（机械制造及其自动化专业论文）汽车前门防撞梁结构优化设计.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着我国汽车工业的发展以及汽车保有量的增加，汽车在各种交通状况 下发生的碰撞事故也呈上升趋势。其中侧面碰撞是发生频率最高的交通事故 之一，也是造成人员伤亡最多的交通事故形态之一。汽车侧面是车门，强度 较为薄弱。因此对车门内部的防撞梁进行优化设计，提高车门刚度，进而提 高汽车侧面碰撞安全性，对提高乘员的安全防护和改善道路交通安全有着非 常重要的意义。 基于此，本文采用有限元仿真的方法，对汽车前门防撞梁进行优化设计。 并将优化后的防撞梁导入车门模型进行验证。 首先根据美国联邦机动车安全法规侧门强度试验( f m v s s2 1 4 ) 要求， 建立简化的车门防撞梁与刚性柱碰撞模型。在保证防撞梁总质量恒定的情况 下，改变其截面形状来提高梁的耐碰撞性能。提出了方形、u 形和双u 形三 种截面形状，通过改变梁壁倾斜角度、帽沿长度及帽沿形状等方法对其进行 结构优化。比较防撞梁耐碰撞性能评价参数( 1 5 2 m m 纵向位移时吸收的能量 及撞击力峰值) ，得出上述截面形状防撞梁中的最优结构。 建立汽车前门与刚性柱碰撞有限元模型。在车门模型外侧增加了一个刚 性框架系统，在简化模型的同时又可以很好的拟合实际情况中车辆整体与刚 性柱发生的侧面碰撞，为车门侧面碰撞的模型简化提供了一种新的思路。 计算求解后对车门模型进行耐撞性分析，将优化后的防撞梁导入车门模 型，与安装原防撞梁车门进行比较分析，发现优化后防撞梁较原防撞梁耐撞 性能有不同程度提高，且优化后的防撞梁之间耐碰撞性能对比结果与简化模 型分析结果二致，从而验证了优化方案及简化模型的合理性和可靠性。 对汽车前门防撞梁进行截面优化设计，在一定范围内得到一种最优结构 防撞梁，提高了汽车前门乃至整车侧面的耐碰撞性能。此外得到的最优截面 形状具有通用性，可广泛应用于各种车型的车门防撞梁。 关键词：防撞梁；侧面碰撞；截面形状；有限元法 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n aa u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dt h ei n c r e a s i n g n u m b e ro fa u t o m o b i l e ，t h et r e n do fi m p a c ta c c i d e n t sc a u s e db ya u t o m o b i l ei na l l k i n d so ft r a f f i cs t a t u si sr a i s i n g a n dt h es i d ei m p a c ti so n eo ft h em o s tf r e q u e n t t r a f f i ca c c i d e n t ，w h i c hi sa l s oo n eo ft h ea c c i d e n tt h a tc a u s et h em o s tc a s u a l t y t h e s i d eo fa u t o m o b i l ei sw e a kb e c a u s ei t ss i d ei sd o o r s ot h es i d e - d o o ri m p a c tb e a m i so p t i m i z e d ，w h i c hc a l li m p r o v es t i f f n e s so ft h ed o o r , e n h a n c et h es a f e t yo fs i d e i m p a c to f c a r a n da l s oc a r lp r o t e c tt h eo c c u p i e r sa n di m p r o v et h es a f e t yo ft r a f f i c t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di sa p p l i e dt oo p t i m i z et h es i d e - d o o ri m p a c tb e a m o ft h ec a l sf r o n td o o r a n dv a l i d a t ei tb yp u t t i n gt h eo p t i m i z e db e a mi n t ot h e f r o n td o o rm o d e l f i r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ef e d e r a lm o t o rv e h i c l es a f e t y s t a n d a r d si n t e n s i t yt e s to fs i d ed o o r ( f m v s s 2 14 ) ，t h es i m p l em o d e lt h a tt h e s i d e - d o o ri m p a c tb e a mi m p a c t i n gw i t ht h er i g i dp o l ei ss e tu p k e e p i n gt h em a s s o fb e a mu n c h a n g e a b l e ，i t sc r a s h w o r t h i n e s si si m p r o v e db yc h a n g i n gt h es h a p eo f t h ec r o s s s e c t i o n p u tu pt h r e es h a p e so ft h es e c t i o n ：s q u a r e n e s s ，us h a p e ，d o u b l e us h a p e ，t h ec r o s s s e c t i o ni so p t i m i z e db yc h a n g i n gt h es l a n t w i s ea n g l eo ft h e w a l l ，t h el e n g t ho ft h es u n s h a d ea n dt h es h a p eo ft h es u n s h a d e b yc o m p a r i n g w i t ht h ee v a l u a t i n gp a r a m e t e r so ft h eb e a m sc r a s h w o r t h yc a p a c i t y ( t h ea b s o r b i n g e n e r g ya t 15 2 m md i s p l a c e m e n ta n dt h ep e a kv a l u eo ft h ei m p a c t i n gf o r c e ) ，t h e b e s to n ei sg o a e nf r o ma b o v e t h e n ，t h em o d e lo ft h ec a rf r o n td o o ri m p a c t i n gw i t hr i g i dp o l ei sb u i l d e d o u to ft h ed o o rm o d e l ，o n er i g i df r a m es y s t e mi sa d d e d ，w h i c hc a l ls i m p l i f yt h e m o d e l ，a tt h es a m et i m e ，t h ew h o l ec a ri m p a c t i n g 埘mr i g i dp o l ei nr e a lc o n d i t i o n c a l lb es i m u l a t e dw e l lb yu s i n gt h es y s t e m w h i c ho f f e ran e wi d e at ot h e s i m p l i f i n gm o d e lt h a tc a rd o o rs i d ei m p a c t i n gw i t ho t h e r s a f t e rc a c u l a t i n g ，t h ec r a s h w o r t h ya n a l y s i st ot h ed o o ri sc a r r i e dt h r o u g h ，a n d t h eb e a m so p t i m i z e da l ep u ti n t ot h ed o o rm o d e l ，b yc o m p a r i n gw i t ht h ed o o r 堕签鎏三堡奎堂堡堂垡堡奎 f i x i n gt h ep r i m a r yb e a m ，t h ec r a s h w o r t h i n e s so ft h es t n i c n l r e sa f t e ro p t i m i z e da r e i m p r o v e dm o r eo rl e s s ，a n dt h e c o n t r a s t i v ec r a s h w o r t h i n e s sr e s u l to ft h e o p t i m i z e db e a m si sc o n s i s t e n tw i t l lt h er e s u l tg o t t e nf r o mt h es i m p l i f i e dm o d e l s o t h er a t i o n a l i t yo ft h eo p t i m i z i n gm e t h o da n dt h es i m p l i f i e dm o d e li sv a l i d a t e d ，n l ec r a s h w o r t h i n e s so ft h ef r o n td o o r a n dt h ew h o l ec a r ss i d ec a l lb e i m p r o v e db yo p t i m i z i n gt h es i d e d o o ri m p a c tb e a ma n df i n d i n gt h eb e s ts t r u c t u r e i nc e r t a i nr a n g e i na d d i t i o n ，t h eb e s tc r o s s s e c t i o ng o t t e nf r o mt h es i m u l a t i o n si s m o r eu n i v e r s a l ，a n dc a nb ee x t e n s i v e l yu s e di na n ys i d e - d o o ri m p a c tb e a mo f v a r i o u sa u t o m o b i l e s k e y w o r d s ：s i d e d o o ri m p a c tb e a m ；s i d ei m p a c t ；t h es h a p eo ft h es e c t i o n ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：互夺佯 日期： 矽口夕年月罗日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 母在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：孤俦 日期：7 争口夕年罗月罗日 导师( 签字) ：互形驭 纱夕年多月罗e l 堕查兰三堡奎兰至圭茎堡篁三 第1 章绪论 1 1 汽车前门防撞梁研究的背景和意义 汽车碰撞安全性是汽车最为重要的一项整车性能指标，人们一直致力于 汽车安全性的研究和安全技术的开发。随着我国汽车工业的发展以及汽车 保有量的增加，交通事故也呈上升趋势。汽车在各种交通状况下发生的碰撞 事故，归纳起来有以下几种形态：正面碰撞、侧面碰撞、追尾、翻滚等。统 计数据显示，在交通事故中，因侧面撞击引发的事故比例居于第一位，其比 例大约占到总量的3 2 左右( 如图1 1 所示) ，其次才是正面碰撞。根据有关 资料显示，1 9 8 0 年美国的车祸死亡者中有3 1 是死于侧面碰撞事故，而2 0 0 1 年这一数字已经上升到5 1 j 。据中华人民共和国道路交通事故统计资料 汇编中的有关数据显示，在我国所发生的交通事故中，侧面碰撞占3 2 ， 高于所有其他交通事故形态，是发生频率最高的交通事故。而在交通事故所 造成的人员伤亡中，侧面碰撞所造成的人员伤亡人数占总伤亡人数的 3 0 i ，也是造成人员伤亡最多的交通事故形态m 。因此，汽车侧面碰撞安全 性的研究是汽车被动安全性研究的一项重要内容，并为世界各国汽车制造厂 家和汽车研究机构所关注。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 汽车侧面是车体中强度较薄弱的部位，对于在汽车中占比例最大的轿车， 因其侧面是车门，强度更为薄弱【4 】。对于轿车的侧部，一旦受到来自侧面的 撞击，不可能像前部及后部那样，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车门2 0 3 0 厘米的距离，因而侧面 碰撞对乘员的伤害比其它类型碰撞造成的乘员伤害更为严重( s 】。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，导致车门框变形使 车门不能开启，影响乘员离开危险地带及对乘员的救援t e 】。因此与正面、后 部碰撞相比，侧面碰撞对乘员造成的伤害更大。侧面碰撞安全性已成为被动 安全领域研究的一个非常重要的方面。为了提高汽车的安全性能，不少汽车 公司就在汽车侧门夹层中间放置一两根非常坚固的钢梁，这就是常说的侧门 防撞梁。防撞梁的防撞作用是：当侧门受到撞击时，坚固的防撞梁能大大减 轻侧门的变形程度，从而能减少汽车撞击对车内乘员的伤害。因此，对防撞 梁进行结构优化，提高车门刚度，进而提高汽车侧面碰撞安全性，对提高乘 员的安全防护和改善道路交通安全有着非常重要的意义。 1 2 汽车侧面碰撞国内外研究现状 1 。2 1 国外研究现状 发达国家早在3 0 年代就开始进行汽车碰撞研究，早期的汽车碰撞研究主 要是进行各种条件下的碰撞试验，包括实车碰撞和模拟碰撞试验。8 0 年代开 始进行基于有限元理论的c a e 仿真分析。自1 9 8 6 年l s d y n a 首次成功地 模拟了整车大变形后，基于动态显式非线性有限元技术的计算机仿真方法在 国外开始得到广泛使用，可以很好的用于预测汽车的耐撞性能【7 】。侧面碰撞 情况在各国都很普遍，国外侧碰的研究主要集中在车辆侧面结构吸能特性【8 】 及人体响应方面【9 】。8 0 年代末开始进行碰撞的仿真和试验研究吣n 1 。新型复合 材料 t 4 l 和结构优化( 1 5 l 广泛应用于侧碰事故中的乘员保护。 s e o n gs i kc h e o n 等提出了如图1 2 所示的5 种防撞梁的截面形状，通过试 验和a b a q u s 有限元仿真分析，得出中间装有加强肋的方形截面( d ) 为最 优截面【1 6 】。 2 ( a )( b )c o )( d )( e ) 图1 2 防撞粱的不同截面形状 tz e g u e r 运用有限元软件l s - d y n a 进行了侧碰气囊的开发，此种方法 已被j a g u a r 汽车公司用于实际的侧面气囊的研发。 se r z e n , zr e n 和ia n z e l 从汽车轻量化的角度出发，在汽- v - m 面防撞粱 上，用玻璃纤维增强塑料代替普通的钢铁材料。通过有限元计算分析，发现 在相同受力情况下的吸能增加了，最重要的是降低了1 0 的重量，达到了最 初的目的。 y - e n a h m 等提出一种新的以空间为基础的设计方法，对圆柱形车门防 撞粱的外径( d ) 和厚度( t ) 进行优化研究，如图1 3 所示。研究表明：当 外径在2 7 7 5 m m 和2 9 0 0 r a m 之间，厚度在1 8 0 r a m 和1 9 5 r a m 之间时，防撞 梁在满足设计要求的前提下重量最轻嗍。 圈13 车门防捶粱的设计 b y r o n b l o e h 提出五点关于增加车辆侧面耐撞性和保护侧面碰撞中乘员 的安全性建议，包括：使用实心刚性泡沫材料来加强车身的刚度与强度，内 饰使用能吸能的空心材料及使用侧面安全气囊 2 0 l 。 除了在侧面结构改进方面，国外学者还对于侧面碰撞发生时，侧围结构 的吸能特性口t 闫，特殊材料的使用上都有一定的研究2 4 1 。 3 哈尔滨工程大学硕十学位论文 m i c h a e lw m o n k 等人对用于侧面碰撞的缓冲材料的特性进行了研究，从 减小乘员损伤角度定性地分析了材料所应该具备的特性t 2 s l 。 除了对于车辆本身的研究，国外学者的研究还扩展到用于侧面碰撞试验 的假人【酬。另外对于侧面碰撞有限元模型1 3 0 , 3 i i 和侧面碰撞发生时假人表现出 的特性d 2 3 ：3 1 国外学者都做了很细致的研究。 1 2 2 国内研究现状 我国在汽车被动安全性方面的研究工作起步也比较晚，到八十年代末期 才开始开展这方面的研究工作。目前国内具有从事汽车碰撞试验能力的实验 室有：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和上 海汽车检测所。随着我国汽车侧面碰撞的乘员保护g b 2 0 0 7 1 2 0 0 6 t 3 4 哟实 施，汽车侧面碰撞试验已列入汽车强检项目。 我国对于侧面碰撞的研究起步也比较晚，在综合国外的研究成果的基础 上，先从国外的法规和试验入手，以此了解国外对于侧面碰撞的研究进展情 况，并逐渐出现了关于侧面碰撞的文献。 王晓峰等人利用加装防撞横梁和改进横梁材料的方法对车门进行改进。 在车门中加装防撞杆可以有效提高车门侧面碰撞性能，将防撞杆的材料由普 通钢改为高强钢，可进一步提高车门抗撞性，为今后开展汽车的侧面碰撞研 究提供了借鉴方法【3 5 】。 侯飞等人基于l s d y n a 计算机软件的模拟技术，研究了3 种侧门防撞 杆布置方式对某车型的f m v s s 2 1 4 性能的影响，并提出了适于该车型的侧门 防撞杆优化设计方案，但并没有对防撞梁的结构进行优化设讲，”7 l 。 吴毅等人针对国内某s u v 车型，按照欧洲侧面碰撞法规e c e r 9 5 进行侧 面碰撞模拟仿真，从碰撞变形、碰撞吸能以及关键点的加速度值进行分析、 评价，对防撞杆进行结构优化研究，将原车门中的圆柱形防撞杆改为板状的 防撞板，通过结构优化程序，得到如图1 4 所示防撞板结构，经后处理分析， 改进后前门防撞板吸能达到了1 7 1 k j ，比原来防撞杆的1 6 1 k j 提高了1 0 k j 。验 证了发生碰撞时优化后的防撞杆明显优于改进前的结构，提高了车辆的侧面 耐撞性能以及驾乘人员的安全性。但是并未针对防撞板作进一步的优化【，。1 。 4 堕玺堡三堡奎兰堡圭差堡兰圣 图1 4 结构优化圈 陈晓东等人通过对奇瑞某车型的侧撞试验与有限元仿真对比，认为有限 元对侧撞的仿真程度可以达到工程应用的要求p q 。 黄虎、常健等人介绍了轿车侧面碰撞的特点和国内外汽车侧面碰撞试验 法规，对有关汽车碰撞安全性研究的发展动态及研究方法等进行了探讨。 游国忠等人模拟分析了车门结构的侧面抗撞性能，得出结论：车门防撞 杆截面形状和材料特性将会对车门结构产生刚度的影响；车门内增设吸能泡 沫能够吸收侧面撞击时很大的能量；车门内饰件材料和形状直接影响侧面碰 撞中能量的吸收，材料的弹性模量越大，吸能效果越好l 。在文献 4 2 】中， 作者对b 柱进行了结构优化，提出b 柱的有限元模型边界约束条件的确定必 须阻整车仿真数据为基础，优化中正确地设定对b 柱有较大影响的边界条件 是非常重要的环节。 严昶等人将新研制的超低收缩率改性聚丙烯材料用于轿车车门防撞条， 经济效益非常显著。采用新材料还可以明显减轻产品的质量i 4 3 1 。 向晋乾等人以汽车侧面碰撞下的乘员骨盆响应为研究对象，以多刚体系 统动力学为基础，建立了用于模拟侧面碰撞的多体数值仿真模型，分析侧面 碰撞时缓冲材料特性参数和乘员与车门侧面碰撞参数对乘员骨盆响应的影响 【。 林逸等人为评价车体典型结构件的抗弯曲冲击特性结合有限元仿真分 析和实物碰撞试验的方法，对多组不同特征的零件进行了分析，总结出影响 零件抗弯曲冲击性能的主要因素，为进一步深入研究汽车侧撞时的车体结构 抗撞性奠定了基础 4 5 1 。 5 哈尔滨r t 程大学硕士学何论文 郝琪等人利用非线性动态有限元法，参照国家法规g b l 5 7 4 3 1 9 9 5 中年 1 7 倾j j 碰的相应规定，对某轿车前门进行侧面碰撞模拟分析。以h y p e r m e s h 为 前处理器，应用l s d y n a 软件，计算得到的车门侧碰时的变形、位移、速 度、加速度等特征参数。通过3 种车门结构改进方案的比较分析，对该车门 的耐碰撞性能进行了定性评价，为车门的改进设计提供了理论依据1 4 6 1 。 综上所述，在侧面碰撞分析研究方面前人己作了大量的研究工作，为后 人铺平了道路，但是在汽车前门防撞梁结构改进优化方面还可以做得更加详 尽，并加以验证。因此，在防撞梁结构优化方面还是很值得迸一步研究的。 1 3 汽车侧面碰撞的研究方法 早期的汽车侧面碰撞的研究几乎完全是依赖试验方法进行的，刚开始时 采用实车碰撞试验方法，对碰撞试验的结果进行分析研究，改进设计。随后 发展了台车碰撞模拟试验方法，这种试验方法是以实车的试验结果为基础， 确定试验条件。这类碰撞试验的成本低，可重复操作，研究周期较短t a t 。随 着计算机技术的发展，出现了计算机仿真技术。 1 实车碰撞试验法 实车碰撞试验主要用来对己开发出的成品车型进行按法规要求的试验， 以鉴定是否达到法规要求。实车碰撞试验与事故情形最为接近，是综合评价 车辆安全性能的最直接、最有效的方法。它是从乘员保护的观点出发，以交 通事故再现的方式来分析车辆碰撞前后的乘员与车辆运动状态及损伤状况， 并以此为依据改进车辆结构安全性设计，增设或改进车内外乘员保护装置。 其试验结果说服力最强，同时还可以为台车模拟碰撞试验和计算机仿真提供 试验条件和参考数据，以及有效性验证。但实车碰撞试验的准备工作复杂、 周期长、费用大、重复性差、对设备的要求很高。 2 台车碰撞试验法 台车碰撞试验是对实车碰撞试验的模拟，用一个比较坚固的台车代替汽 车，无需破坏真实汽车，在台车与刚性墙之间安装有缓冲装置，台车通过缓 冲装置与刚性墙发生碰撞，通过调整缓冲装置的力学特性使台车获得可重复 的、接近于实车碰撞的减速度波形。台车碰撞模拟试验一般在新车型开发的 早期进行，为产品开发过程的抗撞性设计提供有益的数据和检验。缺点是试 6 哈尔滨t 稃大学硕士学何论文 验中难以考虑汽车的侧围结构以及内饰件等与乘员所受载荷之间的相互关 系。 3 计算机仿真分析法 近几十年来，计算机仿真碰撞技术迅速发展。随着牛顿矢量力学、拉格 朗日分析力学、多刚( 柔) 体系统动力学、生物力学、碰撞理论、材料理论、 有限元理论、数值方法以及计算机技术水平的不断提高，汽车碰撞计算机模 拟理论和方法得到了不断发展和完善，涌现出各种用于碰撞仿真分析的商用 软件，如m a d y m o 、l s d y n a 、p a m c r a s h 等，采用显式有限元理论建 模的软件可以用来描述车身结构的抗撞性，处理异常复杂的结构大变形问题。 这些软件的模拟结果能与实车碰撞结果大致吻合，尤其是对于车身结构的改 进，可以使用这些软件和算法在短时间内对多种方案做出比较，得到满意的 方案【4 。j 。 与试验相比，计算机仿真具有以下优越性： ( 1 ) 所需周期短。计算机仿真与c a d c a m 相结合，使得新产品的被 动安全性能在产品的开发设计中就可以得到控制，减少产品开发研制周期。 ( 2 ) 所需费用低廉。由于不需大量传感器、高速摄像机、强光源、动力 驱动装置等硬件设备，同时在进行整车被动安全性仿真时，不需要进行破坏 性试验，因此可以大量节约人力和物力。 ( 3 ) 具有可重复性。由于试验过程受到很多随机因素的影响，因此研究 不同的系统参数对安全性能的影响，不易得到明确的结果，而计算机仅依赖 于其本身，所以当改变某一参数时，可以很容易的得到该参数对系统性能的 影响。 ( 4 ) 可以获得任意所需数据。计算机仿真在数据获得方面是不受限制， 只要在所关心的点上建立一个描述坐标即可。 ( 5 ) 不受时间、空间、气候等条件的限制，可以随时进行。 随着显式有限元方法的逐渐成熟，标志着汽车碰撞安全性研究进入了试 验和理论研究并重的阶段。故本研究使用有限元方法对汽车前门防撞梁进行 仿真分析。 7 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 1 4 课题主要研究内容 本课题采用有限元方法，建立汽车前门防撞梁与刚性柱碰撞有限元模型， 在对前门防撞梁耐碰撞性能进行研究的基础上对防撞梁进行结构优化设计。 并将优化后得到的防撞梁导入车门模型进行验证。具体的研究内容如下： ( 1 ) 根据美国联邦机动车安全法规侧门强度试验( f m v s s2 1 4 ) 要求， 设置单元尺寸、接触控制、求解时间步长和沙漏控制等影响有限元建模各种 参数，建立汽车前门防撞梁与刚性柱碰撞的简化有限元模型。 ( 2 ) 提出防撞梁碰撞性能的评价参数，对防撞梁进行耐撞性分析。保证 汽车前门防撞梁总质量不变的情况下，改变其截面形状对防撞梁进行结构优 化设计。提出三种截面形状：方形、u 形和双u 形，通过改变梁壁倾斜角度、 帽沿长度及帽沿形状来提高防撞梁的耐碰撞性能，从而获得上述截面中的最 优结构。 ( 3 ) 建立车门与刚性柱碰撞有限元模型，对模型进行简化，在车门模型 外侧增加了一个刚性框架系统，该框架系统可以很好的模拟实际情况中整车 与刚性柱进行的侧面碰撞。对车门进行耐撞性分析，将优化后的防撞梁导入 车门模型，通过与安装原防撞梁车门进行对比分析，评价其耐碰撞性能优劣， 从而验证优化方案及简化模型的合理性和可靠性。 8 哈尔滨r t 程大学硕士学位论文 第2 章汽车侧面碰撞有限元方法的基本理论 有限单元法是一种根据变分原理来求解数学、物理问题的数值计算方法。 有限元法的基本思想是运用离散化的概念，假想把弹性连续体分割成数目有 限的单元，并认为相邻单元之间仅在节点处相连，单元间的相互作用力也仅 由节点传递。根据物体的几何形状特征、载荷特征、边界约束特征等，选取 各种类型的单元。节点一般都在单元边界上，在此基础上对每一单元根据分 块近似的思想，假设一个简单的函数来模拟其位移分量的分布规律，即选择 单元位移模式。位移模式取决于单元的自由度和有关解的收敛性要求。再通 过虚功原理( 或变分原理及其它方法) ，求得每个单元的平衡方程，也就是 建立单元节点力与节点位移之间的关系。最后，把所有单元的这种特性关系 按照保持节点位移连续和节点力平衡的方程集合起来，就可以得到整个物体 的平衡方程组。引入边界约束条件后解此方程，就可求得节点位移，并计算 出各单元应力。 2 1 弹塑性动力学基本方程 弹塑性动力学基本方程： 1 运动方程 4 9 1 ： 由动量定理可知，对于任意体积v ( 表面为s ) ，有： 丢砚d 矿= 硝d 矿+ 工搬( 2 - 1 ) 式中：p 一当前物体的质量密度， f 一单位质量的体积力向量， 霉一面力，霉= n j ， 疗，边界外法线的三个方向余弦， 红分量i 方向的速度。 式( 2 1 ) 表明：物体的任意部分矿在任何方向上的动量变化率等于作 用在该部分物体v 上所有外力( 体力和面力) 的合力在该自由方向上的分量。 根据g r e e n 公式，恒有： 9 哈尔滨1 二程大学硕士学位论文 e 谬= 气嘞舔= 工，d v ( 2 - 2 ) 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) ，得： 罢工肼，d y = ( , j - i - p f ) d v ( 2 - 3 ) 式中：嘎，一应力张量， ，歹对独立坐标x ，求偏导数。 因为体积y 是任意的，当p d v 不因时间而变化时，式( 2 3 ) 可变为： 。，+ p f , = 砘 ( f ，歹= x ，y ，z )( 2 - 4 ) 式中：玩一分量i 方向的加速度。 式( 2 4 ) 的展开形式为： 孥+ 孕+ 孕+ 户正：以 8 l 8 v 8 z jl 鲁+ 等+ 等+ 啊= 以8 。8v 8 z y 1 7 孕+ 孕+ 孕+ m ：删： 8 x 8 v a z 一2 l 2 2 几何方程( 应变一位移关系) ： ( 2 5 ) 乃= 三( 吩+ 吩j ) ( f ，= x ，y ，z ) ( 2 6 ) 式中：勖应变张量， ，、吩，一相对位移张量。 根据式( 2 - 6 ) 可以导出应变协调方程： 姿+ 姿：c 3 2 y 秽2 堕：旦仁监+ 盟+ 盟、1 砂礅c k 砂砂瑟出l 苏砂砂 姿+ 姿：盟2 鱼= 旦r 丝+ 盟+ c a y x y a z 。 却。谚a z& o x 曲瓠o y砚) 婆+ 婆：盟2 堡= 旦r 丝0 盟+ 丝、1 撖毖出苏 礅砂龙l 融砂出 3 本构方程( 应力一应变关系) ： 1 0 ( 2 7 ) 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 ( 1 ) 弹性阶段，应力满足屈服不等式，。( ) 0 ，( f o ( ) 为屈服函数， 是六维应力空间内的一个曲面) ，在此条件下，本构关系为广义胡克定律： o u = 2 g 毛+ 五岛= 熹白+ 石i 丙e 而v 毛( f ，j f = x ，y ，z ) ( 2 - 8 ) 勺+ 五岛2f b 白+ 石i 而而毛( ，j f = x ，y ，z ) 式中：g 、五一拉梅弹性常数，g = 丽e，五= 百i 函e 两v e 一杨氏弹性模量， ，一泊松比， 8 u k r o n e c h e r 符号，i = 时磊21 ，i ，时，岛2 0 ， s 哦一唆。x y + s zo ( 2 ) 塑性阶段，应力满足屈服函数f o ( 吼，) = 0 。当一点处应力状态进入 塑性状态后，相应的总应变气可以分为两部分：弹性应变部分s 。f ，和塑性应 变部分占，l ，即：勺= g 。 ，+ g p ，其中弹性部分服从胡克定律，塑性部分为总 应变与弹性应变之差。塑性应变与加载路径有关，本质上是增量关系。 根据增量理论，在弹性阶段，应力偏量与应变偏量增量成比例，比例常 数为2 g ，即：嘞d 勺= 2 g 。在塑性阶段，对于塑性变形过程中任一微小 时间增量内，塑性应变增量与瞬时应力偏量成比例，即：d s 户可= d 2 s v 。从而， 可得到总应变增量与应力偏量的关系，即普朗特雷斯方程： 嵋= 素嘞+ d 码( f ，j = x ，y ，z ) ( 2 - 9 ) 二u 式中：一应力偏量， d 五一非负的标量比例系数。 可根据加载历史的不同而变化，d a ：婺量， z q 其中，毋是有效塑性应变增量；吼是有效应力，它们的表达式如下： 如= 孚似卅彤) 2 + ( 蟛一蟛) 2 + ( 蟛卅) 2 + p 3 p y ( 2 - 1 0 ) + ( 矗占：) 2 + ( d ) 2 】) j 式中：d 苟一塑性应变增量 哈尔滨工程大学硕士学位论文 0 5 = 去【( 吒一q ) 2 + ( q - o - ) 2 + ( 吒一q ) 2 + 6 ( + + 以) 】_ ( 2 1 1 ) 根据全量理论，若加载形式为比例加载，即在加载过程中，任一点的各 应力分量都按比例增长，即各应力分量与一个共同的参数成比例，则增量理 论可以简化为全量理论。本关系可用亨基一伊留申方程表示： s ；= 篆s i s i = s i ( o - 3 ( 2 - 1 2 ) 4 边界条件： 毛f ) = 一u i ( x , t ) 芝& 七“ t o ) ( 2 - 1 3 ) 【仍( x ，f ) = 只 ，)( 旌上， t o ) 这里，民+ = s ，j 为弹性体全部边界，式中第一项为位移边界条件， 第二项为力边界条件。 2 2 显式非线性有限元理论 汽车侧面碰撞是一个动态的大位移和大变形的过程，接触状态和冲击载 荷都影响着碰撞的全过程，系统具有几何非线性和材料非线性等多重非线性。 所以，必须采用显式非线性有限元理论进行分析。 2 2 1控制方程 1 质量守恒定律 物体的一个基本性质是质量。一个实际物体的质量在所有时刻都是相同 的，它与时间无关。设岛为物体在初始态图形时的密度，它是质点初始态坐 标的函数： 岛= p o ( 以) ( 2 1 4 ) 又设p 是物体在变形态图形时的密度，它是质点变形态坐标的函数： p = p ( 薯) ( 2 1 5 ) 在变形过程中，质量守恒定律表达式的积分形式为： i 户( 薯) 如呶妃= i 岛( t ) 瞄峨码 ( 2 - 1 6 ) 1 2 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 按体积积分的坐标变换关系，上式等号右边司以写成： 幽呶也= 胁c 以，l 等b 蚺 p 这个关系式对所有部分都是有效的，对比( 2 4 ) 式和( 2 5 ) 式，得： 夕c 妒岛c 丘，剖 2 动量方程 在某一时刻r ，一个规则空间区域所含的动量q 是： q = 雕d y ( 2 1 9 ) 如果作用在物体表面s 上的应力分量是z ，物体的单位体积力是z ，则 作用在物体上的合力为： r = 工以d y + 方嘏( 2 - 2 0 ) 按照柯西( c a u e h y ) 应力原理，有： z = ( 2 2 1 ) 式中：一应力场， 物体表面s 上单位外法线矢量1 ，的分量。 于是式( 2 2 0 ) 可以写成： 足= 工硝d y + 工_ 搬 ( 2 2 2 ) 应用高斯定律，又有： 量= 工( 硝+ 挈砂 ( 2 - 2 3 ) 按照牛顿定律，有： 罟q = r ( 2 - 2 4 ) 由体积积分物质导数的表达式知： 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 詈q = n 善( 以) + 毒( 矶_ 州矿 ( 2 - 2 5 ) 由( 2 2 3 ) 式，可得。 工岳( 矶) + 毒( 眺删d 矿= 工( 以+ 挈d y ( 2 粕) 该关系式对物体的任何部分都成立。因此，可得： 毒( 卅- - 丢( p v , 咿( 阶争 ( 2 2 7 ) 上式等号左边可写成： 号c 雕，+ 毒c 雕吩，2 _ 旨o p + 毒c 以卅p c 詈+ _ 挈c 2 之8 ， 由连续方程知： 竺+ 旦( p v j ) = 0 ( 2 2 9 ) o t o x ， 、 因而，由物质导数的定义知： 户【鲁+ _ 鲁】= 夕鲁 ( 2 _ 3 0 ) 式中：盟d t 二质点的加速度。 这样，经过上面的一些变换后，( 2 2 8 ) 式变为： p 鲁叫+ 未 ( 2 - 3 1 ) p 靠2 甜+ 五a b u 旬1 ) 3 能量方程 对所研究的物体，由能量守恒定律，有： k + g + e = 矿 ( 2 - 3 2 ) 式中，k 、g 和e 物体的动能、重力势能和内能， 形一外界对物体的做功。 在某时刻t ，物体的动能为： k = 0 气p v y j d v ( 2 - 3 3 ) 堕签鎏王堡奎堂婴主堂垡堡茎 式中：m 一质点所在体积元d y 速度向量的分量， p 物体的密度。 重力势能与质量分布有关，可写为： g 。p ( x ) a v( 2 - 3 4 ) 式中：一单位质量的重力势能。 内能可写为如下形式： e5l 倒矿 ( 2 - 3 5 ) 式中：旷单位质量的内能。 将( 2 3 2 ) 式写为变化率的形式，则为： 面d ( k 4 - g 4 - e ) = 矿( 2 - 3 6 ) 式中：矽一单位时间内形的变化率。 在y 内，单位体积的体力z ( 不包括重力部分) 和s 面上的面力r 。以某 种速率对物体做功，即是功率： 矿= 工置u d 矿+ 考u 嬲( 2 - 3 7 ) 应用柯西应力原理和高斯定律，有： 矿= 置h d y + 工( 坼) d v ( 2 - 3 8 ) 在( 2 3 6 ) 式中，g 项已包含了重力势能。把( 2 3 3 ) 式、( 2 3 4 ) 式、( 2 3 5 ) 式和( 2 3 7 ) 式代入( 2 3 6 ) 式，并利用物质导数的定义，经过一系列计算 后，并利用连续性方程和动量方程可以得到如下形式的能量方程： p 鼍鸭s 。( 2 - 3 9 )p 面2 0 b s q 即： p e 2 0 b q 1 5 ( 2 4 0 ) 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 2 2 2 中心差分法 假定0 ，f 1 ，f 2 ，t 盯时刻的节点位移、速度、加速度均为已知，现要求解f 肿1 时刻结构的响应。中心差分法对加速度、速度的导数采用中心差分代替 s o l ，即： 谚= 古( q 一血一2 q + q 础) 玩= 西1 ( 一u 一出+ u + 出) ( 2 - 4 1 ) 将式( 2 4 1 ) 代入系统的运动方程： m u + c u + k u = f ( 2 - 4 2 ) 得： ( 古肘+ 击c ) u + 址= z 一( k 一三a t 2 ) 、配一( 古m 一击c ) u 一址c 2 郴， 如果已经求得q 一出和，则可根据式( 2 - 4 3 ) n - - i 求出u + 加。所以，式( 2 4 3 ) 是求解各个离散时间点位移的递推公式，这种数值积分法又称逐步积分法。 当f = 0 时，要计算，除了已知初始条件的外，还要知道，可根据 式( 2 4 3 ) 求得： u = u o 一r 玩+ 兰 0 0 ( 2 4 4 ) 中心差分法是显式时间积分法，其优点是它既没有收敛性问题，也不需 建立求解方程组，其缺点是时间步长受到数值积分稳定性的限制，不能超过 系统的临界时间步长。 临界时间步长是指显式中心差分法稳定性条件允许的最大步长。为了获 得一个理想的时问步长，首先要计算每一个单元的临界时间步长 乞，i = 1 ，2 ，下时间步长觚取其极小值。为保证临界条件被满足，一般 都乘以一个安全系数口，即： 缸= am i n z x t , l ，他2 ，o )( 2 4 5 ) 式中：n 一单元的个数， 口一安全系数( 通常口0 9 ) ， 乞一第，个单元的临界时间步长。 1 6 堕签堡三塑盔堂堡主堂垡笙奎 单元的临界时间步长t 由单元的特征长度和单元的材料特性决定。不同 的单元类型的l 临界时间步长的算法不同。 对于薄壳单元，有： a t e = 竺 ( 2 4 6 ) 式中：厶一单元特征长度， c 材料声速： 广r 归p ( 1 - l v 2 ) ( 2 - 4 7 ) 式中：1 ，一泊松比， p 材料密度， e 一弹性模量。 文献 5 1 】认为单元的特征长度经常用下式计算： l s = 一m a x ( l t , 坠l 2 , 壁l 3 垃, 0 + 1 3 ) 一1 - , 4 ) ， ( 2 - 4 8 ) 式中：l ，( 待1 , 2 ，3 ，4 ) 一壳单元的边长， 彳。一单元面积， 一形状选择系数，当单元为四边形时，= 0 ；当单元为三角形时， 夕= 1 。 2 2 3 接触和摩擦的处理 接触问题的处理是汽车侧面碰撞有限元分析中的重点和难点，在汽车侧 面碰撞过程中，接触边界条件不断变化，因此在计算中必须不断地对接触条 件进行搜寻。目前用于接触搜索的算法主要有主从面法、单面算法。相应的 接触边界条件确定之后，要计算边界上的接触力。计算接触力的基本方法有 拉格朗日乘子法和惩罚函数法。拉格朗日乘子法将接触力作为添加的基本未 知量，并引入接触约束条件( 即接触面之间不产生穿透现象) ，是较为精确的 接触力算法。但拉格朗日乘子法增加了系统方程的数目，使问题求解所需的 计算时间大大增加，而且拉格朗日乘子法一般不能与显式数值解法相容。这 些限制在很大程度上影响了拉格朗日乘子法的应用。将惩罚函数法引入接触 1 7 哈尔滨下程大学硕十学位论文 面间的穿透，并通过惩罚参数将接触力与穿透梁联系起来，是计算接触力的 近似算法。惩罚函数法简单易行且与显式数值解法完全相容，因而在碰撞模 拟计算中得到了广泛的应用。 摩擦是与接触同存的现象，对于动态碰撞摩擦问题，人们正在探讨采用 非经典的摩擦定律来处理。但是这些非经典摩擦定律的应用并不完善，因此