（车辆工程专业论文）汽车碰撞试验缓冲吸能装置的计算机仿真与试验研究.pdf

本论文在充分研究了国内外碰撞缓冲吸能装置研制水平与发展现状的基 础上，提出了机械碰撞缓冲吸能装置的具体结构方案，对机械碰撞缓冲吸能装 置进行了计算机仿真与试验对比研究。仿真分析研究以显式动态有限元法理论 为基础，在a n s y s l s d q a 软件中根据台车碰撞试验对机械碰撞缓冲吸 能装置的要求及设计的机械碰撞缓冲吸能装置的结构尺寸，建立了受冲钢板及 方形梁的仿真模型。对不同厚度、不同数量、不同长度的受冲钢板，以及不同 剖面尺寸、不同板厚、不同数量的方形梁进行了仿真分析研究。运用c + + 语 言编写程序，对仿真输出的台车减速度结果进行了格式转化，并在台车碰撞试 验数据处理系统中，按照要求进行了c f c 6 0 滤波处理。仿真分析研究成功地 解决了影响碰撞仿真结果的“砂漏”系数、网格大小、焊接模拟参数等各种相 关参数的优化处理问题，为台车碰撞试验中得到符合要求的台车减速度曲线提 供了钢板或方形梁的最佳尺寸及组合方案。为了验证仿真的结果，利用汽车碰 撞试验系统进行了台车碰撞试验。结果表明，仿真的台车减速度曲线与试验的 台车减速度曲线基本吻合。通过对机械碰撞缓冲吸能装置的仿真研究，得到了 能满足法规试验和重现实车碰撞试验结果的基本曲线，有效地减少了试验次 数，降低了试验的成本。 关键词：缓冲吸能装置钢板方形梁碰撞显式动态有限元法 鱼塑苎兰塑堕查堂婴生兰些堡苎 a bs t r a c t b a s e do ns u f f i c i e n ti n v e s t i g a t i o no ft h ec r a s he n e r g ya b s o r p t i o ne q u i p m e n t d e v e l o p i n g l e v e la r o u n dt h ew o r l d ，t h i sp a p e rp r e s e n t ss t r u c t u r ep r o j e c to fc r a s h e n e r g ya b s o r p t i o nm a c h i n ee q u i p m e n ta n dc o m p a r e st h e c r a s h e n e r g ya b s o r p t i o n m a c h i n ee q u i p m e n tr e s e a r c ho fc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt e s t s i m u l a t i o na n a l y s i s u s e sd y n a m i ce x p l i c i tf i n i t ee l e m e n tm e t h o d a c c o r d i n gt or e g u l a t i o no fs l e dt e s ta n d d e s i g n e ds t r u c t u r es i z ea b o u tc r a s he n e r g ya b s o r p t i o nm a c h i n ee q u i p m e n t ，m o d e l so f c r a s h e ds t e e l p a n e l a n ds q u a r ec o l u m na r ee s t a b l i s h e d b ya n s y s l s d y n a s o f t w a r e t h ec r a s ht e s t so fd i f f e r e n t t h i c k n e s s ，n u m b e r ，l e n g t hs t e e lp a n e la n d d i f f e r e n ts e c t i o n ，n u m b e r ，l e n g t h ，t h i c k n e s s s q u a r ec o l u m na r es i m u l a t e d o u t p u t r e s u l tf o r m a to fs i m u l a t e ds l e dd e c e l e r a t i o ni s c h a n g e db yp r o g r a mc o m p i l e db yc + + l a n g u a g e ，a n dt h e na c c o r d i n gt or e g u l a t i o n ，r e s u l to fs i m u l a t e ds l e dd e c e l e r a t i o ni s p r o c e s s e dw i t hc f c 6 0i n d a t a p r o c e s s i n gs y s t e m o fs l e dt e s t t h e o p t i m i z a t i o n p r o b l e mo fp a r a m e t e r s ，e x a m p l eh o u r g l a s sc o e f f i c i e n t ，m e s hs i z e ，j o i n t i n gs i m u l a t i o n a n ds oo n ，w h i c ha f f e c tt h er e s u l to fc r a s hs i m u l a t i o n ，i ss o l v e d t h es i z ea n dn u m b e r p r o j e c t so fs t e e lp a n e la n ds q u a r ec o l u m n ，w h i c hm a k ed e c e l e r a t i o nc u r v eo fs l e d r e a c ht h er e q u i r e m e n t ，a r ef o u n db ys i m u l a t i o n t ov e r i f yt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，s l e d t e s t sa r ed o n eb ya u t oc r a s ht e s ts y s t e m f r o mr e s u l to fs i m u l a t i o na n dt e s t ，t h es l e d d e c e l e r a t i o nc u r v e sa r ea l m o s t s a m e ，b y s i m u l a t i o nt oc r a s h e n e r g ya b s o r p t i o n m a c h i n e e q u i p m e n t ，f o u n d a t i o n c u r v e st or e a l i z ed e c e l e r a t i o nc u r v e so ft h e r e g u l a t i o nt e s ta n da u t oc r a s ht e s t a r ea c q u i r e d ，a n dn u m b e ra n dc o s to ft e s tc a nb e r e d u c e d k e y w o r d s ：c r a s he n e r g ya b s o r p t i o ne q u i p m e n ts t e e lp a n e l s q u a r ec o l u m n c r a s h d y n a m i ce x p l i c i tf i n i t ee l e m e n tm e t h o d i l 鱼塑! 兰兰 塑堕奎堂至! 主兰! 蹩墨 第一章绪论 1 1 汽车被动安全性概述 汽车是现代社会使用最普遍的一种交通工具，它的出现给人们生活带来了董 命性的变革，使人们的生活范围得到了极大扩展。它不仅能有效地节省时间和缩 短空间，而且具有轻巧、机动、方便、舒适等其他各类交通工具所难以同时具备 的优点。但是随着蒸汽机驱动的汽车的诞生，安全性的问题也就随之产生。安全 性问题在初期并没有引起重视，后来电气汽车和汽油汽车先后出现，汽车保有量 日益增加；并且为了适应人们争取时间、追求效率的需要，汽车的速度也在不断 增加，这样就不断增大了汽车的不安全因素。随着汽车事故发生率的不断提高， 汽车安全就越来越被人们所重视i l j 。 截至1 9 9 5 年，世界汽车保有差已经超过6 亿辆( 我国保有1 0 5 0 万辆) 2 1 。 统计资料表明，近几年来全世界因汽车碰撞事故，平均每天死亡超过1 2 0 0 人，美 国每年因汽车碰撞事故死亡5 万人，受伤3 0 0 万人，几乎是美国人口的百分之一。 我国的交通事故一直处于上升趋势。据统计，1 9 9 6 、1 9 9 7 年在平直路段上共发生 交通事故4 9 4 8 5 6 起，死亡1 1 8 0 0 3 人，受伤2 8 7 7 2 0 人，直接经济损失2 8 5 5 亿元， 1 9 9 8 年全国公安交通管理部门共受理交通事故案件3 4 6 1 2 9 起，死亡7 8 0 6 7 人， 受伤2 2 2 7 2 1 人，直接经济损失1 9 3 亿元，分别比1 9 9 7 年上升1 3 8 、5 7 、1 7 1 和4 3 。1 9 9 9 年全国交通事故4 1 2 8 6 0 起，死亡8 3 5 2 9 人，受伤2 8 6 0 8 0 人，损 失2 1 2 4 亿元，5 1 。 由于汽车事故造成的严重危害，汽车安全性已经引起各国政府和公众的高度 重视。汽车的安全性可分为主动安全性和被动安全性f 2 】。主动安全性是指汽车防 止事故发生的能力；被动安全性是指事故发生时，汽车保护乘员和行人的能力。 调查结果表明，汽车的主动安全性再好，也只能避免5 的事故，因此，汽车的 被动安全性实际上主宰着汽车的安全水平。而汽车的被动安全性研究包括两大部 分内容【6 】，其一是安全车身的研制，通过安全车身的作用使一次碰撞( 即车与障 碍物之间的碰撞) 中的冲击能量得以最佳分布；其二是乘员保护系统的研究，通 过乘员保护系统的作用使一次碰撞中乘员所分得的能量在二次碰撞( 乘员与乘坐 室内部物体问的碰撞) 中得以有效释放，从而达到保护乘员生命安全的目的。 安全车身就是合理设计汽车车身结构，使汽车在碰撞事故中保护车内乘员， 湖柏 乡 第一章绪论 避免其受到伤害。安全车身与传统车身相区别的最大特点就在于突出了车身的安 全防护功能，其中的分段碰撞特性又大大拓宽了车身安全防护的范畴，分段碰撞 特性指的是汽车与不同客体相撞时，能根据客体的情况表现出相应的力学特性。 通常，安全车身的碰撞特性应包括三个区段：即1 、软区段：用于保护行人、骑 自行车者和摩托车手等交通弱者，也可用于避免低速碰撞时对车辆安全运行的损 害：2 、碰撞相容区段：使具有不同质量的两车相撞时，在两辆车的撞击区都能够 产生最佳的能量分布，达到有效保护两辆车中全部乘员安全的目的；3 、自我保护 区段：当车与刚性墙相撞时，也要能对汽车自身内部乘员的安全提供保障，在这 三个区段中，自我保护区段最受重视，几乎所有的汽车被动安全标准中，均对车 与刚性墙这一特殊碰撞事件中的人体保护提出了具体而明确的要求。另两个区段 的特性，都未被普遍纳入标准，尤其是碰撞相容区段，由于此时的研究对象已不 再是一辆车的碰撞特性了，它不可回避地要涉及参与碰撞的两辆车碰撞特性的匹 配问题，而参与碰撞的汽车模型的可能组合的数量太多，究竟采用什么样的一种 或几种组合才能确保研究所得的结论在统计学上有意义的问题，实际上成了这一 区段特性研究中的重大障碍。 交通事故调查与分析研究、碰撞生物力学研究是安全车身的理论基础。交通 事故调查与分析，就是调查和分析道路车辆碰撞事故中受伤情况( 发生及类型) ， 研究人车道路环境因素之间的关系并对这些事故中所采取的安全措施及其降低损 伤率的有效性进行评估。碰撞生物力学研究主要研究人体各部位在不同形式碰撞 中的伤害机理、人体各部位的伤害极限、人体各部位对碰撞载荷的机械响应特性 等【2 】。 乘员保护系统的研究已经取得了许多成就。其中最典型的就是发展并完善了 由坐椅、安全带、安全气囊组成的一整套保护系统。实践表明，该系统不仅大幅 度减轻了乘员受伤害的程度，而且还可将乘员死亡率降低1 2 【7 】。目前国外对乘 员保护系统的研究主要集中在消除乘员保护系统的负面效应及发展智能乘员保护 系统。 1 2 国内外汽车安全睦试验研究内容 由于汽车安全的严重性与重要性，各国政府都制定了许多关于汽车的安全法 规各大汽车厂家都出于自身利益的考虑，为了在市场上提高竞争力，满足人们 对汽车的更高要求，必须设计出更加安全的汽车。对安全性研究目标进行评价， 获得理论研究的栩荧数据以及对新型汽车进行认迁，都赢不开汽车安全性试验。 2 鱼塑兰兰 塑查奎堂堡! ：兰些! ! 兰 汽车安全性试验研究主要包括实车碰撞试验、台车碰撞试验和零部件台架试验三 个部分。 1 2 1 实车碰撞试验 实车碰撞试验由于与事故的情况最接近，是综合评价汽车安全性最直接和最 基本的方法，是新产品开发必须进行的试验。但试验费用昂贵，难以进行重复试 验，通常在新产品试制和认证时进行。试验方法可分为用固定壁或可动壁进行车 辆的单独撞车试验、车对车撞车试验及车辆的单独翻车试验三种【引。 1 2 2 台车碰撞试验 台车碰撞试验是一种模拟实车碰撞的试验。在台车与刚性墙之间安装有缓冲 吸能装置，台车通过缓冲吸能装置与刚性墙发生碰撞。主要通过设计缓冲吸能装 置使台车减速度曲线模拟实车碰撞的减速度曲线和达到法规试验要求的台车减速 度曲线。通过台车碰撞试验可以进行乘员保护装置的性能评价和零部件的耐惯性 力试验。与实车碰撞试验相比，具有再现性好、试验费用低，也比较简便、试验 工时数也少等优点。 1 2 3 台架试验 零部件台架试验包括台架冲击试验和静态强度试验。台架冲击试验主要用于 评价零部件对冲击能量的吸收性能；静态强度试验主要用于评价对速度不敏感的 零部件的安全性能。 1 - 3 研制缓冲吸能装置的意义 使用台车碰撞试验评价安全带系统等乘员保护装置的性能时，必须在尽量与 实车碰撞相近的条件下进行。在评价乘员保护装置性能时，受试结构的减速度曲 线应得到保证：在任何点，由积分获得的“速度相对于时间的变化”曲线与相关 车辆“速度相对于时间的变化”的基准曲线相差不超过l m s 。相关车辆的基准 曲线通过相关车辆减速度曲线积分获得。相关车辆减速度曲线就是实车碰撞试验 中车身减速度时间历程，它应以车辆驾驶员侧“b ”立柱下端的纵向加速度传感 器的读数为基础确定，是一种包含车身的振动在内的车身减速度波形，具有复杂 形状。这就使得台车碰撞试验中台车减速度时间历程需要与实车碰撞试验车身减 速度时间历程相近，并且国际上各种汽车安全法规都对一些乘员保护装置性能试 验的台车碰撞试验中台车的减速度波形作出了骧确规定。图1 1 为e c e l 6 标准及 鱼塑苎苎兰 塑= 兰丝鱼 我国标准规定的汽车安全性台车试验中安全带动态试验台车的减速度波形要求 即减速度波形不允许超出由a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h 、i 各点形成的两条折线 的范围。 3 0 ，、 p 2 0 越 型1 0 r 0 6h 、 b 1 c 口 彳 f | f i 时间( m s ) 图1 1安全带动态试验台车减速度范围 图中，a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h 、i 各点应满足表1 1 的要求。 l abcdefghi i时间( m s ) 1 01 52 54 55 56 01 86 08 0 f 加速度( 曲 1 52 02 62 62 003 23 20 表1 1 安全带动态试验台车减速度范围 碰撞缓冲吸能装置是台车碰撞试验中的关键设备，它决定了台车在碰撞过程 中的减速度、速度及碰撞时间等系列重要参数，决定了台车试验的置信度和可 重复性。因此，研制碰撞缓冲吸能装置有以下现实意义：1 、在使用台车进行碰撞 试验时，模拟实车在碰撞过程中的车体变形情况，保证试验台车的碰撞减速度曲 线与实车碰撞试验中车身减速度时间历程曲线相一致；2 、在台车碰撞试验中，使 台车减速度曲线满足法规试验的要求。 1 4 机械碰撞缓冲吸能装置研究方法 在2 1 世纪的今天，计算机技术得到了前所未有的发展，已经渗透到生活的各 个方面，而且人们生活的每个领域都在随着计算机技术的发展而经历着深刻的变 革。在计算机碰撞仿真方面更是以计算机技术的高度发展为前提条件。早期阶段， 由于受到技术条件的限制，碰撞过程只能依靠试验数据来表现。在2 0 世纪中叶电 子计算机诞生之后，有限元方法在计算数学、计算力学和计算工程科学领域里逐 渐成为最有效的计算方法。随着计算机技术的高速发展和以有限元法为突出代表 的工程计算方法的日趋成熟，数值分析正在逐步取代和改进部分实验室工作，这 鱼塑苎苎兰塑堕查竺塑主兰些堡兰 也给整个汽车耐撞性的分析和改进带来十分重要的影响。自8 0 年代中期进行了第 一次整车耐撞性的有限元分析后，有限元法在汽车耐撞性分析方面的应用迅速增 长。1 9 8 5 年后用于求解大位移、大转角、大应变、接触碰撞问题的非线性有限元 方法的不断成熟，为碰撞仿真的研究开辟了新的天地。正是由于计算机技术的发 展和有限元方法理论的完善，计算机模拟仿真技术得以实现突飞猛进的发展。计 算机模拟仿真技术与试验技术相比的主要优点首先在于设计阶段通过模拟计算可 尽早发现问题，缩短了开发周期；其次是采用模拟计算的方法重复性比碰撞试验 要好，并能全方位考察各参数对碰撞结果的影响 6 , 9 , 1 0 , 1 1 】。 随着计算机技术的发展，国外的研究机构和院校推出了许多运用显式有限元 方法的碰撞仿真模拟软件，在实际应用中最常用的碰撞仿真有限元软件有l s d y n a 3 d 、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 ，其核心部分 都是以美国l a w r e n c el i v e m o r e 国家实验室在2 0 世纪7 0 年代开发的d y n a 公开 版本的理论为基础1 1 2 】。 已经开发并投入使用有效的通用和专用有限元软件中，著名的有a n s y s 、 n a s t r a n 、a s k a 、a d i n a 、s a p 等。在众多可用的通用和专用有限元软件中， a n s y s 是最为通用有效的商用有限元软件之一。它是国际流行的融结构、热、 流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，已经成为计算机辅助工程 ( c a e ) 和工程数值模拟的最有效的软件，成为当代c a d c a e c a m 主流产品之 - - 1 3 , 1 4 l 。 a n s y s ，l s d q a 模块集成了l s - - d y n a 显示动态有限元法和a n s y s 程 序强大的前处理和后处理能力。l s d y n a 使用的显示求解方法提供了对于瞬 时、大变形、大转动、非线性等复杂接触及碰撞问题的快速求解。可在a n s y s 前处理中建立模型，然后在l s d q a 模块中获得显示动态求解，最后用a n s y s 后处理工具评价结果。 采用钢板吸能的机械碰撞缓冲吸能装置或者采用方形粱在台车碰撞时模拟实 车的碰撞变形吸收碰撞能量，它们均是利用金属的塑性变形或折叠的原理来吸收 能量，是典型的接触碰撞现象，为了摸索出适合于某一特定试验条件、符合法规 标准要求的钢板及方形梁组合，需要做大量的试验研究工作。较为可行的方法是 在计算机上运用a n s y s 几s d y n a 模块对钢板和方形粱碰撞过程进行碰撞建模 仿真，研究其变形特性，为试验提供试验方案，然后结合试验方式来获得达到试 验标准要求的钢板和方形梁及其组合。通过仿真研究，能有效的减少试验的次数。 除了作为台车缓冲吸能外，对予方形粱的研究还具有更重要的意义。整车碰 湖砘是萝 笫一聋绪论 撞仿真的计算要花费大量的计算机计算时间。由于关键部件从汽车上分离出来进 行碰撞试验所得变化趋势仍与整车时相同，并且改变结构设计应集中于部件断面 形状的改变而不是对部件加强，所以在对整车碰撞仿真前，可先对基本吸能构件 进行研究弄清计算方法和参数，对车身主要吸能结构元件仿真计算研究，找出合 理的技术参数，并可对其单独进行优化以减少成本，为整车有限元模型的建立和 整车碰撞仿真提供依据 1 5 , 1 6 】。由于汽车车身主要的承载和吸能结构一般采用闭口 或开口的薄壁部件，汽车纵梁的吸能结构也为薄壁部件，而方形梁作为吸能部件 的典型近似，对它进行研究对认识汽车碰撞安全具有重要的意义。 1 5 本论文研究主要内容 本论文来源于对机械储能式汽车碰撞试验系统开发的研究，通过比较各类碰 撞缓冲吸能装置，选择采用钢板及方形梁受冲变形吸能的机械碰撞缓冲吸能装置： 在a n s y s l s d y n a 软件中对钢板及方形粱受冲变形吸能进行了碰撞仿真分析， 为试验提供了参考方案；通过机械储能式汽车碰撞试验系统进行试验加以验证。 鱼塑苎查兰 塑堕查竺堡主兰些芝些堡兰 第二章机械碰撞缓冲吸能装置 20 1 缓冲吸能概述 当汽车在高速状态下行驶时发生故障以及由于人为的原因引起翻车或与其它 车辆和障碍物发生碰撞时，为了抵御冲击、碰撞等强载荷作用，吸收和消散碰撞 能量，以便保证乘员安全，就必须采用有效的措施保护驾驶员及乘员的人身安全。 一个有效的方法就是在汽车上设计吸收汽车高速运动能量的吸能装置，使碰撞车 辆的减速度在人能承受的范围之内。所以吸能机构在汽车被动安全中占有举足轻 重的地位，保险杠、底盘大梁的前部可变形区域以及车身的前部可变形区域、安 全气囊等均可称为吸能装置，它们在碰撞、翻车等使乘员容易受到伤害的过程中， 吸收和消散碰撞能量，保护乘员以使其避免伤亡。 由于实车碰撞试验费用昂贵，难以进行重复试验，所以为了评价乘员保护装 置的性能和进行零部件的耐惯性力试验，采用可重复性及再现性好的台车碰撞试 验方法进行检验。由于台车试验是一种模拟实车碰撞的试验，在台车碰撞试验中 必须设计缓冲吸能装置以吸收台车碰撞时的运动能量。这种装置与汽车的吸能作 用机理相同，模拟实车中的吸能变形模式，使台车的减速度曲线与实车碰撞减速 度曲线相一致或满足法规试验要求。 2 2 缓冲吸能装置种类及国内外研制使用情况 缓冲吸能装置是台车碰撞试验设备( 装置) 的关键部件。台车碰撞试验的种 类不同，缓冲吸能装置也不相同。台车碰撞试验装置有冲撞型、发射型1 1 , 8 1 。 2 2 1 冲撞型中缓冲吸能装置 对于冲撞型的缓冲吸能装置，速度一定的台车与刚性壁冲撞后，在缓冲吸能 装置的作用下使台车产生要求的减速度，最终使台车停下。缓冲吸能装置可分为： 1 、塑料管吸能器 塑料管吸能器广泛应用于欧洲、日本和中国，例如c a t a r c 、东风汽车工程 研究院、天津益中安全带厂等单位均使用塑料管吸能器。这种吸能塑料管的材料 为聚氨脂。聚氨脂的性能和温度关系十分密切，在使用之前在1 5 2 环境下保 持2 4 小时标态处理，使用时的环境温度应在2o 5 范围内。此外，还应根据温 7 鱼塑苎查兰 笙三翌塑壁壁篓堡! ! 壁堕! ! 里 度的变化相应地改变橄榄头的尺寸，以便调整出符合标准要求的减速度波形曲线。 同一尺寸塑料管和不同尺寸的橄榄头相配合可产生不同形状的减速度波形? 一支 塑料管能重复使用多次，因而它具有使用费用较低的优点。e c e r 1 6 推荐的塑料 管和橄榄头的形状如图2 1 所示。中国汽车技术研究中心( c a t a r c ) 参考e c e r l 6 推荐的塑料管尺寸和u t a c 提供的样品开发出塑料管吸能器，其生成的曲线基本 符合e c er 1 6 、e c er 1 7 和e c er 8 0 要求 z 7 , j s ，这种吸能管的材料为聚氨酯，外 形尺寸为d 6 0m m 3 7 5 m m ，现有三种规格：一种是邵氏硬度为9 0 9 5 的 c a t a r c - - i i i 型，其减速度波形符合e c er 1 6 标准要求；另两种是邵氏硬度为 8 0 2 的c a t a r c - - i 型和c a t a r c - - i i 型，它们的减速度波形分别符合e c e r 8 0 和e c e r l 7 的要求。 图2 1e c e r l 6 推荐的塑料管与橄榄头形状 2 、不同形状钢板 t u v 采用的吸能机构是不同形状的钢板，钢板的厚度约为1 0 1 2 m m 。试验 时，将钢板放入两排滚柱之间。碰撞台车前端固定一冲击壁。当冲击壁同台车一 起以高速冲击钢板时，钢板弯曲变形产生阻力吸能作用，使减速度波形达到要求。 采用钢板吸能结构简单，利用各种不同的钢板，有效搭配，可组合出不同要求的 减速度曲线，具有很大的灵活性，并且使用可靠，被世界上一些著名的汽车安全 性研究机构所采用。但要获得满足要求的钢板组合，必须进行大量的试验研究。 现在利用计算机仿真研究，可以有效的减少试验次数。 3 、液压缓冲器 该种吸能器在日本和美国得到广泛应用。日本萱场工业株式会社制造的液压 缓冲器原理如图2 2 所示。它的基本结构是个阻尼油缸。根据需要在缸壁上开 有数个阻尼孔。缸的上边没有油池。当活塞杆受到冲击后，活塞前鄣推动油液通 l 鱼塑兰查兰 一_ 塑变型型型璺坠篓兰 过阻尼孔进入油池，油与阻尼孔的摩擦产生热量，使台车的机械能转化为热能， 而活塞依次关闭缸上的阻尼孔，使小孔的当量节流面积随着活塞的位移而变化， 同时，油液进入活塞后端，以避免形成真空。根据缓冲器的阻尼力与活塞位移的 关系来模拟实车的碰撞环境，使台车减速度具有相应波形。 装有这种液压缓冲器滑车的冲击减速度的数值可在2 0 8 0 9 范围之内变化， 并且可以实现三种波形：近似正弦波、近似梯形波和近似锯齿波( 三角波) 。当滑 动质量为1 5 t ，速度为3 0 k m h 时，可产生3 0 - - 4 0 9 减速度。 橡 图2 2 液压缓冲器结构示意图 缸 在清华大学“汽车安全与节能”国家重点实验室开发出了可调节的液压缓冲 器【l9 1 。该缓冲器能够根据不同碰撞要求，在一定范围内调节台车的减速度波形， 并且波形稳定，重复性比较好。 2 2 2 发射型缓冲吸能装置 对于发射型的缓冲吸能装置，依靠预先积蓄足够的能量将台车发射出去，以 使其获得加速度。采用将试验品的滑动方向与台车发射方向相反的方法以使其获 得相应的减速度，所以缓冲吸能装置就是使滑动质量( 包括滑车、试件或假人等) 产生与滑车加速度方向相反的惯性力( 相当于阻尼力) 来实现所要求的减速度波 形的发射装置，像发射型驱动装置就是根据此原理来进行试验的【l 】。例如美国本 迪克斯公司( b e n d i x ) 生产的h y g e 试验装置，其动力部分为高压压缩机、氮气 储气筒和气液油缸。这种装置的特点是模拟准确，调整方便，价格昂贵。德国申 克公司为上海交通装卸机械厂制造的碰撞试验机则采用伺服液压油缸驱动【2 0 1 。该 试验机通过使用高斯迭代法可使实验曲线与设计曲线误差小于5 ，原则上可以 实现任意给定的碰撞曲线的模拟，但是价格昂贵。另外，美国v i a 公司设计制造 的碰撞试验推进装置则为气缸驱动装置，该装置主要是由活塞和气缸组成的线性 马达驱动。 9 堡坠塑竺查兰 兰三重型! 堕堂堡墼i ! 墼! ! 茎墨 2 3 机械碰撞缓冲吸能装置的研制 2 3 1 缓冲吸能装置的选择 为了更好的进行汽车被动安全的科研与教学，开发研制了机械储能式新型汽 车碰撞试验装置，系统功能包括：1 、能够完成安全带、座椅、吸能转向柱和安 全气囊等部件的法规试验验证；2 、能够进行保险枉等吸能零部件、车身结构或 半个车身等零部件冲击的试验研究；3 、能够研究假人动态响应和验证汽车碰撞 动态数学模型等。这些功能均可以通过在机械储能式新型汽车碰撞试验装置上进 行轿车和轻型车的实车碰撞试验、模拟实车的台车碰撞试验来实现。台车碰撞试 验中缓冲吸能装置是其必不可少的关键部件。 在比较各种缓冲吸能装置优缺点的同时，还应考虑到研制的难易程度。发射 型台车碰撞试验装置中运用发射器，其减速度曲线模拟准确，调整方便，但台车 碰撞装置价格昂贵。液压缓冲器能够根据不同碰撞要求，在一定范围内调节台车 的减速度波形，并且波形稳定，重复性比较好，但研制困难。塑料管吸能器具有 使用费用较低，但受温度影响太大。由于机械缓冲吸能装置结构简单，使用可靠， 只需要采用合适的受冲撞钢板并将其进行有效的搭配，就可以得到试验法规所要 求的台车减速度波形，所以在汽车碰撞试验装置中选择采用各种形状钢板的机械 缓冲吸能装置。由于方形吸能梁结构简单、吸能能力强，在进行台车碰撞试验过 程中，也可以采用在台车前面焊接不同数量与厚度的方形吸能梁，模拟实车的碰 撞变形，以使台车减速度达到要求。 2 3 2 机械碰撞缓冲吸能装置结构 当台车碰撞试验采用钢板吸能的机械碰撞缓冲吸能装置时，在台车前端必须 固定冲击臂，台车及冲击壁结构如图2 - 3 所示，冲头尺寸如图2 4 所示。图2 5 为 机械碰撞缓冲吸能装置固定架结构及尺寸。固定架采用钢板焊接结构，必须具有 足够的强度与刚度，固定架通过其后端固定在障碍壁上。固定架上设计有圆孑l ， 可以插入柱销。柱销采用实心结构，以保证在冲击过程中变形足够小。 l o 鱼塑竺苎兰 塑堕查堂堡主堂垡兰些堡塞 多 b = 2 5 = i 一 i 一 d 险 i - 。一 1 l _ 上上 - 3 - 图2 3 试验台车 帖士刊 lt - = 图2 4 冲头 图2 5 碰撞缓冲吸能装置固定架 堡墅塑竺苎兰 墨兰里! ! 塑壁堡堡苎壁堂蓬墼 柱销结构及尺寸如图2 6 所示，柱销之间可放入钢板，为了适应钢板厚度的 变化以及可以采用矩形钢管吸能，每排孔之间设计了间隔距离。为了减少钢板与 柱销之间的摩擦，将滑动摩擦变为滚动摩擦，在柱销外部再套上销套，销套尺寸 如图2 7 所示。 啦 a f ，1 图2 6 柱销图2 7 销套 钢板高o 1 6 m ，长度和厚度可变，放置于柱销外的销套之间，当冲击臂同台 车一起以高速冲击钢板时，钢板与销套产生滚动摩擦并在冲击臂作用下产生弯曲 变形，同时产生阻力，使台车减速度波形达到台车试验要求。为了确定在某一特 定试验条件或法规试验要求的钢板各项参数，可以先进行计算机仿真研究，即通 过a n s y s l s d q a 模块分析，然后进行台车碰撞试验加以验证。 2 3 3 方形梁吸能理论分析及结构 碰撞缓冲吸能装置也可以采用在台车前面焊接不同数量与板厚的方形吸能 粱，当方形梁与台车以一定速度与刚性壁碰撞时，运用方形吸能梁的塑性变形与 折叠产生阻力，使台车的减速度波形达到要求。方形粱的研究对于汽车被动安全 性研究还具有重要意义。 理解像汽车这样复杂结构的系统的碰撞行为，首先必须了解组成系统和控制 其碰撞特性的结构单元有关碰撞特性的知识。由于汽车车身主要的承载和吸能结 构一般采用闭口或开口的薄壁部件，并且研究表明，在汽车前部纵向碰撞事故中， 7 0 以上的汽车冲击动能必须由纵梁承受才能保证乘坐室的完整性与小变形性， 1 2 壁丝兰苎兰 塑堕奎竺堡主兰竺生些堡兰 因此纵梁的吸能能力极为关键，方形吸能梁的大变形力学特性在汽车纵梁设计中 具有重要的意义。而薄壁方形吸能梁结构简单、吸能能力强，是汽车纵粱的一种 最主要的形式，并且在研究吸能问题时，为了使问题具有代表性和便于分析，也 选用方形梁作为研究对象。尽管轴向受压方形梁的折叠变形模式在典型的碰撞变 形模式中仅是很小的部分，但它却几乎包括了耐撞性问题研究的所有物理现象， 如膜压，壳弯曲，大变形，大转动等。鉴于方形梁的重要性，国内外许多人都研 究过方形梁的变形。m a h m o o d h f 和p a l u s z n y a 在文献【2 1 中提出了轴向冲击矩 形梁辅助设计的半经验公式，并说明了失效的不同阶段：g e n eh m c n a yi i n u m e r i c a l 在文献 2 2 1 中作了轴向受压方形吸能梁的试验并在d q a 一3 d 中进行 了分析对比。 典型方形吸能梁的大变形过程如图2 8 所示，其中图a 为吸能梁折叠过程， 图b 为吸能梁大变形力学特性示意图1 2 3 , 2 4 1 。 ( a )( b ) 图2 8 典型方形吸能梁的大变形过程 其中 r = 0 7 2 b 17 3 f 27 3 f 21 、 b 为矩形梁剖面长边的宽度，t 是梁的厚度。中强度或高强度钢方形吸能梁的 波长五= 0 8 b ，图中旯= 一2 r 。 曲线上点1 是最大弹性屈曲载荷，当p p 。时，吸能梁处于弹性变形阶段， 点】到点2 之间p 。 p o 6 7 矩形梁。 由弹性稳定性理论可知，当粱的长度增加时，梁的轴向压缩承载能力将下降， 如梁将在其轴向全承载极限之前发生横向弯曲( 失稳) 。当长度与剖面宽度之比小 于1 5 时，长度对梁的最大承载能力影响不大。汽车上的梁一般均满足长度与剖面 宽度之比小于1 5 。 矩形梁截面的强度主要取决于厚度宽度比( t b ) 和材料特性。若截面的失 稳强度小于材料的屈服强度，它的失效模式将由截面形状所决定。若截面的失稳 强度大于材料的屈服强度，那么材料强度将决定失效模式以及失稳后的稳定性。 因此在设计轴向压缩的吸能梁时，必须选取合适的截面和材料配合。单纯改变截 面尺寸和改变材料不一定能解决问题。t b 0 0 1 6 称 为致密剖面，设计轴向压缩的吸能梁时一般应选择致密剖面。 9 8 7 6 5 4 3 2 1 o m m m 吼m m n n m k 鱼塑竺查兰 蔓三望垫塑壁塑堡苎里丝茎墼 根据以上标准，方形梁的剖面尺寸可采用如图2 1 2 所示。方形梁数量、长 图2 1 2 方形粱的结构 度和板的厚度可变。由公式2 3 可算出平均力p ， 对同一方形粱的p 。与p 的大小仅系数k 不一 样。 1 、台车碰撞试验中，如果选择方形梁数量3 、 板厚2 m m 、剖面尺寸1 2 0 t u r n 1 2 0 m m ，则由公 式2 3 可算出平均力p ，对同一方形梁的，。与 p 。的大小仅系数k 不一样，对方形梁，查图2 9 、 2 1 1 可知k 。= 2 ，k = 0 4 1 5 ，k ，= o 1 8 ， k 3 = 0 0 5 。i 出- t t b = 2 1 2 0 = 0 0 1 6 6 7 查图2 1 0 得知约为i 。 p 。= ，4 。2 。2 f 三：! ! 旦旦；11；u5掣1“”(z，s，。s，os， il 一j ，xf p 一= 3 x 4 x o 1 2 x o 0 0 2 1 7 7 3 3 5 8 7 5 5 6 4 1 p 。= 5 1 0 7 2 7 3 n p l = 3 x 4 x 0 1 2 x 0 0 0 2 0 4 1 5 2 0 0 x 1 0 9 r 0 0 0 2 0 1 2 ) 2 ： 一 ( 1 0 3 2 ) 1 p l = 2 5 9 7 2 0 8 8 4 6 1 n p ：= s 4 。，2 。2 旦二! ! ：! 三旦：i ! ：；8 ；! ；三旦盟 。4 3 e 2 ，s 。6 ，。” p 2 = 1 8 1 3 4 8 2 5 n p ，= 3 4 。1 2 。2 【 0 0 5 x 2 0 0 ( 1 x 一1 。0 9 3 ( ：0 ) 0 。0 1 2 0 1 2 ) zj 1 “”( 2 3 5 1 。6 ) 。5 7 1 9 3 = 1 0 4 5 4 5 n 台车质量为8 7 0 k g ，a = f m 所以有： 口t = p 1 m = 2 5 9 7 2 0 8 8 4 6 8 7 0 = 2 9 8 5 3 m s 2 a 2 = p 2 m = 1 8 1 3 4 8 2 5 8 7 0 = 2 0 8 4 4 6 m s 2 a 3 = p 3 m = 1 0 4 5 4 5 8 7 0 = 1 2 0 2 m s 2 理论运算得知其减速度与安全带动态试验标准台车减速度相比偏小。由于 口2 = 2 0 8 4 4 6 m s 2 ，则每根梁产生6 9 4 8 2m s 2 ，如果采用4 根梁，则产生加速度 2 7 7 9 2 8 聊s 2 ，满足安全带试验标准台车减速度要求。 2 、台车碰撞试验中，如果选择方形梁数量4 、板厚2 m m 、剖面尺寸1 2 0 _ m 埘 1 2 0 m m ，则可算出： 咖 奴 兰_， 堡! 塑兰查兰塑堕奎竺堡主兰堡兰些笙茎 p 。= 6 8 0 9 6 9 7 3 3 n p l = 3 4 6 2 9 4 5 1 3 n p 2 = 2 4 1 7 9 7 3 3 n p 3 = 1 3 9 3 9 3 3 3 n 口。= 7 8 2 7 m s 2 a ，= 3 9 8 m s 2 a ，= 2 7 8 m s 2 a ，= 1 6 0 2 2 m s 2 理论运算得知其平均减速度满足安全带试验标准台车减速度。 1 7 堡墅塑苎苎兰 笙三童! ! 篓垡堡堡堡壁丝茎墼堕壅里! 壅 第三章机械碰撞缓冲吸能装置仿真研究 汽车碰撞试验中采用受冲钢板或方形吸能梁作为缓冲吸能件，是利用金属的 塑性变形或折叠原理来吸收碰撞能量的。在本章的仿真研究过程中会用到大位移、 大转角、大应变，接触碰撞问题的显式动态非线性有限元法，因此有必要对其理 论基础和利用显式动态非线性有限元法的a n s y s ，l s d q a 软件进行介绍。然 后，运用a n s y s l s d q a 软件进行了碰撞仿真影响因素的探讨，在此基础上 对受冲钢板及方形梁进行了碰撞仿真研究。 3 1 显式动态有限元法的基本理论 3 1 1 应力与应变的度量 在大变形接触碰撞问题中，由于物体发生大位移、大转动、大应变，因此必 须引入适当的应力，应变度量，以便利用参考位形来计算物体在当前位形的内虚 功，并能够以一种有效的方式增量地分解应力和应变。在实际分析中变量的参考 位形采用两种选择，第一种为完全l a g r a n g e 格式( t o t a ll a g r a n g ef o r m u l a t i o n ， 简称t l 格式) ，这种格式中所有交量以时间0 时的位形作为参考位形，即通常所 谓的l a g r a n g e 格式。第二种为更新的l a g r a n g e 格式( u p d a t e dl a g r a n g e f o r m u l a t i o n ，简称u l 格式) ，这种格式中所有变量以时间f 的位形作为参考位形。 因为求解过程中参考位形是不断改变的，所以称为更新的l a g r a n g e 格式。 用。z 表示物体一点在r 时刻的位置矢量，x 表示其初始位置矢量，假设x 与 x 2 _ 间存在一一对应的关系，在全l a g r a n g e 格式下，可表示为： x = x ( x )( 3 1 ) 任一点从时刻f = 0 到时刻t 0 的总位移可表示为： 7 “= x ( x ) 一x( 3 ，2 ) 任意质点i 的运动速度可表述为： d x v = = 出 d ( 甜+ x ，) d “： d td t ( 3 3 ) 在两种参考格式下，可以定义各种各样的应力和应变张量，但要它们满足两 点要求： 1 、应力张量和应变张量只能是材料变形的函数