（光学工程专业论文）汽车侧面碰撞安全性能计算机仿真与研究.pdf

浙江大学硕上学化论文 摘要 汽车侧面碰撞是交通事故中导致乘员死亡的第二大主要因素仅次于正面碰 撞。当今，很多安全设备如汽车侧碰保护气囊、加强筋和其它保护措施已经被用 来进行乘员保护。汽车侧面碰撞试验是检验汽车被动安全性和事后安全性的最重 要手段之一。汽车被动安全性和事后安全性是反映汽车安全性能的重要指标，其 中，汽车被动安全性是指在汽车事故过程中减轻乘员所受伤害的性能，主要包括 车身结构、车顶和车门强度、车身及内饰件的缓冲性能等。本文的研究内容主要 包括两方面： 1 研究安装在车门上的保护装置的有效性，研究了两种类型的加强筋以用 来选择性能更加优越的加强筋类型。因此，应该研究乘员在汽车事故中的动态响 应以减少其损伤程度。通常，实验方法既复杂又昂贵。最近，数值仿真分析为汽 车设计工程师提供了一种有效的工具。文中主要研究了侧面碰撞的数值仿真，采 用p a m c r a s h v i s u a lv i e w e r 与p a m c r a s h2 gs o l v e r 作为前后处 理软件和非线性有限元求解内核进行汽车侧面碰撞的数值模拟。探讨了整车侧面 碰撞有限元建模规则，建立了适用于数值模拟计算的汽车侧面碰撞有限元模型， 期间针对数值建模所遇到的重点内容加以探讨，如网格划分、材料的选择、接触 问题的处理等。 2 基于e c er 9 5 侧碰标准研究了整车侧碰的有限元分析，仿真结果包括加 速度变化、受力变化、能量变化、接触力变化、时间步长变化等方面进行分析， 并与规定数据范围进行了比较，验证了本文所进行的仿真分析的步骤是可行的， 分析结果的有效的，可以作为验证实车试验结果的可靠依据。此外还测量了乘员 的损伤指标并对碰撞过程中的人体动态响应进行了讨论。为了验证碰撞测试有限 元模型的有效性，对比了仿真结果和法规中的规定值。对比结果表明碰撞有限元 模型仿真对汽车碰撞的被动安全性能和安全技术的发展起到了一定作用。 关键词：被动安全；有限元法；侧面碰撞；整车碰撞仿真：损伤度 浙江人学硕上学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s i d e i m p a c tc o l l i s i o n sa r et h es e c o n dl e a d i n gc a u s eo fd e a t ha n di n j u r yi nt h e t r a f f i ca c c i d e n t sa f t e rf r o n t a lc r a s h e s n o w a d a y s ，al o to fs a f e t ya p p a r a t u ss u c ha s s i d e i m p a c tp r o t e c t i o na i r b a g s ，s i d ed o o rb a r sa n do t h e rp r o t e c t i o nt e c h n i q u e sh a v e b e e nd e v e l o p e dt op r o v i d eo c c u p a n tp r o t e c t i o n s i d e i m p a c tt e s to ft h ev e h i c l ei so n e o ft h ek e ym e a n sf o rp r o v i n gp a s s i v es a f e t ya n dp o s t m o r t e ms a f e t ya f t e rc r a s h ，w h i c h a r ev e r yi m p o r t a n tt a r g e t sf o rr e f l e c t i n gt h es a f e t yo ft h ev e h i c l e t h ep a s s i v es a f e t y r e s e a r c hi sm a i n l yo nd e c r e a s i n gt h eo c c u p a n ti n j u r yi nt h ec r a s h ，i n c l u d eb o d y s t r u c t u r e ，r o o fa n dd o o rs t r e n g t h ，d a m p i n gp e r f o r m a n c eo fb o t hb o d yi nw h i t ea n d i n t e r i o rt r i m 。t h i st h e s i sr e s e a r c h e so nt w om a i nf a c e t s ： 1 t oc o n f i r mt h ee f f e c t i v e n e s so fp r o t e c t i o ne q u i p m e n ti n s t a l l e di nv e h i c l e s ， s t u d y i n gt w ot y p e so fs i d ed o o rb a r st os e l e c ta k i n do fm o r ep r o m i n e n ts i d ed o o rb a r t h e r e f o r e ，t h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h eh u m a nb o d yt ot r a f f i ca c c i d e n t ss h o u l db e a n a l y z e dt or e d u c et h el e v e lo fo c c u p a n ti n j u r i e s g e n e r a l l y ，t h ee x p e r i m e n t a lm e t h o d i sc o m p l e xa n de x p e n s i v e r e c e n t l y ，n u m e r i c a lc r a s hs i m u l a t i o n sh a v ep r o v i d e da v a l u a b l et o o lf o ra u t o m o t i v ee n g i n e e r s t h i st h e s i sm a i n l yp r e s e n t san u m e r i c a l s i m u l a t i o nt os t u d yt h es i d ei m p a c tc r a s h p a m c r a s h v i s u a lv i e w e ri su s e d a st h ep r e p r o c e s s o ra n dp o s t p r o c e s s o rw h i l ep a m c r a s h2 gs o l v e ri su s e da sa n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tc o d e e s t a b l i s h e dr e g u l a t i o no fs i d ei m p a c tv e h i c l em o d e l w a ss t u d i e da tf i r s t ，a n dt h e nas i d ei m p a c tv e h i c l em o d e li se s t a b l i s h e d a tt h es a m e t i m e ，s o m em a i nc o n t e n t ss u c ha sm e s h e s ，m a t e r i a ls e l e c t i o n ，c o n t a c t ，t i m es t e p c o n t r o la r ed i s c u s s e d 2 p r e s e n t sf u l l s c a l es i d e i m p a c tf i n i t e e l e m e n t ( f e ) m o d e l ss i m u l a t i o n - b a s e d o nt h ee c o n o m i cc o m m i s s i o nf o re u r o p er e g u l a t i o n s9 5 - t h a ts i m u l a t eas i d e i m p a c t a c c i d e n t t h ea n a l y s i sc o n s i s t sa c c e l e r a t i o nv a r i e t y , f o r c ev a r i e t y , e n e r g yv a r i e t y , t i m e s t e pv a r i e t ya n ds oo n t h ep r o c e d u r ea n dt h er e s u l to ft h es i m u l a t i o na r ea v a i l a b l e i i 浙江人学硕上学位论文 a b s t r a c t c o m p a r i n gw i t ht h er e g u l a t e dd a t as c o p ea n di t c a nb eu s e da sc r e d i b l ee v i d e n c et o p r o v et h er e a lc a rt e s t a d d i t i o n a l l y ，o c c u p a n ti n ju r i e sw e r em e a s u r e da n dd i s c u s s e d t h eh u m a nb o d y sd y n a m i cr e s p o n s et oc r a s h e s t ov e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e d c r a s ht e s tf em o d e l s ，s i m u l a t i o nr e s u l t sa lec o m p a r e dw i t ht h o s er e g u l a t e dv a l u e t h e c o m p a r i s o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r o p o s e dc r a s ht e s tf em o d e l ss i m u l a t i o nh a v e c o n s i d e r a b l ep o t e n t i a lf o ra s s e s s i n gav e h i c l e sc r a s hs a f e t yp e r f o r m a n c ea n da s s i s t i n g f u t u r ed e v e l o p m e n to fs a f e t yt e c h n o l o g i e s k e y w o r d s ：p a s s i v es a f e t y ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；s i d ei m p a c t ；f u l l - s c a l ec r a s h s i m u l a t i o n ；i n ju r y i i i 学号2 0 6 0 8 1 7 8 1 一勺一 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的 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谢意。 学位论文作者签名：工昆喁 签字日期：加占年5 月心日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝至三盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王昆鸭 导师签名： 签字日期：硼孑年5 月心日 签字日期：二卿j 一月形。日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙# i ：大学硕士学位论文 第。章绪论 1 1 课题选题背景和意义 第一章绪论 随着汽车速度的提高，汽车保有量的增加，汽车交通事故也越来越严重。尽 管各种安全措施不断加强，但是从根本上说，车辆的碰撞在很长一段时期内是无 法避免的。据彳、= 完全统计，自有汽车以来全世界死于道路交通事故的人数约3 6 0 0 多万人，比第二次世界大战死亡的人数还多，造成的财务损失也十分巨大【l 】。 因此汽车的碰撞安全性问题己成为近十多年来汽车工业的主要研究问题和 攻关方向，目前世界各主要汽车生产国都制定了严格的碰撞安全法规，要求汽车 生产和开发都必须通过严格的标准。由于我国城市道路的交叉路口以平面交叉为 主，机动车、非机动车混合交通现象极为严重，导致交通事故类型中汽车侧面碰 撞的事故发生率最高。2 0 0 5 年在中国发生的碰撞事故中，正面碰撞占5 9 ；侧 面碰撞事故2 7 ；后面碰撞事故占8 1 ；汽车翻滚事故占2 6 ；其它类型碰撞 3 1 【2 1 。我国交通事故死亡人数中，正面碰撞事故所占比例最高，侧面碰撞事故 位居第二；在交通事故严重受伤人数中，正面碰撞事故所占比例最高，侧面碰撞 事故次之。面对大量的行人伤害事故，数值行人假人和计算机仿真方法在世界主 要发达国家和地区被广泛应用于对其进行辅助研究y a n g t 3 j 等较早建立了行人假 人数值模型进行行人事故的计算机模拟，t n o 4 1 、j a r i 5 1 等机构相继研发出自己 的行人假人模型进行伤害分析。美国国家公路交通安全管理局( n h t s a ) 启动了试 验安全汽车计戈i j ( e s v ) 进行行人安全性研究；欧盟2 0 0 3 年颁布了2 0 0 3 1 0 2 e c e 法规，规定从2 0 0 5 年1 0 月开始，欧盟成员国所有新生产的乘用车都要配备行 人保护系统。在我国，行人安全性研究起步较晚，陆秋明、刘地等6 ，7 】对行人保 护展开了一些研究，但总体来说，对真实事故的再现相对不足。因此，基于真实 交通事故展开相关的行人安全技术研究，分析人车碰撞的动力学行为和行人伤害 情况，从而改善汽车的行人保护能力，制定相应的行人保护法规来降低行人死亡 率，是我国面临的一个较为迫切的问题。 浙臼：大学硕上学位论文 第章绍论 为了促进这一领域的研究工作，中国汽车工程学会于1 9 9 5 年9 月成立了( 被 动) 安全技术专业委员会。这一专业委员会的成立，标志着我国汽车被动安全性 研究工作正逐渐走上系统化和正规化的发展道路。目前我国颁布和执行正面碰撞 法规关于正面碰撞乘员保护的设计规则( c m v d r2 9 4 ) ，汽车侧面碰撞的乘 员保护( c m v d r2 9 5 ) 、乘用车后碰撞燃油系统安全要求、汽车内饰材料的 燃烧特性等强制性国家标准己于2 0 0 6 年1 月1 8 日批准发布，从2 0 0 6 年7 月 1 日起，我国正式实施了汽车侧面碰撞标准。根据规定，今后三年内侧撞不合格 的车将不允许上市销售。碰撞安全保护法规及技术已经成为新型轿车进入市场的 “通行证”。因此在汽车开发阶段必须研究汽车结构的耐撞性和在碰撞中对乘员 的保护作用。另外为促进汽车安全性能的提高，中国汽车技术研究中心于2 0 0 6 年6 月正式推出c n c a p ( 中国新车安全评价规程) 1 2 汽车安全性研究的主要内容及方法 汽车安全性分为主动安全性和被动安全性。 主动安全性是指汽车避免发生意外事故的能力。主动安全性研究涉及的技术 称为主动安全技术。主动安全技术就是在汽车的设计和制造时，对汽车的内、外 部结构进行合理有效的设计，采用更先进的技术和装备，主动预防、避免或减少 汽车在行驶过程中发生事故，以提高汽车的主动安全性能。具有主动安全设备的 汽车能自动识别潜在的碰撞危险因素，并通过汽车自身固有的电控及结构特性主 动逃避危险，或在驾驶员采取相应的避险措施时车辆能保持最佳的行驶状态，完 全逃避碰撞危险或将危险程度降为最低。通过提高汽车的主动安全技术和安全性 能，可以最有效地减少道路交通事故的发生，从而可以从根本上降低道路交通事 故对人类生命及财产安全造成的危害。因此，汽车主动安全技术是当今汽车研发 的重点研究领域。主动安全技术主要包括智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t s y s t e m i t s ) 、智能巡航系统( a u t o n o m o u si n t e l l i g e n tc r u i s ec o n t r o l a i c c ) 、防撞 报警专家系统( v e h i c l et r a v e l i n gs e c u r i t ye x p e r ts y s t e m v t s e s ) 、动态稳定控制系 统( e s p 、d s c ) 、制动防抱死系统( a b s ) 等。研究表明，8 0 以上的交通事故是由 于驾驶员的反应彳 及时或操作失误所致，如果驾驶员能够提前1 秒意识到事故即 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 将发生并采取适当的防范措施，则绝大多数交通事故将可避免。美国预计到2 0 1 0 年，通过实施i t s 智能交通系统减少1 5 2 0 的交通事故，每年减少交通死亡 人数1 2 万人，减少受伤人数4 5 万人，减少直接经济损失2 2 0 亿美元。如果普 遍采用上述诸多系统，将减少人员伤亡和财产损失。随着汽车工业的纵深发展， 新的主动安全技术更加先进，涉及面更广，如提高驾驶者的安全视野、车辆行驶 实施监控及信息处理与反馈、对行驶危险的提前预警和自动修正等，自动化、智 能化程度越来越高【引。 被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，车体及约束系统能够对车 内乘员或车外行人进行保护，避免发生严重伤害或使伤害程度尽可能降低的能力 【9 1 。目前，使用最广泛的主要有乘员系绊系统( 安全带) 和碰撞吸震系统( 各种安全 气囊) 。先进的乘员系绊系统和安全气囊技术，在车辆发生事故时对乘员的保护 是至关重要的，能有效地避免或减轻事故对驾乘人员的损伤。另外，高强度防撞 车身的研究以及新材料、新工艺、新技术的大量应用，使汽车大批量使用轻量化 材料更加可行。减轻质量不仅对提高安全性有重要意义，还具有潜在的环保效益。 传统的被动安全技术只能对车内乘员起到一定的保护作用，而新兴的汽车将更加 注重人、车与环境的融合，因此对行人的保护也成为当今汽车设计者研究的课题 之一。由于被动安全系统的普遍采用及技术水平的不断提高，在发达国家交通事 故的伤亡率正呈逐年下降的趋势，仅以美国为例，2 0 0 4 年的交通事故死亡人数 较2 0 0 3 年少了0 6 ，受伤人数少了3 5 ，2 0 0 3 年仅由于使用安全带就挽救了 1 4 9 0 3 个生命【1 0 】【1 1 】。 主动安全性研究主要集中在电子控制技术方面，被动安全性研究贯穿到产品 开发的全过程，从概念设计阶段的解析法到工程阶段的多体动力学法、有限元法 及各种混合方法，其中又包括各种优化方法和试验设计等方法，验证阶段可采用 台车、整车碰撞试验方法。被动安全是涉及诸多学科与理论的综合工程问题，试 验验证与仿真分析在产品开发的不同阶段交替使用、相辅相承，特别是 m a d y m o 、v p g 、p a m 等分析软件提供了许多新方法与新理论，不但通过优化 设计最大限度地保护了乘员及行人的安全，同时也加快了产品开发进程，并降低 了开发成本。 3 浙江人学硕- 上学位论文 第一章绪论 1 2 1 汽车侧面碰撞研究的方法 早期的汽车侧面碰撞的研究几乎完全是依赖试验方法进行的，刚开始时采用 实车碰撞试验方法，对碰撞试验的结果进行分析研究，改进设计。随后发展了台 车碰撞模拟试验方法，这种试验方法是以实车试验的结果为基础，确定试验条件。 这类碰撞试验的成本低，可重复操作，研究周期较短。近几十年来，随着计算机 技术的发展，计算机仿真碰撞技术迅速发展，在安全性车身的开发、乘员保护措 施的优化、人体生物力学、碰撞用假人的开发等领域中发挥了重大作用。尽管计 算机模拟试验还不能完全取代昂贵的实车碰撞试验，但是在产品的概念设计阶段、 样车的试制、试验次数的减少、开发费用及周期的降低等方面有明显的优势，而 且可重复性强、结果信息全面。同时计算机模拟研究的适用面广、精度高，可以 处理很多异常复杂的结构变形等问题，还可以设定模型的边界条件和其它特定条 件等，因此显示出强大的生命力。 随着牛顿矢量力学、拉格朗日分析力学、多刚( 柔) 体系统动力学、生物力 学、碰撞理论、材料理论、有限元理论、数值方法以及计算机技术水平的不断提 高，汽车碰撞计算机模拟理论和方法得到了不断发展和完善，涌现出各种用于碰 撞仿真分析的商用软件，如c a l 3 d 、m a d y m o 、l s d y n a 、p a m c r a s h 、 m s c d y t r a n 【1 2 1 5 】等，其中采用多刚体系统动力学理论建模的软件可以模拟碰 撞事故中乘员与环境的相互作用，能很好地再现事故过程，而采用显式有限元理 论建模的软件可以用来描述车身结构的抗撞性，处理很多异常复杂的结构大变形 问题。 这些软件的模拟结果能与实车碰撞结果大致吻合，尤其是对于车身结构的改 进，可以使用这些软件和算法在短时间内对多种方案进行比较，得到满意的改进 方案。其中值得一提的是，随着显式有限元方法的逐渐成熟，标志着汽车碰撞安 全性研究进入了试验和理论研究并重的阶段。 4 浙江人学硕上学位论文第一章绪论 1 - 3 汽车侧面碰撞国内外研究现状和意义 1 3 1 国外研究现状 汽车的碰撞安全性问题是世界汽车工业面临的一大难题，国外对于侧碰的研 究则是从上个世纪八十年代才开始真正兴起，主要集中在以下几个方面：侧面碰 撞试验台的研究、车身结构的耐撞性研究、侧碰中乘员响应及伤害指标的研究、 碰撞生物力学的研究、侧面碰撞试验法规的研究及乘员约束系统及安全内饰件研 究等。 1 侧面碰撞试验台的研究 侧面碰撞试验台大致分为两种类型：第一类只有一个台车的试验台， h e i d e l b e r g 型【1 6 1 是其中比较典型的一个。原理是假人置于座椅上，座椅固定于能 水平侧向移动的滑车，初始状态为假人与滑车一起加速至碰撞速度，然后滑车在 短时间内速度减到零，惯性作用下假人在座椅上作侧向移动，与固定在座椅上的 侧壁障发生碰撞。此类型的试验台其实更适合于模拟二次碰撞对乘员的伤害，对 于侧面碰撞而言，车门、b 柱等发生侧向变形和位移直接与乘员接触造成乘员的 伤害，因而它不能很好地模拟侧面碰撞中车门与乘员之间相互作用以及能量的转 移【1 7 】。 第二类试验台，即两个台车的试验台。其中l m m o r r i e s h a w 设计的试验台 能够较好的重现侧面碰撞【1 8 1 ，基本原理是一运动的撞击滑车撞向静止的目标滑 车，座椅及假人固定在目标滑车上，连接车门与目标滑车的吸能器用来模拟侧面 碰撞中能量的转移；另一种d o u g l a s s t e i n 1 9 1 设计的试验台能比较准确的模拟真实 碰撞中车门、座椅与假人之间的位置关系。此类试验台都能很好的模拟真实的侧 撞情形，对于研究侧面碰撞乘员约束系统配置尤其是侧撞气囊的安装有重要的指 导意义。 2 车身结构的耐撞性研究 车体耐撞性研究包括车身结构特性、车身材料( 高强度钢、超轻钢及特殊材 料) 、能量管理、波形控制等方面的研究，以寻求改善车身结构抗撞性的方法， 在保证乘员安全空间的前提下，使得车身变形吸收的碰撞能量最大，从而使传递 气 浙江人学硕上学位论文第一+ 章绪论 给车内乘员的碰撞能量降低到最小。车身结构的耐撞性研究通常采用实车碰撞和 计算机仿真相结合的方法。 3 侧碰中乘员响应及伤害指标的研究 乘员响应的研究主要集中在头部、脊椎、胸部、腹部及骨盆等在侧碰中最易 受伤的人体部位2 0 1 ，这些是进行乘员保护研究的基础，对于乘员约束系统如侧 撞气囊的研究，车体侧围结构的设计如车门刚度、材料特性、座椅尺寸及形状等 都有指导意义。在研究乘员损伤的各种评价指标方面，美国韦恩州立大学的 j c a v a n a u g h 等人做了大量工作，他们在一系列人体死尸试验基础上研究乘员损 伤机理及承受极限，并运用工程软件m a d y m o 及p a m c r a s h 建立相应数值 模型，进行评价指标的研究，以探讨在侧碰中如何进行乘员的保护【2 1 】【2 2 】。 4 碰撞生物力学研究 碰撞生物力学主要研究人体在不同形式的碰撞中的伤害机理、人体各部位的 伤害极限、人体各部位对碰撞载荷的机械响应以及碰撞试验用人体替代物。随着 仿生学和碰撞事故中人体伤害机理研究的深入及侧面碰撞试验的需求，国际上已 经研发了侧面碰撞试验假人，目前使用最为广泛的有三种e u r o s i d ，b i o s i d ， s i d 2 3 1 假人。美国的侧面碰撞试验法规中采用的是s i d ，而欧盟侧面碰撞试验法 规中采用的是e u r o s i d 。 5 侧面碰撞试验法规的研究 对于汽车侧面碰撞的研究及相应法规的制定已成为被动安全性研究的热点。 在目前的侧面碰撞领域，主要形成了美国的f m v s s 和欧洲的e c e 两大法规体 系。两大体系对侧面碰撞在实车试验法规规定、测试假人及人体伤害指标的制定 等方面都存在一定的差异【2 4 1 。欧、美关于汽车侧面碰撞法规的差异，给汽车厂 商的产品开发造成了很大障碍，统一侧面碰撞法规是目前的主要工作之一。不同 标准的假人可能会导致对侧面碰撞保护措施效能的评价结论的不同，所以统一侧 面碰撞假人是当务之急，第一个国际通用汽车碰撞试验假人w o r l d s i d 已经在 2 0 0 4 年开发完成。 6 乘员约束系统及安全内饰件研究 乘员约束系统研究包括气囊模块、安全带模块、座椅模块、e c u 、传感器及 6 浙江大学硕r 上学位论文第一章绍论 系统集成等方面的研究。乘员约束系统研究目的是尽量避免人体与内饰件发生二 次碰撞，安全内饰件的研究则是使人体与之发生二次碰撞时，对人体造成的伤害 最小。乘员约束系统包括驾驶室座椅系统、假人模型、安全带、安全气囊等。 目前，国外从事侧面碰撞试验的研究机构主要有美国高速公路安全保障协会 ( i i h a ) ，美国高速公路管理局( n h t s a ) ，澳大利亚新车评价规程( a n c a p ) ， 欧洲新车评价程序( e u r on c a p ) ，日本新车评价规程( c a p ) ，日本汽车研 究所( j a r i ) ，荷兰国际应用科学研究组织( t n o ) ，米拉试验室( m i r a ) ，法 国汽车、摩托车、自行车联合会( u r a c ) ，日本国家汽车安全及受援助组织( o s a ) ， 澳大利亚m o n a s h 大学事故研究中心等。 还有一些从事汽车侧面碰撞试验装置研制开发的厂家，如侧面碰撞假人生产 厂家有：美国的f t s s 公司，d e n t o n 公司，荷兰的t n o 公司；生产侧面碰 撞可变形移动壁障吸能块的厂家有：美国p l a s c o r e 公司可变形蜂窝铝碰撞壁 障；日本的y o k o h a m a 公司、昭和飞机制造公司，英国的c e l l b o n d 公 司，法国的a f l 公司，德国的f r i t z m e i e r 公司等；数据采集系统厂家：德 国m s c 公司假人力传感器、加速度传感器、位移传感器；美国d t s 公司碰撞试 验数据采集系统； 1 3 2 国内研究现状 1 9 8 9 年清华大学汽车系首先建立了国内第一个简易的实车碰撞试验台并进 行了一些探索性的车辆碰撞试验研究，取得了较好的效果，在国内汽车工业界造 成了一定的影响。随后，中国汽车技术研究中心、清华大学汽车碰撞试验室、一 汽长春汽车研究所、二汽襄樊汽车试验研究所、国家交通部公路交通工程综合试 验场，上海汽车检测所等单位也先后建立了汽车碰撞试验设施，国内的汽车碰撞 试验研究工作蓬勃开展起来，尤其是在政府部fi n 定了强制性的汽车碰撞安全法 规后，各汽车生产厂家更是加紧了对汽车碰撞安全性的设计与改进的研究工作。 在汽车碰撞的仿真研究方面，国内近年来也开展了一些工作，如1 9 9 7 年5 月， 清华大学汽车系裘新等人利用简化的车辆模型实现了某轻型车的前碰撞仿真模 拟；1 9 9 8 年1 0 月，长春汽车研究所贾宏波等人完成了“红旗”牌轿车车身前碰 7 浙卸：人学硕上学位论文第一章绪论 撞的仿真计算，吉林工业大学、中国汽车技术研究中心等单位相继在计算机仿真 方面开展了研究工作。北京理工大学、上海同济大学、长沙湖南大学等都相继完 成了轿车车身或轿车整车的碰撞仿真研究工作，这说明我国汽车碰撞的仿真研究 已进入到实用性阶段【2 5 】【2 6 1 。 2 0 0 2 年5 月3 0 【二j ，奇瑞轿车在天津国家汽车检测中心完成“国内首次汽车 侧面碰撞”试验，各项指标均优于欧洲标准。这是我国汽车工业史上第一例“侧 面碰撞”案例。本次汽车侧面碰撞试验的成功，表明我国已具备开展侧面碰撞安 全性评价的试验能力。 1 3 3 汽车侧撞研究的意义 提高我国汽车产品的侧面碰撞安全性能，对改善我国道路交通安全具有重大 意义。在世界汽车工业不断发展和壮大的今天，尤其是随着高速公路的不断推广， 人们已经认识到由于驾驶员本身、道路环境、气候、车辆技术状况等意外因素的 作用，交通事故不可能完全避免，如何最大限度的保证碰撞发生时乘员的安全， 减少事故造成的伤害，提高汽车的安全性，具有重要的现实意义。安全已经成为 现代汽车技术的三大发展方向之一，它将逐渐替代质量和价格成为汽车市场竞争 的优先因素。汽车侧面是车体中强度较薄弱的部位，尤其对于轿车而言，其侧面 强度更为薄弱。一旦受到来自侧面的撞击，不可能有像前部及后部那样，有足够 空间发生结构变形以吸收碰撞能量，车内乘员同强烈贯穿的撞击物之间仅隔着车 门和2 0 3 0 c m 的空间，这就是侧面碰撞对乘员的伤害较其它类型的碰撞更为严重 的原因。在斜坡上或在转弯时发生的侧面碰撞，还有可能引起被撞汽车倾翻，可 能导致车门框变形使车门不能开启，影响乘员离开危险地带及对乘员的救援。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。侧面碰撞安全 性已成为被动安全领域研究的一个非常重要的方面。因此，提高汽车侧面碰撞安 全性，对提高乘员的安全防护和改善道路交通安全有着非常重要的意义。 1 4 本课题的研究内容 本文主要从模拟轿车侧面碰撞的角度来研究轿车发生侧面碰撞时车身结构 8 浙订：人学硕上学位论文第一章绪论 的耐撞性及如何提高乘员保护的安全性，具体研究内容如下： 1 在阅读大量文献的基础上，阐述了汽车被动安全性研究的意义，介绍了 侧面碰撞被动安全性国内外研究现状，给出了本文所研究的内容、方法与最新发 展动态。 2 阐述用于汽车碰撞仿真分析的非线性有限元方法理论，具体说明了显式 有限元方法，薄壳单元理论，沙漏控制，材料本构关系等。 3 设计不同结构类型的车门防撞杆，并对改进前后的仿真数据进行对比分 析。 4 建立轿车侧面碰撞仿真模型，利用v i s u a l m e s h 软件进行局部结构网 格划分和处理；使用p a m c a r s h p a m c a r s h2 gs o l v e r 软件对侧撞模型进行 边界条件设定及求解计算。 5 按照欧洲侧面碰撞安全法规( e c er 9 5 ) 进行汽车有限元模型的侧面碰撞 模拟，对模拟计算结果显示的汽车侧面碰撞的变形、能量吸收状况以及驾驶室内 假人的速度、加速度等的动态反应进行探讨与分析。 9 浙汨：人学硕上学位论文 第章动态非线性显乃j 有限元算法皋石i 第二章动态非线性显式有限元算法基础 在汽车被动安全研究中，汽车碰撞是一个动态的大位移和大变形的接触碰撞 问题。接触和高速冲击载荷影响着碰撞全过程，碰撞系统具有几何非线性、材料 非线性以及边界非线性( 主要为接触非线性) 等多重非线性特点。在碰撞问题的 众多研究方法中，动态非线性有限元法使用得比较成功，它可用来计算具有复杂 几何外形、任意材料特性及以任意方式变形的接触系统。本文应用p a m c r a s h 软件进行模型的建立与研究，它主要应用于三维模型的抗撞性分析，是基于显示 有限元算法的金属件三维碰撞冲击仿真模拟系统。为了提高软件的应用和进行研 究工作，本章对动态显示非线性有限元算法基础进行介绍。 2 1 物体变形过程描述 从变形角度来说，物体的变形过程实际是从一种图形变换到另一种图形的过 程。有限元理论中，一个整体结构通过一系列的质点y 构成，则每一个质点】，的 位置情况可通过其质心处的坐标系统来表示，即 y = ( k ，e ，e ) ( 2 - 1 ) 一个物体在时刻t 的外部轮廓通过一令欧几里德几何空间来描述，即该轮廓 f 被限制在一个封闭的边界础内。每一个质点】，在时刻t 的位置都可以通过一个 函数伊被投影到三维空间下的欧几里德领域内，函数缈的定义为： 邮：墨3 ( 2 - 2 ) 【z = 9 ( 】，f ) 这里假设函数缈可以无限制的转换和微分。 令r o 为参照体b 的轮廓，且其边界定义为c 3 r 。，则质点y 的位置可通过投 影公式，即 x = 缈( 】，)( 2 3 ) 给出。这样，被描述物体的运动可以通过三种小同的方式给出： 浙江人学硕上学位论文 第_ 二章动态非线性显示有限元算法皋础； ( 1 ) 材料描述方式：时刻t 下质点】，是自变量，则函数f 表达为 f = f ( y ，t ) ( 2 4 ) 相应的位置、速度和加速度方程分别为 x = z ( r ，f ) d xc l z ( r ，f ) x = 一= 一 d ld t ：d 2 xd 2 z ( r ，t ) 舻一d t 22 j 厂 f = d f ( d y f , t ) - ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 ) 拉格朗u 描述方式：时刻t 下质点】，的参考位置x 是自变量，则函数 表达为 f = f ( x ，t ) 相应的位置、速度和加速度方程分别为 z = x ( x ，f ) d xd z ( x ，f ) x = = - 2 d td t ：d 2 xd 2 x ( x ，t ) 舻万2 矿 夕= 掣 ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 3 ) 欧拉描述方式：质点】，在时刻f 下的当前轮廓x 为自变量，则函数厂表 达为 f = f ( x ，t ) 相应的位置、速度和加速度方程分别为 x = z ( x ，f ) d x d z ( x ，f ) x = = 二一 d td t ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 浙江人学硕上学位沦文 第二章动态非线性显示有限元算法摹础 戈：d x 7 x ：d 2 z _ ( x , t ) i - 一v 1 ， x = _ 2 一一1 ， d t z d t z ( 2 1 7 ) 尹：d f ( x , t ) + v f ， 。dt ( 2 1 8 ) 令u 为质点参考位置和当前位置的位移差，则映射函数缈可以写为 = x + u 参照域 图2 1 物体b 的不同轮廓 定义占据位置为只的单元谚的质量定义公式为 m ( 6 t ) = = 工ep d v 其中p 和咖分别为质点当前的质量密度和体积。 实体的质量通过下式获得， ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) m(e)=dv(2-21) 在参照域中，质点p o 和实体b o 的质量分别表示为 m ( 8 0 ) = = j p op o d v 1 2 ( 2 2 2 ) 浙江大学硕上学位论文 第章动态非线性显示有限元算法摹础 加( 风) = j | r op 。d v 其中岛和d v 分别为参照轮廓系中的参照质量密度和单位体积。 2 2 控制方程 2 2 1 质量守恒定律 ( 2 - 2 3 ) 物体的一个基本性质是质量。一个实际物体的质量在所有时刻都是相同的， 它与时间无关。 对于图中物体b ，其单位部分4 的质量通过下式给出 肌( 4 ) = 【p 咖( 2 - 2 4 ) 欧拉形式的质量守恒形式通过下式给出 丢p 2 。j p + p d i 旷唧鲁胁胪。 亿2 5 ， 拉格朗日形式的质量守恒表示为 2 2 2 动量守恒方程 p d v = ，p o d v = o 确= p j ( 2 - 2 6 ) 片昂 假设物体曰参考域r 的边界为o r 。，将a 尺。分成两部分特别的区域：一部分 区域定义为a 。r o ，该区域具有位移；第二部分区域定义为a ，r ，该区域具有牵弓 力矢量。拉格朗口运动方程满足下列边界条件： ”= 瓦在区域a 。r 上 t = 于在区域a ，尺0 上 a 。rua ，r = 氓 a 。rn a ，r = o 1 3 浙i ：大学硕士学位论文 第- 一章动态非线性显示有限元算法笨础 拉格朗日形式的运动方程为 d i v p + p o b = p o a 己爿+ p o b , 5p o a ， ( 2 - 2 7 ) ( 2 2 8 ) 其中a 是加速度矢量，风是参照系密度，b 是参照系中的体力，p 是 p i o l a k i r c h h o f f 第一应力张量。 欧拉形式的运动方程为 d i v a + 6 = p a( 2 - 2 9 ) ，j + p b , = p a f ( 2 3 0 ) 其中p 是当前域中的质量密度，a 是加速度矢量，b 是当前轮廓域体力，莎是柯 西张量。欧拉运动方程满足下列边界条件： u = 磊在区域a 。r 内 f = t = 仃其中n 在区域a ，r d 内 a 。g o u a ，r = o r a 。e , or 、a ，r = a 为了增强上述运动方程的鲁棒性，还需要附加t = 0 时刻位移和速度的初始条件： u ( x ，? 户0 ( 2 - 3 1 ) f = 【a ( x ，o ) = u o 2 2 3 能量方程 对所研究的物体，由能量守恒定律，有 k + g + e = w ( 2 - 3 2 ) 式中，k 、g 和e 分别为物体的动能、重力势能和内能，w 为外界物体做的功。 在某时刻t ，物体的动能为 k = 蠡d v 州v ( 2 - 3 3 ) 1 4 浙江人学硕上学位论文 第二章动态非线性显力有限元算法摹础 式中，v i 为质点所在体积元d y 速度向量的分量，p 是物体的密度。重力势能与 质量分布有关，可写为 g = l p 痧( x ) d v ( 2 - 3 4 ) 孑 式中，矽为单位质量的重力势能。内能可写为如下形式 e = ip e d v ( 2 - 3 5 ) 矿 式中，e 是单位质量的内能。 将式( 2 3 2 ) 式写为变化率的形式，则为 瓦d ( k + g + e ) = 旷( 2 - 3 6 ) 式中，矿为单位时间内w 的变化率。 在v 内，单位体积的体力x i ( 不包括重力部分) 和s 面上的面力丁r 以某种 速率对物体做功，即是功率 旷= 工x , v f l v + i s 手，v f l s ( 2 - 3 7 ) 应用柯西应力原理和高斯定律，有 矿= x , v , d v + 工( v ，d v ( 2 - 3 8 ) 用物质导数的定义，经过一系列计算后，得 !p芝+兰丝一pgl“tvo+，p2d t 2d t2丝d t + 一p + o + + + 。 p坐+e脚v唧丝+矽告+触。(2-39)dtd td 。 f = x i ) i + oq i j u j 七v i j 由连续性方程和动量方程知 等+ p d i v 归0 l d d o i , 呱弧一j ( 2 - 4 0 )d t 。 “d t i 叭j 其中，f i 为单位体积的总体力。f 与x i 之差为重力，并由下式确定 浙汀人学硕上学位论文 第_ 章动态非线性显示有限元算法基础 f , - x l ：一p 娑 d t ( 2 - 4 1 ) 同时，考虑到对于一个不随时间变化的重力场有o # o t = 0 ，由物质导数的定义， 有 d 西a 西a 西a 西 二= 二+ u i 二2 p 二 d ta t? a x 。? 敏j 将式( 2 4 0 ) 、( 2 - 4 1 ) * i ( 2 4 2 ) 代入式( 2 3 9 ) ，得 又 且 其中 ( 2 - 4 2 ) 导p 等+ p 等：户qd o i 嘴，( 2 - 4 3 ) 五p 5 _ 七p l 聂2p u id t + o u u 1 d 0 2 d o , i p 百2 p q d t2 d f 。 ( 2 4 4 ) q ，= 圭( q ，+ 哆，) + ( q ，一哆，) = q 气+ 。 ( 2 - 4 5 ) 乞= 三( q