（光学工程专业论文）微型轿车车门侧面碰撞的仿真研究.pdf

独创性声明 ! f l ll li rlr lp i i ir f l r l fli y 18 8 0 7 2 3 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) ，、 日期：型z ! 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 我国3 0 多年改革开放促进了经济的快速增长，我国汽车数量也保持持续增 长的势头，但汽车交通事故也一直居高不下，尤其是汽车侧面碰撞在所有事故中 乘员的伤害更为严重。因此各大汽车公司及研究机构对汽车的侧面碰撞投入了更 大的精力。我国于2 0 0 6 年7 月出台了车辆侧面碰撞方面的安全法规，为我国在 汽车侧面碰撞方面的进步打下了基础。 车门的强度和刚度及其设计的合理程度对乘员的伤害影响很大，而且法规也 对侧门强度有着十分明确的要求。本文采用有限元仿真的方法，对汽车前门防撞 性能进行优化设计。并将优化后的防撞梁导入车门模型进行验证。为以后汽车侧 面碰撞研究的工作开拓道路。 本文基于非线性有限元理论，通过使用l s - d y n a 对车门材料性能进行了 分析，对车门侧面碰撞有限元分析的一些影响因素进行了讨论，从而制定了一种 非线性有限元分析的建模方法，初步探讨了非线性有限元建模和模拟计算过程中 控制参数选择等问题。然后根据美国联邦机动车安全法规侧门强度试验( f m v s s 2 1 4 ) 要求，建立简化的车门与刚性柱碰撞模型，进行了车门结构性能分析，并参 照相应法规对其进行了侧面碰撞的模拟分析。计算求解后对车门模型进行耐撞性 分析，并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， 通过使用防撞板代替防撞杆，并在原防撞杆的碰撞情况下，对防撞板进行结构优 化。在优化后，代替原防撞杆安装在整车内，通过再次侧面碰撞仿真，其在结构 变形、吸能、应力分布等方面比原防撞杆有不同程度的提高，验证了优化的可行 性。 关键词：被动安全性；侧面碰撞；有限元；车门；防撞梁；仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t 3 0y e a r so fr e f o r ma n do p e n i n gp r o m o t er a p i de c o n o m i cg r o w t h ，w i t ht h e r i s i n g o fa u t o m o b i l ep o s s e s s i o ni no u r c o u n t r y , t h ec r a s ha c c i d e n th a p p e n s i np a r t i c u l a r , t h e s i d ei m p a c ta c c i d e n th a p p e n e dt h em o s tf r e q u e n t l ya n dm a k e st h em o s td e a da n d i n j u r yi na l lo ft h ea c c i d e n t s s ot h em a j o rc a rc o m p a n i e sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t i o n s i n p u tal a r g e re f f o r to nt h es i d eo ft h ec a rc r a s h i nj u l y2 0 0 6 ，t h er e g u l a t i o no fs i d e i m p a c th a sc a r r i e do u t ，w h i c hw i l lp r o m o t et h er e s e a r c ho fs i d ei m p a c t d o o r ss t r e n g t ha n ds t i f f n e s sh a v eag r e a ti m p a c to no c c u p a n ti n j u r y , a n d s 仃e n g t ho fs i d ed o o r si ss p e c i f i e di nt h es i d ei m p a c tr e g u l a t i o n t h ef i n i t ee l e m e n t m 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 mo ft h ec a r sf r o n td o o r a n d v a l i d a t ei tb yp u r i n gt h eo p t i m i z e db e a mi n t ot h ef r o n td o o rm o d e l t h r o u g ht h e s eg e t t h ee x p e r i e n c eo fs i d e i m p a c ts i m u l m i o na n df i n dn e ww a y so fa u t o m o b i l es i d e i m p a c t b a s e do nn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tt h e o r y , t h r o u g ht h es i m u l m i o no ft h et e s tb y u s i n gl s d y n aa n dt h er e s e a r c ho fi n f l u e n c i n gf a c t o r so ns i m u l a t i o n ，am o d e l i n g w a yo fn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si sa c q u i r e d a f t e rt h a t ，s o m eq u e s t i o n so f m o d e l i n go nn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n dt h es e l e c t i n go fc o n t r o l l i n gf a c t o r sd u r i n g t h es i m u l a t i o n t h e n ，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 e s a f e t ys 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 214 ) ，t h es i m p l em o d e lt h a tt h e d o o ri m p a c t i n gw i t ht h er i g i dp o l ei ss e tu p o nt h eb a s i so ft h em o d e l ，t h es t r u c t u r a l p e r f o r m a n c eo fc a rd o o ri sa n a l y z e d ，a n dt h ec a l s i d ei m p a c tp e r f o r m a n c ei ss i m u l a t e d a c c o r d i n gt oc o n c e m e dr e g u l a t i o n s a f t e rc a l 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 e d o o ri sc a r r i e dt h r o u g h ，a n dt 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 y c o m p a r i n g 晰t ht h ed o o rf i x i n gt h ep r i m a r yb e a m ，t h es i d ed o o rb a nt a k e sp l a c eo f t h es i d ed o o rb e a ma n di ti so p t i m i z e du n d e rt h es i t u a t i o no fs i d ei m p a c t t h es i d e d o o rb a ni si n s t a l l e di no r i g i nv e h i c l ea n dt h ev e h i c l eh a sa n o t h e rs i d e i m p a c t s i m u l a t i o n t h i st i m et h er e s u l ti sb e r e rt h a nt h eo r i g i no n ei nd e f o r m a t i o n ，e n e r g y a b s o r b i n g ，s t r e s sd i s t r i b u t i n gw h i c hp r o v e st h eo p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：p a s s i v es a f e t y ；s i d ei m p a c t ；f i n i t ed e m e n tm e t h o d ；e a rd o o r ； s i d e - d o o ri m p a c tb e a m ；s i m u l a t i o n i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目j ；乏i 第l 章绪论1 1 1 我国交通事故现状l 1 2 研究意义一2 1 3汽车的侧面耐撞性能研究的发展状况。4 1 4 1 5 1 6 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 第4 章 4 1 4 2 1 3 1 汽车侧面碰撞研究。4 1 3 2 汽车侧面碰撞的研究方法简介。4 汽车侧碰相关试验法规6 汽车侧面碰撞国内外研究历史及现状。7 研究内容和方法8 碰撞有限元计算的基本理论9 有限元方法的理论介绍及优势9 有限元软件a n s y s l s d y n a 的发展及主要功能一9 动态显式非线性有限元求解的物理和数学思想l l 2 3 1单元和物体变形过程的几何关系11 2 3 2 控制方程l 1 2 3 3 边界条件1 3 2 3 4 时间积分法的应用选取1 4 本章小结15 基于h y p e r m e s h 的模型前处理。16 几何模形的建立1 6 模型的几何清理17 单元的选取1 9 3 3 1 单元尺寸的影响1 9 3 3 2 单元类型的选择2 0 3 3 3网格的划分2 l 单元质量检查2 2 初始条件的确定2 3 3 5 1材料参数的定义2 4 3 5 2车门边界约束条件2 4 3 5 3 碰撞圆柱的确定2 5 3 5 4 接触的定义。2 5 3 5 5 碰撞模拟时间的确定2 6 3 5 6 沙漏控制2 6 本章小结2 7 轿车车门碰撞的模拟2 8 车门侧面碰撞模拟结果分析2 8 碰撞模拟的变形分析3 0 武汉理工大学硕士学位论文 4 3 加速度分析3 2 4 3 1碰撞圆柱的加速度3 3 4 3 2 车门质心的加速度3 3 4 4 汽车前门防撞梁的耐撞性分析3 4 4 4 1防撞梁的应力变形分析3 4 4 4 2 防撞梁的受力及能量吸收曲线分析3 5 4 5 本章小结3 6 第5 章车门侧面碰撞改进研究3 7 5 1 车门仿真改进建议3 7 5 1 1 车门改进3 7 5 1 2 计算机仿真改进3 7 5 2 防撞杆的结构优化3 8 5 3 优化后的防撞梁对比分析3 9 5 3 1 车门变形比较3 9 5 3 2 吸能曲线比较41 5 4 材料应变率对碰撞性能的影响4 2 5 5本章小结4 3 第6 章 全文总结与展望4 4 6 1开展的工作与结论4 4 6 2不足及展望4 5 致谢4 6 参考文献4 7 附录5 0 i i 硕士学位论文 绪论 高速公路的建设促进了汽车工业的飞速发展，从而也不可避免的要发生交通 事故，根据专家预测未来交通事故造成的人员伤亡会紧次于疾病。迄今为止，根 据世界各国的统计数据显示，最近3 0 年平均每年的交通事故都要在1 0 0 万以上， 伤害交通事故的发生就更加频繁，比交通事故数要高出两倍还多。这种数据统计 和发布也使得我们对交通事故的危害有了较为深刻的认识，交通事故所造成的损 失可能比我们想象的更严重。鉴于在目前的条件下不可能去通过减少车辆的方式 去减少可能发生的交通事故和伤害，那只能通过提高汽车的安全性能、制订相应 的安全法规及宣传安全知识来尽量减少伤害。而在以上的几条措施中，提高汽车 事故安全性即被动安全性更是成为汽车行业和交通安全部门的重要任纠1 1 。根据 我国2 0 1 0 年发布的中华人民共和国道路交通事故统计年报，在2 0 0 9 年，我国发 生的道路交通事故就达到了2 3 0 0 0 0 多起，造成的人员伤害更多，死亡人数接近 7 0 0 0 0 ，伤害人数近2 8 0 0 0 0 人，物质方面的损失近1 0 亿人民币。由此可以看出 我国的交通事故造成的严重危害性，不过与2 0 0 8 年比较来说，交通事故的总量 还是有了很大的降低，降低了近1 0 ；在交通事故中的死亡人数也降低了近8 ； 受伤人数降低了近1 0 ；物质损失方面降低了近1 1 ，1 2 j 。虽然2 0 0 9 年全国道路 交通事故预防工作取得了较好的成效，但是事故预防工作压力依然很大，面临新 的严峻挑战：一是机动车保有量急剧增加给道路交通事故预防工作带来了严峻挑 战。2 0 0 9 年，全国机动车保有量达到1 8 6 亿辆，比2 0 0 8 年增加1 6 6 9 万辆，增 长9 8 。机动车保有量的急剧增长，驾车出行增多，交通流量增加，客观上增 加了交通事故多发的不确定、不安全因素，给事故预防工作带来更大压力。二是 公路通车罩程急剧增加给道路交通事故预防工作带来了严峻挑战。2 0 0 9 年，全 国公路通车总里程继续保持高速增长，高速公路通车里程突破7 万公里，今后几 年，随着国家交通基础建设投资逐步到位，高速公路、农村道路仍将保持快速增 长势头，路面警力更加捉襟见肘。三是驾驶人急剧增加给道路交通事故预防工作 带来了严峻挑战。 据中华人民共和国道路交通事故统计年报资料表明，我国属于汽车交通事故 严重发生区，从每万辆车辆保有量死亡的人数来看，我国远远高出美国和欧盟的 很多国家。从统计的2 0 0 5 2 0 0 9 年这5 年的交通事故数据中看出，由于我国在交 通和车辆方面安全性能的提高，我国的交通事故所造成的死亡人数有逐年递减的 趋势，但是由于基数较大，我国总的死亡人数和受伤人数还是比较大的。图1 1 是我国最近几年的交通事故统计数据。 武汉理工大学硕士学位论文 b u u o u u 。 ” 一：镭 _ 鲈 4 5 0 0 0 0 用 ； 4 0 0 0 0 0 棚 i i b 3 5 0 0 0 0 会3 0 0 0 0 0 。 棚 纱 i ； 圈死亡 姒 2 5 0 0 0 0 c j ； 4 人数 受伤 2 0 0 0 0 0 ； ； 人数 ， ： ” !i 1 5 0 0 0 0 j f ； ： i 1 0 0 0 0 0 。 o 正 芷 苴 5 0 0 0 0 後凌 遂魄缓 年份 图1 - 1 交通事故伤亡人数统计 由于我国的交通事故每年发生的数量是全世界第一的，死亡的人说相当于一 个比较小的县城人口，对人类的危害已远远超过了地震、洪水、火灾这些可怕的 灾难，每年因交通事故所造成的经济损失达数百亿元。这种物质上的损失还引 发一系列的其他社会问题，例如由于伤害致残的人口、交通事故导致的家庭破产 等。当然引发所有这些事故的原因很多，并且并不是单一的要素引发的，总的来 说有天气、行人的违规、车辆自身的安全性能较差、驾驶员处理不当、道路等， 这些因素都需要平衡的思考和改进【3 4 】。另外世界上一些较发达的国家都从这些 方面进行了多方面的努力，着手改进【5 ，5 7 】，取得了较为理想的效果。 1 2 研究意义 按照事故发生的碰撞形式不同，可以把碰撞分为正碰、侧碰、追尾、翻滚等， 而在这几种事故中最容易使人受到严重伤害的则是侧面碰撞了，侧面碰撞引发的 事故约占事故总数的3 0 以上，在所有已发事故中是频率最高的1 8 j ，如图卜2 所示。在我国，由于行人交通意识的淡薄，尤其是中小城市，加上有些驾驶人员 不遵守交通法规以及对公路交叉口的危险意识不足，当有一方强行通过交叉路口 时，最容易引起侧面交通事故的发生，而且这种侧面碰撞事故一旦发生，它所造 成的伤害远远高于其他碰撞，其导致死亡和伤残的几率位居首位协1 0 l 。正因为 如此严重的后果，关于汽车的侧面碰撞安全性的法规已经在很多国家实施了，并 且越来要求越严格。另一方面在汽车在侧面抗撞击方面的被动安全性的研究工作 也如火如荼的进行，国家的研究机构、汽车生产商、汽车零部件生产商也都重 视起来，消费者更是如此，购买汽车时侧面的安全性能是消费者重点考虑的因素 之一。 2 武汉理工大学硕士学位论文 图卜2 交通事故类别比较 与其他部位相比较来说，汽车的侧面在整车中无疑是最易破坏和刚度相对较 弱的部位【l2 - 。根据汽车设计方面的要求，为了保证乘员的安全，轿车的前部和 后部、车身、底盘的结构刚度要保证不大于乘客舱部分【1 3 , 1 4 】，这也是为了使汽车 的吸收碰撞能量能力更强大，因为这些结构的变形可以吸收大部分能量，多以不 同的汽车部位在设计时刚度必须具有差异性。而轿车的侧部则没有那么容易设计 了，首先是没有汽车前部、后部那样大的缓冲空间，这在吸收碰撞能量发面就很 受限制，吸收的能量可能不那么大。其次侧面撞击时撞击的地方与乘员的相对距 离太近，使乘员受伤的可能性加大【1 5 , 1 6 。轿车在发生侧面碰撞后，车门还会因为变 形不能打开，使乘员的救援时间延迟，从而使伤害的期望值加大【1 7 1 。另外较为严 重的情况是轿车在斜坡上或在转弯时被侧面碰撞，引发汽车翻倾的严重事故极易 发生。总的来说，轿车的侧部强度能在一定程度上提高侧面安全性能，但是刚度 太大对吸收能量和缓冲冲击极为不利，整车的刚度及局部吸收碰撞能量的能力也 是要重点考虑的因素 1 8 , 1 9 】。因此与正面、后部碰撞相比，侧面碰撞对乘员可能 造成的伤害更大，这是为什么侧面碰撞事故造成乘员伤亡较多的主要原因。 正是由于消费者对侧面碰撞安全性的关注，很多汽车研究机构对汽车安全性 的研究和新技术的开发一直蒸蒸日上，尤其在侧面碰撞方面的研究近些年更是投 入了大量财力。国外由于在法规方面的强制要求，汽车行业的很多机构已经做了 不少研究工作，而我国的则是出于起步阶段，这也是我国法规和技术方面的因素 决定的。自从我国在2 0 0 6 年7 月1 日，g b 2 0 0 7 1 一- 2 0 0 6 汽车侧面碰撞的乘员保 护标准正式实施之后，则正式拉开了我国在侧面碰撞方面研究的序幕。但是与 其他大的汽车公司相比，国内的各大汽车公司对车辆侧面碰撞性能的考虑和研究 都相对较少，从而也造成了国产车辆侧面抗撞性能普遍低于合资车型【2 0 。，但也 取得了很大的进步。另外在汽车碰撞计算机仿真技术研究方面，以前我国把主要 的精力和财力集中在汽车正面碰撞的模拟仿真上，而在侧面碰撞仿真中的投入则 相对少了很多1 2 1 2 2 , 2 3 1 。但是鉴于法规的硬性规定及造成伤害的严重性，对于侧 面碰撞仿真以及车辆侧面碰撞性能的研究是以后汽车研究的重点之一，而且有很 大的提升空间。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 汽车的侧面耐撞性能研究的发展状况 1 3 1 汽车侧面碰撞研究 汽车发生侧面碰撞时有于其整个过程的复杂性，其状态和模式无法具体描 述，鉴于目前理论和实际水平的限制，进行的研究也只是某一程度的接近，只要 这个模拟的误差在可以接受的范围就认为是有效的。另外侧面碰撞还涉及到多数 的力学问题，而且是跨学科的问题，如损伤力学、材料力学等 2 4 , 2 5 j 。仅仅这些还 不足以对复杂的侧面碰撞进行完整说明和描述，还要考虑到发生碰撞时的具体情 况，例如汽车侧面碰撞有直接碰撞和二次碰撞两种情况【2 酬，而很多情况下二次 伤害的可能比一次碰撞更大。通常所指的直接碰撞是指汽车的侧面被运动的物 体( 多数情况是车辆本身) 以一定角度直接进行撞击，在相同活着相反方向行驶 时也可能发生，例如同向行驶的两辆汽车由于某一辆紧急转向就会导致发生侧面 碰撞。二次碰撞则是指汽车在直接侧面碰撞后由于惯性等其他因素，乘员与车厢 内部的坚硬物体比如仪表板、门窗玻璃等发生的撞击暖，这也是乘员受到的直 接伤害。 汽车侧面碰撞试验已经被作为评价汽车安全性能的重要指标之一，众所周 知，交通事故中一般受到伤害是由于外力冲击所致，此时车辆的加速度或减速度 超出了人体对外力的冲击的承受限度【2 引。与汽车正面碰撞相比，汽车侧面能够 缓冲的空间较少，一旦受到来自侧面的撞击，乘员将受到强烈的冲击载荷作用， 受到伤害的可能最大。研究表明，驾驶室( 乘员舱) 侧面的侵入是乘员受到伤害 的直接原因，根据现有的统计和大量的实验数据已经证明，汽车侧面碰撞时乘员 受到的伤害值与乘员舱侧面侵入量有直接关系1 2 9 ，刈，尤其是车门方向的侵入。由 此可见，要保护乘员在侧面碰撞时受到的伤害在车门上有很多提高的地方。另外 美国国家车辆采样系统( 简称n a s s ) 统计的数据说明，重伤率和侧面碰撞时驾 驶室侧面侵入量是可以通过函数关系表示的，一般驾驶室侧面侵入量与乘员受到 伤害的严重程度是成线性关系，即驾驶室变形程度越大，乘员受到伤害的程度越 严重，达到一定值乘员会有生命危险。通过数字说明就是当侧面撞击时乘员舱侵 入量为8 0 m m 时，重伤率为2 2 ，而乘员室侵入量达6 1 0 时，重伤率为1 0 0 3 i j 。 另外，当发生侧面碰撞时，驾驶室内的仪表板同样会对乘员的头部、膝部以及下 肢造成不同程度的伤害p 2 弱 j 4 。 1 3 2 汽车侧面碰撞的研究方法简介 最早进行的汽车侧面碰撞研究大都是用试验方法进行的，而且采用实车碰撞 试验方法，然后采集试验数据，对碰撞试验的结果进行对比分析，找出薄弱的地 方并改进设计。由于实车碰撞成本高，重复性差，且周期长，不适合汽车碰撞的 研究。台车碰撞模拟试验方法慢慢取代了实车碰撞试验方法，台车试验方法也是 以实车的试验为基础的，通过前面做的实车碰撞试验确定试验条件。与实车碰撞 4 武汉理工大学硕士学位论文 试验相比它的成本低，可重复操作，研究周期较鲥3 5 j 。在7 0 年代后计算机技术 技术飞速发展，计算机仿真技术占据了主要地位。 ( 1 ) 实车碰撞试验法。对己开发出的成品车型，为了鉴定是否达到法规要 求，就要进行实车碰撞试验。迄今可以用于实车碰撞试验的方法不下数十种，但 是在各个实验机构和汽车厂商那里用的较多，最具代表性的也就一下几种。一般 在进行汽车正面碰撞试验所用的固定壁障碰撞试验，这种方法就是利用一堵固定 刚性墙充当壁障，试验车辆以一定的车速直接撞击刚性墙。进行汽车侧面碰撞时 常用移动壁障碰撞试验，这种试验方法是把试验车辆放置在某一位置，以一定速 度的壁障车去撞击车门位置，如图卜3 。另外车对车碰撞试验的方法有时也用在 侧面碰撞试验中，由于成本方面的原因使用很少。 实车碰撞试验与其他试验方法相比是最直接、最有效的，因为它模拟的情况 与实际中车辆发生的事故情形几乎一样，在对车辆安全性能的评估方面也最具有 说服力。所以在进行汽车结构优化和增加安全性能方面也有了基础数据，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，所以目前比较 有实力的汽车公司都会用到实车碰撞试验方法，在以后的很长时期也会一直作为 主要的方法之一被长期使用。但实车碰撞试验也有很多缺点，如前期准备工作较 多、时间过长、投入的财力大、不能重复进行试验、对试验所需要的设备要求严 格。 图卜3 整车侧面碰捶( 摘自c n c a p 网站) ( 2 ) 台车碰撞试验法。台车碰撞试验实际上是模拟实车碰撞试验，由于实 车试验需要的成本过高，进行一次试验基本上一辆汽车就报废了，所以考虑在实 验中用一个各种性能与实车的相近的台车代替汽车，这样就不需要破坏真实的汽 车，可以在成本方面减少开支，而且试验精度方面也可以保证。这种试验的主要 装置是缓冲装置，它是整个试验的关键，装在台车和刚性墙之间，台车和刚性墙 主要也是通过它发生碰撞，调整缓冲装置的力学特性可以使台车获得可重复的、 接近于实车碰撞的速度曲线。 武汉理工大学硕士学位论文 在进行验证乘员保护装置的性能和一些汽车部件( 如方向盘、仪表板等) 的 承受能力方面台车碰撞试验是非常实用的，这种方法在碰撞过程中描述部件的吸 收能量能力、应力集中、力的传递、部件抗撞击变形能力都是非常直接有效的， 而且可以模拟各种情况下的碰撞。因此在新车型进行开发早期研发时，给新车型 可以提供可靠的抗撞性设计所需的数据并能够进行检验。这种方法当然不如实车 试验那样直接有效，而且在试验过程中很多因素和部件与乘员的关系不能考虑， 这会给试验造成一定程度的误差。 ( 3 ) 计算机仿真分析法。从计算机开始在汽车领域的用，就从某一程度上决 定了汽车技术发展的速度将是突飞猛进的，在近4 0 年的汽车发展过程中，计算 机的应用可谓是居功至伟。计算机仿真碰撞技术在汽车车身骨架的结构改进、乘 员保护装置的研发、进行汽车碰撞试验所必须的假人、汽车零部件的优化等方面 都占有举足轻重的地位。尽管计算机模拟试验与实车碰撞试验相比在试验数据的 偏差上不如后者，但其自身的较多优势使这种方法在产品的初始设计、成品车的 优化改进、样车的试验投产等大量应用，并节省了很多人力物力成本，尤其时间 上的，现在的车型研发周期由于计算机仿真方法的应用比过去提高了数倍，这是 支撑汽车研发的强力保证，并在以后的发展中展现了极具竞争性的能力。 自从力学的研究开始兴起之后，各种力学理论都在快速发展并逐步完善，这 些理论是进行计算机仿真的基础，没有这些理论的发展，计算机仿真也就是无源 之水。目前用于碰撞仿真分析的商用软件如c a l 3 d 、m a d y m o 、l 卜d y n a 、p a m _ c r a s h 、m s c d y t r a n 等大量应用在汽车行业【3 6 】，而这些软件之所以能逐渐成熟， 正是基于像牛顿矢量力学、碰撞理论、有限元理论、拉格朗日分析力学、多刚( 柔) 体动力学等学科的发展。这些软件在实际应用中模拟的结果与实车碰撞结果的误 差一般都在容许的范围之内，精度方面是可以接受的，这就为汽车的碰撞试验可 以提供可靠的数据，这些优势对于汽车车身结构的优化，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，而且成本低廉，可以在最短的时间内得到最 满意的改进方案i j 。 1 4 汽车侧碰相关试验法规 目前在侧面碰撞方面最有代表性的法规体系有美国f m v s s 和欧洲的e c e ，世 界各国的汽车侧面碰撞法规大多是参照这两个体系并结合本国实际情况进行制 订的，我国的也是。由于美国和欧洲是最早发展汽车工业的，他们的侧面碰撞试 验技术的研究工作比其他国家都要早，大概始于2 0 世纪7 0 年代后期。在2 0 世 纪9 0 年代，美国率先在联邦法规f m v s s 2 1 4 车门静强度试验方法中，把实车侧面 碰撞试验方法的要求加入其中。在美国的侧面碰撞试验方法实行之后，欧洲也将 侧面碰撞乘员保护正式纳入e c e 法规中，颁布了e c e r 9 5 。日本在侧碰撞方面的 研究起步相对较晚，从9 0 年代初开始，于1 9 9 8 年正式纳入日本保安基准。我国 则是在2 0 0 0 年以后才真正对汽车侧面碰撞安全性开始重视，并参照国外的法规 和标准制订了适合自己国情的标准，而且我国己于2 0 0 6 年7 月1 日实施了汽 6 武汉理工大学硕士学位论文 车侧面碰撞的乘员保护强制性国家标准。但日本和中国的侧面碰撞法规大多参 照欧洲法规而制定，所以实际上侧面碰撞法规主要就是欧洲侧面碰撞试验法规与 美国侧面碰撞试验法规的差别【3 蚋。 1 5 汽车侧面碰撞国内外研究历史及现状 最早进行的汽车碰撞研究限于当时的条件，主要的研究工作是在不同试验条 件下进行碰撞试验，大多是用实车进行。在上世纪6 0 年代，美国开发出当时世 界上第一个碰撞模拟软件s m a c ，标志着在以后的试验方法将会发生彻底的变革。 在此后的4 0 年左右，大量的商业化软件如雨后春笋，这些碰撞软件的共同点就 是以美国l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y 在7 0 年代开发的d y n a 公 开版本的理论为基础，不过也存在各式各样的差异，但是其理论却是到目前为止 研究碰撞的重要依据。侧面碰撞情况在每个国家发生的具体形式会有很大差异， 但是他们把研究的重点都集中在车辆侧面结构吸能特性及人体响应方面【3 9 1 。为 了缓冲和吸收碰撞能量，早期的汽车在侧面机构和部件的制造上都采用了吸能材 料，并在实车试验中进行了碰撞的仿真和试验研究m j 。随着技术的进步及人们 对汽车侧面安全的关注，新型复合材料和结构优化被广泛应用于侧碰事故中的乘 员保护。今后侧面碰撞实验的研究方向主要包括侧面碰撞事故分析、当前车辆的 前端几何形状和刚度的研究、整车侧面碰撞试验结果这三大类别【4 1 1 。随着各国 安全法规的强制或推荐执行，国外对汽车被动安全性的研究日益深入，汽车被动 安全性正成为评价汽车性能的一项的重要指标。近年来，欧美各国已将汽车安全 研究的重心从前碰撞转移到侧面碰撞的研究上来，并将侧面碰撞纳入了新车评价 试验计划，这大大提高了车辆碰撞安全性设计的难度。 我国的汽车碰撞试验起步较晚，对于侧面碰撞的研究在早期更少，这是由于 我们的技术条件和法规要求决定的。在上世纪9 0 年代，在国家八五重点项目中， 一些高等院校和研究所才建立了台车模拟碰撞试验台，并在9 5 年由清华大学率 先对北京吉普车进行了整车的碰撞试验，并取得了不俗的成绩，这也是我国进行 汽车碰撞试验的开始，随后很多的汽车研究机构也都进行了部分实车及台车撞车 试验的研究。随着主流的有限元理论的发展，大量的碰撞软件在各个高校和研究 机构应用起来，成为辅助实车碰撞试验的主要工具，比节省了时间和金钱。但是 这些仿真工具的应用在实车检测方面应用较多，在进行汽车的初始安全性能设计 时则没有引起重视。目前我国的很多专家对很多国外车型的车门和整车侧面碰撞 的车体抗撞性进行了实车和仿真试验，得到了大量宝贵的数据。另外我国在交通 法规执行情况方面相对滞后，公路方面也具有特殊性加上其他因素，使得侧面碰 撞而导致死亡的比例远高于国外的水平。由于侧碰发生比较频繁，研究的焦点正 由正面碰撞转向侧面碰撞。 湖南大学及清华大学的汽车碰撞实验室在国内高校中相对投入较多并具有 很强的影响力，成为国家重点实验室。在理论研究的同时，也进行了很多实车碰 撞试验，在侧面碰撞方面也积累了大量原始数据及改进的经验，这对以后我国的 7 武汉理工大学硕士学位论文 侧面碰撞试验是很有裨益的。 1 6 研究内容和方法 本文主要是对某一只有前门的车型进行的仿真，主要应用了三维绘图软件 c a r l a 进行c a d 建模，利用h y p e r m e s h 软件进行前处理，利用l s d y n a 软件进 行求解，在理论方面以有限元理论作为基石，在h y p e r m e s h 中建立了简化的微型 轿车车门的有限元模型。在参照了e u r o n c a p 标准和国家侧面碰撞法规c m v d r 2 9 5 后，建立了碰撞圆柱的模型，并在h y p e r m e s h 中进行了材料和特性的定义。最后 通过对总能量对比、车门的变形、加速度、防撞杆吸收能量能力、应变率的影响 等进行分析，对该车车门的侧面防撞能力进行了提高和改进。 第一章绪论，对目前汽车侧面碰撞安全方面发展趋势、特点、所造成的重大 伤害损失进行了介绍。而后对国际和国内的在侧面碰撞的一些相关安全法规和常 用的试验方法进行了论述，对国内在侧面碰撞安全的现状和发展趋势进行了研 究。 第二章重点讲解了有限元理论方面的知识，这中间介绍了很多求解的方程以 及求解中要注意的因素。 第三章详细介绍了在c a t i a 中建立的三维车门模型，以及导入h y p e r m e s h 中后进行的前处理工作，包括几何曲面的处理、网格的划分、单元的检查、材料 的定义等，这为以后的计算仿真打下了基础。 第四章是在l s d y n a 软件进行求解计算后得到侧面碰撞仿真的模拟结果， 从这些数据中提取分析了车门的变形情况、车门的碰撞接触力、车门的吸收能量 能力、防撞杆的碰撞变形和加速度等，从这些数据研究车辆在整个侧面碰撞过程 的性能。 第五章重点介绍了从改进优化防撞杆入手提高车门防撞性能的能力，通过优 化后的防撞梁和优化前的进行对比分析，验证了改进的可靠。而后对材料的应变 率进行了对比分析，证明了提高材料刚度对车门侧面防撞性能的重要性。 第六章是为全文作了总结，对前面所做的仿真工作以及存在的不足作了总 结，并对将来要开展的工作进行了综述。 8 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。不同的 类型单元选取则根据以下几个参数进行，例如研究物体的几何外形、加载的 具体大小、边界约束特征等【4 2 】。出去一些特殊情况，节点都分布在在单元边 界位置，在这样的基础上，设定某一个相对简单的数学函数来模拟单元节点 的位置，接着要表达单元的物理量，如单元的应力或应变等等，这也要为每 个单元选择一个相对简单的数学函数，并根据物理力学的平衡问题解法，可 以列出很多方程组，也就是单元节点的平衡议程组；最后把所有单元的方程 组集和边界条件的方程组合并就能求得数值，像研究物体的应力分布和应 变。 汽车的碰撞过程实际时间非常短，而且在这极短的时间中动态位移和变形很 大，不是传统的简单线性问题可以解决的。在这个极短碰撞的过程中接触和高速 冲击对载荷对其有着巨大影响，因此使得系统兼具几何非线性和材料非线性等多 重非线性。通常来说线性有限元方法都是基于线性的小位移的系统，解决碰撞问 题必须应用动态大变形非线性有限元方法。 在8 0 以上的碰撞问题中，碰撞物体的速度变化通常是及其大的，加上汽车 本身的质量也很大，一般在1 0 0 0 千克左右，即使微型车也有6 0 0 千克。这就使 得在碰撞的过程中产生的惯性力非常大，所以线性的静止分析方法在汽车碰撞中 是无法应用的。由于碰撞问题的复杂性，动态非线性有限元方法己成为研究汽车 碰撞的主要手段，因为这种方法不局限于小变形系统，而且考虑到了结构的几何 非线性和材料非线性。动态非线性有限元方法将连续的空间系统进行离散化，在 有限元实际模型中各个零部件是通过节点联系在一起，用节点传递力，从而产生 变形和加速度，这就使得车辆和人体的详细建模非常方便和精确，并能够得到所 有零部件的变形大小、速度大小、加速度、应力分布、应变分布等【4 3 j 。但是这 种方法对于有限元网格的质量要求较高，而且网格的质量与计算时间有非常密切 的关系，一般为了保证精度，网格就要细化，网格的数量也就增加，计算时间过 长。为了减少计算的时间，目前把多刚体动力学和非线性有限元法进行了结合使 用，既满足了精度的需要，又提高了计算的速度，减少了计算时间。 2 2有限元软件a n s y s l s d y n a 的发展及主要功能 最早的d y n a 软件在2 0 世纪7 0 年代由美国l a w r e n c el i v e r m o r en a ti o n a l l a b o r a t o r y 的j o h nh a l l q u i s t 发布，这款软件最早是用来研制武器的，在对武 9 武汉理工大学硕士学位论文 器结构分析及设计时发挥了很大作用。由于其出色的性能，在推向社会的几年中， 迅速的在全球各地的著名大学、政府机构和工业实验室应用开来。无论是从理论 来说还是从计算方法进行考证，l s d y n a 在目前的显式求解程序中具有绝对的 领导地位。二十世纪末期，j o h nh a l l q u i s t 正式成立了李维莫尔软件技术公司 ( l i v e m o r es o f t w a r et e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) ，为其以后的快速发展及推广打 下了基础，开始了l s d y n a 的商业化进程m 】。在这之后的数十年中，l s d y n a 以及其迅猛的速度进行改进升级，先后于1 9 9 3 年推出了9 3 0 版、1 9 9 4 年推出了 9 3 6 版、1 9 9 7 年推出了9 4 0 版、1 9 9 9 年推出了9 5 0 版、2 0 0 1 年推出了9 6 0 版和 2 0 0 3 年推出了9 7 0 版。紧接着m s c 公司与a n s y s 公司先后购买了l s d y n a 软件 的使用权，形成了现在的a n s y s d y n a 软件。到目前为止，l s d y n a 已经发展到 了最新的9 7 1 版本，大大方便了用户的使用及其自身性能。 a n s y s l s d y n a 软件的主要功能包括以下几个大的方面： ( 1 ) 丰富的材料库。a n s y s l s - d y n a 软件大约有1 5 0 种金属和非金属材料 模型，比如弹性材料、超弹性材料、塑性材料、玻璃、泡