车身结构强度与碰撞安全分析技术

1、车身结构强度与碰撞安全分析技术可编辑课件安全性法规（NCAP)有限元方法的理论基础仿真工具工程应用实例内容提要可编辑课件安全性法规（NCAP)U.S. - FMVSS (Federal Motor Vehicle Safety Standard, )Canada - CMVSS (Canada Motor Vehicle Safety Standard)Europe - European Regulation (European Economic Commission)Japan - Safety Regulation For Road Vehicles Australia - ADR (Au

2、stralian Design Rule) China CMVDR 294 (China Motor Vehicle Design Regulation,GB)各地区安全法规可编辑课件汽车安全标准 (NCAP)NCAP星级评价组织或新车评价体系 ,是轿车（尤指新上市车型）碰撞安全的一种标准。它是行业性标准，不同于政府强制性法规; 主要有美国US-NCAP、欧洲EURO-NCAP、日本JNCAP、澳大利亚ANCAP等;这些国家的星级评价，主要以美国星级评价为基础，因而内容基本相同.NCAP标准与政府法规的区别政府性法规NCAP标准强制性法规要求非强制性标准碰撞速度相对较低碰撞速度要求高于法规是新

3、车上市的最低要求是对车辆安全性的更高要求结果为：“通过”或者“不通过” 结果为：星级评价 安全性法规（NCAP)可编辑课件NCAP（新车评价体系）的试验内容以及与相对应法规的比较安全性法规（NCAP)可编辑课件Phase One 正常驾驶Phase Two 发生危险Phase Three 不可避免Phase Four事故发生Phase Five事故后处理主动安全与被动安全安全性法规（NCAP)可编辑课件安全性法规（NCAP)NCAP(新车评价体系)的实验内容可编辑课件安全性法规（NCAP)前碰撞试验法规比较试验形态FMVSS208US-NCAPIIHSECE94Euro-NCAPCMVR 29

4、4NCAP CHINA完全壁障48km/h 完全刚性固定壁障，完全正碰或30度倾角, 前排座椅都有假人，且需安全带56km/h完全刚性固定壁障，完全正碰，前排座椅都有假人，且需安全带-48km/h完全刚性固定壁障，完全正碰，前排座椅都有假人，且需安全带刚刚引入40偏置-64km/h 40% 偏置装固定壁障，完全正碰56km/h 40% 偏置装固定壁障，完全正碰，前排座椅都有假人，且需安全带64km/h 40% 偏置装固定壁障，完全正碰前排座椅都有假人，且需安全带刚刚引入可编辑课件安全性法规（NCAP)欧洲NCAP前碰撞方法试验前车的准备若有气囊检查安全气囊一切正常；放掉油箱中所有的汽油并且发动

5、汽车把油耗干；在油箱中灌满水，水的质量为满箱油质量的90%；把前排座椅放在导槽的中间，并且放置两个假人；测试车的重量：包括燃料，冷却液，润滑油，备用胎，测试设备等。离合器，刹车板以及加速板的中心点；方向盘中心点；测量碰撞前门的距离可编辑课件安全性法规（NCAP)欧洲NCAP前碰撞方法测试参数碰撞前：车的测试速度：测试点离壁障尽量近，目标速度64km/h(+/-1km/h);碰撞区域：碰撞区域40(+/-20mm)车的宽度（不包括后视镜）;试验前门需关闭，但不锁，测试中也不能打开；碰撞后：试验后记录下打开门所需的力，打开角度为45度；记录下假人的位置；记录下从车里取出假人的方法，要求不须调整椅背

6、即可将假人移出车外；测取需要记录侵入点的侵入量；燃料泄漏要小于30g/min；可编辑课件安全性法规（NCAP)前碰撞评价指标可编辑课件安全性法规（NCAP)正面碰撞实验评价方法（美国NCAP) 可编辑课件安全性法规（NCAP)正面碰撞实验评价方法（欧洲NCAP)可编辑课件安全性法规（NCAP)测量指标点数头部HIC值头部加速度04分颈部剪力轴向张力向后弯矩04分胸部胸部压缩量胸部粘性指标04分下肢大腿负荷膝盖压缩量胫骨指数04分假人损伤值换算得分可编辑课件安全性法规（NCAP)侧面碰撞试验法规比较试验形态FMVSS214US-SINCAPIIHSECE95Euro-SINCAPCMVDR 29

7、5NCAP CHINA直角-51km/h可变形的运动壁障（0.95吨），垂直正碰，手刹车释放，燃料为满载的9294，放两个假人50km/h可变形的运动壁障（0.95吨），垂直正碰，燃料为满载的90，放一个假人50km/h可变形的运动壁障（0.95吨），垂直正碰，燃料为满载的90，放一个假人50km/h与ECE95基本相似，今年7月开始实施。可变形的运动壁障（0.95吨），垂直正碰，燃料为满载的90，放一个假人刚刚引入倾斜54km/h 可变形的运动壁障（1.368吨），与Y成27度，手刹车拉上，燃料为满载的9294，放两个假人62km/h可变形的运动壁障（1.368吨），与Y成27度，手刹车拉上

8、，燃料为满载的9294，放两个假人-刚刚引入可编辑课件安全性法规（NCAP)侧面碰撞实验方法（欧洲NCAP）试验前车的准备车辆状态是静止；放掉油箱中所有的汽油并且发动汽车把油耗干；在油箱中灌满水，水的质量为满箱油质量的90%；驾驶员座椅放置在导槽的中间位置；在驾驶员位置放置ES-2假人；测量车的重量：无负载情况100kg（包括假人及其相关测试设备）标注出座椅的R点；可编辑课件安全性法规（NCAP)测试参数碰撞前：运动壁障车的测试速度：测试点离碰撞区尽量近，目标速度50km/h(+/-1km/h);避免运动壁障车与试验车发生二次碰撞；运动壁障车与试验车的碰撞放置：目标对齐的位置：运动壁障车的中心

9、线与R点一致（ 25mm）测试期间车门不能打开；碰撞后：试验后记录下打开门所需的力，打开角度为45度；记录下假人的位置；记录下从车里取出假人的方法，要求不试用工具能将假人模型移出；燃料泄漏要小于30g/min；侧面碰撞实验方法（欧洲NCAP）可编辑课件安全性法规（NCAP)侧面碰撞评价指标法规头部颈部胸部腹部腰部车体变形美国FMVSS214US-SINCAP HICTTI腰加速度不评价美国IIHSHIC张力压缩力胸部位移VC肩位移骼骨负荷大腿负荷评价欧洲ECE-R95Euro-NCAPHIC加速度胸部位移VC腹部负荷耻骨负荷评价中国CMVDR295NCAP-China可编辑课件安全性法规（NC

10、AP)侧面碰撞实验评价方法（美国NCAP)可编辑课件安全性法规（NCAP)侧面碰撞实验评价方法（欧洲NCAP)可编辑课件安全性法规（NCAP)测量指标点数头部HIC值头部加速度04分胸部胸部位移胸部粘性指标04分腹部部腹部负荷04分腰部耻骨负荷04分假人损伤值换算得分可编辑课件安全性法规（NCAP)侧面柱撞试验方法（欧洲NCAP）可编辑课件安全性法规（NCAP)试验前准备放掉油箱中所有的汽油并且发动汽车把油耗干；在油箱中灌满水，水的质量为满箱油质量；驾驶员座椅放置在导槽的中间位置；在驾驶员位置放置假人；测量车的总重量；碰撞位置：在侧边门的参考线上，过该参考线的横向垂直平面通过假人头部重心位置；

11、在车的位置上标上标记。侧面柱撞试验方法（欧洲NCAP）可编辑课件安全性法规（NCAP)测试参数碰撞前：使刚性柱与参考线对齐；刚性柱：离地高度不低于102mm，需高于车顶100mm，刚性柱的直径为245mm（/-3mm）；碰撞速度：台车的加速度不能超过1.5m/s2,目标速度29km/h(+/-0.5km/h)碰撞角度：90度（+/-3度）碰撞后：试验后记录下打开门所需的力，打开角度为45度；记录下假人的位置；记录下从车里取出假人的方法；测取侵入点的侵入量；侧面柱撞试验方法（欧洲NCAP）可编辑课件安全性法规（NCAP)碰撞综合评价方法（欧洲NCAP)可编辑课件安全性法规（NCAP)美国和欧洲碰

12、撞法规试验方法的差别：1、移动障碍壁的质量、尺寸及形状不同2、碰撞形式不同3、碰撞速度不同4、碰撞点位置不同5、乘员损伤评价方法不同可编辑课件有限元方法基础适用领域 有限元法几乎适用于所有的工程领域，应用最为广泛的是结构工程、材料科学领域中的应力、应变和位移的分析计算。 在车身结构设计中，主要用于车身结构分析、模态分析、碰撞模拟可编辑课件有限元方法基础基本思想拉伸筋凹槽圆角凹槽凹模模腔压边圈压料面冲 头“以直代曲”，以离散体代替连续体拉伸筋凹槽圆角凹槽凹模模腔压边圈压料面冲 头可编辑课件有限元方法基础有限元方法的基本步骤1、结构离散化2、位移模式的选择3、单元力学特性分析4、等效节点力计算5、

13、建立整体结构的平衡方程6、求解未知节点的位移及单元应力可编辑课件有限元方法基础有限元方法的基本步骤1、结构离散化 把无限变量处理成有限变量的过程称为离散化。有限元法的结构离散化过程，就是将被分析的连续的对象划分成由有限个单元组成的离散体的集合，并在单元上选取一定数量的点作为节点。各个单元体之间仅在节点处相连接。有限单元法的整个分析过程就是针对这种单元集合体进行的。 可编辑课件有限元方法基础有限元方法的基本步骤2、位移模式的选择 位移模式是指对单元中各点处位移的分布状况所作的一种假设，即选择一种比较简单的函数用以近似表示单元中各点位移的分量随坐标变化的分布规律。 由于多项式的数学运算比较简单，易

14、于处理，因此通常选用多项式作为位移模式，多项式的项数和阶数通常根据单元的自由度和求解的收敛性要求等来选取。一般情况下，应等于单元的自由度数，同时广义坐标应取为节点位移。可编辑课件有限元方法基础有限元方法的基本步骤3、单元的力学特性分析 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数量、位置等，找出单元节点力与节点位移的关系，并用几何方程和物理方程建立力与位移之间的方程式。即对单元的刚度矩阵和质量矩阵进行分析求解。 可编辑课件有限元方法基础有限元方法的基本步骤4、单元受力等效转换 当结构被分离成多个单元后，结构所承受的载荷在单元之间仅通过节点来传递。但实际上，力是从单元的公共边界上传递的，因此必须把作用

15、在单元边界上的面力，以及作用在单元体内的体积力、集中力等按照静力等效的原则，处理成只作用在节点上的力。可编辑课件有限元方法基础有限元方法的基本步骤5、建立整体结构的平衡方程 即结构的整体分析，也就是将单元刚度矩阵合成为整体刚度矩阵，同时，将作用于各节点的载荷合成为整体结构的节点载荷向量。可编辑课件有限元方法基础有限元方法的基本步骤6、求解未知节点的位移及单元应力 在求得单元节点解的基础上，根据单元位移插值函数，求得单元内任一点的位移和应力。 可编辑课件有限元方法基础有限元法的求解流程可编辑课件有限元方法基础双燃料车气瓶支架计算可编辑课件有限元方法基础利用CAE技术进行仿真分析的局限性1、由于材

16、料特性描述与实际材料差异等多方面的原因， 模拟计算结果与实际试验结果存在偏差；2、金属材料的塑性特性理论尚不完备；3、材料冷作硬化特性难以掌握；4、材料的初始内应力不易掌握；5、材料断裂难以预测。可编辑课件仿真工具碰撞仿真分析的进展及发展趋势可编辑课件碰撞仿真分析的进展及发展趋势应用领域1. Plasticity2. Contact-impact treatment3. Airbag, seat belt model4. Barrier model5. Welding6. Material failure modes development7. Joint development 8. Foa

17、m material9. Dummy model仿真工具可编辑课件汽车碰撞仿真分析工具CADDataMesh GenerationPart AssemblySolverPost ProcessCATIAIDEASHypermesh ANSAFEMBEasiCrashHypeworkFEMBMode-EditPam-SafeLS-DYNARADIOSSPam-CrashABAQUSMADYMOMSC-DYTRANADINAHypermeshFEMBMod-AnimPam-SafeDyna-Post仿真工具可编辑课件仿真模型目前趋势是创建同一个模型用于3个主要的碰撞模拟分析（前碰、侧碰和后碰）；有

18、限元网格是用自动网格划分工具生成的，并且把各个部件装配起来；车身大约包括2025平方米的钣金覆盖件；Mesh SizeNumber of shell ElementsNormal Size10 * 10200,000Weld nugget size5 * 5800, 000average thickness1 * 120,000,000仿真工具可编辑课件仿真模型 CAD数据： 数据类型有：CATIA、 UG、 PRO-E、 IGES 等等； 提供厚度信息和材料列表； 几何处理；仿真工具可编辑课件仿真模型仿真工具结构简化1、孔类特征D D6Ignore 6D25Hexagon26D32Octag

19、on33D38Decagon38D45Dodecagon2、筋类特征25可编辑课件仿真模型基于翻边的网格划分方法：在汽车结构中，焊点基本上都是分布在翻边上；焊点数据的提供通常是晚于部件数据；在翻边上划分网格的方法可以解决这个问题：这种方法可以在所有的翻边生成相同的网格；在翻边的宽度方向上有2或3个单元；这种方法可以让我们在预先不知道焊点位置的时候就开始划分网格；仿真工具可编辑课件仿真模型碰撞区域的网格划分：仿真工具可编辑课件碰撞模拟分析中车身上一些重要部件： 车身骨架 保险杠 防撞泡沫 副车架 发动机 变速箱 发动机安装座 仪表板 发动机罩 行李箱盖 车门 翼子板 风窗仿真模型仿真工具可编辑课

20、件创建车身的材料以及车身的单元特性： 材料的参数和部件的厚度由用户提供； LS-DYNA拥有丰富的材料模型库； 不同的材料（钢材，塑料，泡沫，胶，焊点，玻璃等等）选用LS-DYNA中不同的材料模型；(材料方向） 不同的单元类型（壳单元，立体单元，梁单元，弹簧单元等等）选用LS-DYNA中不同的积分方式；仿真模型仿真工具可编辑课件创建质量块单元以配重质量块单元可以用于代替非结构质量；质量块单元所在的位置位于所代替部件的质心位置；质量块代替的部件一般有：电池备用胎内饰件仪表板上的部件油箱等等仿真模型仿真工具可编辑课件仿真模型仿真工具整车建模的质量分配Total vehicle Mass1200 k

21、gDetailCar Body 200 kg100,000 elements100,000 nodes2gram/nodePower train200 kgmeshedChassis & Wheels200 kgmeshedComponents600 kg1kg/node可编辑课件障碍物模型：前碰撞模拟分析用的刚性墙： 物理车试验时法规规定的刚性墙要求：壁障由钢筋混凝土制成；壁障前部宽度不小于3m，高度不小于1.5m，厚度应保证其质量不低于70000kg；壁障前表面应铅垂，其法线应与车辆直线行驶方向成00或300夹角；壁障表面应覆以2cm厚状态良好的胶合板；壁障固定在地面上，以限制其位移；仿真

22、模型仿真工具可编辑课件 欧洲40偏置前碰撞模拟分析用的障碍物： 物理车试验时法规规定的障碍物要求：仿真模型仿真工具可编辑课件物理车试验时法规规定的障碍物上蜂窝铝特性要求：仿真模型仿真工具可编辑课件 欧洲侧碰撞模拟分析用的运动壁障(MDB): 欧洲侧碰撞运动壁障车上蜂窝铝的几何尺寸：仿真模型仿真工具可编辑课件欧洲侧碰撞模拟分析用的运动壁障(MDB):物理车试验时法规规定的运动壁障车要求：欧洲侧碰撞运动壁障车整车的几何特性：总质量为950（/- 20）kg；运载车的前、后轮距为1500（/10）mm；运载车的轴距为3000（/10）mm；重心在纵向中垂面10mm内，距前轴1000（/30）mm，距

23、地面500（/30）mm；碰撞壁前表面距壁障重心为2000（/30）mm；在静止状态下，蜂窝铝最底面离地间隙为300（/5）mm；仿真模型仿真工具可编辑课件仿真模型仿真工具 欧洲侧碰撞模拟分析用的运动壁障有限元模型 材料为*MAT_HONEYCOMB可编辑课件仿真模型仿真工具美国侧碰撞模拟分析用的运动壁障(MDB): 物理车试验时法规规定的运动壁障车要求：美国侧碰撞运动壁障车整车的几何特性：总质量为1368（/- 5）kg；运载车的前、后轮距为1880mm；运载车的轴距为2590mm；重心在纵向中垂面左侧7.6mm内，距前轴1123mm，距地面500mm；在静止状态下，蜂窝铝最底面离地间隙为2

24、79mm；可编辑课件仿真模型仿真工具 美国侧碰撞模拟分析用的运动壁障有限元模型： 蜂窝铝所用的材料模型为：*MAT_MODIFIED_HONEYCOMB可编辑课件仿真模型仿真工具 汽车碰撞仿真的假人模型：VPG中的假人库模型:6个前碰撞假人2个侧碰撞假人可变形50百分位前碰撞假人刚性50百分位前碰撞假人欧标侧碰撞假人美标侧碰撞假人可编辑课件 汽车碰撞仿真的假人模型：VPG假人库中的假人模型的标定:根据FMVSS法规572规定：头部跌落试验；颈部弯曲试验；颈部拉伸试验；胸部碰撞试验；下肢大腿骨碰撞试验；大腿骨髋关节弯曲试验；仿真模型仿真工具可编辑课件头部跌落试验：The peak acceler

25、ation of VPG simulation result is 239.158g and it meets the FMVSS 572 Regulation (225g to 275g), see the right figure. 仿真模型仿真工具可编辑课件仿真模型仿真工具颈部弯曲试验： 试验要求：颈部做摆锤运动，在摆锤与蜂窝铝接触瞬间，切向速度为19.9ft/sec（6.1m/s)。弯矩最大值范围：53N*m 80N*m.The peak moment of VPG simulation result is 112606 N-mm from this simulation and it

26、 is slightly higher than requirement (88223 N-mm to 108582 N-mm). 可编辑课件仿真模型仿真工具颈部拉伸试验 试验要求：颈部做摆锤运动，在摆锤与蜂窝铝接触瞬间，切向速度为19.9ft/sec（6.1m/s)。弯矩最大值范围：53N*m 80N*m.The peak moment of VPG simulation result is 89850.7 N-mm from this simulation and it is slightly higher than requirement (-52934 N-mm to -80079Nm

27、m). 可编辑课件仿真模型仿真工具胸部碰撞试验：The peak force of VPG simulation result is 5558.17 N from this simulation and it meets requirement (5165 N to 5900 N). 可编辑课件仿真模型仿真工具下肢大腿骨碰撞试验： The peak force of VPG simulation result is 5641.72 N from this simulation and it meets requirement (4720 N to 5789 N).可编辑课件仿真模型仿真工具 下

28、肢大腿骨髋关节弯曲试验： The femur torque at 30 deg. rotation from its initial horizontal orientation is 94981 N-mm and this meets the requirement (not more than 95009 N-mm). 可编辑课件仿真模型仿真工具 假人模型损伤值的测量:假人模型上的测量点在有限元模型中都已自动设置HIC值测点是头部重心，测的量是头部重心的加速度；颈部的损伤值（Nij，F，M）测点是颈部的上端点和下端点的铰接点，测的量是铰接的力和弯矩；胸部损伤值（a，d，VC值）测点是胸部的

29、加速度计或扭簧，测的量是加速度或扭簧的扭矩；腹部的损伤值（a）测点是腹部的加速度计，测的量是加速度；大腿骨的力（F）测点是大腿骨上的弹簧单元，测的量是弹簧力；可编辑课件 Half Vehicle Model 6,000 Elements Demo the Frontal Crash Phenomena前碰撞模拟实例:仿真模型仿真工具可编辑课件仿真模型仿真工具SubsystemsDeformation MechanismTimeSide Member and BumperForce input from bumper acts on front part of side member0 5 ms

30、Front part of side member deforms in axial mode5 10 msSide member deforms in bending mode10 32 ms Engineer/TransmissionEngine/transmission reaches barrier32 msEngine/transmission comes in contact with suspension mount38 msLower Dash StructureFront part of floor tunnel deforms32 endSide member extens

31、ion deforms in bending mode38 endSuspension mount deforms in axial mode38 end前碰撞仿真结果分析可编辑课件仿真模型仿真工具可编辑课件工程应用汽车碰撞安全进展汽车安全设计可编辑课件工程应用汽车碰撞安全进展美国前碰撞评估试验欧洲前碰撞评估试验侧撞评估试验（欧、澳洲、日）侧面碰撞评估试验可编辑课件工程应用汽车碰撞安全进展可编辑课件工程应用汽车碰撞安全进展车身结构安全设计的基本概念、吸收分配汽车碰撞能量（结构产生塑性变形）、降低对乘客的冲击力到可容度以内、保持乘客一定的生存空间可编辑课件工程应用汽车碰撞安全进展车身结构安全分析、汽车安全性能评估、提供提高安全性能的修改方案及费用估算、给出最佳方案、提供优化组合及可靠性设计可编辑课件工程应用汽车碰