a l ss t r u c t u r ea n dt h ec o n t a c t ss l i pw e r ec o n v e n i e n t 如s o i l e di nt h i s m e t h e d o nt h eb a s i so ft h ec r a s ht h e o r y , t h es i m u l a t i o na n dr e a l i z a t i o nm e t h o d s w e r ed i s c u s s e d t h es i m u l a t 0 np l a t f o r mo fb u sf r a m es i d ec r a s hw a s e s t a b l i s h e d v e h i c l es t r u c t u r a if i n i t ee l e m e n tm o d e ii sa ni m p o r t a n tb a s i so ft h e c o l l i s i o ns i m u l a t i o n t h ep r e c i s i o na n da c c u r a c yo fc o l l i s i o ns i m u l a u o nr e s u 峙 a r er e l a t e dw i t hn o to n l yt h em e t h o do fc a l c u l a t i o n b u ta l s ot h ep r e c i s i o no f f i n i t ee l e m e n tm o d e l 。b a s e do nt h eb u sb o d ys t r u c t u r ec h a r a c t e d s t j c sa n d c r a s hs i m u l a t i o nr e q u i r e m e n t s ，i no r d e rt ot a k i n gi n t oa c c o u n tt h eb a l a n c e b e t w e e ne f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo fs i m u l a t i o n ，t h ec e l lt y p e s ，m a t e r i a lm o d e i ， t h et l t n es t 印c a n t r o ia n dt h e c h o i c eo fm e t h o do fc o n t a c tc o l l i s i o np r o b l e ma r e d i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y a f t e rt h eb u sf i n i t ee l e m e n tm o d e ii se s t a b l i s h e d ，t a k i n g at y p i c a lb u ss i d ei m p a c ts a f e t ys i m u l a t i o na sa ne x a m p l e ，t h eb u s b u sa n d b u s i o t r ys i d ei m p a c ts i m u l a t i o na r es i m u l a t e dr e s p e c t i v e l y a f t e rt h eb o t ho a s e so fb u ss i d ec r a s hs i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h eb u sb o d y f r a m e sm o v e m e n t ，b o d yf r a m e sd e f o r m a t i o n ，p a s s e n g e r sl i v i n g s p a c e ， c r a s h i n ga c c e l e r a t i o na n de n e r g yw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e db o t hi nt h et w o c r a s hs i m u l a t i o n f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h eb u sf r a m ec r a s hs a f e t yp e r f o r m a n c e ， t h em e a s u r eo fi n c r e a s i n gb u sb o d yf r a m es i d ec r a s hs a f e t yp e r f o r m a n c e t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e ri sag o o dr e f e r e n c et ot h eb u sb o d yf r a m e s i d ec r a s hs a f e t yp e r f o r m a n c e si m p r o v e m e n to fc o m p a n ya n db u ss i d ec a s h s a f e t yr u l eo fl a w sr e g u l a t i o n ，s oa st or a i s i n gt h ec o m p e t i t i v e n e s so fd o m e s t i c b u si n d u s t r y k e y w o r d s ：s i d ec r a s h ，p a s s i v es a f e t y , b u sf r a m e ，f e m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 1 ，= ) 签名：些生! 三日期：竺! ：! 三：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阋；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期；塑兰：? 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 汽车安全性可分为主动安全性和被动安全性1 1 其中主动安全性是指汽车 避免发生意外事故的能力；被动安全性，则是汽车在发生意外事故时对乘员进行 保护的能力，是指在汽车事故过程中减轻乘员所受伤害的能力，主要包括车身结 构、车顶和车门强度、车身及内饰件的缓冲性能等。由于被动安全性总是与广义 的汽车碰撞事故联系在一起，故也称为“汽车碰撞安全性”。大量数据表明，9 5 以上的事故是由于人和环境因素共同造成的，主动安全性再好，也只能避免5 的事故2 1 。 汽车碰撞安全性问题是一个世界性大问题，因此，也一直是人们研究的热点。 自汽车问世1 0 0 多年以来，全世界因交通事故丧生的已有2 5 0 0 多万人，致残的 达4 5 亿人。欧盟每年死于交通事故的人数超过4 万，伤者几百万。欧盟每年 为交通事故支付的直接和间接的费用达1 6 0 0 亿欧元，占欧盟国民生产总值 ( g d p ) 2 。我国的交通事故随着汽车逐年增加基本呈震荡上升态势，目前已 进入交通事故多发期，2 0 0 5 年曙1 ，我国共发生道路交通事故5 6 7 7 5 3 起，造成 9 9 2 17 人死亡和4 5 18 1 0 人受伤，直接财产损失2 7 7 亿元。 在各种交通状况下发生的碰撞事故，归纳起来包括正面碰撞、侧面碰撞、追 尾、翻滚等1 。统计数据显示，在汽车各类碰撞事故中侧面碰撞发生的几率约 为2 7 ，正面碰撞的发生几率约为5 9 5 1 但是当考虑碰撞造成的乘员伤害及 财产损失时，侧面碰撞达到了一个相对较高的水平，仅次于正面碰撞。因此，汽 车侧面碰撞安全性的研究是汽车的被动安全性研究的一项重要内容嵋。 汽车侧面是车体中强度较薄弱的部位，对客车而言，一旦受到来自侧面的撞 击，不可能有像前部及后部那样，有足够空间发生结构变形及吸收碰撞能量，车 内乘员同强烈贯穿的撞击物之间仅隔着很有限的空间，这就是侧面碰撞对乘员的 伤害较其它类型的碰撞要严重的原因。在斜坡上或在转弯时发生的侧面碰撞，还 有可能引起被撞汽车翻倾，可能导致车门框变形使车门不能开启，影响乘员逃离 危险地带及对乘员的救援。因此与正面、后部碰撞相比，侧面碰撞对乘员可能造 成的伤害更大。因此在许多国家，汽车侧面碰撞试验逐渐成为汽车制造厂必须执 行的强制性试验。 汽车工业发达的国家如美国、f 1 本和德国，随着汽车安全性研究的深入和安 全法规的贯彻，虽然汽车保有量在增加，但交通事故的死亡率大大降低，成效十 武汉理工大学硕士学位论文 分显著哺1 1 9 1 。这证明了先进的安全技术可以挽救人的生命及减少财产的损失。 目前，汽车安全已经成为制约我国交通运输业和汽车工业进一步发展的重要因素 之一，开展汽车安全性研究是十分必要和紧迫的。为了促进这一领域的研究工作， 中国汽车工程学会于1 9 9 5 年9 月成立了( 被动) 安全技术专业委员会口1 。这 一专业委员会的成立，标志着我国汽车被动安全性研究工作正逐渐走上系统化和 正规化的发展道路。我国颁布的第一项汽车安全技术法规c m v d r 约4 汽车正 面碰撞乘员保护的设计规则 于1 9 9 9 年1 0 月2 8 日由国家机械工业局发布， 已列入了新的4 0 项强制检测项目中，这表明我国政府已对汽车的被动安全性有 了更全面的评价方法甜。2 0 0 3 年，g b l l5 5 1 - - 2 0 0 3 乘用车正面碰撞乘员保 护”印强制性国家标准的颁布则标志着我国的碰撞法规正逐渐与国际接轨侧 面碰撞的强制性国家标准g b 2 0 0 7 1 2 0 0 6 汽车侧面碰撞的乘员保护l 于2 0 0 6 年1 月1 8 日批准发布，并在2 0 0 6 年7 月1 日起开始正式实施1 1 5 1 1 6 1 。 目前国内客车设计和研发总体上仍处于模仿设计阶段，对大多数企业而言仍 有许多技术问题仍待解决，随着国内客车市场竞争的进一步激烈和国内碰撞法规 的进一步完善，客车设计和研发能力越来越受到了国内客车企业的重视 基于以上背景，国内某客车企业出于对本厂产品质量的改进和产品市场竞争 力的提高，特委托武汉理工大学汽车学院对某型客车骨架的强度、刚度以及碰撞 安全性能进行分析和改进，本课题就是该研究项目的一部分研究工作。 1 2 研究目的和意义 本文结合目前国内汽车碰撞仿真概况和企业实际需求，对企业生产的某典型 大客车进行了侧面碰撞安全性能分析，目的在于： ( 1 ) 提高企业产品设计技术水平。 ( 2 ) 通过对典型大客车整车骨架侧面碰撞模型的建立和仿真分析，为企业 提供大客车整车侧面碰撞安全性的研究方法和实现手段。 ( 3 ) 为企业提供大客车侧面耐撞性能真实数据，并为企业提高大客车耐撞 性能提供参考。 随着社会的发展和人们安全意识的提高，汽车侧面碰撞安全性越来越受到企 业和人们的重视，因此本文对大客车侧面碰撞安全性研究的意义在于： ( 1 ) 有利于提升企业自身设计水平。 ( 2 ) 有利于提高企业自身的产品研发能力，尤其是提高客车侧面碰撞安全 性方面的设计能力。 ( 3 ) 有利于企业产品质量的提高和市场竞争力的提升，从而为企业创造更 多的经济效益。 武汉理工大学硕士学位论文 此外，由于目前国内对大客车侧面碰撞安全性研究较少，因此本文研究成果 对大客车侧面碰撞安全性相关研究工作具有一定的借鉴和参考价值，有助于我国 客车行业整体水平的提高，也有助于国内大客车侧面碰撞安全性法规的制定。 1 3 汽车碰撞计算机仿真研究概况分析 早期在汽车被动安全性研究中采用的研究手段主要是试验的方法 1 7 1 有关 汽车被动安全性的试验有台架冲击试验、台车碰撞模拟试验和实车碰撞试验。实 车碰撞试验由于与事故的情况最接近，是综合评价车辆被动安全性的最可靠的方 法1 1 8 | e 无论是台车碰撞模拟试验还是实车碰撞试验，都要涉及到试验数据的采 集和处理。通常采用的数据采集系统为电测量和光测量相结合的系统 1 9 ) o 试验 中要用到大量的传感器和数台高速摄像机，这些数据采集系统以及试验中采用的 假人在试验前都要进行严格的标定，其试验准备工作是十分费时的；另外，被动 安全性试验特别是整车试验都是破坏性试验，试验所需费用是十分昂贵的，由于 试验中有一些随机因素的影响，使试验结果往往不够稳定，可重复性差彻。 随着计算机在计算速度、内存容量和图形功能等方面的发展，以及有限元和 多体系统动力学建模方法的推广和应用，标志着以分析计算和试验验证相结合的 研究阶段的开始e 2 1 | 。与试验技术相比，计算机仿真不必等到新产品制造出来， 在其初期的设计阶段就可对产品的安全性做出初步的评价，可尽早地发现问题和 解决问题，从而极大地降低了开发费用和缩短了开发周期；同时由于每辆汽车和 每个零件都不完全相同，因此一些关键性的差别如零件铸造时的缺陷都会影响到 试验的结果，而在计算机上建模分析就不存在这些问题；还有，即使采用三维高 速摄像手段，也很难得到汽车内部的某些关键部件的变形情况，而采用计算机模 拟的方法不仅重复性好、存储的信息量大，而且还可将汽车沿任意截面剖开，观 察其内部零件的变形情况和应力应变分布情况，在提出改进方案后，能够快捷地 修改模型，经过计算分析对比有关零部件修改前后的变形情况，而不必等待样品 的制造。目前，国内外许多应用实例表明计算机仿真预测值与实验值密切相关， 大大减少了必须的实车碰撞次数。 采用模拟计算并不意味着放弃试验技术，设计阶段模拟计算得到的结果只是 对汽车及其零部件耐撞性的预先估计，在产品的开发和设计过程中具有指导意 义，只有最终的产品试验才能真实反映汽车及其零部件发生碰撞时的变形过程， 并且模型中的参数要根据相关的试验获得，模型的正确性还要有试验来验证，只 有通过验证的模型才是可行的，因此试验技术与模拟技术的关系是相辅相成的。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 汽车碰撞有限元法研究概况分析 汽车碰撞问题是一个十分复杂的力学问题，它涉及到多门学科，如结构动力 学、损伤力学、计算力学、材料动力学( 动态本构模型、状态方程、破坏模型等) ， 要完整描述相撞物体的动力学过程，需要考虑相撞物体的几何结构、弹塑性变形、 冲击波的传播、断裂和损伤的引发和传播、摩擦效应和热效应、材料的加工硬化 等。 近3 0 多年来，伴随着电子计算机科学和技术的快速发展，数值计算方法逐 渐成为了工程分析的有效方法，在理论、方法的研究、计算机程序的开发以及应 用领域均取得了根本性的发展。而有限元法是数值计算方法中的典型代表，它不 仅成功地运用于固体静力学，近年来也被应用于解决动力学问题。 在瞬态动力学数值计算里，通常采用集中质量法来代替一致质量矩阵，将求 解过程化为显式计算，这样可避开复杂的矩阵运算，从而大大减少计算工作量。 显式算法的一个重要优点便是其计算效率高，而计算的高效率很大一部分来源于 单元应力散度计算的单点高斯积分晓1 。但单点高斯积分将导致沙漏模态的产生。 在进行结构动力学分析时，若不对沙漏模态进行控制，计算将产生数值振荡，如 何控制沙漏模态以保证仿真计算的可靠性便成了显式动力分析程序的一个重要 课题。 对沙漏问题的较系统的研究工作出现在年代初，f l a n a s a n 和b e l y t s c h k o 等人利用所谓“人工阻尼”和“人工刚度”的方法啊1 ，对小应变、弹性条件下 的动力学有限元实施了反沙漏算法。他们的工作被当时发展的许多大型有限元软 件( 包括l s d y n a 3 d ) 所采纳。但遗憾的是，该沙漏控制方法需要至少一个人 为的经验参数来调节控制力的大小，从而使计算结果导入了不确定的人为因素。 此后的工作便是基于如何确定或抛弃这一控制参数来进行的。如b e l y t s c h k o 和 u u 等人的研究，以及b e l y t s c h k o 和b a c h r a c h q b e 单元对沙漏模态进行了有效 的控制，他们针对的问题是弹性材料承受剪切冲击时的变形及响应。u u 在此基 础上利用广义变分原理把它成功地推广到材料的非线性动态响应的数值模拟中。 汽车碰撞将在结构内产生应力波，而大幅值应力波在固体中传播的一个特点 是出现冲击波，即使这样的波不是由初始边界条件所引起的，它们也可能通过由 材料非线性响应引起的压缩波的陡峭化而在固体内自发地发生。从数学上来讲， 冲击波在实际固体中虽然是连续的，但实验已经测定出冲击波的宽度比固体的尺 寸小好几个数量级，因此相应有限元程序必须具有时间分辨率高，处理间断面能 力强，波相互作用细节刻画得好等要求。 当冲击波出现时，控制微分方程的数值求解将会有一定困难。为了解决这一 i 口j 题，r i c h m y e r 和m o r o n 早在1 9 6 7 年讨论冲音波的r a n k i n e h u g o n i o t 洲跳 4 武汉理工大学硕士学位论文 变条件时就证明：在冲击波存在时，若不对有限元差分方程作相应修改，要得到 近似的解是不可能的，一种解决办法就是采用冲击波拟合技术，将冲击波看作一 种内部边界条件。这种方法曾用于求解一维碰撞问题，但考虑到实际结构的形状 任意，求解多维问题就变得相当复杂。针对这一问题，1 9 8 0 年w i l k i n s 在前人 ( v o nn e u m a n n 和r i c h t m y e r ) 提出的解决一维碰撞冲击波问题的“人工体积 粘性”方法的基础上将此方法推广到了多维碰撞情形下引入人工体积粘性可以 有效地消除局部振荡现象，并且在冲击波波前附近，能使陡峭的冲击波平滑化， 而不改变系统应力分布，使模拟计算更加符合物理实际。人工体积粘性的使用是 冲击问题的数值计算的一个重要突破。 目前描述汽车碰撞现象的方法主要有：e i d e r 法、l a g r a n g e 法和 a l e ( a r b i t r a r yl a n g r a n g i a n 法。 法多用于流体力学问题，在固体e u l e r i a n ) e i d e r 力学中用的很少ia l e 法是处理流体一固体相互作用的较好方法，适用于高速 碰撞现象描述，其理论与算法较复杂，在具体编程和工程中不易实现；而 l a g r a n g e 法是目前描述固体碰撞行为的最成熟最方便的方法。采用l a g r a n g e 法描述的有限元法可以处理高速碰撞过程中复杂的边界条件和复杂的材料木构 关系，并且对接触滑移而描述非常方便。 1 3 2 国内外碰撞计算机仿真研究概况分析 随着有限元理论的进一步发展，目前已有一批应用价值很高的有限元软件被 广泛地应用在汽车被动安全性研究中，在实际应用中常用的有d y n a 3 d 、 p a m c r a s h 和m s c d y t r a n 等踊1 。通过实际应用表明，它们在分析和研究 结构三维动态大变形方面具有较强的功能，在汽车碰撞仿真研究方面应用比较成 功，特别是对于车身结构的改进的研究，可以在相对很短的时问内对多种方案进 行比较和优化分析，最终得到较为满意的改进方案棚。 1 3 - 2 - 1 国外研究现状 六十年代末，美国、欧洲国家的汽车产业如通用、大众、宝马相继研究汽车 碰撞，但是局限于对障碍物的碰撞 饼1 。从八十年代开始，计算机技术 的迅速发展，使世界各国汽车碰撞研 究突飞猛进，以美国、欧洲为代表涉 及汽车被动安全研究的各个领域，从 一开始的单纯正面碰撞到1 9 9 9 年的 翻滚碰撞性能研究。越来越全面的安 全性能被人们重视起柬。模型也逐渐 豳1 1 国外某轿乍侧面碰撞伤真 ( 图片来白文献 2 5 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 细化，精度越来越高。图1 1 为国外某型轿车的侧面碰撞仿真图。1 9 8 5 年嘲， 德国大众汽车公司构造的p o l o 碰撞有限元模型中包括了5 5 5 5 个壳单元和1 0 6 个梁单元，在随后的几年中，分别对p o l o 轿车做了偏置，侧面、后部、翻滚 的碰撞试验研究，树立了小型轿车被动安全性的典范。1 9 9 2 年德国欧宝汽车公 司a s t r a 车正面碰撞的有限元模型包括了2 7 0 0 0 个单元，2 0 0 年，德国宝马 汽车公司b m wx s 车正碰的有限元模型包括的单元数日超过了5 0 万，几乎所 有的构件在模型中都能体现出来，计算模拟的模型都是采用了试验联系模拟的方 法评定。 1 9 9 7 年，国外客车行业开始严格按照法规生产，奔驰、沃尔沃等都开始对 开发的新客车品种以试验满足法规要求来控制质量，日本也在2 0 0 0 年开始施行 针对大客车上部结构强度要求的安全法规噶1 。 1 3 2 2 国内碰撞仿真研究现状 我国汽车被动安全性方面的研究工作起步较晚，到八十年代末期才开始开展 这方面的研究工作。目前国内从事汽车碰撞试验的主要单位有：中国汽车技术研 究中心、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 目前国内在轿车碰撞模拟试验方面研究较多，如图1 2 为国内某轿车侧面碰 撞仿真图。2 0 0 1 年，同济大学汽车工程系王宏雁、高卫民鲫咖1 能1 跏利用模 拟分析软件p a m - c r a s h 建立了轿车整车正面碰撞模型，模拟了白车身的碰撞 过程。通过模拟计算结果与实际碰撞结果分析对比，对模型进行了修改和完善， 重点研究了材料与焊点的模拟方式、运动机构、时间步长、刚体、白接触的定义、 构件的选取与简化对模拟结果的影响。碰撞模拟值与实验值问的误差小于2 0 ， 证明其碰撞有限元模型基本正确，可用于碰撞模拟定性分析。两年后，清华大学 王青春、范子杰、陈宗渝等利用逆向工程法 建立了某微型客车白车身有限元模型，对碰 撞吸能特性进行了计算机模拟计算，模型采 用s h e h 单元模拟所有的结构部件，采用直接 定义节点的方法来模拟点焊，整个有限元模 型节点数为17 4 2 0 5 个，壳单元数为16 3 4 5 8 个。同时进行了不同的速度下该车型白车身 的正面碰撞试验，得到的冲击力时间曲线以 及加速度时问曲线。通过对模拟计算结果与 碰撞试验所得到的数据进行了分析比较，两 图1 2 国内某轿车侧面碰撞仿真 者数据结果基本吻合，证明所采用的建模和 ( 图片来自文献f 3 1 1 ) 6 武汉理工大学硕士学位论文 计算方法的正确性。研究指出，对在几何建模以及有限元建模过程中，对结构适 当简化、删除是可行的，并对合理有效的单元划分方法等进行了阐述和验证。 2 0 0 5 年，武汉理工大学汽车学院李发宗1 应用非线性有限元理论，建立 了某轿车整车、侧面碰撞移动变形壁障以及侧面碰撞假人有限元建模，利用v p g ( v i r t u a lp r o v i n gg r o u n d ) 虚拟试验场软件，对汽车侧面碰撞虚拟试验中仿真过 程参数进行设置与控制，完成了汽车侧面碰撞虚拟试验，通过与实车试验比较分 析，可知汽车碰撞变形、汽车运动轨迹、碰撞假人腹部合力、耻骨合力以及移动 壁障移动位移和加速度等衄线的基本形状和变化趋势与试验相吻合，但数值上有 一定的误差。 次年，魏海智瞪1 建立了c a 7 2 2 0 轿车车体主要零件的数学模型，并对数据 进行了相应处理和简化，模拟了实车的焊接、接触等工艺条件，同时按照e e v c 标准建立了可变形吸能壁模型。按照e c er 9 5 法规对轿车车体总成进行了侧撞 仿真分析，并与实车碰撞试验数据进行了比较，验证了二者的一致性。同年，吉 林大学唐洪斌结合中国一汽集团公司技术中心某轿车开发项目，运用c a t i a 软 件对模型几何进行了简化，利用h y p e r m e s h 软件进行了网格划分和处理，采 用v p g 软件对侧撞模型进行了边界条件设定，最后通过l s - d y n a 进行了侧面 碰撞求解，最终对车体结构的侧面抗撞性进行了仿真分析 国内在小型客车碰撞仿真方面也做了一定的研究工作，如2 0 0 5 年，吉林大 学魏一凡! 对某国产微型客车3 0 。斜角碰撞及4 0 偏置碰撞抗撞性进行了研究， 运用显式非线性有限元软件e s i p a m c r a s h ，在原正面碰撞车体有限元模型基 础上，建立了该微型客车3 0 。斜角碰撞及4 0 偏置碰撞有限元模型。根据法规 f m v s s 2 0 8 和e c er 9 4 0 1 的要求进行3 0 。斜角碰撞及4 0 偏置碰撞有限元数 值模拟分析，对微型客车3 0 。斜角碰撞和4 0 偏置碰撞抗撞性的改进进行探讨， 制定了3 0 。斜角碰撞和4 0 偏置碰撞抗撞性的可行性改进方案 目前国内相对缺少对大客车的碰撞模拟研究，更缺少针对大客车的碰撞安全 试验。主要是因为目前国内法规标准不够完善，大客车生产厂家对大客车的翻滚 碰撞的性能要求重视程度不够和实车碰撞试验费用太高，工作量大，技术要求也 较复杂，且缺少这方面经验。 不过，目前国内对大客车碰撞安全性研究工作也取得了一定的研究成果，如 2 0 0 5 年，中国农业大学邰永刚1 3 7 1 依照厂家的要求，通过静态分析校核了车身 骨架的强度和刚度，并对车身骨架的固有频率及振型进行了模态分析，同时采用 了类比法验证了模型的i f 确性。并按照欧洲法规对客车车身骨架进行翻滚碰撞仿 真分析，依照分析结果进行了改进设计，以便最大程度地满足法规要求。 同年，武汉理工大学汽车工程学院本课题项目组成员张毅啪1 根据企业要求， 武汉理工大学硕士学位论文 对两辆典型客车整体骨架建立了全板壳结构碰撞有限元模型，完成了客车骨架的 正面碰撞仿真计算，图1 3 为某国产1 2 m 大客车车身骨架正面碰撞仿真变形图。 分析了客车整体骨架的变形情况以及车 架纵梁等主要缓冲吸能构件的变形情 况，根据车内司乘人员在碰撞过程中的 生存空间以及碰撞加速度情况，评价了 两辆客车整体骨架的耐撞性能，总结了 现代客车骨架在正面碰撞过程中的变形 特点，指出了典型客车骨架耐撞性能上 的不足，并提出了改进设计方法和改进 图1 3 国产菜客车骨架碰撞仿真变形图 措藏。 ( 图片来自本课题组，参见文献【3 6 】) 次年，尹鸿飞嘲以某客车为研究对象建立了客车侧翻碰撞有限元模型，按 照g b t l 7 5 7 8 1 9 9 8 规定，模拟了整车与水泥墙的侧翻碰撞仿真，分析了该车的 安全特性，并通过实车碰撞试验，验证了模拟分析的正确性，并提出了车身结构 在耐撞性方面存在的问题。 综上所述，目前碰撞模拟计算研究主要集中在轿车和小型乘用车上，对大客 车研究较少，而且以提高大客车耐撞性能为目标的结构改进研究更少 1 4 本文研究内容 研究表明，汽车碰撞安全性在很大程度上和车体结构设计有关，具有良好耐 撞性能的车体结构能够起到很好的碰撞吸能以及对车内乘员的安全保护作用。对 于客车车体结构而言，其骨架的强度和刚度明显大于其它内外饰件，如地板和其 它内饰塑料件以及内外蒙皮等，因此在碰撞发生时，客车骨架结构起主要抵抗变 形和缓冲吸能作用。可以说，客车骨架的耐撞性能的好坏直接影响客车整体的碰 撞安全性能，对客车骨架结构耐撞性能的研究对客车整车的碰撞安全设计与改进 具有重要的指导意义。因此结合大客车碰撞研究现状和企业的实际需求，本文的 研究主要内容如下： ( 1 ) 分析典型大客车整车骨架的结构形式与结构特点，确定客车整车骨架 耐撞性能分析的研究方法和实现手段，并确保研究方法的先进性和实现手段的现 实性； ( 2 ) 研究大客车整车骨架碰撞有限元模型的建模方法，解决计算规模、计 算精度和计算时间的协调问题，完成大客车侧面碰撞有限元模型的建立和仿真计 算，使得整个仿真分析实现过程具有可操作性； ( 3 ) 结合大客车侧面碰撞仿真分析结果，对该车型大客车车身骨架尉撞性 武汉理工大学硕士学位论文 进行评价，指出客车骨架结构在耐撞性能上的优点和不足，为企业提高大客车耐 撞性能提供参考j ( 4 ) 通过两种不同车型对大客车侧面碰撞的仿真分析比较，为我国大客车 侧面碰撞法规制定提供参考依据。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽车碰撞模拟计算有限元基础理论 汽车碰撞是个瞬态的大位移和大变形的过程，系统具有几何非线性、材料非 线性和接触非线性等多重非线性特征，它涉及在动载下的本构关系、非线性问题 算法等问题。目前，动态非线性有限元方法成为了汽车碰撞模拟计算的主要研究 手段。 2 1 非线性动态有限元法 2 1 1 物体的构形描述 从物体的变形角度来讲，其交形过程实际上是从一种形态变换到另一种形态 的过程。物体是由质点组成的，物体的形状可以用质点的相对位置来表征。图 2 1 为一物体运动示意图删。 图2 1 物体运动示意图 在固定直角坐标系中，设一物体在t - 0 时刻的初始形状为口，经过任意时刻 t 后，其形状为b 。令设口中任意一质点a 坐标为瓦 一1 2 ，3 ) ，在任意时刻t 时， 该质点的坐标为x i ( f 一1 ，2 ，3 ) 在连续介质力学中，假设物体及其变形和运动都是连续的，它表明b 中每一 质点z 。与且仅与b 中一个质点薯对应，因此质点间位置的改变而引起物体形状 的改变。质点a 的初始位置坐标z 。与时间f 之间的函数关系为： = x ( k ，f ) ( f 一1 ，2 ，3 ) ( 2 1 1 ) 对物体内质点的运动，通常有两种方式描述： 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 以瓦q - 1 2 ，3 ) 和时间f 作为独立变量来描述，称为物质描述，又称拉 格朗日描述，瓦变量和时间f 称为朗格朗日参数； ( 2 ) 以置a 1 ，2 ，3 ) 和时间f 作为独立变量来描述。称为空闻描述，又称为 欧拉描述。变量置和时间f 称为欧拉参数。 2 。2 拉格朗日描述方法 汽车碰撞属于高速碰撞现象，描述这类现象的主要方法有：e i d e r 法、 l a g r a n g e 法和a l e ( a r b i t r a r yl a n g r a n g i a n e u l e r i a n ) 法。e i d e r 法多用于流体力 学问题，在固体力学中用的很少；a l e 法是处理流体一固体相互作用的较好方 法，适用于高速碰撞现象描述，其理论与算法较复杂，在具体编程和工程中不易 实现；而l a g r a n g e 法是目前描述固体碰撞行为的最成熟最方便的方法。采用 l a g r a n g e 法描述的有限元法可以处理高速碰撞过程中复杂的边界条件和复杂的 材料木构关系，并且对接触滑移而描述非常方便。 根据拉格朗日物质描述方法，物体的变形可由式( 2 1 ) 表示。在t - 0 时 刻，求得初始条件为 薯( 瓦，0 ，疋 ( 2 1 2 ) 毫( 以，0 ) - k 疋) ( 2 t 3 ) 式中：k 为初始速度。 质量守恒方程可表示为： p 一, p o ( 2 1 4 ) 式中，p 为当前质量密度，风为初始质量密度，为密度变化系数，即j a c o b i 矩阵毛l i r a 魄a x f 的行列式。 能量方程可表示为： e = v s o i , j p + 日) 矿 ( 2 。1 5 ) 式中，e 为当前构型的能量，p 为压力，q 为体积粘性阻力，v 为现时构形的体 积，i 。为应变率张量。 动量守恒方程可表示为： 成一p f , + 气，j ( 2 1 6 ) 式中：p 为物体密度，薯为加速度，五为体积力，为c a u c h y 应力张量。 物体在变形过程应满足的边界条件如图2 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 x 1 图2 2 边界条件示意图 a 9 图中，在s 1 面上的力边界条件可表示为： 嘞”j - t a o ( 2 1 7 ) 式中，v i ( ，- l 2 3 ) 为当前物体形状边界s 1 的外法线方向余弦，t , q - l 2 3 ) 为面 力载荷。 在s 2 面边界上的位移边界条件可表示为： 五( x j ，t ) - 置o ) ( 2 1 8 ) 式中，墨o x f - l 2 ，3 ) 为给定的位移函数。 当- x ；接触时，沿滑动接触边界上的接触内边界条件可表示为： ( 丐一丐p j 一0 ( 2 1 9 ) 2 1 3 有限元方程和空间有限元离散 利用虚功原理和变分法，可得到有限元离散方程。虚功原理的变分可表示为： 酝5 p 爱t c s x f l v + l o x t 一l p m 工, a v f l f c s x f l s 0 2 1 1 们 假设将具有内部节点相连的有限元网格体系加到一个参考的环境中，其节点 位置随时间的变化关系为： _ 墨( 丘，爿) t ( 以( 善，叩，考) ，彳) = 艺办( r l ；车蹿q ) ! ( 2 1 1 1 ) 式中，妒，为参考坐标系亭，7 ，考中的插值函数，m 为单元节点数，为第，个节点 沿i 方向的节点坐标。 对h 个单元求和，结合变分列式，得到其矩阵形式： 武汉理工大学硕士学位论文 塞k 硝。胁阿+ 口。耐y 一p 锄y 一丢_ 办】。一。 心， 式中，为插值函数矩阵，为应力张量，b 为位移矩阵，口为节点加速度向量， b 为体积载荷向量，r 为面力载荷。 2 2 汽车碰撞过程的非线性特性 2 。2 1 几何非线性 几何非线性是指几何方程的应变和位移是非线性关系。在大变形情况下，原 来的静力条件下的应力和应变的度量都不适用。 应变度量有两类：一类是格林( g r e e n ) 应变张量，它是用变形前坐标表示的， 即它是拉格朗日( l a n g r a n g e ) 坐标的函数，另一类是埃尔曼什( a l m a n s i ) 应 变张量，它是用变形后坐标表示的，即它是欧拉( e i d e r ) 坐标的函数。 应力度量：对于大变形，只有在变形以后的位形上定义的应力张量才有实际 物理意义，c a u c h y 应力张量就是定义在变形后的位形上的。但因为本构关系的 使用要求实现应力应变的关系，而变形后的应力和应变都是未知的，那么就需要 寻求对应变形前和格林应变张量相对应的应力张量。 2 2 2 材料非线性 在汽车碰撞仿真模拟计算中，由于车身及其它部件的材料大多使用钢材，这 些材料的应力应变关系满足各向同性弹塑性的特性。在高速碰撞条件下，材料 变形受应变率的影响，为保证计算精度，必须考虑应变率对变形的影响。 在l s d y n a 3 d 中与应变率相关的各向同性弹塑性材料有下列5 中： 1 ( 1 ) 随动塑性模型 这是一种随动硬化或各向同性和随动的混合模型，通过硬化参数来调整各向 同性硬化和随动硬化的贡献。应变率用c o w p e r - s y m o n d s 模型来考虑，屈服 应力与应变率关系为下式： ，二、： o y - 【1 + f 三1 1 】瓴+ 卢廓罗) ( 2 2 1 ) l ， 式中，为初始屈服应力，i 为应变率，c 、p 为c o w e r s y m o n d s 应变率参数， 罗为有效塑性应变，e ，是由e ，= e 。e ( e e 。) 给出的塑性硬化模量，e 为弹 性模量，e 。为塑性变形切线模量。应力应变特性只能在一种温度下给定。 ( 2 ) 应变率相关的幂指数硬化塑性模型 武汉理工大学硕士学位论文 幂指数硬化模型主要用于金属和塑性成型分析，该模型有幂指数本构关系， 并包括c o w p e r - s y m o n d s1 4 2 1 乘子以考虑应变率： ! 巳- f 1 + ( 笥嵋r ( 2 2 - 2 ) 式中，为弹性应变，k 为强度系数，雄为硬化参数。 ( 3 ) 分段线性塑性材料模型 分段线性塑性模型是多线性弹塑性材料模型，可输入与应变率相关的应力应 交曲线柏1 。它是一个非常通用的塑性法则，特别适用于钢。采用这个材料模型 也可根据塑性应变定义失效。同时以c o w p e r - s y m o n d s 1 摸型考虑应变率，与 屈服应力关系为： q 一【1 + ( 笥1 + 聃罗) 】 ( 2 2 1 3 ) 式中 ( 罗) 为基于有效塑性应变的硬化函数。 ( 4 ) 应变率相关的塑性模型 应变率相关各向同性塑性模型是最通用的，主要用于金属和塑性成形分析。 该模型中，用一条关系曲线来定义初始屈服强度c r 0 与有效应变z 之间的函数关 系。屈服应力定义为； 巳- ( 岛) + e ，锣 ( 2 2 4 ) 其中，岛为有效应变率 1 l 岛- 吒勺t 勺- p ) 2 式中，为偏应变率张量。 ( 5 ) 应变率相关的幂指数塑性模型 此模型主要用超塑性形分析，遵循r a m b u r g h - o s g o o d 4 5 1 本构关系： o r y 一妇“矿 ( 2 2 5 ) 式中，k 材料常数，m 硬化系数，雄应变率灵敏度系数。 2 2 3 接触非线性 汽车碰撞是一种大规模冲击接触问题，在汽车碰撞仿真计算时，必须精确计 算汽车部件与外界物体以及部件自身的接触摩擦关系，以保证仿真结果的j 下确性 和精度。根据对接触边界条件的不同处理，产生了不同的接触非线性有限元法， 即拉格朗日乘子法、罚函数法和拉格朗f 乘子和罚函数混合法等。通常采用罚函 武汉理工大学硕士学位论文 数法计算接触力，计算接触力前首先要搜寻接触