（机械制造及其自动化专业论文）低速碰撞中保险杠吸能盒的结构优化.pdf

低速碰撞中保险杠吸能盒的结构优化 葺i 宣 置暑置高 昌萱宣葺 宣 i i i h 宣i j 宣置i i 宣葺i i i i i i 昌 摘要 随着汽车保有量迅速增加 我国的道路交通事故已呈持续上升趋势 安全车身的研 究作为降低汽车碰撞事故伤害的有效手段具有十分重要的作用 同时 汽车车身的碰撞 安全水平作为一个汽车行业的技术壁垒影响着国产汽车的市场表现 因此 从这两个角 度来说设计具有良好防撞性能的安全车身结构并研究相关的技术具有重要的理论和现 实意义 本文以汽车前部保险杠系统中的关键吸能部件 吸能盒 为研究对象 分析了在低 速碰撞时影响吸能盒吸能特性的各种因素 在此基础上 结合汽车修理研究协会 r c a r 的法规要求 利用多方案对比选优以及借助优化理论寻优这两种优化思路对影响吸能盒 吸能特性的各个因素 截面形状 焊接成型方式 预变形及壁厚 展开了优化研究 具 体的研究工作如下 首先 研究了将r c a r 规定的标准碰撞实验在有限元仿真平台上的实现过程 用当 前碰撞仿真领域研究所用的主流软件包搭建了本文研究用到的有限元仿真平台 并经过 测试证明了运用此平台进行碰撞仿真实验的整个流程是高效的 介绍了整车有限元模型 进行模型简化的必要性和原则 从理论和应用两个层面结合本文的仿真平台对此过程进 行了详细的说明 其次 研究了吸能盒的截面形状 焊接成型方式 预变形这三个因素对于结构的峰 值碰撞力和最大吸能量这两个吸能特性指标的影响规律 并且利用多种可行方案对比选 优的方法选出这三个因素的最佳方案 仿真结果表明最佳方案的吸能特性要大大优于原 始方案 最后 在利用均分法进行单因素实验设计获取壁厚取值区间的2 1 个实验样本点的 基础上 采用移动最小二乘法建立了壁厚与吸能特性之间关系的近似数学模型 并且对 所建立的近似数学模型借助可行方向法进行迭代寻优 获得了壁厚的最优值 对最优壁 厚值返回有限元模型中计算验证的结果表明基于近似数学模型的壁厚优化方法是可行 有效的 关键词 低速碰撞 吸能盒 近似数学模型 结构优化 低速碰撞中保险杠吸能盒的结构优化 a b s t r a c t w i t ht h er a p i di n c r e a s i n go fv e h i c l e r o a dt r a f f i ca c c i d e n t si nc h i n ah a ss h o war i s i n g t r e n d a sae f f e c t i v ea p p r o a c hr e d u c i n gi n j u r eo fv e h i c l ec o l l i s i o na c c i d e n t s t u d yo fs e c u r i t y v e h i c l eb o d yi ss i g n i f i c a n t m e a n w h i l e a sat e c h n i c a lb a r r i e ro fa u t oi n d u s t r y t h el e v e lo f c o l l i s i o ns a f e t yi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo fd o m e s t i ca u t om a r k e t t h e r e f o r e f r o mt h i st w o p e r s p e c t i v e w e l lc r a s h w o r t h i n e s sd e s i g no fv e h i c l es t r u c t u r ea n ds a f e t yr e s e a r c h r e l a t e d t e c h n o l o g y h a sb o t hi m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r r e g a r d i n gt h ek e ya b s o r b i n ge n e r g yc o m p o n e n t c r a s h b o x i nt h ef r o n t v e h i c l eb u m p e rs y s t e ma so b j e c to fs t u d y v a r i o u sf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ea b s o r b i n g p r o p e r t y o fc r a s h b o xw e r ea n a l y z e d o nt h a tb a s i s c o m b i n e dw i t ht h er e g u l a t o r y r e q u i r e m e n t so fr c a r r e s e a r c hc o u n c i lo fa u t o m o b i l er e p a i r s r e g u l a t i o n u s i n go ft h e m u l t i p r o g r a mc o m p a r i s o n a n do p t i m a ls e l e c t i o nw i t ho p t i m i z a t i o nt h e o r y t h e s et w oi d e a st o t oe x p a n dt h eo p t i m i z a t i o no fv a r i o u sf a c t o r s s e c t i o ns h a p e p a t t e r no fw e l d i n gf a b r i c a t i o n p r e d e f o r m a t i o na n d w a i lt h i c k n e s s w h i c ha r ea b s o r p t i o no fe n e r g ya b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h ef o l l o w i n gs p e c i f i cr e s e a r c hw o r k f i r s t l y s t u d i e dt h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s so fs t a n d a r dc r a s he x p e r i m e n tr e q u i r e db y r c a r b u i l tt h ep l a t f o r mo ff e as i m u l a t i o nu s e di nt h i sp a p e rw i t ht h ec u r r e n tm a i n s t r e a m s o f t w a r ei nc r a s hs i m u l a t i o nf i l e d a n dt e s t e du s i n gt h i sp l a t f o r mt op r o v et h a tt h ec o l l i s i o n s i m u l a t i o no ft h ee n t i r ep r o c e s si se f f i c i e n t i n t r o d u c e dt h em o d e lo fv e h i c l ef i n i t ee l e m e n t m o d e lo ft h en e c e s s i t ya n dt h ep r i n c i p l eo fs i m p l i f i c a t i o n a n dd e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h e p r o c e s sf r o mt h et w ol e v e l sf r o mt h ec o m b i n a t i o no ft h e o r ya n da p p l i c a t i o ns i m u l a t i o n p l a t f o r mf o rt h i sp a p e r s e c o n d l y t h ed i s c i p l i n et h a t t h i st h r e ef a c t o r s s e c t i o ns h a p e p a t t e r no fw e l d i n g f a b r i c a t i o n p r e d e f o r m a t i o na n dw a l lt h i c k n e s s a f f e c tt h ee n e r g ya b s o r b i n gi n d i c a t o r s m a x i m u me n e r g ya b s o r p t i o nq u a n t i t ya n dp e a ki m p a c tf o r c e t h eb e s to p t i o no ft h i st h r e e f a c t o r si ss e l e c t e db yc o m p a r i n gav a r i e t yo fp o s s i b l eo p t i o n s i m u l a t i o nr e s u l ts h o wt h a tt h e b e s to p t i o no f e n e r g ya b s o r b i n gp r o p e r t yt ob em u c hb e t t e rt h a nt h eo r i g i n a lp r o g r a m f i n a l l y b a s e do n2 1s a m p l ep o i n t st h a to b t a i n e db ya v e r a g es e p a r a t i o no fs i n g l ef a c t o r d o e t h ep r o x i m a t em a t h e m a t i c a lm o d e lo fr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h i c k n e s sa n de n e r g y 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s o r b i n gp r o p e r t yi se s t a b l i s h e db ya d o p t i n gt h em o v i n gl e a s ts q u a r e sm e t h o d t h e n u s i n g t h ep r o x i m a t em a t h e m a t i c a lm o d e lt oe x e c u t ei t e r a t i v eo p t i m i z a t i o nb yf e a s i b l ed i r e c t i o n o p t i m i z a t i o na l g o r i t h mo b t a i n st h eo p t i m a lt h i c k n e s sv a l u eo fc r a s h b o xw a l l t h et e s tr e s u l t s v e r i f yt h a tt h eo p t i m i z a t i o nm e t h o db a s e do na p p r o x i m a t em a t h e m a t i c a lm o d e li sf e a s i b l ea n d e f f e c t i v e k e yw o r d s l o w s p e e dc o l l i s i o n c r a s h b o x a p p r o x i m a t em a t h e m a t i c a lm o d e l s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 汽车碰撞事故分析 自从1 9 世纪末期德国工程师卡尔 奔驰 c a r lb e n z 发明第一台汽车以来 人类的 陆上交通方式获得了巨大的改变和进步 尤其是随着2 0 世纪以来的现代工业的高速发 展带来了两个方面的结果 其一 汽车性能的大幅度提升 1 8 8 5 年汽车的速度为1 8 k m h 而进入2 1 世纪 现代汽车的时速可以轻易达到2 0 0 k m h 其二 汽车大众化程度大幅 提高 截止1 9 9 5 年 世界汽车拥有总量已经超过了6 亿台 我国汽车拥有总量超过了 1 0 5 0 万台 n 1 这是技术和社会的进步 但是它同时也带来了公路交通的安全性的问题 1 1 1 道路交通事故的发展趋势 世界卫生组织2 0 0 4 年发布的研究表明 全世界每天大约有3 0 0 0 人死于交通事故嘲 在中国 自7 0 年代起随着道路交通的迅速发展和汽车拥有总量的增多 交通事故呈震 荡上升的状态 数量l 墨丛l 监塑堑型剑 扩 扩妒扩 扩扩 扩 图1 1 我国近年交通事故发展趋势统计 年份 统计资料表明 交通事故已成为危害社会公共安全的第一要素 1 9 9 8 年全国平均每 天发生交通事故9 4 8 起 死亡2 1 4 人 受伤6 1 0 人 与之相比 刑事犯罪平均每天致死 约6 4 人 受伤约2 2 2 人 火灾平均每天致死7 人 受伤1 3 人 由此可见 在公共安全 领域 交通事故导致的伤亡占各类伤亡总数的7 2 2 嘲 对比世界各国的交通事故状况发现 中国道路交通事故死亡总人数自从1 9 8 6 年超 过美国之后一直位居世界第一位 2 0 世纪末 世界各国道路交通事故总体呈现下降或稳 定趋势 但是我国仍然是上升的趋势 图1 2 可以看出 1 9 9 5 年左右中国在汽车拥有总 量上排名接第十一位 但是交通事故死亡人数却大大超过汽车大国而居首位h 这充分 1 一 一 一 一 一 一 一 87 0 0 0 0 雪iel6000050000 园 i 园 h 善涠一胡 胡 胡j 一 胡 量 j 图1 2 各国交通事故状况对比 1 1 2 汽车交通事故的形式 汽车碰撞通常分为正面碰撞 成一定角度碰撞 侧面碰撞 追尾碰撞 翻滚等 根 图1 3 汽车各类碰撞形式 另外 车辆在城市中还有另一类最常见的碰撞形式 低速碰撞 低速碰撞一般是指 车辆在时速低于1 5 k m h 时与其他车辆或者障碍物发生的碰撞 这种类型的碰撞形式对 于乘员来说伤害程度较低 因此所关注的不是乘员的伤害 而是保护汽车主要贵重部件 如前纵梁 发动机等 的损伤以降低维修成本和保险理赔费用 并延长车辆的工作寿 命 5 删 在长期的交通事故研究和控制的过程中 研究者已经指出 由于道路状况 天气状 况 汽车状况以及驾驶员自身状况等因素的不可控性 交通事故不可能完全避免 因此 2 第1 章绪论 如何最大限度地降低碰撞事故发生后车辆及成员的伤害 具有重要的现实意义 1 2 被动安全性及被动安全评价体系 1 2 1 被动安全性 学者将汽车安全性分为主动安全性和被动安全性两种 主动安全性是指汽车利用自 身的一些设备防范和避免交通事故的性能 目前 已经发展成熟的主动安全性装置和技 术主要包括车轮防抱死制动系统 牵引力控制系统 主动悬架 四轮转向 四轮驱动 车距雷达报警系统以及汽车全球定位导航系统i t s 等 被动安全性是指当事故已然无可 避免的发生的状况下 汽车所具有的保护乘员及其自身结构完好的能力 其研究内容包 括 车身防撞性能 成员约束系统等 1 2 1 汽车碰撞试验是研究被动安全的主要手段 根据研究的趋势 被动安全可以分为为三个方面 1 车内乘员安全 作为被动安全性研究的主要内容就是如何合理地进行车身结 构安全性设计和乘员约束系统设计 利用车身结构件的变形吸收能量以减少对乘员的冲 击 同时利用乘员约束系统给予乘员最大限度的保护p 3 1 4 1 2 车外行人安全 对于车外行人 通常采用车身结构安全性设计和车身外表安 全装置 在发生碰撞时减少对行人的伤害n 习 3 低速碰撞时汽车自身结构安全 碰撞伤害较低的低速碰撞事故中 所关注的 不是人员的伤害而是汽车主要贵重部件 如前纵梁 发动机等 是否受到损伤 因此 通常采用专门的低速碰撞防护结构来实现对重要部件的保护 图1 4 是2 0 1 0 年北京车展 上某品牌车型的正面防撞系统 图1 42 0 1 0 年北京车展上某公司展出的正面防撞系统 可以看出 在保险杠横梁与纵梁之间用螺栓连接的方式设置了一个薄壁方形梁结构 又称为吸能盒 该结构拆卸更换方便 而且压缩刚度低于前纵梁 因此先于前纵梁 发生变形损伤 也就是说 此结构是作为保护前纵梁的易损部件而被设计出来的 它的 作用区域称为碰撞低速吸能区 因此可以说 吸能盒是前部保险杠的关键部件 3 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 本文将详细研究如何去设计和优化该薄壁方形梁 吸能盒 结构 以满足相关碰撞 法规的性能要求 1 2 2 被动安全评价体系 汽车被动安全性评价体系主要分为两类 政府法规和民间性质的评价标准 他们从 不同的程度规定了汽车被动安全的要求和规范化的实验程序 同时为车身抗撞性设计提 供了参考目标 1 政府安全法规 由于汽车碰撞事故给人身和财产带来了重大损失 从2 0 世纪5 0 年代起 许多国家 都着手制定汽车被动安全法规 实施车辆安全认证制度 在此制度下 汽车产品只有通 过法规强制认证后才能进入市场 因此 政府安全法规是汽车安全性设计必须要达到的 指标 目前政府规定的汽车被动安全法规有两大体系 美国f m v s s 美国联邦机动车安 全法规 体系和欧洲法规 包括联合国欧洲经济委员会标准e c e 欧盟e e c 我国在参考e c e r 9 4 法规的基础上 已于1 9 9 9 年颁布了第一项汽车被动安全技术 法规 关于正面碰撞乘员保护的设计规则 c m r 2 9 4 c h i mm o t o rv e h i c l ed e s i g nr u l e 2 9 4 到2 0 0 3 年又在c m v d r2 9 4 的基础上稍作修改推出了g b1 1 5 5 1 乘用车正面 碰撞的乘员保护 将实车正面碰撞试验内容列入汽车新产品强制性检验项目中 2 0 0 6 年我国 参考e c e r 9 5 推出侧面碰撞试验标准g b 2 0 0 7 1 2 0 0 6 其他碰撞形式的实验标准 也在陆续完善 另外 日本和澳大利亚等国家在参照美国和欧洲法规的基础之上同样也制订和实施 了相应的安全法规和标准 2 民间性质的评价标准 除了政府强制安全法规之外 基于消费者对汽车安全性的评价和保险公司评估 一 些研究组织也制定了其他的汽车安全评价体系 比较知名的有 n c a p i i h s a l l i a n z 等 n c a p 新车评价规程 1 9 7 8 年首先在美国实施 其目的是为消费者提供专业权威 的汽车安全信息 以影响其购买倾向 它利用市场竞争机制推动汽车制造商提高汽车被 动安全性能 i i h s 和a i ia n z 分别是美国和英国的保险公司评估所参考的标准 从碰 撞性能要求严格程度的角度来讲 政府强制法规要求最低 而n c a p i i h s a l l i a n z 等则追求更高的碰撞性能 针对本课题的需要 下面重点详细介绍低速碰撞评价标准 4 第1 章绪论 低速碰撞评价标准大多为民间研究机构为保险公司参考所做出的评价测试 不是政 府强制性的要求 保险公司针对一款车型参考低速碰撞评价结果调节保险费用 进而用 价格优势鼓励和刺激用户去选择防撞性能高 维修费用低的汽车 低速碰撞评价标准有 美国联邦法规 f m v s sp a r t 5 8 1 欧盟法规 e c er 4 2 高速公路安全保险协会 i i h s 低速碰撞 还有汽车修理研究协会 r c a r 1 6 o 这些标准主要针对于保险杠系统的碰 撞测试 本文采用汽车修理研究协会 r c a r r e s e r c hc o u n c i lo fa u t o m o b i l er e p a i r s 的汽 车低速碰撞实验过程及其评价标准进行低速碰撞研究 1 3 汽车正面碰撞损伤机理 1 3 1 车身结构及其损伤分析 汽车的白车身结构是用板壳部件由接头 如点焊方式 连接而成 是汽车承受外力 和将外力传递到整个车身的基本系统 白车身结构的设计决定了汽车的承载性能和载荷 传递路径 本文的研究对象是前置发动机轿车的承载式车身结构 如图1 5 所示 对于白车身结构 其各个部件都是成型钢板制件焊接组合成的开口或闭口的薄壁梁 件 除此之外 车身结构中还有大量的板壳结构 如车门内外板 翼子板等 研究表明 车身的抗撞性能是由薄壁梁结构和接头组成的承载式框架结构决定的 其在碰撞过程中 可以吸收主要的冲击动能并且保持一定的刚度 图1 5 碰撞力在汽车白t 身结构上的传递 如图1 5 所示 当汽车受到正面碰撞时 具有较大刚度的保险杠将碰撞力分配给两 侧的支撑部分 前纵梁与保险杠的接头 并且自身吸收少量的碰撞动能 然后力沿着纵 梁向后传导 分散到车身结构的各个薄壁梁构件上并且向汽车后部传导 在此过程中 5 哈尔滨 r 程人掌硕十学何论文 如果碰撞力超过了薄壁梁构件的屈服强度 构件便发生塑性变形同时将大量的动能转化 为自身的塑性变形能 此时构件也就受到损伤甚至完全损坏 因此 从汽车自身结构损伤的角度来说 设计者希望能够控制或者合理安排这种薄 梁的塑性变形次序 从而避免那些用来保持重要空间 如乘坐空间 发动机安装空间 的构件发生大变形以及不便维修的部件发生不可恢复性的损伤 1 3 2 乘员的损伤分析 汽车正面碰撞事故中的成员伤害机理涉及到很多医学和生物力学的知识 表现为很 多种方式的伤害 总结其发生的原因有以下三点 1 碰撞缓冲时间极短导致过大的减速度超过人体承受能力 损伤人体器官 2 约束系统的失效导致乘员与车内物体发生二次碰撞 3 车身结构刚度不足导致碰撞侵入乘员生存空间 直接伤害乘员 除了第二种原因不直接涉及车身结构防撞性设计之外 其他两个原因都是由于车身 结构缓冲吸能能力的不足以及车身结构刚度不足导致的 加之第二种原因中乘员约束系 统对于乘员的保护受乘员身体所能承受极限的限制 不可能吸收大量的能量 因此 碰 撞动能主要靠车身结构来吸收同时要求结构自身保持一定的刚度 实际道路碰撞事故统 计及相关研究表明 一次碰撞性能良好的汽车乘员损伤成都最型切 因此 从乘员损伤的角度来说 汽车车身结构前部保险杠部分应该具有缓冲吸能的 结构以吸收大量的碰撞动能 减少车身加速度 同时 纵梁部分又应该具有一定的刚度 以保证乘员空间侵入量不至于过大 1 4 国内外研究概况 汽车车身结构设计中一个重要的问题就是抗撞性分析 同时这也是一个技术难题 1 4 1 国外研究状况 近一个世纪以来 国外工程师和学者对汽车抗撞性进行了不懈的研究 大体上可以 根据研究所采用的手段分为三个阶段 第一阶段是3 0 年代开始的实车碰撞试验 第二 阶段是5 0 年代发展的台车模拟碰撞实验 8 0 年代是第三个阶段 主要借助于有限元理 论在计算机上的实现技术 开展计算机仿真研究 目前基于有限元技术的计算机仿真实 验是国际上主流的研究方法n 明 目前 汽车碰撞模拟计算中常用的现实非线性有限元软 件有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 m s c d y t r a n 和 e s i p a m c r a s h 上述软件的核心都以美国l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验室在2 0 世纪 6 第1 章绪论 7 0 年代开发的d y n a 公开版的理论为基础 w a l k e rb r i a n 运用o a s y sd y n a 3 d 建立了汽车的整车有限元模型并且在多种工况 下进行碰撞模拟计算 整车模型中包括车身 减震器 散热器 风扇 散热器架 发动 机 变速箱 a b s 总成 蓄电瓶 空气滤清器 悬挂系统还有轮子等n 川 p i c k e t tak 进行了提高汽车碰撞性能的车身结构优化研究 研究针对现代汽车公司 的某款汽车进行 首先采用p a m c r a s h 软件建立原始汽车结构的有限元模型 然后 在计算机上借助优化程序进行结构优化工作l 捌 n a k a g a w ak e n 和t a t s u h i r o 建立了具有1 8 0 0 0 个单元的整车数学模型 进行了模拟 碰撞试验 他为了减少建模的时间和人力 将轿车结构分成几部分 最后开发了集成程 序 这很大的提高了模型建立的快捷性 研究指出 纵梁应该设计成具有轴向收缩模式 而不是折叠模式瞄 h o f f m a nr 用p a m c r a s h 建立了完善的气囊模型 为安全气囊系统的设计和开发 的早期阶段协助系统的设计提供了条件嘲 k h a l i lt a w f i kb 利用d y n a 3 d 开发了安全气囊的展开以及与成员相互作用的三维 有限模型嘲 总的来说 国外在碰撞安全性研究领域开展的研究包括 安全车身开发 行人保护 人体生物力学 乘员约束系统设计 安全气囊计算机模拟以及事故现场再现模拟 这些 内容可以分为三个方面 1 用有限元方法研究汽车碰撞过程中车身结构的变形状况及力学和运动学响应 2 进行多体动力学计算方法从多体系统的角度来研究汽车碰撞过程 3 研究人体在多种碰撞条件下的力学相应俐 1 4 2 国内的研究状况 由于我国汽车工业不发达 国内对于碰撞安全研究起步比较晚 八十年代才开展这 方面的研究 主要是通过借鉴国外的经验与技术并消化吸收 现在已经形成了一定的研 究水平 研究的方法和国外的趋势基本一致 试验与计算机仿真结合为主要手段 随着 计算机技术的发展 计算机仿真技术应用越来越多 试验研究方面 国内已经建成了五个具有执行中国碰撞法规能力的实验室 中国汽 车技术研究中心 天津 国家汽车质量监督检验中心 襄樊 国家汽车质量监督检 验中心 长春 清华大学汽车碰撞实验室 交通部公路交通试验场 北京通县 并 制定了正面与侧面碰撞国家标准 而且其他碰撞标准也将相继出台 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i i 一 m i t i i i i i i 置i 置i i i i i i i i i i i 置宣暑嗣宣宣置暑i 宣i 昌 计算机仿真研究方面 国内有一批从事计算机仿真研究的人员 利用非线性有限元 技术 借助国际上成熟的相关软件进行了大量的防撞结构的仿真研究和优化工作 湖南大学的张维刚博士研究了薄壁梁结构的碰撞吸能特性 研究了薄壁梁的多个因 素对于吸能特性的影响 并分别对于每个因素给出了若干具体形式 并进行了求解比较 但是只分别考虑了单因素的优化 而没有给出针对具体结构性能要求的多因素优化 即 多维优化嘲 上海交通大学的许亮等人建立了汽车保险杠有限元模型并进行了正面碰撞的计算 机仿真 研究了薄壁梁壁厚以及内部加强件这两个因素对于保险杠吸能能力的影响 并 针对这两个因素对保险杠的性能进行了改进闭 吉林大学的刘莉建立了某b 级轿车前部有限元模型并根据低速正面碰撞法规 e c e r 4 2 进行了计算机仿真以及实验 而且通过归纳总结形成了车辆前端结构安全设计流 程鲫 总之 尽管国内学者已经广泛的开展了碰撞方面的研究并取得了相当丰富的研究成 果 另外政府部门也制定出台了正面与侧面碰撞的法规 但是这些研究基本上还处在借 鉴与消化国外技术的阶段 由于开展的基础性研究有限 积累的参考数据不足 因此限 制了计算机仿真研究的进展 而且我国还没有具有自主知识产权的商用非线性有限元软 件 这也是造成我国汽车抗撞性研究与发达国家之间差距的原因之一 1 5 课题的主要研究内容 本课题要设计出布置在保险杠和前纵梁之间的具备优良吸能特性的保险杠吸能盒 以使得汽车具有可靠的前端低速吸能区 按照汽车修理研究协会 r a 讯 低速碰撞标 准所规定的碰撞实验对某款车型进行碰撞试验 评价其前部保险杠结构吸能性能 并且 从改变吸能盒结构参数的角度入手改善其吸能性能 最终给出满足评价标准的保险杠吸 能盒结构并且总结出薄壁梁形防撞构件的设计和优化方法 本文拟完成的研究目标如 下 1 结合通用有限元前处理软件h y p e r m e s h 及非线性有限元求解器l s d y n a 实 现r c a r 低速碰撞标准中所规定的碰撞实验的模拟仿真 2 遵照r c a r 低速碰撞法规的具体要求制定评价保险杠系统吸能特性的量化指 标 3 分别研究吸能盒的四个结构因素 横截面形状 焊接成型方式 预变性及壁 厚 对于吸能盒的吸能特性的影响机理 8 第1 章绪论 4 利用多方案对比选优的方法寻求横截面形状 焊接成型方式 预变形这三个 因素的最佳方案 5 利用近似数学模型并结合可行方向法寻求壁厚参数的最优值 9 哈尔滨下程大学硕十学位 第2 章显示非线性有限元基本理论和算法 碰撞有限元仿真计算理论是一项跨力学 数学及计算机学三门学科综合研究的技术 成果 具体来说涉及到弹塑性力学 计算数学 计算力学 计算机图形学等 从发展历 史上来说 主要是计算机技术带动了计算方法的进步而发展了数值计算方法 进而解决 了涉及到材料非线性和几何非线性的复杂力学问题 本章将简要介绍弹塑性力学理论 大变形动力学理论 材料非线性理论及接触 碰撞问题的有限元求解方法 以及以上内 容在l s d y n a 中的具体应用形式 2 1 弹性动力学基本方程及其有限元解法嗍 弹性动力学主要研究弹性物体和动载荷之间的响应 与弹性静力学之间的不同之处 是由于动载荷作用与弹性体之后使得弹性体加速度引起的惯性力很大而不可忽略 因 此 只需要修改弹性静力学的平衡方程就可以建立起弹性动力学的基本方程 1 弹性动力学基本方程 1 运动方程 p 正 彬 2 1 式中 f 是应力张量 p 是质量密度 五是单位质量受到的体力 是质点位移 2 几何方程 勺 去 u j j 2 2 勺2i 忆 j 2 2 式中 是应变张量 3 物理方程 k0 3 2 a a 2 艟 6 z 玎 e 勺3 k e 肚 c2 3 1 一 艟 肚 叼7 式中 a 和口是l a m e 系数 k 是物体的动能 4 边界条件 能 二黧 亿4 1 n 彬 t 瓦 f 叶7 式中 呸 x t 和历 x t 是预先给定的函数 s a 邑一s x 在 上 t t o 2 弹性动力学基本方程的有限元锯法 首先通过h a m i l t o n 变分原理建立起来弹性动力学数值计算方法微分方程组 有多种 求解算法 其中l s d y n a 采用显示中心差分法作为求解该方程组的主要算法 1 0 第2 章显示1 f 线性有限元基本理论和算法 假定0 t 1 f 2 f 时刻的节点位移 速度 加速度均为已知 现要求解f 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 谚一古似矿2 u u 一 以 瓦1 一u 一 玑 血 2 5 将公式 2 1 代入系统的运动方程 膨矽 c d k u f 2 6 得 m 厶f r 2 7 式中 衍为有效质量矩阵 扈为有效载荷向量 e 为结构载荷向量 m 为质量矩阵 c 为阻尼矩阵 k 为刚度矩阵 求解线性方程组 2 3 即可获得t 1 时刻的节点位移量阢 缸 带回几何方程与物 理方程中可获得t 1 时刻的单元应力和单元应变 这种求解方法称之为显示算法 因此 中心差分法又称为显示直接计分方法 值得注意的是 中心差分法的稳定性是有条件的 时间不长小于时间步临界值 这 个时间步临界值是由该问题求解方程性质所决定的一个值 在l s d y n a 计算中 考虑 上面时间步的两种约束及中心差分法的稳定性条件 采用 变时间步长法 每一时刻 的时步由当前结构的稳定性条件控制 具体算法 首先要计算每一个单元的临界时间步 长 乙 f 1 2 下一时间步长他取其极小值 板壳单元的极限时间步长缸的计算方 法如下 他 生 2 8 式中 t 为单元特征长度 c 为材料声速 c 焉 2 9 式中 为泊松比 p 为材料密度 e 为弹性模量 为保证临界条件被满足 一般都乘以一个安全系数口 时步因子 通常取小于0 9 的值 即 t 口m i n t 他1 乞2 一 虬 2 1 0 式中 n 为单元的个数 时步因子口可以由用户自行手动设置 半c o n r t o l t i m e s t e p 参数为t s s f a c 当计算不稳定时 应该减小时间步长以增加计算稳定性 同时这样就增大了计算工作量 由l s d y n a 3 d 显示积分中的时间步长计算公式可知 显示时间积分的最小时间步 哈尔滨下释人学硕十学位 长是有最小单元长度l 觚 和材料声速c 决定的 随着计算过程中单元变形的增大 时间 步出 不断减小 当结构变性很大时 临界时间步长将变得的非常小 以至于无法完成 计算 这时可以采用质量缩放技术和自循环技术来控制时间步长 在l s d y n a 3 d 中可以使用关键字 c o n t r o lt i m e s t e p 中的控制参数d t 2 m s 控制质量缩放 d t 2 m s 默认没有质量缩放 即值为o 当d t 2 m s 0 时 表示所有的单 元采用相同的时间步长 质量缩放施加到全部单元上 当d t 2 m s 0 时 表示质量缩放 仅仅施加到步长小于d t 2 m s 的单元上 最后一种方法更有效并建议使用 采用质量缩 放会轻微地增加模型质量和改变模型质心位置 但可以大量节省计算量 子循环又称为混合时间积分 系统根据时间步长大小而把单元分成许多组 每一组 的时间步长是最小步长的整数倍 这样可以避免由于模型中的一个小单元 而是全体单 元全部采用小的时间步长 从而加快分析速度 l s d y n a 3 d 中 用关键字 c o n 限o ls u b c y c l e 控制子循环 2 2 大变形动力学基本方程及解法嗍 1 运动方程 如图2 1 所示 初始时刻的质点坐标为五 f 1 2 3 在任意时刻乙该质点的坐标 变化n x f 1 2 3 此质点的运动方程为 毛 而 五 f f 1 2 3 2 1 1 其中置为物质坐标或者l a g r a a g e 坐标 不随时间变化 毛为空间坐标或e u l e r 坐标 图2 1 变形前后物体的构型 这种描述方法称为物质描述或者l a g r a n g e 描述 2 平恒方程 热力学系统必须遵循质量守恒 动量守恒及能量守恒三个平衡关系 1 质量守恒方程 p j p o 2 1 2 第2 章显示1 f 线性有限元基本理论和算法 式中 p 为当前质量密度 风为初始质量密度 j 为密度变化系数 2 动量守恒方程 卫 p 五 p 薯 2 1 3 式中 为c a u c h y 应力 五为单位质量体积力 霉为质点加速度 3 更新拉格朗日方程 u p d a t e dl a g r a n g ef o r m u l a t i o n 大变形问题求解方法根据参考构型选择的不同可以分为更新拉格朗e t u p d a t e d l a g r a n g ef o r m u l a t i o n u l 以及完全拉格朗日式 t o t a ll a g r a n g ef o r m u l a t i o n t l 在l s d y n a 3 d 中 主要是采用更新拉格朗日算法 更新拉格朗日格式的控制方程为 1 质量守恒 p x f s x f p o x 2 1 4 2 动量守恒 以 彬i 2 1 5 3 能量守恒 p w 一d f 0 0 2 1 6 5 变形率 岛 糖 鲁 亿忉 6 本构关系 o r 仃 d o o r 0 2 1 8 7 边界条件 惭缮 亿 8 初始条件 p 僻 0 一u 0 僻 2 2 0 l u x 0 zl o 动量守恒方程式 2 1 5 要求在求解区域内处处满足 直接求解这组方程几乎是不 可能的 数值计算方法从微分方程的弱形式出发 只要求动量方程在内积意义下满足 由此推导出虚功率方程 并经有限元离散化后 得到节点位移方程 1 3 哈尔浜r t 程入学硕十学位 取虚速度为加权系数 利用加权余量法 动量方程的弱形式可以写成 吖鲁 p b 碱卜 2 2 1 式中 却 为虚速度 利用分步积分 公式 2 2 1 可以写成 群a j j d v f y 肌严两 尸以肌 亿2 2 公式 2 2 2 即为动量守恒方程 面力条件的弱形式 称之为虚功率方程 同弹性力学有限元法中求救虚功率方程一致 虚功率方程式 2 2 2 的数值求解是 首先将结构空间离散化 质点x 在任一时刻的空间坐标t x t 为 而 x f 一 j o 2 2 3 式中 为节点 的形函数 重复下标表示在其取值范围内求和 由此可得单元内任一点的位移为 h j 僻 f x i 仁 f 一x ia 伍 口0 2 2 4 式中 u 口为节点川 勺位移 同理 单元内任一点的速度 加速度 变形率以及虚速度可 表示为 k x t 一m 僻 盯o u x f 仁 如o 岛 丢 鸶 鲁 玎i o n 嘞等 i 马 以o o 钆 将上述各式写成矩阵形式 并代入虚功率方程式 2 2 2 中 整理后得 泐 厂妇 厂耐 2 2 6 式中 m 为系统质量阵 与时间无关 只需要在初始时刻计算即可 求解方程式 2 2 6 可得当前时刻下的节点位移 进而求得当前时刻的结构应 变与应力 4 沙漏能的产生与控制方法例 当采用单点高斯积分时 沙漏模态不能发挥其作用 即它们对单元应变能计算没有 影响 也就是说相应的变形能被丢失 此时称为零能模态 即沙漏模态 也就是说某些 情况下 节点位移不为零 即单元有形变 但根据形函数插值计算得到的应变却为零 这样将使计算结果偏离正确值 在动力响应计算中 如果沙漏模态没有受到控制 就可能自由发展 会导致计算结 果出现严重的数值震荡 沙漏这种模式将会导致一种在数学上稳定的 但在物理上是不 1 4 第2 章显示非线性有限元基本理论和算法 可能的状态 它们通常没有刚度 变形会呈现出锯齿形网格 沙漏会导致计算结果无效 所以应该尽量减小或避免因此有必要采取措施来抑制它的发生或减小沙漏带来的影响 控制沙漏模态的方法主要有两种 粘性阻尼力控制和刚度控制 l s d y n a 3 d 主要采用沙漏粘性阻尼力控制的方法来解决沙漏问题 对于有些工程 问题 如果采用沙漏阻尼的方法还不能完全解决沙漏问题 则可考虑采用多点积分的单 元算法来解决 但这样做会增加计算机时 在l s d y n a 3 d 后处理中 可以查看沙漏能 h o u r g l a s se n e r g y 与总能量 t o t a le n e r g y 随时间变化的数值 一般情况下 如果 沙漏能量超过总能量的1 0 那么就需要调整沙漏控制 以保证计算结果的精度 在本 文的仿真计算中 采用了粘性阻尼的方法 有效地控制了沙漏模态 2 3 材料非线性理论p 1 1 材料本构特性是指材料的应力 应变关系 在材料非线性问题中 材料的应力应变 关系已经不再是线性关系了 在材料的本构关系中 主要有弹性 塑性 粘性以及三者 的组合 鹩 所谓弹塑性材料 一般是指载荷的加载过程与卸载过程中 应力 应变关系曲线保 持不表 如图2 2 所示 r 1 2 3 图2 2 弹塑性材料应力 应交关系模型 1 线弹性材料 加载与卸载曲线完全重合且应力 应变关系始终为线性 曲线斜 率为这种材料的弹性模量 2 超弹性材料 加载与卸载曲线也完全重合 但是应力 应变关系为非线性关系 这种本构模型常用来模拟橡胶材料 3 弹塑性材料 在加载段应力与应变保持线性 当应力大于屈服应力吼时 材 料进入塑性 此后如果继续加载 应力 应变关系任然为线性 但是斜率发生变化 完 全卸载后 塑性变形不可回复 一维情况下弹塑性材料本构关系比较简单 如果应力状态达到屈服应力旺则按照线 弹性材料处理 如果材料的内应力超过屈服应力矾 按照塑性变形本构计算应力 应变 1 5 哈尔滨t 程大学硕十学位 三维情况下 判断材料是否进入塑性阶段使用v o n m i s e s 屈服准则 即 11 亏s 口勖一言d i o 2 2 7 式中 为斜应力张量 吒为平均应力 这就是说等效应力孑等于材料的屈服应力口 时 材料进入塑性阶段 在l s d y n a 3 d 中 线弹性材料本构模型用关键字 m a te l a s t i c 1 号材料 来 定义 超弹性材料本构模型用关键字 m a tm o o n e y r i v l i nr u b b e r 2 7 号材料 来定义 弹塑性材料本构模型用关键字 m a tp l a s t i ck i n e m a t i c 3 号材料 来定 义 另外 粘弹性材料本构的定义可以通过关键字 m a tv i s c o e l a s t i c 6 号材料 以及宰m a t e l a s t i c w i t h v i s c o s i t y 6 0 号材料 来定义 2 4 接触 碰撞问题的解法例 接触和碰撞分析问题的困难之处在于 接触 碰撞过程中 载荷随时间 结构变形 而变化 当发生碰撞时 垂直于接触界面的速度是瞬时不连续的 对于c o u l o m b 摩擦模 型 出现粘性滑移时 沿着界面的切向速度是不连续的 这些特性给离散方程的时间积 分带来了极大困难 l s d y n a 3 d 在接触 滑动界面处理上 主要有三种方法 1 罚函数方法 p e n a l t ym e t h o d 基本原理是 在每一个时间步第一步工作是检查个从节点 s l a v e 是否穿透主 面 m a s t e rs u r f a c e 如没有穿透的话则不做任何处理 如果穿透的话 则在该从节点 与被穿透主面之间引入一个较大的界面接触力 这个接触力的大小与穿透深度 主面的 刚度成正比 这就相当于在两者之间放置以法向弹簧 以限制从节点对主面的穿透 这 个接触力称为罚函数值 这种方法的缺陷是求解出的撞击力 撞击速度与加速度都是震 荡状态 我们可以通过较小时间步长等手段降低这种震荡程度