（车辆工程专业论文）客车整体骨架碰撞计算机仿真与耐撞性分析研究.pdf

摘要 本文首先论述了汽车碰撞安全性研究的重要牲和具体研究方法，分析了国内 外汽车碰撞计算机仿真研究的概况，探讨了国内在大客车碰撞安全性研究上的不 足和差距，在此基础上结合企业实际需求，提出了采用有限元法进行客车骨架碰 撞仿真计算，分析客车骨架的耐撞性能。 结合课题研究需要，首先选择了计算分析平台，根据人体在碰撞事故中的损 伤机理，提出了理想耐撞性能的车体结构形式和骨架耐撞性能的评价方法，并介 绍了现代客车骨架的结构特点，最后从骨架基本构件的耐撞性能分析入手，分析 六种截面形式薄壁构件的抵抗变形能力和缓冲吸能能力，研究了采用改变壁厚， 结构预变形或使用新材料等方式提高构件耐撞性能的改进方法和改进措施。 整车骨架碰撞仿真计算建模复杂，工作量大，计算耗时。为了保证计算模型 的计算精度和控制模型的计算规模和计算时间，对仿真计算可采用的六种客车骨 架有限元计算模型的优缺点进行了比较分析，同时还研究了模型中单元尺寸、网 格密度分布、接触与摩擦以及计算时间步长等对模型计算精度、计算规模和计算 时间的影响，为整车骨架碰撞有限元计算模型的建立提供了参考和借鉴。 根据企业需求，对两辆典型客车整体骨架采用全板壳结构建立了碰撞有限元 计算模型，完成了正面碰撞仿真计算，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 骨架在萨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措施。 本文的研究为客车整体骨架碰撞仿真计算提供了参考和依据，满足了企业的 实际需求，为我国客车企业提高客车碰撞安全性能提供了设计方法和可行的具体 路线，具有良好的现实意义。 关键词：客车骨架耐擅性能有限元法仿真计算安全性 a b s t r a c t t h i sp a l ：i e rs u m m a r i z e st h ei m p o r t a n c eo fr e s e a r c ho na u t o m o b i l ec r a s hs a f e t y a n dt h er e s e a r c hm e t h o do ni t ，a n a l y z e st h er e s e a r c hs i t u a t i o ni nc r a s hs i m u l a t i o no n c o m p u t e ri nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a la u t o m o b i l e s ，d i s c u s s e st h ed e f i c i e n c i e si nt h i s r e s e a r c hi nd o m e s t i cb u sf i e l d o nb a s i so ft h o s e ，a l li d e ao fu s i n gf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) t oa c c o m p l i s hb u sb o d yf l a m ec r a s hs i r n u l a t i o na n da p p r a i s eb u sb o d y f l a m ec r a s h w o r t h i n e s sa n dp r o v i d ei m p r o v e dm e a s u r ei sp r e s e n t e d s u b s e q u e n t l y , a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hd e m a n d ，t h ea n a l y s i sp l a t f o r mi ss e l e c t e d b a s eo nr e a s o nt h a to c c u p a n ti n j u r i e si na c c i d e n t ，t h ei d e a lc r a s h w o r t h yb o d yf l a m eo f a u t o m o b i l ea n da p p r a i s em e t h o da r ep r e s e n t e d m o d e r nb u sb o d yf r a m es t r u c t u r a l s t y l ei sa l s oi n t r o d u c e d s t a r tw i t hs t u d yo nb a s i cc o m p o n e n t sc r a s h w o r t h i n e s s o fb u s b o d yf l a m e ，d e f o r mr e s i s t a n c e a n de n d e r g o n i cc a p a b i l i t yo fs i xs e c t i o ns t y l eb a s i c c o m p o n e n t sa r ea n a l y z e da n dt h ec o m p o n e n t sc r a s h w o r t h yi m p r o v e m e n tw h i c hb y c h a n g i n gc o m p o n e n tt h i c k n e s s ，o rc o n t r o l l i n gd e f o r mm o d e ，o ru s i n gs u i t a b l em a t e r i a l a r es t u d i e d b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fw h o l eb u sb o d yf r a m e ，b u i l d i n gf e am o d e la n d s i m u l a t ec a l c u l a t i o nn e e dal a r g eo ft i m e i ti sn e c e s s a r yt oe n s u r et h em o d e l s p r e c i s i o na n dc o n t r o lt i m ec o s ti nc a l c u l a t i o n s ot h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f k i n d so ff e am o d e lt ob u sb o d yf l a m ec r a s hs i m u l a t i o na r ec o m p a r e d i na d d i t i o n ， i n f l u e n c et oc a l c u l a t ep r e c i s i o na n dt i m ec o s tw h i c ha r et a k e nb ys i z eo fe l e m e n ta n d d i s t r i b u t i o no fg r i da n df l i a i o na n dc a l c u l a t es t e pi nf e a m o d e lb u i l d i n gp r o c e s sa r e s t u d i e d a l lo ft h er e s e a r c hp r o v i d e sa na v a i l a b l er e f e r e n c et ob u i l d i n gaw h o l eb u s b o d yf l a m ec r a s hm o d e l a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ec l i e n t s ，t w ob u s e sb o d yf l a m ec r a s hm o d e l u s i n gb o a r d s h e l le l e m e n t a r eb u i l da n dt h ef r o n t a l i m p a c t s i m u l a t i o na r e a c c o m p l i s h e d d e f o r m a t i o no fw h o l eb o d yf r a m ea n dp a r t so fm a i nc o m p o n e n t ss u c h a sc h a s s i sa r ea n a l y z e d 确ec r a s h w o r t h i n e s so ft w ob u s e sb o d yf r a m ea l ea p p r a i s e d b ya n a l y z i n gs u r v i v a lc o n d i t i o na n da c c e l e r a t i o nc u r v en e a rt h es e a to ft h ed r i v e ra n d p a s s e n g e r sw h e nt h ec r a s hh a p p e n s 砷em e t h o da n dm e a s u r et oi m p r o v et h eb u s c r a s h w o r t h i n e s sa r ep o i n t e do u t a l lo fs t u d i e si nt h i sp a 口e ro f r e rav a l u a b l er e f e r e n c et ob u sw h o l eb o d yf r a m e c r a s hs i m u l a t ec a l c u l a t i o n ，s a r i s f yt h ec l i e n t s p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t ，p r o v i d et h e a v a i l a b l em e t h o do nc r a s h w o r t h i h e s sd e s i g nt od o m e s t i cb u sm a n u f a c t u r ee n t e r p r i s e ， a n dh a v eaf i n ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：b u sf r a m e ，c r a s h w o r t h i n e s s ，f e m ，s i m u l a t i o n ，s a f e t y l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得武汉理工大学或其他教育机构 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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：美邈日期：塞! ! ：笙：兰2 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阅；学校可以公布论文的全部内容， 可以采用复印、缩印或其他复制手段保存论文。 研究生签名：受丝选导师日期：趔：丝夕o 武汉理工大学硕+ 学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 据统计，至2 0 0 3 年底我国汽车保有量约为2 4 0 0 万辆，年产量已突破4 0 0 万辆。随着汽车保有量的增长，全国交通事故呈大幅上升趋势，2 0 0 3 年共发生 各类交通事故6 6 万余起，死亡人数超过1 0 4 万人，占各类事故死亡人数的3 4 ， 交通事故数量和万车死亡人数均居世界首位，是世界上交通事故最严重的国家 “1 。因此，汽车安全性研究已成为我国汽车企业所必须面对的一个重要问题。 汽车安全性可分为主动安全性和被动安全性。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。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。1 。因此，汽车碰撞安全性就一直是 人们研究的热点。 在各类汽车碰撞事故中，正面碰撞对车内司乘人员和生命财产安全的危害性 足最大的。我国第一项汽车碰撞安全技术法规c m v d r 2 9 4 汽车正面碰撞乘员保 护的设计规则。”就是针对正面碰撞安全而设定的，该法规于1 9 9 9 年1 0 月2 8 同由国家机械工业局发布，对m l 类车辆正面碰撞时前排外侧座椅上乘员的安全 保护给出了较全面的评价方法。现在汽车正面碰撞试验已列入了薪的4 0 项国家 强制检测项目中。因此，国内各汽车生产企业对正面碰撞安全性能的研究均十分 重视。 在此大环境下，国内某客车企业对本单位客车产品的安全性能十分重视，委 托武汉理工大学对客车骨架的强度、刚度以及安全性能进行分析，以提高产品质 量和竞争力。武汉理工大学汽车学院组成了相关课题组，对该委托项目展开了研 究，本课题就是该研究项目的一部分。 1 2 研究目的和意义 本文的研究目的是结合企业实际需求，对客车进行碰撞安全性能分析，确定 客车碰撞安全性的研究方法和实现手段，通过对两辆典型客车骨架的正面碰撞仿 真计算，分析客车骨架耐撞性能设计上的不足，并提出改进方法与改进措施，以 提高客车碰撞安全性能。 汽车碰撞安全性研究是目前汽车领域研究的热点问题之一，并且得到了有关 政府部门的高度重视，因而本文的研究意义在于： 武汉理工大学硕士学位论文 为委托企业提供具体车型的碰撞仿真数据结果，满足具体企业的实际需求， 因此具有积极的现实意义。 采用有限元法在普通3 2 位计算机上实现大客车骨架碰撞仿真计算，适合于 目前国内一般客车企业的实际经济能力和研发水平，为提高我国客车碰撞安全分 析提供切实有效的方法和实际可行的手段。目前国内对大客车碰撞安全性方面的 研究很少，本课题研究成果为客车碰撞安全性分析以及结构改进提供了参考借 鉴，有助于提高我国客车被动安全性设计整体水平，也符合国家相关政策，具有 良好的社会效益。 另外，本课题的研究对于如何减少事故中碰撞冲击对乘客的伤害以及其它安 全性能相关问题的研究也具有一定的参考价值。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国外研究概况 关于汽车碰撞安全性的研究国外开展较早，主要的研究方法包括碰撞试验和 计算机仿真。碰撞试验是较早采用的方法之一，早在2 0 世纪3 0 年代，美国通用 汽车公司就开始通过翻车试验和固定壁碰撞试验研究汽车被动安全性问题，到了 j 0 年代中期，各国汽车行业普遍开展了碰撞试验“1 。台架冲击试验、台车碰撞模 拟试验和实车碰撞试验是常见的三种试验方法，其中台架冲击试验和台车碰撞模 拟试验多用于汽车零部件和部件总成的碰撞研究，无法直接反映整车的碰撞安全 性能。实车碰撞试验采用一台或多台完整的车辆进行碰撞，碰撞结果与实际事故 情况最接近，是评价汽车整车碰撞安全性能最基本和最有效的方法。但这种试验 是一种破坏性试验，试验费用昂贵且周期较长。另外，由于随机因素的影响，实 车试验中同台车辆难以进行重复试验，试验数据准确再现性差，使得试验结果的 稳定性不足。 随着计算机硬软件技术不断发展，出现了采用计算机仿真技术研究汽车碰撞 安全性的方法。它利用计算机仿真技术，采用虚拟模型代替实际车辆，在计算机 上完成汽车碰撞问题的分析计算，较碰撞试验，采用计算机仿真计算可在产品早 期设计中及时发现问题，并进行改进设计，费用也相对较少8 1 。 仿真计算采用的方法主要包括多刚体动力学法和有限元法。 多刚体动力学法采用一些刚体和无质量的弹簧、阻尼以及动态铰来描述系统 模型，可以对大位移系统做运动分析，如研究人体和车辆各部分在碰撞过程中的 动态响应和碰撞事故的再现分析等。它具有建模方便且计算速度快的优点，其缺 陷在于不能计算车体和人体各部分自身的变形情况，应用范围受到限制。 武汉理工大学硕士学位论文 有限元法是从2 0 世纪中叶逐步发展和完善起来的先进方法，除了可完成采 用多刚体动力学法进行的计算分析外，还能够计算人体和车辆各部分在碰撞中的 自身的变形、速度和加速度情况以及应力应变分布等，在碰撞仿真计算中的运用 范围比多刚体动力学法要广泛得多，其缺点是计算量较大，计算时间长，受计算 机硬软件条件限制较多。 9 0 年代初，由于计算机水平限制，采用有限元法计算时需要对计算模型进 行大量的简化，以控制计算规模。例如，1 9 9 0 年a r i y o s h jt o m o h i k o ”3 在进行汽 车追尾碰撞进行研究时，采用梁单元建立了车身后半部分的计算模型，模型中将 车身后侧尉、车门等板壳部件沿纵向划分，假设为数根相互平行的梁进行计算。 通过反复试验不同断面形状、不同材料特性的梁结构的变形特性，确定与实际板 壳结构力学特性相似的等效梁的结构形式和具体参数，以保证等效梁结构能准确 地反映车身板壳结构的真实变形。这种采用梁单元的计算模型对计算机资源要求 较低，适用于当时计算机技术水平，但该方法前期试验工作量大，结构的简化必 然影响计算精度，因而实用性差。 随着计算机硬件水平的发展和 计算机数据处理能力的提高，对计 算模型的简化量也大大减少。例如 1 9 9 3 年，p i c k e t tak ”以韩国现 代汽车公司生产的某型轿车为对象 进行汽车碰撞计算机仿真计算时， 采用了由体单元、壳单元和梁单元 等多种单元建立了汽车碰撞有限元 计算模型，单元材料包括了弹塑 性材料并考虑了应力硬化和断裂等 问题，同时也考虑了由于碰撞过程 中的大变形而引起的接触表面的滑 移问题，使模型的真实性得到了很 图1 1 福特公司某轿车碰撞仿真计算 ( 图片来自文献【8 1 ) 大的提高。1 9 9 8 年，福特汽车公司“3 对某型轿车建立了整车计算模型时，已可对 整车所有主要部件均建立了精确几何模型，不做任何简化，如图i - i 所示。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的精确 性。同时，该碰撞模型对车体所有部件均采用细密网格划分，使之可用于整车正 面碰撞，侧面碰撞以及追尾等多种碰撞情况的仿真计算，具有良好的通用性。虽 然模型的计算规模已达到1 2 5 0 0 0 个单元，包括2 5 0 0 0 个实体单元和8 8 0 0 0 个板 壳单元，但计算机硬软件水平的提高完全可以保证计算的顺利完成。从计算结果 3 武汉理工大学硕十学位论文 上看，其仿真计算结果与碰撞试验数据基本一致，可以大大减少实车碰撞试验次 数，具有良好的实用性和经济性。 在计算仿真采用的有限元计算软件方面，目前国外较常用的有限元商业软件 包括有d y n a 3 d ( l s d y n a 3 d 和o a s y s d y n a 3 d ) 、p a m - c r a s h 和m s c d y t r a n 。上述 软件的核心部分都是以美国l a w r e n c e 版本的理论为基础“3 。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 间内对多种方案进行比较，得到较为满意的改进方案。 1 ，3 2 国内研究概况 近年来，随着国内汽车工业的发 展和汽车安全性问题的日益突出，汽 车碰撞安全性问题的研究已得到了 广泛重视。在碰撞试验研究方面，清 华大学、天津技术中心和国家汽车质 量检测中心等国内汽车试验机构已 进行了大量研究，设备比较先进，技 术上比较完善。图i - 2 显示了某国产 车碰撞试验情况。但这种整车碰撞试 验费用昂贵，以我国一般汽车生产企 q k ，特别是客车生产企业现有的经济 图卜2 某国产车实车碰撞试验 ( 图片来自文献f 9 】) 实力，也难以像国外企业那样进行大规模的实车碰撞试验，碰撞试验在车型设计 中的应用受到了限制，而采用有限元法对进行碰撞仿真计算成本低廉，周期短， 行之有效，符合目前国内企业的实际条件。 汽车碰撞计算机仿真研究在国内虽然起步较晚，但也逐步得到了部分汽车大 企业、高等院校和科研院所的重视，并进行了大量研究，取得了一定成果。 1 9 9 4 年，湖南大学钟志华“”对采用有限元法进行汽车耐撞性问题分析的具 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 法的应用、材料本构关系及接触问题的处理等。并通过引入瑞典s a a b 汽车公司 轿车计算模型，对汽车正面撞击一固定刚性壁的过程进行了模拟，但未对建立计 算模型方法正确性和实用性进行深入研究。结果表明，由于结构简化和算法误差 等问题存在，虽然大部分模拟计算数据与试验符合较好，但局部量差别较大。这 是由于当时的碰撞模拟技术在软件和硬件两方面离工程应用的要求还存在一定 差距造成的，但以模拟碰撞逐步取代碰撞试验是汽车碰撞分析手段的必然的趋 4 武汉理工大学硕士学位论文 势。 1 9 9 8 年，吉林工业大学贾宏 波、黄金陵、郭孑l 辉等“2 ”“从某 型国产轿车在改型设计中提出的具 体要求出发，建立了国内第一个用 于碰撞分析的整车车身结构有限元 模型，如图卜3 所示。整车模型共 有3 9 0 0 5 个节点，7 种单元类型， 共4 3 4 2 4 个单元。在s g i 工作站上， 模拟碰撞后9 0 m s 的变形过程共耗 时约2 0 0 个小时。同时根据车身碰 图i 3 菜国产轿车正面碰撞仿真 ( 图片来自文献 1 1 】) 撞性能的评价目标，对车身局部结构进行了改进。通过仿真计算结果与实车碰撞 试验结果的对比验证了计算模型的正确性，最后从实用的角度分析了采用有限元 方法进行汽车碰撞仿真时影响计算结果的各种因素，并提出了为了保证计算精度 在建模时应注意的问题和具体处理方法，该研究对建立大型碰撞分析模型具有重 要的指导价值。 2 0 0 1 年，同济大学汽车工程系王宏雁、高卫民等“”“6 1 利用仿真分析软件 p a m - c r a s h 建立了某轿车整车正面碰撞模型，模拟了白车身的碰撞过程。重点研 究了材料与焊点的模拟、运动机构的简化、时间步长的设定、刚体和自接触的定 义、构件的选取与简化等对仿真计算结果的影响。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，最后计算表明碰撞模拟值与实验值间 的误差较小，证明了碰撞有限元模型的正确性。 2 0 0 3 年，清华大学王青春、范予杰、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计算模型，对其自车身的碰撞吸能特性进行了计算机仿 真计算，该模型采用壳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，整个模型共有1 6 3 4 5 8 壳单元和1 7 4 2 0 5 节点。为了验证模型的下确性， 同时还进行了不同的速度下该车型白车身的正面碰撞试验，获得了的碰撞力时问 曲线和加速度时间曲线。最后对模拟计算结果与碰撞试验数据进行了分析比较， 两者数据结果基本吻合，证明了所采用的建模方法和计算方法的正确性。研究指 出，对在几何建模以及有限元建模过程中，对结构适当简化和删除是可行的，并 阐述和验证了合理有效的单元划分方法。 同年，同济大学汽车学院解跃青、张庆才、雷雨成等“”对某微型客车碰撞计 算机仿真时，采用u g 软件建立了几何建模，应用有限元软件m s c p a t r a n 进行了 网格划分，整车模型共有单元数为1 0 9 8 8 8 个，其中以四边形壳单元为主，三角 5 武汉理j 二大学硕十学位论文 形单元数量为总单元数的5 。模型采用前后两级网格划分方法，前部主要变形 区网格较密集，后部网格尺寸略大一些，这样既可以保证模拟精确度，又节约了 计算时间。在进行碰撞模拟验证时，通过对模拟计算和实际碰撞试验中车身b 柱加速度时间历程曲线的比较，验证了模型的正确性。在结构改进研究中，采用 理论分析、计算机模拟计算相结合的方法进行了车体结构的改进，改进内容包括： 通过减小纵梁局部刚度，并在合理位鼍开诱导口，通过诱导口处产生应力集中使 纵梁产生压溃变形，从而使纵梁以可控方式进行理想的压溃吸能，提高了纵梁吸 能能力，降低碰撞加速度峰值。同时还加强车门框刚度以减小门框变形，保证车 门的可靠开启。改进后整车碰撞时加速度峰值降低了2 7 ，门框变形量减少了 6 t a m ，改进措施卓有成效。 由于整车碰撞时建模工作量巨大，对计算机资源要求较高，因此根据研究目 的、具体要求和实际工作条件，仅对汽车局部结构建立碰撞模型、进行局部结构 的碰撞仿真研究也是一种可行的方法。2 0 0 0 年江苏理工大学汽车学院葛如海和 刘星荣“”3 在汽车前部偏置碰撞特性的研究中，采用a n s y s l s - d y n a 3 d 有限元软 件，仪对某轻型客车车架建立有限元计算模型并进行模拟计算。模型中将发动机 和车桥等总成作为集中质量加在车架纵梁上，该模型用到4 种类型单元，共1 9 4 2 个单元和2 1 2 4 个节点：2 0 0 2 年，东南大学机械工程系张灶法、朱壮瑞、孙庆鸿 ”“采用有限元分析软件l s d y n a 3 d 建立了某轻型客车驾驶室与刚性墙的碰撞模 型，模型中主要选用h u g h e s l i u 、s h e l l l 6 3 、b e a m l 6 1 、 l a s s l 6 6 等4 种单元， 所建立的驾驶室与刚性墙的碰撞模型共包括4 9 4 8 个节点6 1 7 2 个单元，其中刚性 墙定义为个无限扩展的平面。这种只对局部结构计算分析的方法具有工作量 小，建模时间短，计算规模小，计算速度快，简单可行的特点，但忽略了实际碰 撞过程中各部件问的相互影响，模拟效果不如整车模型好。 此外，在对碰撞结果分析评价的研究中，江苏理工大学葛如海和刘星荣。” 通过分析提出了汽车车身对固定障壁正面碰撞安全性的评价指标：加速度均值、 加速度均方根和加速度峰值，并通过实例证明了这三个指标对同一辆车的碰撞安 全性的改进效果具有较好的比较性，该研究成果适合用于指导汽车车身的碰撞安 全性的改进设计。这种评价方法全面，计算处理简单，为车身结构耐撞性的研究 提出了一种新的评价方法。 碰撞仿真软件的方面，湖南大学钟志华教授于2 0 0 4 年6 月开发了我国首套 汽车安全碰撞仿真软件。这套我国自主开发的软件正被移植装入上海超级计算机 中心“神威i 号”巨型计算机上，该软件适用于汽车整车碰撞，其精度已达世界 先进水平，为我国汽车安全性设计提供了现代化手段。 上述研究均是关于轿车等小型乘用车碰撞分析的，对于大中型客车碰撞问题 6 武汉理t 大学硕士学位论文 的模拟计算的研究，2 0 0 4 年沈阳航空工业学院王忠良”结合目前客车设计中被 广泛采用的桁架整体承载式车身的骨架结构特点，阐述了高床客车在正面碰撞、 追尾和侧面碰撞过程中的安全性问题，提出采用先进工艺，使用新材料，改进骨 架结构和借鉴轿车的安全性开发成果等方法，以提高高床客车安全性能，但并未 对客车碰撞问题做模拟计算。 综上所述，就本课题而言目前存在的问题和不足主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 目前汽车碰撞仿真计算的研究主要集中在轿车和其它小型乘用车上，而 对大客车碰撞仿真计算的研究较少； ( 2 ) 目前碰撞仿真计算通常是在大型计算机或计算机工作站上进行的，如何 利用普通3 2 位计算机上在保证计算规模、计算精度和计算时间有效协调的前提 下完成大客车骨架碰撞仿真计算，是需要实际探索的； ( 3 ) 国内客车生产设计水平落后，对客车碰撞安全性评价方面的研究不足， 也无国家相关法规可借鉴，缺乏大客车骨架耐撞性能的评价方法和评价指标； ( 4 ) 目前国内对轿车等小型乘用车的碰撞安全性研究己较成熟，如何利用现 有研究成果，确定客车骨架耐撞性能改进方法和措旄是必要的。 1 ，4 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，其骨架的强度和两h 度硬显大子其它内外饰件，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。因此根据客车骨架结构特点和企业实际要求，本文主要研 究内容为： ( 1 ) 分析客车整体骨架结构形式与结构特点，确定客车骨架耐撞性能分析的 研究方法和技术手段； ( 2 ) 研究客车骨架基本构件的耐撞性能，为整车耐撞性分析提供参考借鉴； ( 3 ) 研究客车整体骨架碰撞有限元计算模型的建模方法，解决计算规模、计 算精度和计算时间的协调问题； ( 4 ) 对企业提供的两辆客车建立整车骨架碰撞有限元计算模型，完成碰撞仿 真计算； ( 5 ) 对两辆客车碰撞仿真结果进行比较和评价，总结客车骨架结构在耐撞性 能上的优点和不足，提出改进方法和改进措施。 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章碰撞计算机仿真中的基本理论与方法 汽车结构在碰撞时的变形一个瞬态的复杂物理过程，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使汽车碰撞过 程的精确描述和求解十分困难。而采用有限元法处理这些非线性问题十分有效。 采用有限元法进行汽车碰撞仿真计算涉及到多物体接触系统动力学以及有 限元离散方法、材料弹塑性理论和接触与摩擦计算处理方法等。对这些基本理论 与方法进行分析有利于总体计算方案的确定、模型的建立和计算参数的设置。 2 1 基本力学模型与有限元求解方程 2 1 1 多物体接触碰撞系统基本概念 汽车碰撞过程是多个零部件的大变形和相互作用的过程，可视为一个多物体 接触碰撞系统。现以图2 l 所示的两个物体的接触系统来说明有关基本概念。 图2 一l 中，用x l x 2 屯表示系统参考坐标系x ，甜表示第，1 个接触物体在 时刻f 的空间域，则o q l 和o q 2 分别 表示第1 个接触物体和第2 个接触 物体在t - 0 时的空间域；7 q 1 和 7 q 2 分别表示它们在t t 时的空 瞄域。 实际上，接触物体所占用空间 域掣除了该接触物体自身的空间 域科外，还应包括一部分边界域 r ，满足： q ”- q “u r 根据给定条件的不同，可将每 个接触体的边界r 分为给定边界 图2 - 1 二物体接触系统示意图 位移的边界域聪、给定表面力的边界域e 和发生接触的边界域聪三部分，它 们满足： p 一聪u r ；u r ： 研究碰撞接触问题实质上就是研究给定的接触物体系统从某一参考时刻 武汉理工大学硕士学位论文 t = 0 到某一给定时刻f = r ( z ，0 ) 时域内的响应，即在给定表面力边界域o f ，上 边界力石和接触物体空间域。q 上体积力扫条件下，求解时域 o ，7 1 内接触物体的 位移场u ( x ，t ) 。 2 1 。2 基本方程 ( 1 ) 运动方程 根据动力学基本原理，接触物体上任一点的运动学方程可以表示为“： 裂也；讹( f 川，2 ，3 ) 1 ) 式中，魄为体积力分量，口，为加速度分量，p 为物体的密度，盯，为柯希应力 分量，x 为坐标分量。 ( 2 ) 本构方程 对于弹性问题的计算，由于应力和应变的本构关系为线性关系，可采用广义 虎克定律描述，即： s；ce(2-2) s t 7 0 t t 吒z 0 3 s 玛- 】 e 一卜l 屹e 3 3 9 1 2 s 2 3 岛1 1 。 式中，s 为应力向量，e 为应变向量，c 为材料系数矩阵。 对于弹塑性问题的计算，本构关系方程与式( 2 4 ) 形式上是一致的，只是其 系数矩阵c 包含了应力分量，是随着应力值变化而变化的“。 ( 3 ) 初始条件 接触系统的初始位移u ( x ，0 ) 和初始速度v ( x ，0 ) 分别为： “( x ，0 1 - h x o q( 2 - 3 ) v ( x ，0 ) 。v x o q( 2 - 4 ) 式中，“为初始位移，v 为初始速度。 ( 4 ) 边界条件 边界条件包括边界接触点位雹关系和载荷关系。假设两物体接触时的接触点 分别为。p 1 和p 2 ，在接触点上定义法向单位矢量n 1 ，切向单位矢量n ：和n ， 它们互相垂直。 当物体未接触时，物体l 与物体2 在边界域r 。上的边界位移1 1 1 1 和u 2 应等 于位移边界条件- 1 和孑，边界域t f ，上的边界载荷r t t - 和 t 1 2 应等于已知边界力 。i 1 和7 五2 ，e , p ： 武汉理工大学硕士学位论文 u - i l l q 1 ；q 一1 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 当物体间接触时，由于接触力和摩擦力的存在，其边界位移和边界载荷是未 知的，但需清足以下约束条件： a 两接触点间法向接触力只能是压力，即： q 1 0 ( 2 - 7 ) b 切向摩擦力吼与法向接触力吼间必须满足库仑定律： 咖陋) 2 + t q 32 卜 8 ) 式巾q ：和吼为切向摩擦力分量，为摩擦系数。 c 当摩擦力吼小于，吼时，两物体接触点间处于纯粘附状态，不存在相对 切向滑移，此时相对速度v 满足： v 。v 一v 2 ；0 ( 2 - 9 ) 式中，v 1 和v 2 分别为物体l 和物体2 接触点处速度。 d 当摩擦力吼达到极值，吼时，两物体接触点之间处于滑动状态，此时切 向滑动速度为： q 。一i 志酊 ( 2 1 0 ) ( 1 + ) ( 1 2 ) 引 式中，e 为材料弹性模量，为材料泊松比。 e 两物体接触时不应出现穿透现象，即： ( v 1 一v 2 ) 。n ；s0 ( 2 一1 1 ) 有了基本方程，即可应用虚功原理得到有限元求解方程。 2 1 3 虚功原理求解 设接触系统中t 时刻的虚位移场为6 “， 应变上做的虚功6 服为： 6 。j ：。甜耐q 给定外力虚位移上做的虚功6 为： 对应的虚应变为如，则应力场在虚 ( 2 一1 2 ) 6 - f 。6 j 帆d q4 ，i 弧d b ( 2 一1 3 ) 接触力在虚位移上做的虚功6 h 名为： 武汉理工大学硕士学位论文 6 。j = 畦q j 6 u 一1s + ：4 僦2 心 ( 2 一1 4 ) 2 ：，；g f ( 6 m 2 6 “1 ) n i 2 d s 惯性力在虚位移上做的虚功6 哪为： 6 20 q p 。6 “。d q 。0 。p a i 6 u f l 2 ( 21 5 ) 根据虚功原理可知，应力在虚应变上虚功应等于各外力在虚位移上的虚功之 和，因此由式( 2 1 2 ) ( 2 1 5 ) 可得： f o 甜积q j ：。哇姐d q 西，吼6 u f l s 叮，；q f ( 6 “2 6 u i ) ? d s + 山。p a i c s u i d q ( 2 - 1 6 ) 0 该方程即为有限元方法求解接触问题的基础。 2 1 4 有限元法离散 假设接触体系在r 。，乞，时刻的状态都是己知，现在求+ 。时刻的解。为 方便讨论，将f 。记作f ，将f 。记作f ，由于r 时刻系统位移是已知的，则q 和7 r ； 也是已知的。应用有限元法对积分域。q 和r ，2 对进行离散，并通过插值可得应 变矢量。e 、位移矢量7 u 和加速度矢量。a 分别为： e b u7 u t q u a z q a ( 2 1 7 ) 式中，b 为应变矩阵，q 为位移插值矩阵，u 和a 分别为位移矢量和加速度矢 量。 设虚位移为d u ，将式( 2 一1 7 代入式( 2 1 6 ) 可得 ( e u ) 7 ( 。f 一。e 一7 e + 7f i ) = 0 ( 2 1 8 ) 其中7 f 为内力矢量，f t 为外力矢量，7 e 为接触力矢量，7 f i 为惯性力矢量，其 具体表达式分别为： 。f 。f b “o d 9 j 。o 7 e f 。q “b d t 2 + y r , q ”q d s 。f c 。，r q ：7 q 。d s 。e - 。q ”p 铆q ) a m a 式中，m 为质量矩阵。 武汉理工大。1 - 硕士学侥论文 由于6 u 是任意的，所以式( 2 1 8 ) 可以写成： m a ；7 e + 1 e 一。f 这即为离散方式表示的碰撞接触问题求解方程。 2 2 弹塑性材料简化力学模型 汽车结构在碰撞时的塑性变形是汽车碰撞吸能的主要形式，因此选择合理的 弹塑性力学模型，使之能正确地反映材料的 应力应变关系是十分重要的。常用会属在单 向拉伸试验中的应力一应变关系如图2 - 2 所 示。当材料所受应力低于弹性极限以是材料 的变形认为是弹性的；当材料所受应力超过 弹性极限盯时，材料产生塑性永久变形。该 应力一应变曲线虽然可以真实反映材料的 非线性特性，但在仿真计算中为了方便计 算，通常采用相对简单的数学模型近似描述 真实的应力应变关系。 ( 1 ) 理想弹塑性力学模型 。 应变 图2 2 典型弹塑性材料的 应力应变关系曲线 理想弹塑性力学模型是最简单力学模型，其应力应变关系图如图2 - 3 所示。 图2 - 3 理想弹塑性力学模型 图中线段o a 表示材料处于弹性阶段，线段 表示a b 材料处于塑性阶段。在弹性变形 阶段时，其应力与应变关系是线性的，当 应力值达到材料的屈服极限盯。后，材料开 始进入塑性变形状态，其应力可由式( 2 1 9 ) 求出： r仃- e e i 盯：e q ；q 8s 8 s ( 2 - 1 9 t se s 这种力学模型计算参数只包括材料常数e 和屈服极限口，故计算处理十分简 单。但这种模型没有考虑材料的强化性质，对材料在塑性阶段变形描述过于简化， 适用与韧性材料的计算。 ( 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2 4 所示。它与理想弹塑性力学模型不同之处在 一一 茎坚堡兰茎兰堡主堂垡笙茎 于表示塑性变形阶段应力应变关系线段彳口 与g 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，较理想弹塑性力学模 型真实，其解析表达式为： 盯；e s ， d ；吒+ e l ( 一) s ( 2 - 2 0 ) 式中，和e 。分别为材料的弹性模量和切向 模量。圈2 4 线性强化弹塑性力学模型 这种力学模型既考虑了弹性阶段应力随应变变化关系，也考虑了塑性阶段时 应力随应变变化关系，对一般材料计算时的计算精度是足够的。但也应注意到， 这种模型和理想弹塑性模型虽然相差不大，但具体计算时却要复杂得多。 ( 3 ) 刚塑性力学模型 在许多工程实际工程中，弹性应变比塑性应变要小得多，因而可以忽略弹性 应变，即刚塑性力学模型。在这种模型中，应力未达到屈服极限仉之前的应变 为零。若不考虑强化性质，力学模型如图2 5 ( a ) 所示；若考虑强化性质，力学 模型如图2 5 ( b ) 所示。 d l 应力o l b l 【，。+ 。一 ( b ) 应变f 图2 - 5 阿塑性力学模型 采用刚塑性模型的数学表达式简单，避免了前两种力学模型中对应变s 与屈 服应变s ：的判断，简化了数学计算。 以上提出的三种计算模型是弹塑性力学计算最常用的力学模型，它们具有各 自的优缺点，计算时应根据实际需要确定合理的计算力学模型。 2 3 接触界面的处理方法 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，以保证仿真结果的正确性和精度。这就需要从理论上解决接触界 l3 武汉理工大学硕士学位论文 面的搜寻问题和确定接触界面上接触摩擦力大小和方向问题。 2 3 1 接触界面的搜寻方法 碰撞接触总是发生在物体的连续边界上，有限法将物体所占空间用有限个单 元离散，因此接触界面的搜 寻问题就是要确定这些离散 的接触单元和接触点在给定 时刻的接触关系。 主从面法是采用得最多 的一种处理方法，在这种接 触界面搜寻方法中，首先要 主接触面 图2 - 6 主从面法接触面的定义 定义两个接触面，即主接触面和从接触面，如图2 - 6 所示。在接触搜寻过程中， 从接触面的接触节点与主接触面上所有的接触块逐一进行相对位置比较，以确定 图2 7 接触块接触域的定义 该从接触节点是否与主接触面发生 接触。 当一个从接触节点与一个主接 触块之间的距离为零时，那么该接 触点可视为与该接触块已经发生接 触，以图2 - 7 所示的4 节点接触块 为例，设4 个接触节点处的单位法 向矢量分别为w l 、w 2 、w 3 和w 4 ， 单位切向矢量分别为v 1 、v 2 、v 3 和 v 4 ，则接触块四边的边界法向矢量为： 蜓= w i = 1 , 2 ，3 ，4 接触块的平均法向矢量睨为： 睨一蠢w 胞w i 接触点x 与接触块的距离d 可定义为： d - 0 一) 彬 式中，x o 为接触块几何中心的位置矢量。 当如下条件满足时，则可视为一个接触点与个接触块接触 d ps d 墨d c 武汉理工大学硕士学位论文 ( x 一并) ；s 0 式中 d ( 为控制参数，p 。0 ，d e 为最大允许穿透量，p ，s 0 ，z 为第f 接触 节点的位置矢量。 基于上述论述，接触块的接触域砟可定义为： 乏； z