有限元在仪表板头部碰撞中的效果分析 选题报告与论文计划.doc

有限元在仪表板头部碰撞中的效果分析 选题报告与论文计划 选题报告及论文工作计划课题名称有限元在仪表板头部碰撞中的效果分析学学号姓姓名专业领域域汽车实验技术所在院、系车辆工程校内导师师校外导师师选题时间间年04月13日 一、立论依据课题、选题依据和背景情况、课题研究目的、工程应用价值随着汽车碰撞安全性研究工作的不断深入，汽车安全结构及安全装置如安全带、安全气囊等已经在汽车上得到了广泛使用。 这些安全结构和装置对车内乘员起到了明显的保护作用，使得在汽车与汽车的碰撞事故中的乘员伤亡率大大降低。 然而，汽车对行人及其它车外人员造成的伤害仍然很严重。 从行人伤害部位来看，头部和下肢最容易受到伤害，下肢的伤害多数引起行人的伤残，它不会直接导致死亡，而头部伤害导致行人死亡的概率高达。 汽车在正面碰撞和紧急制动时，容易造成乘员头部和汽车仪表板的碰撞，开发安全的驾驶室内饰组件，研究人的头部在碰撞中的机械响应特性以及对仪表板的改进设计具有重要的意义。 另外，汽车产品要参与国际竞争，就必须满足各国各种法规的要求，内容包括反光、视野、头部碰撞等等。 如和就规定了相关头部碰撞的标准。 目前在汽车被动安全方面专门针对仪表板的研究文献较少，谭立国系统的介绍的仪表板的设计安全性问题，赵立军与赵桂范主要针对农用车辆进行了仪表板的吸能特性试验和头部模型与仪表板之间的接触撞击模拟，计算了不同撞击条件下的撞击结果，分析了各因素对撞击结果的影响规律，实践证明,采用有限单元法来数值模拟解决工程实际问题能够达到所需的精度,具有很高的可靠性.而且,通过计算机的模拟仿真可以节省大量的人力和物力,还可以得出许多从实验中很难得到的重要数据,仿真结果形象、直观,对实践有着很高的指导价值.,这对提高我国汽车内饰件开发有很重要的意义但再准确的有限元分析也无法百分之百得取代实际实验验证。 大量的有限元分析和实际验证结果表明，有限元分析并不能完全正确的反应实际结果，误差甚至能超过60%以上，造成大量的人力，物力，财力的损失.本论文通过对本公司现做的项目Qoros CF11的仪表板进行头部碰撞结果分析，并做出实验验证，以比较它们结果的差异。 通过学习有限元分析的理论和实践分析，找出差异的原因。 本文的研究成果将会为内饰件的有限元分析和实验提供参考依据，为开发安全驾驶室内饰组件,研究人的头部在碰撞中的机械响应特性以及碰撞试验用的人体替代物提供参考,并能节约公司的项目开发的时间和成本 二、文献综述国内外研究现状、发展动态汽车碰撞问题是一个十分复杂的力学问题。 1985年以前,限于当时的理论水平,人们是不可能对其有个全面深入的了解的。 为了最大限度满足有关安全标准,保障乘员生命安全,人们尝试了许多方法以便弄清汽车碰撞的内在规律,达到利用与控制碰撞的目的。 其中的多刚体系统动力学方法和机械振动学方法是当时最优秀的两个方法。 模型简单、表述规范、编程方便、运算快捷是多刚体系统动力学方法的突出优点,但由于真实世界中的物体都是可变形体,而且对于汽车碰撞分析来说,汽车车体结构的变形特性是影响汽车安全性能的关键因素,因此,该方法在汽车碰撞仿真中常常只用于对人体模型的碰撞响应分析。 采用机械振动学方法来进行汽车碰撞分析,目的是弥补多刚体系统动力学方法不能研究可变形体响应的不足。 它是根据碰撞过程中汽车的实际变形情况将汽车离散为一个非线性弹簧-质量振动系统,通过事先测定系统中弹性元件的非线性抗力特性,利用机械振动学的方法来求解碰撞系统响应的。 程序短小、简明、能够考虑变形体的弹塑性变形特性是该方法的基本优点,而且从理论上说,它与多刚体系统动力学方法的有机结合,能够解决汽车碰撞分析中几乎所有的响应问题,但由于抗力元件的非线性特性必须预先测定,同时又要保证所测得的特性恰恰是构件在真实碰撞中的力-变形特性,这样,在测试时,就必须精心模拟构件在碰撞中可能出现的各种可能的约束条件,而汽车碰撞中的有些接1985年之后,显式有限元方法的成熟,标志着汽车碰撞仿真研究新时期的开始。 适用面广、精度高且能够处理异常复杂的约束边界是其独有优点,使之成为一种克服了前述两种方法全部缺点的优秀方法。 本来,像其他方法一样,显式有限元方法也应有其不足之处,即与传统的隐式有限元方法相比,它本来具有一个很大的缺点即受Courant稳定性准则制约的积分时间步长太小,尽管显式算法不存在隐式算法中的“平衡迭代”问题,使其单次求解速度高于隐式算法之速度,但由于汽车碰撞问题规模大、非线性严重,太小的积分时间步长,必然招致整个求解过程所需的CPU时间太长。 幸运的是,由于汽车碰撞过程的瞬时性与结构的大变形性,材料不仅具有一定的应变率,而且还经常处于弹塑性状态,而材料一旦超过屈服极限进入弹塑性状态,弹塑性应力和应变之间就没有一一对应的关系,即应变不仅依赖于当时的应力状态而且还依赖于整个加载的历史,因此,为了不破坏材料的本构关系,计算中又必须采用很小的积分时间步长。 于是,采用很小的积分时间步长这一本来是出于显式有限元方法无奈的做法,反而成为汽车碰撞分析的必要条件,从而更促使显式有限元方法成为汽车碰撞仿真最常用的有限元方法,这也就是在碰撞分析中很少采用隐式有限元方法的根本原因。 随着汽车碰撞仿真研究的深入,到1996年,人们设计出了某种意义上的安全车身,但还有许多课题有待深入研究。 随着仿真技术的发展,汽车安全车身的含义正日趋科学,汽车被动安全性的研究内容也在悄悄地丰富着,尽管汽车碰撞仿真研究已取得了巨大成就,但研究工作还远没有完结安全车身可以使汽车碰撞时的冲击能量得以最优分布的话,那么乘员保护系统就应该将该系统所分得的冲击能量对乘员的伤害程度减至最低水平。 通过这两个阶段的联合作用,使碰撞系统中的全部生命体的安全都能得到有效的保护。 实践表明,由座椅、安全带、安全气囊等组成的乘员保护系统,可以将乘员死亡率降低约12%,同时,乘员的受伤程度也可以得到大幅度减轻。 然而,任何事物都具有二重性,乘员保护系统也具有伤害无辜的惊人负面效应。 原因就在于虽然由尼龙或聚脂纤维布料等制成的气袋质量不大,但展开时的击出速度却高达250km/h以上,这一冲击能量对脆弱的人体而言并非一个小数目,已经发生过的安全气囊使人致死的事例,就足以为人们敲响警钟!因此,进一步发展与完善乘员保护系统,克服其负面影响,对于减少乘员伤亡,不仅意义重大,而且迫在眉睫。 目前,人们对乘员保护系统的研究异常活跃。 在研究手段上,除了一惯采用的试验研究外,仿真分析也越来越受人青睐。 鉴于乘员保护系统的特点,我们认为,今后的工作重心就是必须把它作为一个有机的整体来进行研究,也就是说,除了需要增加乘员的保护部位(如下肢、颈部等),优化气袋的充气速率、折叠方式和最佳点火时间,探讨碰撞时转向柱、座椅及头枕、安全带等各自满足相关标准的最佳结构和力-变形特性以外,更要下大力气解决好转向柱、座椅及头枕、安全带、气囊等各部件碰撞特性的协调与互补问题,将研制智能气袋系统的工作逐步推向研制智能乘员保护系统的新阶段 三、研究内容1主要研究内容及拟关键技术a.网格划分应用有限元前处理软件Nastran对仪表板进行网格划分，矩形单元越小精度越高，在绘制完网格以后，进行的模态分析网格划分的锤头模型有5038个节点,仪表板有2961个节点b.材料模型建立在对仪表板进行前碰撞仿真时，关键问题是材料模型的正确选用。 同一个零件在进行不同条件（撞击速度和承受载荷不同）下的计算分析时，都可能需要选用不同的材料模型。 碰撞计算，在以24.1km/h的速度撞击时，塑料支架会发生较大变形，材料会发生塑性变形甚至破坏的问题。 计算时需要采用动态弹塑性材料模型，动态屈服应力、静态屈服应力与应变率之间满足下列经验公式式中ds，s材料的动态屈服应力和静态屈服应力；应变率；C，P应变率参数。 应变率不同，材料的应力曲线也不同。 c.仪表板的吸能特性试验作为主要内饰件的仪表板,从材料特性方面首先应当满足法规的吸能特性要求,在此基础上,才能进一步考虑对碰撞过程的安全性要求。 依据FMVSS201的相关规定将吸能试验简化为直接使用质量为6.8kg刚性锤头模型对试验构件进行碰撞,锤头速度方向为撞击接触面的法线方向,速度大小为24.1km/h。 结果要求锤头的减速度超过800m/s的持续时间不超过3ms。 2拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析通过仪表板3D数模的建立，材料的特性模型的建立，有限元技术分析得出最优的头碰解决方案，并以此进行开模生产出零件，并做摆锤实验以验证其结果，对比CAE结果和实验结果，以此调整有限元模型以得到最接近实验结果的方法。 具体步骤如下3D数模的建立材料特性模型的建立网络模型建立，有限元分析数模修改，材料模型修改是否满足头碰要求否是零件生产3预期目标通过差异的原因的分析，和网络模型，材料模型，实验验证找出它们的关联性，以增加头碰碰撞有限元分析的有效性，以指导以后的3D数模构建和实验验证，减少仪表板的开发周期和成本，并为开发安全驾驶室内饰组件,研究人的头部在碰撞中的机械响应特性以及碰撞试验用的人体替代物提供参考,节约公司的项目开发的时间和成本 四、研究基础1所需工程技术、研究条件要做好此次课题，必须对有限元分析的算法的研究和应用有全面的了解，并熟悉IP头碰法规要求，对实验方法和条件要有全面的了解。 本人所在单位正在进行Qoros Q3仪表板的开发，并在其中担任工程督导，能得到来至设计团队，有限元分析团队，工程团队的鼎力支持，并得到所有项目数据2所需经费，包含经费、开支预算（工程设备、材料须填写名称、规格、数量）经费Qoros Q3项目经费工程设备内饰3D数据CAE分析（NASTRAN软件，电脑）拉压力计SHAPL407（1只），千分表SHAPL421（1只）,温度箱SHAPL019（1台）,耐久性测试机SHAPL205（1台）,push-pull meterSHAPL439（1台 五、工作计划序阶段及内容工作量估计起讫日期阶段成果形式头碰摆锤实验验证实验结果和有限元结果进行对比材料特性模型和网络模型的更改撰写报告号（时数）123455678IP3D数模的建立材料特性模型的建立网络模型建立，有限元分析数模修改，材料模型修改(反复)零件生产头碰摆锤实验验证实验结果和有限元结果进行对比材料特性模型和网络模型的更改和分析撰写报告160h16h160h160h160h100h30h40h160hxx.05-xx.07xx.09-xx.09xx.10-xx.11xx.12-xx.01xx.01-xx.02xx.03-xx.04xx.04-xx.04xx.05-xx.05xx.06-合计论文选题报告评分表评审项目权重评分标准得分(百分制) 一、选题依据（A）30%80-100分直接生产实际或具有明确具体的工程背景，研究内容有较好的实际应用价值60-80分一定程度上生产实际或具有一定的工程背景，研究内容有一定的实际应用价值60分以下脱离生产实际，无实际应用价值 二、理论基础和专门知识（B）20%80-100分较好的掌握本专业的基础理论和系统的专门知识60-80分基本掌握基础理论和专门知识60分以下未能掌握基础理论和专门知识 三、选题难度及先进性（C）30%80-100分研究课题具有较高的技术难度、先进性和工作量，充分体现出综合运用科学理论、技术、方法和手段解决工程实际问题的能力60-80分研究课题具有一定的技术难度、先进性和工作量60分以下研究课题不符合本领域的发展方向，先进性不明显，难度不大 四、文字表达（D）10%80-100分条理清晰，分析严谨，文笔流畅60-80分条理较好，层次分明，文笔较流畅60分以下写作能力较