（车辆工程专业论文）超越三号燃料电池轿车正面碰撞安全性分析.pdf

摘要 摘要 由于在燃料电池轿车的开发初期，仅为动力系统的研究和与原型车的匹配， 所装样车不能作实车碰撞试验用，因此本课题利用计算机仿真计算模拟分析的方 法，对超越三号燃料电池轿车进行正面碰撞安全性分析。 本文主要运用h y p e r m e s h 、p a m g e n e r i s 等软件建立燃料电池轿车的整车有 限元模型，运用p a m s a f e 软件建立乘员及约束系统有限元模型，经过模拟计算， 分析和评价超越三号在正面碰撞过程中车身结构的耐撞性，以及车辆对乘员的保 护作用。 关键词：燃料电池轿车，有限元模型，乘员约束系统，模拟，评价 a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s ea l lt h er e s e a r c hd o i n gn o wi sa b o u tt h ep o w e rs y s t e md e v e l o p m e n ta n dt h e l a y o u t i nt h ep r o t o t y p e ，t h es p e c i m e nc a l l a tn o tb eu s e di nt h ep r a c t i c a lc r a s h e x p e r i m e n t ，s ot h i sp r o j e c ta d o p t st h ec o m p u t a t i o ns i m u l a t i o nm e t h o d t os i m u l a t et h e c r a s ha n da n a l y z e st h ef r o n t a lc r a s hs a f e t yo ft h ef u e lc e l lv e h i c l e t h eu i j ih y p e r - m e s h 、p a m - g e n e r i ss o f t w a r e sa r ee m p l o y e di n t h i sp a p e r i no r d e rt os e tu pt h ew h o l ef e mm o d e lo ff u e lc e l lv e h i c l e t h es i m u l a t i o n c o m p u t a t i o no ft h em o d e li sc a r r i e do u tb yu s i n gp a m c r a s ha n dp o s t p r o c e s si s g i v e nb yu s i n gp a m - v i e w b a s e d o n t h ea b o v ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t ，t h e p e r f o r m a n c eo fb o d ys t r u c t u r ea n dt h ep r o t e c t i o no ft h ep a s s e n g e r sr e s t r i c t i o ns y s t e m t ot h ep a s s e n g e ra r ea n a l y z e da n de v a l u a t e d k e yw o r d s ：f u e lc e l lv e h i c l e ，f e mm o d e l ，p a s s e n g e r sr e s t r i c t i o ns y s t e ms i m u l a t i o n ， e v a l u a t i o n i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 2 0 0 7 年0 3 月2 0 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的s r j sj j 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 2 0 0 7 年0 3 月2 0 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景情况和研究意义 2 1 世纪，面对日益紧张的传统石油能源供给，飞速飙升的原油价格，不断 恶化的大气环境质量和居高不下的汽车碰撞事故伤亡人数，环保、节能和安全性 已经成为所有汽车厂商最关心的三大主题。电动汽车，特别是燃料电池汽车，作 为一种新能源汽车，由于具有在环保和替代能源使用方面优良的特性，已作为新 世纪最有前途的产品，得到了全球性共识。国内外对燃料电池汽车的研发正进行 的如火如荼，世界上各大汽车公司纷纷投入巨大的人力、物力和财力进行技术研 究和产品开发，以望率先占领市场。 随着人们对汽车安全性能的要求越来越高，使得汽车安全性在车辆的设计开 发中占据了越来越重要的地位，而且燃料电池汽车由于车载氢气燃料系统和高压 电驱动和储电装置的存在，使其具有许多特有的安全性问题，这都要求在研发初 期就要综合考虑其安全性，而超越三号燃料电池轿车相比超越一号、超越二号在 动力系统、总布置以及车身轻量化方面都做了许多改进，引起动载承载能力的变 化，这可能会影响到车身耐撞性，因此就很有必要对超越三号燃料电池轿车进行 碰撞安全性进行分析。但由于现阶段对燃料电池汽车的开发仅为动力系统的研究 和在原型车上的总布置，所装样车不能作实车碰撞试验用，因此本课题采用有限 元法，通过计算机模拟计算研究超越三号的正面碰撞安全性。 1 2 研究目的、理论意义和实际应用价值 我们进行燃料电池轿车碰撞安全性研究的目的，就是要将安全性概念贯穿于 整个燃料电池轿车的开发过程，在研制初期，就能够对整车安全性能进行预测和 分析，以此指导整车总布置及结构的改进设计。 燃料电池轿车的被动安全性要求与一般车辆大致相同，通过对超越三号燃料 电池轿车进行正面碰撞安全性分析可以检验对超越三号所作的关于动力系统、总 布置以及车身轻量化方面的改进对安全性的影响，根据其计算结果，分析和评价 燃料电池车在正面碰撞过程中车身结构的耐撞性，以及车辆对乘员的伤害指标是 否满足国家法规。 此外，目前燃料电池轿车正处在试验开发阶段，随着燃料电池轿车核心技术 的不断突破，势必要不断地改进汽车的结构形式及总布置等，而现在实车碰撞试 第一章绪论 验由于成本等条件限制还不成熟，因此采用计算机碰撞模拟的方法。 因此，对超越三号燃料电池轿车进行安全性分析以进一步完善燃料电池轿车 的开发研制，并尽快实现产业化，促进我国汽车工业实现跨越式发展具有深刻又 重大的实际意义。 1 3 国内外研究现状及发展动态 过去，研究汽车的被动安全性一直以试验为依据，为对车型改进设计往往需 要做多次重复性试验，花费大量的人力、物力并延缓整个开发周期。与实车碰撞 试验相比，计算机仿真模拟具有费用低，开发周期短以及可重复性，不受客观条 件的限制等优点，进入9 0 年代，采用动力学方法和有限元方法的计算机碰撞仿 真计算分析法应运而生。随着计算机软、硬件的发展以及现代设计方法在产品开 发和试验中的进一步应用，由于c a e 仿真技术具有以上诸多优点，国外各大汽车 厂商和设计公司已广泛采用该项技术进行汽车的安全研究，c a e 仿真技术已成为 汽车被动安全性研究的有利工具。 国外在6 0 年代中期就开始了计算机仿真研究，在硬件设施上，由于巨型电 子计算机的出现，车辆碰撞模拟方法已经具备对复杂的碰撞现象进行高精度、快 速的计算能力。预测车辆碰撞时车身破坏特性的大规模有限元( f e m ) 的车身结 构模拟与检测碰撞时乘员受到的冲击部位和冲击力的模拟研究分别开始于本世 纪8 0 年代中后期，形成了最初的碰撞模拟技术。1 9 9 1 年如c r a y 公司开发了的 y m p 型号巨型电子计算机，这样的技术试验模拟装备提供了新车开发的c a e ( 计 算机辅助工程) 碰撞模拟方法，并取得了成效。近年来随着计算机软、硬件的发 展以及现代设计方法在产品开发、试验中进一步应用，计算机仿真技术在汽车产 品开发中的作用愈加重要。欧美国家相继推出了用于碰撞仿真的商业化软件包， 国际上在汽车被动安全性研究方面具有代表性的几个商品化软件有美国 c a d s p a rc o r p o r a t i o n 开发的c a l 3 d 软件，荷兰t n o 开发的m a d y m o 软件，美国 l i v e r n o r e 软件技术公司l s t c 开发的l s d y n a 3 d 软件，以及法国e s ! 公司的p a m 软件。 中国汽车被动安全性的研究始于8 0 年代末，当时吉林工业大学和西安公路 交通大学分别开展了道路交通事故的计算机模拟研究，建立了“刚体+ 弹塑性弹 簧”数学模型和“刚体+ 弹簧阻尼 数学模型，应用于道路交通事故的再现与分 析。天津中国汽车技术研究中心建立了更大的汽车碰撞模拟试验场，成为车辆安 全法规的官方检测站；1 9 9 4 年西安公路交通大学将有限元法应用于货车尾部护 栏耐撞性分析，并结合试验结果对计算模拟方法进行探讨；1 9 9 5 年西安公路交 2 第一章绪论 通大学研制成功汽车牵引式汽车追尾碰撞模拟试验台，在此试验台上进行了货车 尾部护栏模拟碰撞试验。 此外，吉林大学、清华大学、同济大学、上海交通大学、江苏大学、湖南大 学、北京理工大学也均做过一些有益的尝试，吉林工业大学的黄金陵教授等人对 闭口等截面薄壁直梁件正面碰撞进行了试验研究和计算机数值模拟，在掌握其建 模和碰撞计算要点的基础上，对红旗轿车含不同缓冲器的前纵梁总成，翼子板和 发动机罩进行了碰撞计算研究，在取得相关参数的前提下，对红旗轿车车身结构 的耐撞性进行了整车正面碰撞的计算机仿真模拟 北京理工大学的马永春等人对非承载车身正面碰撞的数值分析也进行了一 些有益的尝试，他们采用c a d d s 5 三维建模软件在s u n 工作站上完成了整车建模工 作，然后将建立好的轿车车身模型输入到a n s y s l s d y n a 软件的前处理器中进行 修改和网格划分，最后利用l s d y n a 解算器进行分析计算，模拟该轿车与刚性墙 碰撞时整车变形，等效应力分布，车体纵向减速度时间历程等 清华大学黄世霖教授等于1 9 9 1 年最早建立了汽车碰撞台车试验台，开展汽 车被动安全性的研究。1 9 9 1 年清华大学旭光先生将多刚体动力学应用于碰撞事 故中人体的运动模拟，研究安全带对人体的保护作用，建立了二维乘员座椅 模型。 江苏大学的刘星荣等人参照美国联邦机动车安全法规f 州s s 2 0 8 及国标 g b t 1 1 5 5 1 - 8 9 d 的要求，对某小型客车的正面碰撞进行了计算机仿真模拟，给出 了该车的变形，速度，减速度及吸能特性一时间历程曲线，评价了该车的耐撞性能， 模拟了改善该车碰撞性能的一些结构改动措施的效果 吉林大学汽车工程学院林逸等人从1 9 8 4 年起，将多刚体系统动力学中的r - w 方法应用于到整车动力学分析和人体模型的建立中，并将其应用于汽车碰撞事故 中的乘员运动学和动力学响应的研究中，还率先在国内引进荷兰t n o ( 国家技术 研究院) 开发的m a d y m o 软件，法国e s i 公司开发的p a m - c r a s h 软件和美国利维莫 尔软件技术公司开发的l s - d y n a 软件用于碰撞的模拟分析，该学院还和长春汽车 研究所合作利用美国m s c 公司的d y t r a n 软件，建立小红旗车的白车身有限元模 型，结合试验对其抗撞性进行了改进研究。 上海交通大学的林忠钦教授自1 9 8 3 年来主要从事薄板和薄壳弹塑性稳定性 理论的研究以及薄板冲压成型理论研究，金先龙教授等基于上海交通大学高性能 计算中心，主要从事汽车碰撞安全性的数值模拟试验以及汽车碰撞事故在超级计 算机上的虚拟再现等方面的研究。 湖南大学的钟志华教授从2 0 世纪9 0 年代就开始了汽车碰撞的研究，1 9 9 3 年钟志华教授等探讨了汽车碰撞分析中摩接力的计算方法，提出防御节点法，并 第一章绪论 用拉格朗日乘子来表征粘滞状态，用显式算法进行动力学分析并对轿车前部的碰 撞吸能部件和前纵梁单独进行了碰撞研究，模拟了细部弱化，局部加强以及板厚 加强等措施对前纵梁及其他部件的变形和吸能性的影响其领导的课题组研究的 “薄板冲压工艺与模具设计理论、计算方法和关键技术及在车身制造中的应用 项目荣获2 0 0 2 年国家科技进步一等奖，开发了国内第一套在超级计算机上运行 的汽车车身冲压成型仿真软件和汽车碰撞仿真软件，已经在上海超级计算中心运 行，并为上汽集团的有关企业解决生产中的技术难题。 1 9 9 8 年同济大学结合桑塔纳2 0 0 0 型轿车的改进设计工作，建立了一系列车 型的有限元模型，深入研究了单元质量、焊点的模拟方法、沙漏的控制方法、计 算步长的确定，以及运动机构的响应对碰撞模拟计算精度的影响，将我国在这一 领域中的研究推向了一个新高度。2 0 0 3 - 2 0 0 4 年同济大学统一车身耐撞性有限元 计算分析与乘员在约束系统作用下的运动响应的多体动力学分析，建立一个集车 辆、人体模型及乘员约束系统三者于一体的汽车模型，采用整车虚拟碰撞试验法 分别对燃料电池汽车超越一号、超越二号的正面碰撞安全性进行了研究。 1 4 主要研究内容及技术路线 本课题主要研究的是超越三号燃料电池轿车正面碰撞的安全性分析，首先利 用h y p e r m e s h 软件建立超越三号燃料电池轿车的整车有限元模型；在整车模型的 基础上置入乘员及约束系统的模型；根据所要研究的带假人及约束系统的正面碰 撞的初始条件建立虚拟的碰撞场；借助于p a m 软件采用动力学和有限元的方法建 立超越三号燃料电池轿车的集车辆、人体模型及乘员约束系统于一体的整车计算 模型；进行模拟仿真计算，从车身结构的耐撞性以及乘员的运动响应两个方面分 析超越三号车身结构对乘员的保护效果。 本课题采用的研究研究方法为有限元结构分析法，首先采用h y p e r - m e s h 软 件对已有的c a d 模型进行几何处理，忽略对模拟分析影响很小的细节特征，建立 燃料电池动力系统的有限元模型，置入桑3 0 0 0 模型，然后在p a m c r a s h 软件中定 义各种初始条件、试验场，建立完善的带乘员及约束系统的正面碰撞计算模型， 最后进行模拟计算，分析车身结构的耐撞性以及乘员伤情指数。 具体技术路线及实施方案： 1 熟悉国内外有关汽车被动安全性研究的技术状况和发展趋势，确定研究 重点为超越三号在结构、轻量化方面的改进可能对整车安全性能的影响。 2 熟悉燃料电池系统布局，应用h y p e r m e s h 软件建立超越三号燃料电池系 4 第一章绪论 统各零部件及车架的有限元模型 3 将燃料电池轿车动力系统零部件及其连接件、加强件、车架等零部件的 有限元模型导入已经通过验证的原型车白车身c a e 模型中，进行连接， 建立起超越三号燃料电池轿车的c a e 模型。 4 在p a m g e n e r i s 中完成整个计算模型的定义，建立带乘员及约束系统的 超越三号燃料电池轿车正面碰撞有限元计算模型 5 运用p a m - c r a s h 对带乘员及约束系统的超越三号燃料电池轿车正面碰撞 有限元模型进行模拟计算。 6 用p a m - v i e w 进行后处理分析，根据计算结果，分析超越三号的车身结构 的耐撞性。 7 根据计算结果，分析燃料电池轿车的乘员安全性。 第二章正面碰撞安全性简介 第二章正面碰撞安全性简介 汽车安全性分为“主动安全性”和“被动安全性”。所谓“主动安全性”，也 称为事故预防性能，是指汽车能够识别潜在的危险因素自动减速，或者当突发因 素作用时，能够在驾驶员的操纵下避免发生碰撞事故的性能，包括可靠性、环境 视见性、操纵稳定性和加速制动性。而“被动安全性 则是指汽车发生不可避免 的交通事故时，能够对车内乘员或车外行人进行有效保护，以免发生伤害或使伤 害减低到最低程度的性能。根据目前的汽车技术和事故统计，交通事故的发生在 今后很长一段时间内仍不可避免。因此，汽车被动安全性技术仍是保护汽车乘员 及行人安全的主要对策，是汽车安全性领域研究的重要内容。按照交通事故中汽 车的碰撞形式可将碰撞事故分为正面碰撞、侧面碰撞、追尾和翻滚。2 0 0 4 年全 国共发生机动车碰撞事故4 0 0 3 8 9 起，造成7 7 0 81 人死亡、3 7 5 6 2 0 人受伤，分别 占总数的7 7 3 、7 2 和7 8 1 。其中正面相撞事故1 2 3 5 7 7 起，造成3 1 7 1 5 人死亡、1 2 8 4 4 7 人受伤，分别占总数的2 3 9 、2 9 6 和2 6 7 ；侧面相撞事 故1 9 6 7 9 8 起，造成2 9 9 0 0 人死亡、1 8 6 6 8 3 人受伤，分别占总数的3 8 、2 7 9 和3 8 8 ：追尾相撞事故8 0 0 1 4 起，造成1 5 4 6 6 人死亡、6 0 4 9 0 人受伤，分别 占总数的1 5 5 、1 4 4 和1 2 6 ，正面碰撞无论从事故数量还是受伤死亡人 数上，都占了很大的比例，因此研究车辆的正面碰撞安全特性对降低乘员的伤害 非常重要。 汽车的被动安全性研究在国外始于6 0 年代。许多发达的工业国家都建立了 严格的汽车安全法规和标准。一些实力雄厚的汽车制造厂商为提高自身的市场竞 争力，采用比普通的汽车安全法规更严格的标准。开展汽车被动安全性研究和贯 彻安全法规使得这些国家的汽车事故中的死亡人数明显减少，这说明被动安全性 研究在降低人员伤害方面是很重要的。 研究汽车安全性的最可靠的方法是进行实车碰撞试验，但是实车碰撞试验要 在样车试制出来后才能进行，且碰撞试验是破坏性的，这就导致试验费用昂贵并 且周期长，不利于快速地发现和解决问题。而运用计算机模拟碰撞，可以节约试 验费用，缩短开发周期，并能够方便地进行许多在现实中很难完成的试验模拟和 事故再现。达到工程设计精度要求的计算机仿真在车辆开发改进过程中，可以相 对方便快捷的发现车辆设计中的不足，或对设计方案作出初步的验证分析，为后 期开发提供了大量有价值的数据和参照。 第二章正面碰撞安全性简介 2 1 汽车前碰的研究分析方法 下面就汽车对汽车的正面碰撞进行分析，说明两车碰撞后的基本运动情况以 及两车碰撞与单车对墙碰撞之间的关系。 汽车正面碰撞是属于发生在汽车纵轴上的碰撞事故，因此一般作为一维碰撞 处理。汽车碰撞时，由于减速度很大( 通常是重力加速度的数十倍) ，相比之下， 汽车的滚动阻力，空气阻力、牵引力和制动力等远远小于汽车减速惯性力，因而 可以把它们忽略不计，将这些外力略去后，就可以把相互作用的汽车与物体( 或 汽车与汽车) 看作一个封闭的不受第三者的外力干扰的系统。在该系统中，动量 是守恒的。 重量m l 、m 2 的两车在速度v l l 、v 2 l 下碰撞，设碰撞后的速度为v 1 2 、v z z ，则 得 m l v l l + m 2 v 2 l = m 1 1 ，1 2 + m 2 v 2 2 ( 2 。1 ) 设在碰撞过程中两车速度达到相等时的速度为，则 m l v “+ m 2 v 2 1 = ( 聊l + m 2 ) 1 ，。 ( 2 2 ) 设两车在碰撞中达到速度k 的速度变化为，则 v o 。：v 1 1 - - 1 j e ：土( 1 ，。l v ：。) 所1 + m ， 1 ( 2 3 ) ：v 。一v ：。：上( v 。，一v 2 1 ) m 、十m 2 车身的变形量取决于这一速度变化卜，因此可作为表示碰撞程度的尺 度。把它定义为实效碰撞速度。 相同型号的汽车在速度相等的情况下正面碰撞时，由于m 。= m ：，v 。，= 一v ：。， 故实效碰撞速度为 v o l = r 0 2 = v l l ( 2 4 ) 以v ，的速度与固定壁障碰撞时，由于m 2 = ，v ：l = 0 ， 故 v o l = v l i ( 2 5 ) 因而，相同型号的汽车在速度相等的情况下的正面碰撞，其实效碰撞速度与 同一速度下的对壁碰撞是相同的，故其损害程度也是一样的。 这样，引入实效碰撞速度这一概念，就可把正面碰撞与对壁碰撞作为同一现 第二章正面碰撞安全性简介 象处理。有时也把这个实效碰撞速度称为壁障换算碰撞速度。 实效碰撞速度与各种车辆的碰撞前的绝对速度无关，仅仅取决于相对速度和 重量比。因而两辆汽车正面碰撞时，轻车与重车相比，其实效碰撞速度大，损害 程度也大。 设碰撞时的冲抗系数e 为 p ：坠! ! 互( 2 6 ) v l l v 2 i 冲抗系数因实效碰撞速度而异，它的关系也要用试验求得。 实效碰撞速度为3 0 k m h 左右的碰撞，o 为o 2 左右；高速碰撞时e 几乎为 零，近似于塑性碰撞。仅仅保险杠接触那样的低速碰撞时，e 接近于1 。 碰撞过程中车辆的变形与碰撞同时增大，至最大变形后，又发生一部分弹性 恢复。碰撞终了时的塑性变形量和碰撞中的最大变形量都与实效碰撞速度成正 比。 汽车碰撞的计算机仿真模拟可分为集中参数模拟( l u m p e dp a r a m e t e r m o d e l i n g ) 和有限元模拟( f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n g ) 两种。前者采用简单的模型， 对车身变形做出基本预测；后者采用复杂的模型，对车身变形做出精确预测。 1 ) 集中参数模拟方法 早期的模拟碰撞，由于计算机技术对有限元分析方法应用的限制，因此大量 采用集中参数模拟方法( l p ) ，它采用简单的弹簧、质量块、阻尼器，将汽车简 化成一个集中的弹簧一质量系统。这种模型可以用于建立正面碰撞中汽车结构的 简单模型，用于新车概念设计阶段及参数识别、性能优化等工作。 6 0 年代末k a m a l 首先将集中参数模型应用于模拟“汽车一障碍壁”的碰撞 过程，其模型采用已知条件，如质量、几何尺寸等参数，利用非线性弹簧代表汽 车结构在变形过程中的吸能元件，并使其具有与所代表的实际元件相同的非线性 “力一位移 特性，这些特性由静压试验获得，然后由动态系数修正为动态特性， 从而构造出碰撞的数学模型。根据碰撞的实际条件，给模型输入一系列变量，如 碰撞速度、碰撞角度等，通过计算机对数学模型的计算，可输出汽车碰撞的运动 学和动力学数据。 k a m a l 把前置发动机、后轮驱动的小客车简化成一个由3 个集中质量和8 个 非线性抗力组成的三自由度系统，如图2 1 。 第二章正面碰撞安全性简介 图2 ik a m a l 离散弹簧一质量模型 2 ) 有限元模拟方法 有限元分析问题的思路是从结构矩阵分析推广而来的。起源于5 0 年代的杆 系结构矩阵分析，是把每一个杆件作为一个单元，整个结构就看成是由有限个单 元( 杆件) 连接而成的集合体。分析每个单元的力学特性，再组集起来就能建立 整体结构的力学方程式，然后利用计算机求解。与传统的计算方法比较，有限元 法有如下特点： 有限元方法的基本思想是“离散化 。有限元法将被分析的对象，例如将一 个弹性体或一个机械结构视为由有限个单元构成，这些单元之间仅在节点处互相 连接，形成结构模型。对不同的单元分别假设不同的内部位移模式，并用节点位 移来描述。这样，我们只要对构成分析对象的节点位移求解，就可以求得单元的 变形和应力，而不必对弹性体的无限域求解。在同一有限元计算模型中，应尽量 避免出现刚度过分悬殊的单元，包括刚度很大的边界元、相邻单元相差很大等； 同时采用较密的网格划分，注意以较好的单元形态进行计算( 尽量采用接近等边 三角形或正方形单元等) 等措施可减小离散带来的误差。 传统的力学方法是用数学方法对解析方程求近似解，而有限元方法则是对计 算对象做物理上的近似( 解方程离散化) 。有限元理论证明：当单元足够小、网 格划分的足够细密时，这个由近似所产生的误差随网格细化而收敛于零。这就是 说，在工程计算时，只要网格足够细密，计算精度是可以保证的。 有限元法不仅适应于复杂的几何形状和边界条件，而且能够处理各种复杂的 材料性质问题，例如材料的各向异性，非线性，随时间或温度而变化的材料性质 问题。另外它还可解决非均质连续介质的问题。 有限元方法必须求解一个大型代数方程组，这个方法组可能有数千个未知 数，用人工求解，几乎是不可能的。也就是说，只能用大中型电子计算机才能计 算。这也说明了有限元方法为什么是随着电子计算机而发展的原因。 9 第二章正面碰撞安全性简介 2 2 正面碰撞法规及乘员保护的强制性法规 研究发展汽车被动安全性能的最终目的是在事故发生时，最大限度的减少人 员( 乘员和行人) 的伤害。碰撞中人员受到伤害有如下情况：a ) 碰撞时汽车结 构变形直接对乘员造成伤害：b ) 碰撞时乘员与车内结构发生二次碰撞造成的伤 害；c ) 碰撞时以及碰撞后乘员身体部分超出车外，受到伤害；d ) 碰撞后燃油起 火，引起对乘员的伤害；e ) 发生行人碰撞时，保险杠对行人腿部造成的伤害；f ) 发生行人碰撞时，发动机盖对行人头部造成的伤害。因此，汽车被动安全性法规 就以上这几个方面制订标准。 以目前汽车被动安全性法规的体系来说，目前，汽车被动安全性法规有两大 体系：美国联邦机动车安全标准( f m s s ) 和欧洲经济委员会标准( e c e ) 、欧洲 经济共同体( e e c ) 。这两种法规都规定为验证车辆安全措施的有效性，对新开 发的汽车都必须进行试验样车的碰撞试验和乘员保护装置的冲击试验，并且，上 述两个机构都制订了相应的试验方法和评价标准。 2 2 1 现行的正面碰撞试验法规 美国是最早颁布汽车碰撞安全性法规的国家。它于1 9 6 8 年制定颁布了f m v s s 2 0 8 ，即联邦机动车安全法规乘员碰撞保护条款。该法规要求车辆以3 0 m p h ( 4 8 3 k m h ) 的速度撞击刚性固定壁障。车辆纵轴线和壁障法向夹角左右3 0 。的 范围内均满足乘员保护标准。具体一般进行下列2 种碰撞试验： ( 1 ) 车辆纵轴线与壁障表面垂直。 ( 2 ) 车辆横截面与壁障表面成3 0 。角，其中分为汽车左侧先与壁障接触和 汽车右侧先与壁障接触。 1 0 第二章正面碰撞安全性简介 具体试验条件如表2 1 。 表2 1f m v s s2 0 8 ( 2 0 0 0 版) 法规条款 法规号f m v s s2 0 8 法规名乘员的碰撞保护 适用范围m 1 类机动车 一一一髫 f _ 占p 或& 如，以避免在大应变和大变形力区域产生拉链效应”。 上述特性可以直观地采用时间步长来控制那些步长小于t l i m 的单元，在 p a m c r a s h 中控制时间步长的最佳方法是指定时间步长控制参数和采用稳定时 间步长为常量。 3 3 显式算法 下面以如图3 1 2 所示的单自由度线性弹簧质量系统来解释显式时间积分原 理。 卜八m a 协 kmf 。 图3 1 2 线性弹簧质量系统 该单自由度系统的运动方程是： m d 2 x d t 2 + k x = f( 3 17 ) 显式算法是沿时间轴t 来离散各个物理量，如图3 1 3 ，速度是在半时间间 隔t l l 加，t n + l 2 上离散的，位移和加速度是在整时间间隔k 。，t n ，o - 上离散的， n 是时间增长的序号。 速度 位移 加速度 t n i 2t n + i 2 1 l i 图3 1 3 位移、速度、加速度在时间轴上的离散 考虑在时间t n 时的方程： 已知量有 未知量为 m d 2 x n d t 2 以高 在时间k 时的位移 x n 在时间k i ，2 时的速度d 稀l 删t 在时间t n 时的外载 在时间0 l 时的位移k l 在时间o l ，2 时的速度d x o l 2 d t 在时间t n 时的加速度d 2 x d d t 2 这样就可算出时间t n 时的加速度 时间t ( 3 1 8 ) 第三章相关数值模拟理论及p a m c r a s h 中的算法 d 2 x d t 2 = ( 矗一k x n ) m ( 3 。1 9 ) 接着用中心差分法计算在t 川以时的速度及t 州时的位移 d x + l 陀d t = d x 1 偿，d t + d z x d d t 2a t ( 3 2 0 ) x n + 1 = x n + d x n + l r 2 d ta t n + l 2 ( 3 2 1 ) 式中：t n - - - t n + 1 2 - t n v 2 ，a h + l 2 气+ 1 - t n 该算法的优点是只有质量m 做为除数。在多自由度系统中，只有质量矩阵m 需求逆阵。如果m 是对角阵，那它的逆阵是很容易计算的。 该算法的缺点是为保证计算收敛，时间步长t 有上限，就是 a t 07 l e n g t h 2 0 07 c50 对四边形巾元4 5o 单元角度1 3 90对四边形单元4 50 c 竹元角度c 1 3 50 对三角形竹元3 00 ( 竹元伯度 1 0 00对三角形啦元 3 00 c 啦尢角度 1 0 0 0 燃料电池轿牟车身有限元模型网格质量的检查和修改严格参照表格42 “网 格质量控制原则”进行。 农43 燃料l 乜池动力系统零部什及车架、连接件有限元模型单元数讨统计表 二角形竹元数量占 四边形单元个数三角影单元个数 啦元总数的比值 燃料电池动力系统零部件及其 车蜒、连接件有限元摸型 2 2 9 2 3 65 7 0 5 2 4 燃料电池动力系统零部件及其车架、连接件模型较为规则，从表43 中n r 知， 新增燃料电池动力系统零部件及其中架、连接件有限元模型中。三角形单元数最 仅占单元总数的2 4 ，远低于控制目标值1 0 ，因此从单元质量方面来说，本论 文中燃料电池轿车动力系统有限元模型可以保证所需要的模拟计算精度。 4 3 燃料电池轿车动力系统及其与车身连接 燃料电池轿车的总布置方案来自总布置设计师，但有些零部件的连接术做详 细明示。本论立仅根掘