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轻型货车及前保险杠碰撞安全仿真 摘要 随着汽车保有量的增长，交通事故已经成为世界性的一大社会问题，每年全 世界因交通事故而造成的人身伤亡与财产损失是不可估量的。目前就国内的情况 来说，事故率高、事故伤害大而又在碰撞安全方面投入研究极少的车型是各种载 货汽车，特别是轻型载货汽车。而轻型货车以自身的优点，占据了货车市场中不 小的份额，用户十分广泛，所以货车的安全问题已经引起社会各方面的共同关注， 包括国家，生产厂商与消费者在内。 本文针对平头轻型货车在我国价格低廉、应用广泛、事故率高、事故伤害大 的特点，利用h y p e r m e s h 和l s d y n a 有限元分析工具，按照欧洲共同体法规 e c e r2 9 进行了摆锤正面碰撞仿真分析，对仿真结果从各总成变形、吸能情况以 及乘员生存空间角度进行了较为详细的分析讨论，提出了提高汽车结构耐碰撞性 能的设计改进措施。 本文按照我国汽车前、后端保护装置评价标准g b1 7 3 5 4 - - - 1 9 9 8 对某型货车 前保险杠进行了摆锤撞击仿真，通过对吸能情况、加速度时间历程曲线进行分析 研究，并进行多方案比较分析，对该型保险杠碰撞性能的提高提出了改进建议。 关键字：轻型卡车驾驶室碰撞安全性虚拟仿真 s i m u l a t i o no fs e c u r i t yo nal i g h tt r u c ka n db u m p e r a b s t r a c t w i mt h ei n c r e a s i n go fa u t o s t r a f f i ca c c i d e n th a sb e c a m eaw o r l d - w i d es o c i a l p r o b l e m t h e r ea r el o t so fp e o p l e s l i v e sa n dag r e a ta m o u n to fw e a l t hl o s tm a d eb y t r a f f i ca c c i d e n ti nt h ew o r l d a c c o r d i n gt od o m e s t i cs i t u a t i o n ，w ec a nf i n dt h a tt h e t r u c k ，e s p e c i a l l yt h el i g h t d u t yt r u c kh a sah i g h e ra c c i d e n tr a t ea n dd a m a g e ，b u tt h e r e i sl i t t l er e s e a r c ho nc r a s h w o r t h i n e s so ft h et r u c k t h el i g h t d u t yt r u c k sh a v et h e i ro w n a d v a n t a g e s ，s ot h e ya r ew i d e l yu s e db yc o n s u m e r s t h u st h es e c u r i t yo ft h et r u c k s h o u l dh a v eb r o u g h tt h ea t t e n t i o nf r o me v e r yd i r e c t i o ni n c l u d i n gt h ec o u n t r y , m a n u f a c t u r e r sa n dt h ec o n s u m e r s ，e t c a l t h o u g ht h ef l a t - f a c el i g h tt r u c ki sc h e a pa n dw i d e l yu s e d ，t h eh i g ha c c i d e n tr a t e a n ds e r i o u sd a m a g ei st h eb o t t l e n e c ko fi t sd e v e l o p m e n t t h i sp a p e rm a k e su s eo f h y p e r m e s ha n dl s - d y n af i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st o o lt o c o n d u c tas i m u l a t i o n a n a l y s i so ff r o n t a li m p a c tp e n d u l u mi na c c o r d a n c e w i t he u r o p e a nc o m m u n i t y r e g u l a t i o n se c e r2 9 ，a n a l y s e st h ea s s e m b l yd e f o r m a t i o n ，e n e r g ya b s o r p t i o na sw e l l a so c c u p a n ts u r v i v a l s p a c ea n dp u t s f o r w a r dt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f a u t o m o b i l ec o l l i s i o n - r e s i s t a n td e s i g no fs t r u c t u r a li m p r o v e m e n t s a c c o r d i n gt ot h er e g u l a t i o no fg b17 3 5 4 - - 19 9 8 ，w ea c c o m p l i s h e dt h ep r o c e s so f s i m u l a t i o nf o rt h ec r a s hb e t w e e np e n d u l u ma n db u m p e r , a f t e rc a r e f u l l ya n a l y z i n gt h e b u m p e r sa b s o r b i n ge n e r g ya n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，s u g g e s t i o n sa leg i v e nt o i m p r o v et h ec r a s h w o r t h i n e s so ft h eb u m p e r t h i sp a p e rc o n d u c t sas i m u l a t i o n a n a l y s i so ff r o n t a lp e n d u l u mi m p a c t i n a c c o r d a n c ew i t hg b17 35 4 19 9 8 k e y w o r d s ：l i g h tt r u c k ，c a b ，c r a s hs a f e t y ，s i m u l a t i o n 插图清单 图1 1 1 9 9 8 2 0 0 5 年全国道路交通事故统计1 图1 2 东风汽车公司的正面碰撞设备。9 图1 3e c er 2 9 驾驶室正面撞击试验9 图1 4 南京依维柯欧霸碰撞试验1 0 图2 1f m v s s 系列安全法规实施前后的统计1 4 图3 1 碰撞计算过程示意图。2 2 图3 2h y p w e m e s h 软件用户界面2 3 图3 - 3h y p w e m e s h 支持的c a d 系统和文件2 4 图3 4h y p e r m e s h 支持的求解器2 4 图3 5 关键字组织关系图2 6 图4 1 各总成有限元模型。2 9 图4 2 整车碰撞能量3l 图4 3 整体碰撞变形图3 3 图4 4 碰撞前后前围部分变形图3 3 图4 5 前围x 向位移云图3 4 图4 6 纵梁碰撞前后变形图：3 4 图4 7 地板纵梁吸能3 5 图4 8 车门碰撞变形3 5 图4 9 最大变形时刻转向机构变形图3 6 图4 1 0 乘员生存空间特征尺寸示意图3 7 图4 1 1 碰撞前生存空间特征尺寸3 8 图4 1 2 碰撞后生存空间特征尺寸3 8 图5 1 保险杠的结构形式4 1 图5 2 连接示意图4 1 图5 3 保险杠碰撞有限元模型4 3 图5 4 摆锤有限元模型4 3 图5 5 碰撞模型吸收内能4 4 图5 6 不同壁厚保险杠吸收内能4 4 表格清单 表1 1 奔驰汽车公司某车型碰撞模型规模数据5 表2 1 各国汽车正面碰撞法规试验方法及评价标准1 8 表2 2 中( 欧) 美汽车侧面碰撞试验要求对比2 0 表4 1 线塑性材料参数2 9 表4 2 刚性材料参数3 0 表4 3 碰撞能量要求3 0 表4 4 车内乘员生存空间特征尺寸仿真结果3 7 表4 55 0 百分位男性假人模型关键尺寸参数3 8 表5 1 各方案评价指标对比4 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。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，也不包含为获得 佥g 曼王些盔堂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已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：弘五 签字日期：7 0 牟4 目乃润 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴兰些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权地 ，王业太堂可以将学位论文的全部或部分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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：如7 弓长乙 争4 成功日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 乏车 签字嗍：m o i 忆2 1 电话： 邮编： 致谢 研究生学习即将结束，在论文完成之际，我谨向所有曾支持与帮助过 我的老师、同学和朋友致以深深的谢意! 首先，我最衷心地感谢我的导师钱立军教授，钱老师严谨的治学态度、 活跃的学术思想、丰富的实践经验以及对知识不倦的追求精神不仅让我在 学业上跃上了一个新的台阶，更让我懂得了人生的许多道理，让我受益终 生。从论文的选题到论文的整理、从论文详细审稿到最后定稿无不倾注了 钱老师的辛勤汗水。今借此机会对钱老师及其家人表示最诚挚的谢意和祝 福! 同时，还要特别感谢我所实习的汽车设计公司。本人在公司一年的实 习时间里，得到公司吴阳年老师和车身部的领导及员工的巨大帮助，他们 在我的工作、学习和生活上给了我无微不至的关照，使得我愉快而充实地 度过了一年半的实习生活。 此外，还要感谢实验室肖梦、傅春宏、章适、邹杰和王臣涛等同学， 他们也对我的研究工作提出了很好的建议和意见。 最后，还要感谢我的父母和亲人，有了他们的鼓励和支持我才能够安 心的完成学业，他们是我前进的精神动力。 作者：张立 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 、汽车碰撞被动安全性研究现状 汽车从诞生至今，在给人类带来很多方便快捷的同时，引起了大量的 交通事故，给人们的生命和财产带来极大的威胁和损害( 图1 1 ) 【l 】。我国于 在2 0 0 1 年1 2 月3 曰发布的第一批实施强制性产品认证产品目录中， 明确将汽车碰撞试验列入对汽车的检测之中。而在1 9 9 9 年1 0 月2 8 日， 原国家机械工业局颁布的关于正面碰撞乘员保护的设计规则，更是将 汽车的正面碰撞后有关乘员伤害、燃油泄漏、安全带系统等做了详细的要 求，这促使在国内生产或销售的汽车厂商纷纷提高在汽车碰撞安全性方面 的投资。 1 9 9 8 - - 2 0 0 5 年全国道路交通事故统计 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 o 年份 i 十事故次数( 万次) 一死亡人数( 万人) l l + 受伤人数( 万人)十直接经济损失( 亿元) i 图1 11 9 9 8 - 2 0 0 5 年全国道路交通事故统计 随着各国将汽车作为自己的支柱产业来扶持，使汽车的安全问题成为 汽车工程领域的一大热点问题，也对汽车的安全性能提出了更高的要求， 因为消费者越来越理性，对汽车的安全问题也越来越看重，这就给各汽车 公司及研究机构提出了一个难题。汽车安全性问题主要包括主动安全性和 被动安全性两大类。主动安全性主要指如刹车、喇叭的能主动避免发生意 外事故的能力；而被动安全性则是指汽车的主动安全性失效发生意外事故 后如何有效保护乘员的能力。一个是事前预防，另一个则是事后防御。但 由于汽车是工具，最终需要人去操作，所以事故在所难免，所以事后防御 即被动安全性更重要。 在汽车发展的初期，由于车辆相对较少，车速也比较低，汽车碰撞安 全性问题未能引起人们的足够重视。随着汽车工业的发展，轿车的流水线 大规模生产和车辆飞入寻常百姓家以及汽车行驶速度的不断提高，使得碰 撞安全性问题日益突出。随着我国道汽车保有量的不断增加和车速的逐渐 提高，交通事故总量和所造成的人员伤亡与财产损失呈逐年上升趋势， 2 0 0 5 年，全国共发生道路交通事故4 5 0 2 5 4 起，造成9 1 0 6 2 人死亡，分别 占总数的9 2 7 和9 2 2 ，其中汽车碰撞交通事故所造成的伤亡人数约占 7 0 。并且每年万车死亡人数已达到发达国家的l o 倍以上【2 】。因此，对于 如何提高汽车在碰撞过程中的被动安全性能，最大限度地避免或减轻乘员 在汽车碰撞中的伤亡将成为我国汽车被动安全性研究的重要课题。 汽车碰撞安全技术涉及到的问题非常多，其核心是努力做到“车毁人 不亡 或“车伤人不亡”，要在汽车碰撞事故中最大限度地保护乘员。汽 车碰撞是一个复杂的瞬间非线性力学过程，而汽车本身是一个十分复杂的 机械电子系统，要优化设计汽车，使它在碰撞事故中做到有效地保护乘员 并非一件易事。但经过多年来国内外科学家和工程师的艰苦努力和不断摸 索，积累了从经验法到实验法、从解析法到计算机仿真法的一系列碰撞安 全性设计方法，并发明了一系列汽车碰撞缓冲吸能的结构和装置，在汽车 碰撞事故中能做到有效地保护乘员。国内大量统计数据也表明，采用现代 碰撞安全性措施挽救了大量人员的生命，减轻了许多驾乘人员的受伤程 度，其社会效益和经济效益是巨大的，目前，国内外几乎所有的汽车生产 厂商都开展了计算机仿真研究。 美国早在2 0 世纪7 0 年代就开展了汽车被动安全性分析研究。1 9 7 0 年， 美国运输部就着手准备实验安全车计划。实验安全车计划实施表明了汽车 安全技术研究的新时代的到来。实验安全车计划简称e s v 计划要求开发重 量达到1 8 0 0 k g 级的试验样车以8 0 k m h 的速度进行正面碰撞时仍具有良好 的安全性能。目的是为了掌握通过改进造型设计来减少伤亡和经济损失的 一般规律；弄清汽车在碰撞时增加乘员生存的可能性；将安全试验车试验 研究所得到的技术资料再用于改进已有的安全法规或制订新的安全标准； 促进世界汽车工业界安全研究的水平。与此同时，日本与欧洲对 9 0 0 l3 6 0 k g 级的实验安全车进行了开发工作。19 7 0 年11 月日本和美国签 署了“开发实验安全车备忘录”。在日本汽车工业协会中设立了e s v 分会， 制订了符合日本道路交通实际情况的e s v 规范。丰田、本田和日产等公司 参加了这项工作。在欧洲，德国、英国、法国和意大利等政府也与美国交 通部签订了推进实验安全车协议。 随着流水线生产时代的到来，汽车保有量节节攀升，交通事故也连年 刷新着数据，每年因为交通事故伤亡的人数居高不下，于是人们对汽车被 动安全性提出了更高的要求。早期的对汽车被动安全性的造型设计主要凭 的是工程师的经验和实车试验的方法来完成，最后又通过交通事故的结果 2 为依据来反馈汽车设计是否能够改善车辆的被动安全性。这个过程从哲学 上来说是从实践到理论，再从理论到实践的认识世界改造世界的过程，尽 管有效但周期太长，远远跟不上汽车产业更新换代的脚步。 在早期阶段，实车试验是被动安全性研究的一个强有力的“帮手”， 但实车试验是一种实物试验，从准备试验车辆到试验结束的周期十分漫 长，并且每次试验结束不可重复，因为实车试验是破坏性很大的试验，一 般试验结束车辆都要报废，加上试验所需要的设备装置、场地费用以及试 验人员的劳务费等，实车试验的费用是相当昂贵的，而且不能解决设计人 员所希望解决的全部问题，如真实的吸能分布等问题。于是研究人员开始 寻找一种方法，这种方法不但能局部或全部替代实车碰撞试验，而且和实 车试验的结果要十分接近。汽车被动安全虚拟仿真技术在这个时候应运而 生。计算机技术与现代计算力学的发展也为汽车被动安全虚拟仿真技术提 供了理论和现实基础。汽车被动安全虚拟仿真技术已经成为各大汽车厂商 和研究机构十分重视和关注的一种高新技术。 车身结构的耐撞性研究通常采用计算机仿真和实车碰撞相结合的方 法，即在最初设计阶段，对所建立的车身数学模型采用有限元方法进行计 算机仿真，对其耐撞性结构不断地优化、仿真再优化，直到耐撞性结构符 合碰撞法规的要求，最后阶段进行实车碰撞试验，这样可以减少实车碰撞 试验的次数，因为实车碰撞是一种“试错”试验，需要花费大量的金钱与 时间。现在随着各种算法的成熟，如壳单元和接触算法；对于薄壁钢结构 在高速碰撞条件下损伤、断裂等新的本构关系的认识；点焊、铆接和螺栓 等各种连接方式的数值模型的建立，使汽车碰撞的虚拟仿真技术有了很大 的发展，进入一个崭新的阶段1 3 。碰撞模型己基本可以与产品原型保持一 致，而且计算时间大大缩小，可以保持在数小时或数天之内。碰撞仿真的 过程与实车碰撞过程几乎一致。 1 1 1 、国外的概况 国外汽车被动安全性虚拟研究技术早在2 0 世纪6 0 年代末期就已经开 展起来了，但当时计算机硬件水平很低，运算能力不足，一辆车仅仅能够 包含几十个节点，单元类型也局限于梁单元，所以当时的被动安全性模拟 的作用主要是用来对实车碰撞实验的预测。到2 0 世纪8 0 年代计算机硬件 水平越来越高，出现了如c r a y 等巨型机，在理论上，也出现了显式积分理 论，同时薄壳单元理论也成熟了。这时候人们开始着手研究对整车的耐撞 性有限元分析，汽车单元数量也由6 0 年代的几十个发展到几千个。随后 的二三十年间，出现了各种用于汽车碰撞的商业化软件，如d y n a 3 d 、 p a m c r a s h 、m s c d y t r a n 和m a d y m o 等软件p j 。计算机硬件水平也 更先进，甚至出现了并行技术，这使得运算时间大大减少，到9 0 年代甚 至出现了个人计算机进行碰撞仿真分析的情况。这样使得在做仿真研究 时，研究人员可以把单元数量扩大到几万个甚至几十万个，使得汽车碰撞 模拟结果越来越接近于实车试验的结果。在汽车发达国家汽车被动安全性 模拟研究已经达到相当成熟的地步，已经部分取代实验室的工作。 如前所述，欧美国家早在2 0 世纪6 0 年代开始了计算机模拟汽车被动 安全性的虚拟仿真研究。随着计算机硬件水平的提升和非线性有限元理论 的日趋成熟，汽车被动安全性的虚拟仿真技术随着时间的推移正在逐步取 代与改进实车试验工作1 4 儿5 ，给整个汽车被动安全性虚拟仿真技术带来了 十分深远的影响。 随后的10 多年时间里，美国开发出显式有限元理论，显式积分、壳 单元和各种接触算法等也已开始成熟。到8 0 年代中期，美国的科研人员 首次用有限元法进行汽车整车的被动安全性虚拟仿真，自此，利用有限元 法在计算机上对汽车的被动安全性进行虚拟仿真分析应用越来越多，美国 三大汽车公司如通用( g e ) 、福特( f o r d ) 和克莱斯勒公司( k r e i s l e r ) 等、 日本的日产( n i s s a n ) 、丰田( t o y o t a ) ，西欧和韩国等国家的汽车公司都 十分重视被动安全性虚拟仿真，并有专门的分析人员配备硬件最先进的计 算机设备从事汽车被动安全性的有限元分析，现在国内许多自主品牌汽车 公司如奇瑞、吉利、比亚迪等也开展了自己的碰撞模拟仿真，虽然起步比 国外晚，但站在了比较高的起点，所以在被动安全仿真方面发展的也很好。 在利用有限元法分析汽车的被动安全性的初期即上世纪8 0 年代至9 0 年代初这10 多年的时间里，受制于很多条件如计算机硬件水平较低、分 析软件不够成熟等，建立的汽车被动安全分析的有限元模型相对简单，质 量精度较为粗糙，多数分析都仅限于单个零部件，分析模型的规模不大， 一般单元的数目在一万个左右，正是由于这些原因，导致分析的结果的正 确性很难保证，和试验的结果不够吻合。如利用梁单元模型进行汽车尾碰 撞分析【6 】；建立1 8 0 0 0 个单元的整车有限元模型，对轿车进行碰撞模拟仿 真分析等7 1 。 到9 0 年代中后期，计算机技术开始飞速发展，出现了超级计算机， c r a y 公司就推出了自己的超级计算机，这使得被动安全虚拟仿真在汽车 工业方面的应用彻底成为可能【8 l 【9 】【3 9 1 。在c r a y 公司的超级计算机应用 r a d i o s s c r a s h 软件对福特汽车公司的某款乘用车分别在正面全宽碰 撞、正面5 0 偏置壁障碰撞、侧面碰撞及车身项盖抗压等计算机虚拟仿真， 分析所用的模型达到了6 0 0 0 0 个单元的规模，仿真的结果与试验的结果对 比发现已经十分接近。同时期，欧美研究人员推出了诸如：l s d y n a 3 d ， p a m c r a s h ，m a d y m o ，r o d i o s s 等成熟的用于汽车被动安全虚拟仿 4 真的商业化软件。所有这些，构成了推动汽车被动安全虚拟仿真分析技术 迅速发展的重要技术基础。 表1 。1 为奔驰汽车公司某车型碰撞模型规模数据。可见，随着超级计 算机和用于汽车碰撞模拟分析的商业化软件的迅速发展，汽车结构碰撞分 析模型的建立也更为详细、复杂；除车身外，还主要包括了减震器、散热 器、风扇、发动机、变速器、蓄电池、a b s 总成、空气滤清器、悬架系统 及车轮等；分析模型也从几十个发展到几十万个单元、甚至上百万个单元 规模。模拟碰撞的条件也由单一的正面碰撞扩展到侧面碰撞、追尾碰撞、 后碰撞、碰撞材料特性模拟等各种工况【1 0 】【1 1 】【1 2 】【1 引。 表1 1 奔驰汽车公司某车型碰撞模型规模数据 时间( 年)模型规模( 单元数目)c p u 时间( h ) 计算机器( c r a y ) 19 8 88 1 0 0 0 05 10x m p 19 9 0 15 2 0 0 0 0 1 0 2 0y m p l9 9 23 0 4 0 0 0 02 0 3 0y m p 1 9 9 46 0 8 0 0 0 03 0 4 0 c 9 0 19 9 81 6 0 1 8 0 0 06 0 8 0 t 9 0 2 0 0 04 0 0 5 0 0 0 01 2 0 1 6 0s x 4 5 在汽车结构方面有关被动安全性研究发展的同时，在其他相关方面如 安全气囊的模拟和人体特征动力学响应特性的模拟( 假人模型) 以及行人保 护等方面，欧美的各大汽车公司、研究机构开展了很多研究工作，并取得 了一定成果，如在安全气囊系统的设计和开发的早期阶段，利用壳单元建 立较为完善的气囊模型，以协助气囊系统的设计【1 4 】；而采用面一面接触算 法模拟乘员与展开的气囊之间的碰撞接触关系，可以得到较精确的接触力 【1 5 】；另外，通过扫描人体部位建立了由6 5 4 个壳单元、5 4 0 个块体单元、 2 9 个弹簧单元及1 1 个刚体单元组成的刚体( 或弹性体) 假人模型，可以模拟 在碰撞过程中乘员的响应【1 6 l 【1 7 】【18 1 。并研究出了一整套评估碰撞过程中， 假人头部质心的加速度，胸部损伤值等，可以更好的研究整个碰撞过程对 驾乘人员的损伤程度i i 引。 进入2 1 世纪以来，国外在汽车被动安全性虚拟仿真方面的研究已具 备了相当扎实的基础，欧美等国由早期的大量实车试验到后期的计算机模 拟的过程，并在这个过程中，将两者很好的结合起来；同时，计算机硬件 技术的快速发展，使汽车被动安全性虚拟仿真分析的有限元模型的规模达 到了5 0 0 0 0 0 个单元，甚至上百万个单元规模。下一步，计算机碰撞模拟 仿真技术正朝着进一步提高分析精度、模拟实车道路行驶、结合路面条件 的碰撞模拟分析、将结构优化分析与碰撞模拟相结合的方向发展【1 8 】。 1 1 2 、国内的概况 虽然国内对汽车被动安全性虚拟仿真技术的研究起步比国外晚，但可 以说是站在巨人的肩膀上，所以起点比较高。从8 0 年代末开始，诸如 l s 。d y n a 3 d ，p a m c r a s h 等碰撞模拟软件也陆续被引进，1 9 8 8 年吉林 工业大学和西安公路交通大学分别开展了基于道路交通事故的计算机模 拟研究，建立了“刚体+ 弹塑性弹簧”和“刚体+ 弹簧阻尼”的数学模型， 应用于道路交通事故的分析。1 9 9 0 年清华大学的黄世霖、王春雨等人应用 d y n a 3 d 软件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 提出了一些改进措施。1 9 9 1 年中国第一座实车碰撞实验台在清华大学建 成，开始了汽车被动安全性的实车实验研究的时代。1 9 9 2 年湖南大学宗子 安教授将d y n a 3 d 软件引进我国，并利用该软件进行了假人碰撞的虚拟 仿真分析研究，该校的钟志华教授也利用该软件中的接触算法对汽车碰撞 中驾驶员与安全带的相互作用做了分析，他还独创性提出了用“防御点法” 来计算碰撞过程中部件本身及部件与部件之间接触界面接触力的计算方 法。在多刚体动力学的应用方面，1 9 9 7 年吉林工业大学郭九大、林逸等人 从荷兰引进了多刚体动力学分析软件m a d y m o ，并利用该软件建立了用 于模拟汽车碰撞过程中的乘员运动学、动力学响应的三维乘员多系统人体 模型，用于模拟碰撞过程中的人体受伤害指标，并取得了显著成果。1 9 9 8 年1 0 月长春汽车研究所贾宏波等人首次完成了“红旗 牌轿车车身正碰 的虚拟计算机仿真计算，此后北京理工大学、同济大学、湖南大学陆续开 展了轿车车身或整车的碰撞模拟仿真工作。到目前为止，虽然我国也已经 建立了几个如湖北襄樊的整车碰撞实验场，但试验的设备都还比较落后。 而且在被动安全性虚拟仿真研究方面，由于起步较晚，积累的经验少，在 模型的建立、参数的设置方面有待于进一步深入，需要进一步提高碰撞结 果的实用性和准确性l l9 1 。 1 2 、汽车被动安全性研究的意义 随着汽车速度的提高，汽车保有量的增加，交通事故频发，汽车的被 动安全性问题己成为近几年来各国汽车工业的主要研究问题和攻关方向， 目前世界各主要汽车生产国都制定了严格的碰撞安全法规，要求上市销售 车型都必须满足本国的标准，出口车型则必须满足所出口国的法规要求。 在早期的汽车被动安全技术研究中，实车碰撞试验是其中的主要方法，但 做实车碰撞试验要等样车生产出来以后才能进行，不利于在设计初期发现 并纠正问题，实车碰撞试验大大延缓了新车的上市时间，并且这样的碰撞 试验是具有破坏性的，在一定程度上也加大了汽车的研发费用。就实车碰 撞结果而言也容易受到其它外部因素的影响，结果的可信度受到一定的影 6 响。随着计算机技术的发展和计算方法的日益完善，车辆碰撞的问题逐渐 可以通过计算机模拟仿真来解决，仿真技术的日益完善可以逐渐取代部分 实验室的工作。与试验相比，计算机仿真方法具有以下优越性： ( 1 ) 缩短产品设计周期，增强了竞争力。 ( 2 ) 减少设计过程中人力、物力的消耗，所需费用低廉。 ( 3 ) 具有可重复性。 ( 4 ) 可以获得任意工况任意场景所需数据。 ( 5 ) 不受时间、空间、气候等条件的限制，可以随时进行。 计算机仿真方法存在着试验无法比拟的优越性，但不是说计算机仿真 可以完全脱离试验或完全代替试验。这是因为计算机仿真方法所建立的汽 车整车或人体模型本身存在有很多局限性，不可能完全反映真实的碰撞过 程，因此，计算机仿真结果的正确与否最终需要试验来验证。同时，由于 计算机性能和模拟方法的限制，特别是在进行车身结构的抗撞性研究方 面，计算机仿真的周期也是很长的。随着计算机仿真技术的发展，特别是 并行计算技术和建模理论的发展，计算机仿真方法会越来越广泛地应用于 被动安全性的研究中。 1 3 、商用车安全性研究的现状和发展 据统计，商用车在整个国内车辆销量总量里占了将近5 0 的份额，作 为我国车辆出口海外的中坚力量，中国商用车走向世界的步伐不断加快， 逐渐在中国的车辆领域占据了半壁江山。中国的汽车市场已经从早期的以 市场换技术，自主设计只会模仿的阶段走向成熟，许多自主品牌像雨后春 笋般破土而出，消费者的消费理念也越来越理性，对汽车的基本知识了解 也越多，因此人们对乘用车的技术含量要求越来越高。但是，在商用车领 域，虽然其作为生产资料的作用巨大，但无论是国家的相关法规和政策， 还是市场的需求来说，都跟乘用车有很大的距离。 从建国到上世纪8 0 十年代初，我国市场的卡车多以长头车为主。进入 上世纪8 0 年代，西欧和日本卡车的平头风潮开始影响我国。由于日本平头货车 的外形设计风格符合东方人的审美观，又兼具视野开阔、操控灵活等优点，也成 为我国国内货车制造厂家研发新一代卡车的方向。国产平头货车一经推出，便以 价廉物美等特点受到了市场青睐，目前已经稳居绝对统治地位。平头车驾驶员 侧座位到汽车最前端面的距离比起长头货车来说要短很多，一旦发生碰 撞，由于汽车的正面没有足够的吸能缓冲区，驾驶员就足够的生存空间， 将被挤压导致伤害或死亡。统计表明，平头货车事故的死亡率是长头货车的 7 8 倍，致伤率为8 2 倍，总伤亡率是8 1 倍。因此平头车驾驶室的安全性越 来越受到人们的关注。因此，为保护乘员，减少伤亡，对平头车驾驶室得 7 被动安全性进行研究很有必要【2 们。 但由于以下几个因素：首先，相对乘用车驾驶员多为私人，对技术依 赖程度会很高来说，商用车的驾驶员多为专业司机，接受过专门的训练， 因此对设备本身的要求相对不像乘用车那么高；其次，商用车是生产工具， 对成本控制比较重视；再次，相对于乘用车而言，商用车的速度慢、体积 大，因此危险性相对较小。加上国家没有对商用车出台更多关于被动安全 的硬性法规，所以目前国内有关汽车的被动安全性的实车试验和虚拟仿真 基本都是针对轿车的，在商用车尤其是平头卡车方面的研究很少。但商用 车尤其是客车，发生碰撞后死伤的不仅是司机，还关系到几十名乘客的安 危，所以对商用车被动安全性的研究已经迫在眉睫。 国外的商用车实车试验基地主要有如下几个：德国科隆有能够进行货 车保险杠的摆锤式正面碰撞试验的试验机，英国m i l l b r o o k 实车试验场、 还有法国雪铁龙公司技术中心和德国大众公司等都有类似的摆锤设备。国 内仅有襄樊的东风汽车公司基地国家汽车质量监督检验中心有类似的设 备( 图1 2 ) ，但襄樊基地的设备试验的精度和准确性不高，因为它的摆锤 中心高度的调整及碰撞前摆锤的拉起完全由人力拉动，并不是完全电动控 制的【3 8 j 。如何提高我国商用车的安全技术，对今后我国商用车更好的发 展，更多的出口国外很为重要。借鉴国外成功的经验，吸收国外先进技术， 不断提高我国商用车的质量。 与轿车诸多的碰撞形态不同，商用车的事故形态可分为单车事故及车 辆之间的碰撞事故，因而其试验方法也比较固定。目前欧洲共同体关于商 用车的法规e c er 2 9 t 2 1 】【2 2 1 规定了三种碰撞形式：驾驶室正面摆锤撞击试验 ( 图1 3 ) 、顶盖静压试验以及后围强度试验，并对撞击后驾驶室乘员的生 存空间和驾驶室与车辆连接强度的要求。该法规对碰撞过程中车身仪表板 和转向机构相对后移量提出了严格的要求，并且要求碰撞后车门能够不借 助工具打开，假人模型能够放入座椅上并能顺利取出来。 欧美等国通过立法规定对商用车进行正面摆锤撞击试验，并有成熟先 进的摆锤试验机，但我国在这方面，无论是立法还是试验机方面都还没有 完全开展起来。如何通过法律法规的硬性规定引导生产企业和科研机构提 高我国商用车的安全性研究。 圈1 3e c e r 2 9 菜货车止面撞击试验 丑然由国家汽车技术中心、清华大学等正在商讨起草我国有关商用车 安全法规商用车驾驶室乘员保护，但该法规迟迟未出台，导致很多厂 家无法可依，南京依维柯甚至按照乘用车正面碰撞的乘员保护标准进 行过欧霸轻卡的正面碰撞试验( 图1 - 4 ) ，以轿车的法规来检验轻卡，在“无 法可依”的情况下进行试验，试验结果的可信度准确度，都还有待于进一 步探讨。我国有关的法规商用车的驾驶室乘员保护己由国家汽车质量 监督检验中心( 襄樊) 、中国汽车技术研究中心、东风汽车技术公司、中 罔第一汽车集团公司、安徽江淮汽车股份有限公司、包头北方舞驰重型汽 车有限责任公司、国家重型汽车质量监督检验中心、沃尔沃( 中囤) 投资 有限公司，戴姆勒克菜斯勃( 中国) 投资有限公司等起草完成。相信很快 会出台。 幽i 一4 依维何欧霸正面碰撞试验 1 4 、本文的研究目的、内容 14 1 、研究目的 ( 1 ) 通过对车身主要零部件和驾驶室进行正面碰撞仿真分析，为进 一步改善车身的碰撞安全性提供依据研究建立具有真正意义上的安全车 身的新方法，力图保证新开发的车型能够满足碰撞安全性法规的要求，减 少碰撞试验的次数，降低开发费用，缩短开发周期。 ( 2 ) 通过对前保险杠进行碰撞仿真，进行多方案比较，从碰撞安全 角度为保险杠设计提供虽优化的方案。从而为设计缩短时间和试验成本。 l42 、研究内容 汽车碰撞计算机仿真分析涉及的理论较深、知识面广、彼此之间相互 联系和影响，加之整车建模工作量较丈，仿真模拟技术难度较高。本文重 点研究以下问题： ( 1 ) 对碰撞过程中车身主要吸能部件如前囝板、前保险杆等，进行 碰撞仿真分析，了解各部件的碰撞吸能特性。 ( 2 ) 建立车身的碰撞有限元模型 | 国内某汽车没计公司提供汽车车身的三维模型，通过接口技术，导 八到h y p e r m e s h 中，进行模型的处理和有限元网格划分。 ( 3 ) 应用非线| 生有限元软件对白车身碰撞模拟进行研究 汽车碰撞仿真模拟属于非线性有限元分析，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，国外对非线性有限元理论研究的比 较早，h 叫也开发了很多商业软件，并且能很好的解决实际问题，例如 l s d y n a 。为此雄文通过对非线性有限元理论进行阐述，同时结合汽车碰 撞实验的具体情况，深入探讨具有代表意义的显式积分算法、有限元类型、 沙漏模态控制和接触理论，并结合非线性有限元软件l s d y n a ，确定单 元大小、网格密度分布、材料属性、摩擦力、计算时问步长、沙漏控制等 参数的数值大小，最终达到以较小的单元规模和较少的仿真时间，在满足 工程精度要求的条件下，模拟整车正面碰撞时间历程【2 3 j 。 ( 4 ) 车身结构碰撞性能的分析 将碰撞仿真模拟的结果进行后处理分析，主要研究车身整体变形情 况、车门、纵梁、前围板等部件的变形和吸能情况，结构碰撞性能主要集 中在碰撞后的最大变形量、碰撞时间历程的减速度曲线来分析车身的动态 刚度和碰撞吸能区，对汽车车身结构设计提出改进意见。 1 5 、小结 本章在详细论述了论文的研究意义的前提下，综述了国内外对有关货 车碰撞安全计算机仿真研究的进展和现状并在此基础上提出了本文所要 研究的主要内容和目的。 第二章、汽车碰撞安全法规 二战结束后，各国汽车工业飞速发展，随着汽车的大规模生产，管理 方法的持续改进，汽车生产制造的成本越来越低，对很多家庭来说，购买 汽车已经不是什么遥不可及的问题，这就导致汽车保有量呈现几何级数增 长。道路上车多了后，交通事故频发，死伤时有发生。如何在事故发生后 更好对车内乘员的生命起到很好的保护即汽车的被动安全性成为各国政 府部门、全球汽车消费者以及汽车生产厂家高度关注的问题。因此，提高 汽车被动安全性显得日趋重要。而汽车碰撞标准则是检验或评价汽车碰撞 安全性能的重要依据，它不但对汽车制造商具有法律上的约束性，而且也 能够促进汽车被动安全性能的提高。 目前，国际上实车碰撞试验法规主要有美国的f m v s s 和欧盟的e c e 两大体系，其他国家如日本、加拿大、澳大利亚等的法规基本上是参考这 两大法规体系并结合本国实际情况制定的。我国也于1 9 9 9 年l o 月2 8 日 由原国家机械工业局发布了汽车法规c m v d r 2 9 4 汽车正面碰撞乘员保护 的设计规则。2 0 0 0 年4 月1 日，国家将此项检验列入当时汽车型式认证 ( 公告) 4 0 项强制检测项目中，而今国家汽车强制性检测项目已达到4 9 项。虽然c m v d r 2 9 4 汽车正面碰撞乘员保护的设计规则不是国家强制 性标准法规，但它一旦被政府部门采用即具有了国家强制性标准的法律约 束力，并一直采用至今。2 0 0 4 年6 月1 日，我国参照欧洲e c er 9 4 法规 制定的国家强制性标准g b l15 51 2 0 0 3 乘用车正面碰撞的乘员保护正式 出台，至此我国才真正拥有了自己的汽车正面碰撞标准。下面简单介绍一 下欧美及我国的碰撞法规。 2 1 、欧美碰撞安全法规 美国是最早开始机动车被动安全性研究的国家，由于二次世界大战后 至1 9 6 5 年的这一段时间，美国死于汽车交通事故的人数达5 0 万人以上， 从而引起美国公众对汽车交通事故的恐慌，舆论鼎沸并强烈要求政府采取 紧急措施对这类事件进行强制性干预，这样汽车安全问题变成了一个敏感 的政治问题，引起了美国参、众两院和国会的高度重视。美国朝野对汽车 交通事故给人们带来的危害和给经济造成的巨大损失提出了严厉批评，并 在参院讨论会上提出了立法的必要性，后在第8 9 届国会上就交通安全法 进行辩论。19 6 6 年8 月31 日，参、众两院通过了国家交通和汽车安全 法，同时规定对1 9 6 8 年及以后的车型开始实施安全法。安全法规定执行 部门为美国国家公路交通安全局，即n h t s a ，他们负责制定和推行汽车 安全标准，对人和车进行监督管理。安全法还要求制造商实行自我认证， 保证其产品满足所有标准要求。这样，政府开始对汽车实行强制管理，1 9 6 6 年9 月2 8 日首先实施了l7 项规定，不久又增加了9 项，这些规定是后来 著名的f m v s s 系列安全法规，即美国联邦机动车安全法规的前身或先导。 为了进一步提高汽车的碰撞安全性，从l9 7 3 年8 月15 起美国决定在 全部车辆上实施被动式乘员保护装置，推广使用安全带并使其法制化。 1 9 7 6 年1 2 月，美国运输部长宣布对被动式乘员保护系统实行大规模、全 国性示范计划，即从1 9 7 8 年秋天开始在5 0 多万辆车上装备安全气囊或其 他乘员保护装置。1 9 7 7 年6 月又公布了修正案，根据这个决定，f m v s s2 0 8 标准最终定了下来。 f m v s s2 0 8 要求对被试验车辆进行车速为3 0 m p h 的刚性固定壁障碰 撞试验。要求在前方左、右3 0 。范围内发生的碰撞事故都要满足乘员保护 的要求。一般要使用0 。、左3 0 。和右3 0 。三个碰撞试验来验证车辆的正 面碰撞安全性。美国在f m v s s2 0 8 法规中对汽车正面碰撞安全性能的评 价指标比较全面1 2 4 | 。 从最初颁布到1 9 9 7 年，f m v s s 系列法规共有5 4 项标准项目已制定 和实施。其中事前预防的项目2 9 项( 1 0 0 系列) ，事故过程中如何减轻乘 员的损伤2 1 项( 2 0 0 系列) ，事后对车内乘员的保护标准4 项( 3 0 0 系列) ， 其中每项标准均有细致严格的要求。虽然上路行驶汽车越来越多，但自从 该法规颁布后，每年因交通事故而伤亡的人数反而呈下降的趋势，具体实 例见美国马里兰州实施安全法规前后的统计，如图2 1 【25 1 ，这表明碰撞法 规的实施对减少交通事故方面的死亡或伤亡率有一定的作用。美国f m v s s 系列法规即联邦机动车安全法规体系完善，要求严格，不但要求在碰撞前 后对车内的乘员进行保护，还要求车辆有对行人保护的设计，并有主动避 免事故发生的能力。颁布之初该法规主要针对的是正面碰撞，但随后又完 善了侧面碰撞保护、后面碰撞以及行人保护的有关内容。以后对货车和多 用途客车领域