车身结构强度与碰撞安全分析技术

车身科韩冰～5.31车身结构强度与碰撞平安分析技术－－学习总结平安性法规〔NCAP)有限元方法的理论根底仿真工具工程应用实例内容提要平安性法规〔NCAP)U.S.-FMVSS(FederalMotorVehicleSafetyStandard,)Canada-CMVSS(CanadaMotorVehicleSafetyStandard)Europe-EuropeanRegulation(EuropeanEconomicCommission)Japan-SafetyRegulationForRoadVehiclesAustralia-ADR(AustralianDesignRule)China–CMVDR294(ChinaMotorVehicleDesignRegulation,GB)各地区平安法规汽车平安标准(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〕碰撞平安的一种标准。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根底，因而内容根本相同.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

平安性法规〔NCAP)NCAP〔新车评价体系〕的试验内容以及与相对应法规的比较平安性法规〔NCAP)PhaseOne正常驾驶PhaseTwo发生危险PhaseThree不可防止PhaseFour事故发生PhaseFive事故后处理主动平安与被动平安平安性法规〔NCAP)平安性法规〔NCAP)NCAP(新车评价体系)的实验内容平安性法规〔NCAP)前碰撞试验法规比较试验形态FMVSS208US-NCAPIIHSECE94Euro-NCAPCMVR294NCAPCHINA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/h40%偏置装固定壁障，完全正碰56km/h40%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/h40%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平安性法规〔NCAP)欧洲NCAP前碰撞方法试验前车的准备假设有气囊检查平安气囊一切正常；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%；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平安性法规〔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，测试中也不能翻开；碰撞后：试验后记录下翻开门所需的力，翻开角度为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；平安性法规〔NCAP)前碰撞评价指标平安性法规〔NCAP)正面碰撞实验评价方法〔美国NCAP)

平安性法规〔NCAP)正面碰撞实验评价方法〔欧洲NCAP)平安性法规〔NCAP)测量指标点数头部HIC值头部加速度0～4分颈部剪力轴向张力向后弯矩0～4分胸部胸部压缩量胸部粘性指标0～4分下肢大腿负荷膝盖压缩量胫骨指数0～4分假人损伤值换算得分平安性法规〔NCAP)侧面碰撞试验法规比较试验形态FMVSS214US-SINCAPIIHSECE95Euro-SINCAPCMVDR295NCAPCHINA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92～94％，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92～94％，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，燃料为满载的92～94％，放两个假人----刚刚引入平安性法规〔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；平安性法规〔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);防止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：运动壁障车的中心线与R点一致〔±25mm〕测试期间车门不能翻开；碰撞后：试验后记录下翻开门所需的力，翻开角度为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〕平安性法规〔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-SINCAPHIC－TTI－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－－－－－－平安性法规〔NCAP)侧面碰撞实验评价方法〔美国NCAP)平安性法规〔NCAP)侧面碰撞实验评价方法〔欧洲NCAP)平安性法规〔NCAP)测量指标点数头部HIC值头部加速度0～4分胸部胸部位移胸部粘性指标0～4分腹部部腹部负荷0～4分腰部耻骨负荷0～4分假人损伤值换算得分平安性法规〔NCAP)侧面柱撞试验方法〔欧洲NCAP〕平安性法规〔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；在车的位置上标上标记。侧面柱撞试验方法〔欧洲NCAP〕平安性法规〔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：试验后记录下翻开门所需的力，翻开角度为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〕平安性法规〔NCAP)碰撞综合评价方法〔欧洲NCAP)平安性法规〔NCAP)美国和欧洲碰撞法规试验方法的差异：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有限元方法根底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、碰撞模拟有限元方法根底根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有限元方法根底有限元方法的根本步骤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、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有限元方法根底有限元方法的根本步骤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。有限元方法根底有限元方法的根本步骤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。有限元方法根底有限元方法的根本步骤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。有限元方法根底有限元方法的根本步骤4、单元受力等效转换当结构被别离成多个单元后，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那么，处理成只作用在节点上的力。有限元方法根底有限元方法的根本步骤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。有限元方法根底有限元方法的根本步骤6、求解未知节点的位移及单元应力在求得单元节点解的根底上，根据单元位移插值函数，求得单元内任一点的位移和应力。有限元方法根底有限元法的求解流程有限元方法根底双燃料车气瓶支架计算有限元方法根底利用CAE技术进行仿真分析的局限性1、由于材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。仿真工具碰撞仿真分析的进展及开展趋势碰撞仿真分析的进展及开展趋势应用领域1.Plasticity2.Contact-impacttreatment3.Airbag,seatbeltmodel4.Barriermodel5.Welding6.Materialfailuremodesdevelopment7.Jointdevelopment8.Foammaterial9.Dummymodel仿真工具汽车碰撞仿真分析工具CADDataMeshGenerationPartAssemblySolverPostProcessCATIAIDEASHypermesh

ANSA

FEMBEasiCrashHypeworkFEMBMode-EditPam-SafeLS-DYNARADIOSSPam-CrashABAQUSMADYMOMSC-DYTRANADINAHypermeshFEMBMod-AnimPam-SafeDyna-Post仿真工具仿真模型目前趋势是创立同一个模型用于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20～25平方米的钣金覆盖件；MeshSizeNumberofshellElementsNormalSize10*10200,000Weldnuggetsize5*5800,000averagethickness1*120,000,000仿真工具仿真模型

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；仿真工具仿真模型仿真工具结构简化1、孔类特征DD<6Ignore6<D<25Hexagon26<D<32Octagon33<D<38Decagon38<D<45Dodecagon2、筋类特征25仿真模型基于翻边的网格划分方法：在汽车结构中，焊点根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；仿真工具仿真模型碰撞区域的网格划分：仿真工具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创立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；仿真模型仿真工具创立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仿真模型仿真工具整车建模的质量分配TotalvehicleMass1200kgDetailCarBody200kg100,000elements100,000nodes2gram/nodePowertrain200kgmeshedChassis&Wheels200kgmeshedComponents600kg1kg/node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；壁障前外表应铅垂，其法线应与车辆直线行驶方向成00或300夹角；壁障外表应覆以2cm厚状态良好的胶合板；壁障固定在地面上，以限制其位移；仿真模型仿真工具欧洲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

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，距地面500〔＋/－30〕mm；碰撞壁前外表距壁障重心为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279mm；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

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；仿真模型仿真工具头部跌落试验：ThepeakaccelerationofVPGsimulationresultis239.158ganditmeetstheFMVSS572Regulation(225gto275g),seetherightfigure.

仿真模型仿真工具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.ThepeakmomentofVPGsimulationresultis112606N-mmfromthissimulationanditisslightlyhigherthanrequirement(88223N-mmto108582N-mm).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.ThepeakmomentofVPGsimulationresultis–89850.7N-mmfromthissimulationanditisslightlyhigherthanrequirement(-52934N-mmto-80079Nmm).

仿真模型仿真工具胸部碰撞试验：ThepeakforceofVPGsimulationresultis5558.17Nfromthissimulationanditmeetsrequirement(5165Nto5900N).

仿真模型仿真工具下肢大腿骨碰撞试验：ThepeakforceofVPGsimulationresultis5641.72Nfromthissimulationanditmeetsrequirement(4720Nto5789N).仿真模型仿真工具

下肢大腿骨髋关节弯曲试验：

Thefemurtorqueat30deg.rotationfromitsinitialhorizontalorientationis94981N-mmandthismeetstherequirement(notmorethan95009N-mm).

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；

HalfVehicleModel<6,000ElementsDemotheFrontalCrash

Phenomena前碰撞模拟实例:仿真模型仿真工具仿真模型仿真工具SubsystemsDeformationMechanismTimeSideMemberandBumperForceinputfrombumperactsonfrontpartofsidemember0～5msFrontpartofsidememberdeformsinaxialmode5～10msSidememberdeformsinbendingmode10～32msEngineer/TransmissionEngine/transmissionreachesbarrier32msEngine/transmissioncomesincontactwithsuspensionmount38msLowerDashStructureFrontpartoffloortunneldeforms32～endSidememberextensiondeformsinbendingmode38～endSuspensionmountdeformsinaxialmode38～end前碰撞仿真结果分析仿真模型仿真工具工程应用汽车碰撞平安进展汽车安全设计工程应用汽车碰撞平安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〕侧面碰撞评估试验工程应用汽车碰撞平安进展工程应用汽车碰撞平安进展车身结构平安设计的根本概念１、吸收／分配汽车碰撞能量〔结构产生塑性变形〕２、降低对乘客的冲击力到可容度以内３、保持乘客一定的生存空间工程应用汽车碰撞平安进展车身结构平安分析１、汽车平安性能评估２、提供提高平安性能的修改方案及费用估算３、给出最正确方案４、提供优化组合及可靠性设计工程应用汽车碰撞平安进展多目标优化设计假人胸部粘性受伤判定工