（车辆工程专业论文）货车驾驶室摆锤碰撞安全性研究.pdf

r e s e a r c ho nt h ee x t e n d a b l ea n dr e t r a c t a b l ea u t o m o b i l ec r a s he n e r g y a b s o r p t i o nd e v i c e n i uz h e n f e n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 10 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc a ol i b o s u p e r - e n g i n e e rw a n gx i a n g z h i j a n ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名：辛己风日期：p f 年f 月“日 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：斗忑，乱 导师签名 日期：a 3f 年 r 序l o 日 日期：凶f 年，月山日 工程硕士学位论文 摘要 近几年来，随着公路运输对高速、重载的要求不断增加，商用车( 卡车) 的被动安全 性问题也日益突出。在商用车正面碰撞时，产生碰撞区域的薄壁金属构件是最重要的变 形吸能部件，如商用车的前围板和前面罩等覆盖件、侧围覆盖件、地板及其纵梁等。商 用车的前部吸能区域由于太窄不能在有限的变形范围内吸收足够的能量，将会导致发动 机及其附件侵入乘员舱，增加乘员的损伤风险；同时，如果连接商用车驾驶室与车架的 支架强度和刚度太大，驾驶室在碰撞过程中不能向后移动，驾驶室的变形就会很大，支 架可能也会破坏，不能提供驾驶室可靠的支撑。因此，如何在商用车前部吸能空间有限 的情况下，进一步改善前碰撞安全性能值得进一步的研究。 本文提出了改进驾驶室安全性的两种方法：l 、利用可伸缩保险杠吸能装置扩展吸 能空间；2 、设计了驾驶室可错位悬置结构。方法一将变形吸能空间拓展到车体外部， 达到增加碰撞变形长度，延长碰撞时间历程的目的。方法二设计了一种可错位的悬置结 构来连接驾驶室和车架，将驾驶室底部纵梁上面开设螺栓导槽，当驾驶室受到碰撞时， 驾驶室底部纵梁与悬架支撑板之间产生摩擦也可以吸收一定的能量。采用商用车驾驶室 摆锤实验方案，分别研究了上述两种方案对商用车驾驶室正面碰撞性能的影响。设计了 可伸缩吸能装置的样件。建立并验证了货车驾驶室的有限元模型，对可伸缩保险杠吸能 装置和可错位悬置结构在摆锤试验中的碰撞响应做了仿真研究。 论文的研究表明，该可伸缩吸能装置能够有效的减小驾驶室最大侵入量，乘员的生 存空间有了明显增加：驾驶室吸收的能量也明显增加，也就是说转移到驾驶室和乘员身 上的能量减少了。另外，安装可错位悬置结构的驾驶室和车架之间的相对位移有所增加， 而驾驶室的相对挤压变形有所降低。可错位结构可以对平头商用车驾驶室乘员提供很好 的保护作用。 关键词：货车；摆锤；碰撞安全性；计算机仿真；试验研究；可伸缩式；缓冲吸能装置； 可错位支架 货车驾驶室摆锤碰撞安全性研究 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，t h ep a s s i v es a f e t yi s s u e s o fc o m m e r c i a lv e h i c l e s ( t r u c k s ) a r e i n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t ，w i t ht h ed e m a n d so fr o a dt r a n s p o r ti n c r e a s i n go nh i g hs p e e d ， h e a v yl o a d i nt h ec o m m e r c i a lv e h i c l ef r o n tc o l l i s i o n ，a st h ec o m m e r c i a lv e h i c l e sf r o n t c r u m p l ez o n e sa r et o on a r r o wt oa b s o r be n o u g he n e r g yi nt h el i m i t e dr a n g eo fd e f o r m a t i o n , i tw i l lr e s u l ti nt h ep a s s e n g e rc o m p a r t m e n t si n t r u s i o no fe n g i n ea n da c c e s s o r i e st o i n c r e a s et h ei n j u r yr i s ko fo c c u p a n t s ；a tt h es a m et i m e ，i ft h es t r e n g t ha n dr i g i d i t yo f c o n n e c t i o nw i t hc o m m e r c i a lv e h i c l ec a ba n dt h ef r a m eo fc h a s s i sa r et o os t r o n g ，c a bi nt h e c o l l i s i o np r o c e s sc a nn o tm o v eb a c k w a r d ，t h ed e f o r m a t i o no fc a bw i l lb eg r e a t l y , a n dt h e f r a m em a ya l s ob ed a m a g e d ，w h i c hc a nn o tp r o v i d ear e l i a b l es u p p o r ti nac a b t h e r e f o r e ， s t u d yh o wt oi m p r o v ep r e - c r a s hs a f e t yi nt h ec o n d i t i o no fc o m m e r c i a lv e h i c l e sl i m i t e d f r o n tc r u m p l es p a c ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st w ow a y st o i m p r o v ec a b i ns a f e t y ：1 ，a ne x t e n d a b l ea n d r e t r a c t a b l el o n g i t u d i n a lb e a me n e r g ya b s o r b i n gs t r u c t u r ed e v i c ei su s e dt oe x p a n s es p a c e ； 2 ，at r a n s l o c a t i v es u s p e n s i o ns t r u c t u r ed e s i g n e d t h ef i r s tm e t h o dw i l le x t e n dt h e d e f o r m a t i o no fa b s o r b i n gs p a c et ot h ee x t e r n a lb o d y , t oi n c r e a s et h e l e n g t ho ft h e d e f o r m a t i o no fc o l l i s i o na n de x t e n dt h et i m eh i s t o r yo fc o l l i s i o n t h es e c o n dm e t h o d d e s i g n sam i s p l a c e ds u s p e n s i o ns t r u c t u r et oc o n n e c tt h ec a ba n dc h a s s i s ，a n dw i l lo p e nt h e g u i d eg r o o v ea b o v et h es t r i n g e ri nt h eb o t t o mo ft h ec a b ，w h e nt h ec a bi sc o l l i d e d ，t h e f r i c t i o nb e t w e e nt h es t r i n g e ro fc a b sb o t t o ma n dt h es u s p e n s ep l a t e sc a na l s oa b s o r b c e r t a i ne n e r g y as a m p l eo fr e t r a c t a b l ee n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c e sw a sd e s i g n e d ，a n dt h e f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft r u c kc a bw a se s t a b l i s h e da n dv a l i d a t e d ，t h ec o l l i s i o no f r e t r a c t a b l eb u m p e re n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c e sa n dm i s p l a c e ds u s p e n s i o ns t r u c t u r e si nt h e p e n d u l u mt e s tw e r es t u d i e d t h er e s e a r c h p a p e r ss h o wt h a t t h er e t r a c t a b l e e n e r g ya b s o r p t i o nd e v i c ec a n e f f e c t i v e l yr e d u c et h em a x i m u mi n t r u s i o nv o l u m eo ft h ec a b ，t h el i v i n gs p a c eo f c r e wh a s i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y ；t h ea b s o r p t i o no f e n e r g yc a bw a ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e dt h a ti st h e e n e r g yt r a n s f e r r e di n t oc r e wi sr e d u c e d i na d d i t i o n ，t h er e l a t i v ed i s p l a c e m e n to ft h ec a b w h i c hi si n s t a l l e dm i s p l a c e ds u s p e n s i o ns t r u c t u r ea n dc h a s s i si n c r e a s e s ，w h i l et h er e l a t i v e c o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o no ft h ec a bd e c r e a s e s d i s l o c a t i o ns t r u c t u r ec a np r o v i d eg o o d o c c u p a n tp r o t e c t i o nt ot h ec r e wo ft h ef l a tc o m m e r c i a lv e h i c l e s k e yw o r d s ：t r u c k ；p e n d u l u m ；c r a s hs a f e t y ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n ；e x p e r i m e n t a l s t u d y ； r e t r a c t a b l e ；a b s o r b i n gd e v i c e ；m i s p l a c e df r a m e l i 工程硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 汽车碰撞被动安全性研究的内容和方法1 1 2 商用车驾驶室安全性研究现状3 1 3 商用车驾驶室安全性法规及试验方法介绍4 1 4 本论文的主要内容5 第2 章货车驾驶室建模7 2 1 有限元模型建立过程7 2 1 1 有限元建立方法7 2 1 2 有限元建模软件8 2 1 3 驾驶室有限元模型网格划分9 2 1 4 焊点连接1 2 2 1 5 材料模型1 3 2 1 6 碰撞一接触界面定义1 3 2 1 7 有限元模型13 2 2 驾驶室模型摆锤实验验证一15 2 2 1 驾驶室摆锤实验1 5 2 2 2 驾驶室摆锤碰撞仿真一1 7 2 3 本章小结1 9 第3 章货车驾驶室碰撞安全性改进2 0 3 1 可伸缩保险杠吸能装置2 0 3 1 1 设计原理2 0 3 1 2 气压推动吸能装置。2 0 3 1 3 气压推出过程实验2 1 3 1 4 可伸缩吸能装置的应用2 4 3 2 可错位悬置结构2 6 3 2 1 结构设计2 6 3 2 2 摆锤碰撞仿真2 7 3 3 本章小结2 9 总结与展望：3 0 货车驾驶室摆锤碰撞安全性研究 参考文献3 2 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 3 4 致谢3 5 i v 工程硕士学位论文 第1 章绪论 经济全球化的迅猛发展，使安全、节能和环保问题成为当今汽车工程领域三 大具有重要社会、经济意义的研究热点，也对汽车的安全性能提出了更高的要求。 在汽车发展的初期，由于车速较低，车辆相对较少，汽车碰撞安全性问题未能引 起人们的重视。随着汽车工业的发展，轿车的大规模生产和使用，汽车行驶速度 的不断提高，使得碰撞安全性问题日益突出。汽车安全性问题主要有主动安全性 和被动安全性两大类，主动安全性是指汽车避免发生意外事故的能力：被动安全 性则是指汽车在发生意外事故时对乘员进行有效保护的能力。通俗的讲，主动安 全性就是要使汽车在行驶时“有惊无险 ，而被动安全性则要做到汽车发生事故时 “车毁人不亡 。改善汽车的被动安全性，在碰撞事故中对乘员采取有效的保护措 施，是汽车设计和生产厂家提高其产品竞争力的重要手段之一，汽车车身设计的 主要任务是提高汽车车身的被动安全性【l 】。在实际的新车设计中，应以此为尽标， 努力实现车身结构高强度化。因此，研究车身结构的耐撞性，并为汽车碰撞安全 性设计提供参考和指导，具有鲜明的现实意义和广泛的应用前景。 1 1 汽车碰撞被动安全性研究的内容和方法 汽车碰撞被动安全性研究包括车身结构的耐撞性研究、人体碰撞生物力学研 究、乘员约束系统及安全驾驶室内饰组件的开发研究等。 结构耐撞性研究主要是研究车身结构对碰撞能量的吸收特性，寻求改善车身结 构耐撞性的方法，使得车身结构在外力冲击下能以预计的方式变形，其变形量能 控制在一定的范围内，在保证乘员安全空间的前提下，车身变形吸收的能量最大， 从而使传递给车内乘员的碰撞能量降低到最小，尽可能使乘员所受到的减速度最 小：人体碰撞生物力学研究主要围绕人体各部位在不同碰撞形式下的伤害机理， 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特性及碰撞实验条件 下，用人体代替物展开研究假入的动态响应，人体的伤害机理以及假人与汽车内 部及安全驾驶室内饰组件如安全带和安全气囊之间的相互作用。乘员约束系统及 安全驾驶室内饰组件的开发研究主要研究不同形式的安全带和安全气囊的机械特 性，以获得最有效的约束性能，使人体避免与驾驶室内饰组件发生二次碰撞。安 全座椅、吸能式转向管柱与转向盘、安全仪表板、内装饰组件的吸能材料等对于 缓冲二次碰撞进而减少对乘员的冲击也具有重要作用。 汽车碰撞研究方法主要有试验法和计算机模拟仿真分析。 早期在汽车碰撞研究中采用的研究手段是试验的方法，包括台架冲击试验、台 车碰撞摸拟试验和实车碰撞试验。实车碰撞试验由于与事故的情况最接近，是综 货车驾驶室摆锤碰掩安全性研究 合评价车辆被动安全性的最基本方法，主要用来对已开发的成品车型进行法规要 求的试验，以鉴定是否达到法规要求。其他两种试验方法都是以实车碰撞试验的 结构为基础确定试验条件的，适合评价零部件或由零部件组成的系统的耐撞性能。 台架冲击试验主要是对实车碰撞试验的模拟，用来模拟人体的不同部位与车辆有 关部件之间的碰撞，以评价车辆部件本身的安全性能。台车碰撞模拟试验主要用 来对车内乘员约束系统进行性能评价。无论是台车碰撞模拟试验还是实车碰撞试 验，其试验设备工作都是十分费时的。另外，这些试验都是破坏性试验，试验所 需费用是十分昂贵的，并且，由于试验中有一些随机因素的影响，使试验结果往 往不够稳定，可重复性差【2 1 。 试验法虽然在不同阶段不同程度的满足了汽车碰撞安全性设计和改进的需要， 但都有周期长、费用高等缺点。因此，人们一直试图通过应用数学和力学工具来 开展汽车碰撞安全性研究。这类分析方法又可分为解析法、多刚体动力学法和有 限元法等，统称为数学分析方法。其共同特点是对给定的碰撞事例进行力学建模， 再应用相关的数学工具对所建的力学模型求解，以获得描述碰撞事例特征的主要 参数。很显然，这类方法所获得结果不仅与所建的力学模型有关，还与数学求解 工具及应用过程有关。解析法所求的解理论上是所建力学模型的精确解，但由于 力学模型本身要相当简单才能求解，其结果的有效性和工程意义是非产有限的。 多刚体动力学法所建力学模型与实际情况更接近，但一般难以如解析法一样精确 求解，因此其结果同样含有较大误差。有限元法不仅力学模型远比前两种方法复 杂和完善，而且可借助强大的计算机能力对其进行较高精度的求解，是非常有效 的汽车碰撞分析方法。 国外较早开展汽车碰撞研究的是美国。在2 0 世纪6 0 年代，人们开展了计算机 模拟碰撞技术。随着计算机技术的高速发展和以有限元分析技术为突出代表的工 程计算方法的发展和日趋成熟，汽车耐撞性的数值分折正在逐步取代与改进部分 实验室工作【3 ，4 】，给整个汽车碰撞模拟仿真的分析和改进带来了十分深刻的影响。 2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代，显式有限元程序在美国开发出来，各种算法已开 始成熟，如显式积分、壳单元和接触算法等。自2 0 世纪8 0 年代中期第一次用有 限元法进行汽车整车碰撞模拟仿真分析后，有限元法在汽车结构耐撞性分析方面 的应用迅速增长，美国各大汽车公司如通用( g e ) 、福特( f o r d ) 等、日本的日产 ( n i s s a n ) 、丰田( t o y o t a ) 、西欧和韩国等国家的汽车公司有专门的分析人员配 备最先进的计算机设备从事汽车结构耐撞性的有限元分析。 在有限元法用于汽车碰撞模拟仿真分析的初期( 上世纪8 0 年代至9 0 年代初) ， 由于试验条件、计算机条件和分析软件的限制，汽车结构分析模型的建立相对简 单，也较为粗糙，考虑范围只限于部分零件，分析模型的规模也不大，单元数目 一般小于2 0 0 0 0 个，分析结果与试验的吻合程度也难于保证。如建立梁单元模型 2 工程硕士学位论文 进行汽车尾碰撞分析1 5 1 ；建立1 8 0 0 0 个单元的整车有限元模型，对轿车进行碰撞模 拟仿真分析等l 引。 上世纪9 0 年代以来，计算机技术的飞速发展，如超级计算机( c r a y ) 的发展， 使碰撞仿真分析在汽车工业方面的广泛应用成为可f l 皂t t , 8 】。在c r a y 巨型计算机上 应用r a d i o s s 、c r a s h 软件对轿车和美国福特某乘用车分别在正面全宽碰撞、 正面5 0 偏置壁障碰撞、侧面碰撞及车身项盖压塌等条件下的模拟仿真分析，整 个碰撞分析模型有6 0 0 0 0 个单元，文中还给出了仿真结果与试验结果的比较。同 时，在美国和欧洲出现了许多成熟的用于汽车碰撞模拟分析的商业化软件，如： l s d y n a 3 d 、p a m c r a s h 、m a d y m o 、r o d i o s s 等。所有这些，构成了推 动汽车碰撞数值模拟分析技术迅速发展的重要技术基础。 进入2 1 世纪以来，国外在汽车碰撞计算机模拟方面的研究已具备了相当扎实 的基础，它经历了由大量的汽车碰撞试验研究向以此为基础而发展起来的计算机 模拟技术过渡，并逐步走向二者紧密结合的成熟阶段；同时，计算机技术的快速 发展，使汽车碰撞仿真分析的有限元模型规模达到了5 0 0 0 0 0 个单元，甚至上白万 个单元规模。下一步，计算机碰撞模拟仿真技术正朝着进一步提高分析精度、模 拟实车道路行驶、结合路面条件的碰撞模拟分析、将结构优化分析与碰撞模拟相 结合的方向发展1 9 j 。 1 2 商用车驾驶室安全性研究现状 尽管欧共体己制订商用车碰撞安全法规e c er 2 9 ，对商用车( 平头驾驶室) 的碰 撞安全性能试验方法做了具体规定，也做了些研究工作【l o l 。但是，国外在商用车 碰撞模拟仿真分析所做的研究工作均远较轿车为少，相关研究文献也很少见。这 是因为在一般情况下，商用车( 卡车) 行驶车速低于轿车，并且整车装备质量远大于 轿车，当发生碰撞事故时处于相对优势地位。近几年来，随着公路运输对高速、 重载的要求不断增加，商用车( 卡车) 的被动安全性问题也日益突出，欧共体与奔驰 ( b e n z ) 、沃尔沃( v o l v o ) 、雷诺( r e n a u l t ) 等知名卡车公司共同投资开展重型卡 车的碰撞仿真模拟研究工作，在此基础上将根据研究结果对现有的法规进行修改 完善或制订全新的重型卡车碰撞安全法规，以便提高重型卡车的碰撞安全性，更 好的保护乘员在发生碰撞时的安全。 美国国家公路交通安全管理局( n h t s a ) 和联邦机动运输安全局( f m c s a ) 共同建立了一个大卡车资料搜集和分析项目，研究大卡车致命和严重事故原因和 搜集各州的大卡车事故数据j 。美国密西根大学交通研究中心研究报告指出，卡 车乘员值得关注的损伤的事故中，单车事故占了大部分( 约7 0 ) ，卡车卡车事 故次之，卡车翻滚是最重要的导致损伤事故，占了这些事故的大部分( 约6 0 ) ； 重要的损伤机理有乘员从驾驶室甩出( 占了几乎全部严重损伤的1 3 ) ，挤压变形 3 货车驾驶室摆锤碰撞安全性研究 损伤，乘员与内饰碰撞( 方向盘，挡风玻璃，顶棚等) 和事故后起火；改进事故 后乘员安全的有效措施包括约束系统( 安全带和安全气囊) ，改进挡风玻璃和车门 强度，内饰表面( 吸能转向管柱，填充内饰表面) 和改进驾驶室结构为乘员提供 生存空间i l2 。c a s t r o ，i j 等人研究了摆锤试验构成使乘员的下肢处在驾驶室变形中 的损伤机理，即摆锤碰撞导致的地板向下弯曲的趋势和驾驶室脚踏板区域向乘员 的运动对脚部作用载荷与驾驶室向后刚性移动共同作用的结果【1 3 】。瑞典k r i s t i a n h o l m q v i s t 等人采用了有限元建模，在转向盘缘碰撞模型中对h b r i d 3 模型的胸部 进行评价，并与相同情况下人体模型响应形成了对比，结果表明t h u m s 人体模 型的响应和校准范围吻合较好【1 4 】。 目前关于汽车碰撞试验和模拟仿真研究主要是针对轿车而言，国内在商用车特 别式平头卡车碰撞模拟分析刚刚起步。我国在商用车驾驶室安全方面还没有统一 的标准，仅参考欧洲e c er 2 9 法规制定了商用车驾驶室乘员保护征求意见稿 引。国家汽车质量监督检测中心、中国第一汽车集团公司、东风汽车有限公司和 吉林大学根据欧洲e c er 2 9 法规，进行了商用车摆锤正面撞击试验和仿真研究 1 6 - 1 8 。钱立军、牛玉峰、谢庆喜等人对卡车驾驶室顶盖和后围强度进行了仿真研 究分析【1 9 也1 1 。程阔等人对商用车约束系统进行了优化分析研究【2 2 1 。总体来看，我 国商用车驾驶室安全研究状况与国外相比还有一定差距。 商用车的安全技术落后与乘用车主要有以下几个因素：首先，相对于乘用车而 言，商用车的速度慢、体积大，因此危险性相对较小；其次，商用车是生产工具， 对成本控制比较重视；再次，商用车要求驾驶员是专业司机，受过专门的训练， 因此对设备本身的要求相对不像乘用车那么高。轿车的驾驶员大多是非专业的， 对技术依赖程度会很高。先进的安全技术一般都优先在乘用车上采用，等成熟之 后才在商用车上推广。目前，生产与销售以及社会保有的卡车中平头车占绝大多 数，各大公司新开发的车型也多以平头车为主。与长头车比较，平头车的结构特 点决定了其驾驶员座位到汽车最前端面的距离要短，一旦发生交通事故，汽车遭 遇正面撞击时没有吸能缓冲区，驾驶员没有足够的生存空间，将被挤压导致伤害 或死亡。随着这类伤亡事故的增加，平头车驾驶室的安全性越来越受到人们的关 注。因此，为保护乘员，减少伤亡，对平头车驾驶室安全性进行研究很有必要【2 3 1 。 1 3 商用车驾驶室安全性法规及试验方法介绍 欧洲在1 9 7 4 年就出台了商用车碰撞安全法规e c er 2 9 ，对顶盖、前围和后围 试验都做了相关的规定【2 4 1 。我国参考e c er 2 9 法规，制定了商用车驾驶室乘员 保护法规征求意见稿，对商用车驾驶室正面撞击、顶盖强度和后围强度都做了 详细的规定。 正面撞击试验( a ) ： 4 工程硕士学位论文 摆锤应为钢制且质量均匀分布。摆锤质量为1 5 0 0 - j ：2 5 0k g 。摆锤的撞击面应为 平整的矩形，宽2 5 0 0 m m ，高8 0 0 m m 。其棱边的圆角半径不小于1 5 m m 。 摆锤总成应为刚性结构，摆锤由刚性地固定在其上的两根梁自由悬吊，梁距不 小于1 0 0 0 m m 。两根梁应为腹板高不小于1 0 0 m m 的工字梁或至少惯性矩相同的其 它形式的梁。梁的长度，从悬吊轴到摆锤的几何中心，不小于3 5 0 0 m m 。 摆锤悬吊的位置应使其在垂直位置时满足下列要求： 摆锤的撞击面与车辆的最前部相接触：摆锤的重心应低于驾驶员座椅“r ”点 5 0 + 5 0 m m 。摆锤的重心应位于车辆纵向中心平面上。摆锤应从前向后的方向撞击 驾驶室的前部。撞击方向应为水平方向且平行于车辆的纵向中心平面。对于最大 允许质量不大于7 0 0 0 k g 的车辆，撞击的能量应为2 9 4 k j ；对于最大允许质量大于 7 0 0 0 k g 的车辆，撞击的能量应为4 4 1 k j 。 顶部强度( b ) t 驾驶室项部应能承受相当于车辆前部的一个轴或多个轴的最大轴荷的静载荷， 但最大为1 0 0 0 0k g 。此静载荷应通过形状合适的刚体部件均匀地施加在驾驶室或 座舱顶部构架的所有支承件上。 后围强度( c ) ： 驾驶室后围应能承受最大载质量每吨2 0 0 0 n 的静载荷。此静载荷应通过置于 车架上的不小于整个后围的刚性壁障施加在至少车架以上的驾驶室后围上，刚性 壁障应垂直于车辆的纵向中心轴线，且平行于中心轴线移动。 r o o fs t r e n g t ht e s t b ) 图1 1 驾驶室试验草图 5 l c ) 货车驾驶室摆锤碰掩安全性研究 1 4 本文主要研究内容 第一章在查阅大量文献的基础上，主要介绍了汽车安全性的重要性及其主要 研究方法，试验法和计算机模拟仿真；介绍了商用车驾驶室安全性国内外研究状 况和驾驶室安全性法规。 第二章详细介绍了有限元建模的一般规则和主要问题处理方法，根据国内某 量产商用车驾驶室、车架几何模型，建立了该商用车驾驶室简化有限元模型。根 据该驾驶室正面摆锤撞击试验，对该有限元模型的有效性进行了验证。 第三章提出了两种改进驾驶室安全性的方法。第一，根据主被动结合原理， 设计了可伸缩式吸能装置，并进行了气压推出试验研究。利用驾驶室有限元模型， 对可伸缩式吸能装置在平头商用车前碰撞中的应用进行了研究；第二，设计了可 错位悬置结构用于改善驾驶室前碰撞挤压变形，仿真结果表明，该结构可以降低 驾驶室挤压变形量，使驾驶室碰撞吸能更加稳定。 最后，在前几章研究的基础上，对本文主要研究内容给予了总结和展望。 6 第2 章货车驾驶室建模 整车结构有限元模型是汽车碰撞仿真的重要基础，碰撞仿真的精度和准确性除 了与计算方法有关外，还在很大程度上依赖于有限元模型建立的精度。因此，根 据汽车结构特点与碰撞仿真要求，充分利用和发挥计算机软件的强大分析处理功 能，选择合适的单元进行网格划分、准确的材料模型、合理而有效的碰撞一接触 界面定义与处理是建立准确的碰撞有限元分析模型的重要技术基础。本章主要介 绍了商用车碰撞有限元模型建立的基本方法、简化处理原则及整车碰撞有限元模 型的建立步骤与过程。 2 1 有限元模型建立过程 2 1 1 有限元模型建立方法 汽车在实际使用过程发生碰撞时，汽车的运动轨迹以及车内乘员的运动状态往 往十分复杂。在商用车正面碰撞时，主要吸能结构件的碰撞属于薄壁构件和钣金 件的压塌、失稳、撕裂、弯曲失效等非线性大变形吸能过程，这种结构在计算时 要同时考虑材料、几何、接触、摩擦等多种非线性因素的影响【2 5 27 1 ，实际结构中 的加强板重叠、焊点排列、凸起和凹槽等细节也会影响载荷和变形的传递路径。 这些参数及问题的有效处理与解决，是建立合理计算模型并成功进行整车碰撞数 值模拟的基础和关键。 汽车整车一般包含有成百上千个零部件，主要分为车身、车门、车身附件系统、 转向机构、车架、发动机系统等总成部件，其建模工作量十分巨大。在建立碰撞 有限元模型时，都是根据汽车设计的几何模型( c a d 数据) 来建立进行有限元网格 剖分的结构力学模型；然后对结构力学模型进行网格划分，产生单元和节点数据 并建立零部件的有限元模型。在此基础上，根据小同部件之间的连接关系，对零 部件有限元模型进行焊接( 或螺栓连接、铆接等) 装配，并完成相应的材料特性、碰 撞一接触界面特性和初始运动条件的定义，从而建立整车碰撞有限元模型。 由于碰撞分析主要是计算结构的变形，这与通常的静态有限元分析不近相同， 因此，在建模时主要考虑的是可变形部件。就汽车碰撞而言，产生碰撞区域的薄 壁金属构件是最重要的变形吸能部件，如商用车的前围板和前面罩等覆盖件、侧 围覆盖件、地板及其纵梁等( 图2 1 ) ，这些结构件具有尺寸变化较大、形状复杂等 几何特点，对碰撞时外载荷及边界条件的变化比较敏感；而结构本身的一些凸起、 凹槽和开口等细节也会影响碰撞变形模式和载荷传递路径。因此，建立的有限元 模型必须准确的反映结构的几何特征。 由于发动机等零部件的变形刚度远远大于比薄壁金属构件，因此，可以忽略这 7 货午驾驶审摆钸碲掩安令性研究 = = = = = = = = = = 竺= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! ! ! 竺= ! 竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 些部件在碰撞过程中的变形，而将其作为刚体处理。 ( a ) 前围罩板 ( b ) 地板 ( c ) a 柱 ( d ) 仪表板和横梁 图2 1 商用车典型薄壁件 2 1 2 有限元建模软件 由于有限元技术的特点，使得用于有限元建模的前后处理软件成为一个相对 独立而又十分重要的部分。目前在国际上应用较多的前后处理软件有 a l t a i r h y p e r m e s h ， s d r c i d e a s 、m s c p a t r a n 、c a e b e t a a n s a 等。 它们都与c a d 软件具有良好的接口，可与众多的有限元求解软件结合，便于用户 更快、更方便的解决问题【28 1 。应用最广泛的前后处理软件是h y p e r m e s h ，可与 工程硕士学位论文 多数有限元分析软件搭配使用，如n a s t r a n 、l s d y n a 、a b a q u s 、a m s y s 等。h y p e r m e s h 软件主要用于汽车行业，它已成为全球汽车行业的标准配置u 们。 h y p e r m e s h 是一个高效的有限元前处理软件，能够建立各种复杂的有限元 和有限差分模型，与多种c a d 和c a e 软件有良好的接口并具有高效的网格划分功 能。其图形截面友好，易于学习，可以直接使用c a d 几何数据和现存的有限元模 型，从而减少附加的余数据。该软件的有限元建模速度、操作使用的灵活性及用 户对话功能无与伦比。由于h y p e r m e s h 软件在有限元建模方面的突出特点，能 够满足汽车碰撞仿真有限元模型建模的需要比引。因此，本论文应用该软件完成了 驾驶室碰撞安全仿真的有限元模型的建立工作。 图2 2h y p e r m e s h 用户界面 2 1 3 驾驶室有限元模型网格划分 网格划分就是对结构力学模型进行离散化，它关系到仿真计算的精度和效率， 是有限元计算分析的基础。在进行网格划分时，需要考虑单元类型、单元尺寸、 和单元质量等问题。 根据汽车整车结构特点，碰撞仿真建模所采用的基本结构单元主要有梁单元、 三节点和四节点板壳单元、实体单元等( 图2 3 ) 。碰撞有限元模型的单元质量优劣 对计算精度和计算效率具有十分重要的影响：因此，结构割分的单元网格应均匀 过渡，单元形状不能过分扭曲。碰撞分析模型的单元必须满足翘曲角、最大和最 小内角、单元尺寸和边长比、板壳单元的单元法向一致性等技术条件。另外，还 需对板壳单元的连接状况进行检查，如重节点、重单元、自由边界等情况，以确 保有限元模型中所有板壳单元和节点之间连接关系的正确合理性。 9 货车驾驶室摆锤碰撞安全性研究 一 ( 4 ) 四面体单元 ( 5 ) 五面体单元( 6 ) 六面体单元 图2 3 仿真建模的基木单元类型 本文针对国内某款平头重型卡车驾驶室模型，采用其初版c a d 数模建立起驾驶 室白车身、车门、车架和悬架等部件有限元模型，忽略了玻璃、内饰件、车身塑 料件等部件。具体的零件网格划分过程如下： ( 1 ) 输入c a d 数据 本论文分析的重卡车型c a d 数模均在u g 软件中建立，可将各零部件的u g 三维模输出如i g e s 等格式文件，导入到h y p e r m e s h 软件中进行装配连接，也 可直接导入整车装配总成文件。 ( 2 ) c a d 模型的几何清理 建立的驾驶室车身c a d 模型是由大量的复杂曲面组成，并且存在数据格式转 换的差异，如在将车身的i g e s 数据导入到h y p e r m e s h 中时，出现如下几种问 题： 1 ) 导入曲面数据时，曲面之间存在缝隙、重叠、错位等缺陷，这会影响网格的 质量。 2 ) 由于模型是根据实际车身测量得到的，所以建立的车身c a d 模型中通常会 包含某些细微特征，例如曲面和边的倒角、小孔，进行分析时如果准确模拟这些 特征，需要用到很小的单元，导致求解时间过长。 3 ) 在建立白车身模型时要保证曲面之间的连接关系，但在导入的h y p e r m e s h 中，由于数据格式的转换，经常引起边界错位。应用这样的模型进行网格划分， 会使网格扭曲，有时导致单元初始穿透，使求解失败。 根据以上情况要对导入h y p e r m e s h 的模型进行几何清理，通过 h y p e r m e s h 来解决这些问题主要有以下三种方法： 1 ) 合并自由边。在h y p e r m e s h 中设定清理容差( c l e a r u pt o l e r a n c e s ) ，然后应 l o 一日一日一囱一令 l ，、 一令 工程硕十学位论文 用合e q u i v a l e n c e 、功能消除自由边。 j 2 ) 通过消除倒角和小孔，来清除细小的几何特征。主要通过设定倒角值 ( s u r f a c e f i l l e t s ) 和小孔的直径( p i n h o l e s ) 来实现。 3 ) 对曲面进行裁剪、删除，来消除曲面之间的边界错位。 ( 3 ) 网格划分 对于车身钣金件主要采用四节点四边形单元和三节点三角形单元离散，尽量避 免使用三角形单元，以保证计算精度；发动机在碰撞过程中几乎不变形，在此简 化成刚体。用有限元方法得到的计算结果只是近似的，单元划分越细，计算结果 越准确，但不能为了精确度面盲目细化模型，这样会导致计算模型单元数量区大， 单元步长太小，从而使计算量剧增，很可能无法正常运算。网格划分根据所要求 的问题的规模、周期、侧重点以及所拥有的计算机硬件等条件权衡考虑，力求计 算精度与计算时间的最佳搭配。根据计算机软硬件条件，本文采用平均单元尺寸 l o m m 来离散车身壳体结构，既较好的吻合了车辆模型，保证了计算精度，也保证 了运算效率。 ( 4 ) 单元质量检查和优化 网格划分完成后，有限元单元质量的好坏直接影响到有限元求解的稳定性和精 度，对于动力学有限元问题尤为关键。有限元单元的质量主要使针对单元形状的 好坏，包括多项内容，对碰撞的有限元计算来说，以下几种单元质量非常重要： 1 ) 单元的翘曲( w a r p a g e ) 单元的翘曲是指四边形单元与理想平面的偏差。三角形单元则不会存在翘曲的 问题。四边形单元翘曲的度量可以采用翘曲角来表示，翘曲角的定义如下，先获 取四边形的对角线，然后计算其矢量积。该矢量积代表单元的平均法向，根据该 矢量生成与该矢量垂直的平面，计算四个节点到平面的高度差，用最大的高度差 除以单元投影面积的平方根。 对翘曲单元的修改主要是将四边形单元分为两个三角形单元。 a ) 翘曲单元b ) 修改后的单元 图2 4 翘曲单元修改 2 ) 单元长短边的比值( a s p e c tr a t i o ) 货车驾驶室摆锤碰撞安全性研究 一 单元长短边的比值是指单元最长边与最短边的比，这主要是为了限制单元的形 状，如果比值太大会影响计算的速度。 a ) 初始单元 b ) 修改后单元 图2 5 单元长短比修改 3 ) 四边形单元的内角( q u a d r i l a t e r a li n t e r n a la n g l e ) 单元内角的要求主要是控制单元的形状，在有限元分析中四边形单元最好为正 方形，但由于模型外形比较复杂不可能每一个单元都为正方形，有的单元在进行 网格划分时会出现钝角，当钝角很大接近1 8 0 。时，计算就会产生很大的误差。 对四边形单元的修改时在内角比较大处做一