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轿车侧丽结构耐掩性及安伞性设计优化研究 摘要 随着汽车保有量的增长，道路交通事故己经成为世界性的一大社会问题。全 世界每年死于道路交通事故的人数估计超过1 2 0 万。道路交通事故给人类的生命和 财产安全带来了严重的灾难。在我国，由于城市道路交通路口以平面交叉形式为 主，侧面碰撞事故发生概率最高，致伤率居第一位，而致死率仅次于正面碰撞。 如何提高车辆侧面碰撞事故发生时对乘员的保护性能成为当今又一热点课题。 2 0 0 6 年7 月我国开始发布并执行汽车侧面碰撞的乘员保护标准，同时推出中国 的新车评价规程( c n c a p ) ，为汽车生产厂家提出了安全要求以及评价指标。 因此，车辆侧面碰撞安全性的研究成为车辆被动安全性研究的一项重要内容。 本文旨在研究侧面碰撞中轿车的侧围部件的耐撞性能及其对乘员损伤的影 响。针对车门防撞杆及车身内饰件，利用子结构模型分析了每种防撞杆的关键结 构参数与其耐撞性内在关系，以及车身内饰件参数对乘员损伤的影响。比较研究 了提高防撞杆防护性能的方法。基于响应表面法，针对车门防撞杆截面形状，材 料厚度等关键结构参数进行了仿真优化。分析比较了正交优化直观分析方法与响 应表面法对乘员损伤优化中的应用。最终提出有效的提高车身安全性措施并从理 论上验证其有效性，为汽车侧面碰撞安全性设计提供借鉴作用。 文章首先介绍了我国汽车侧面碰撞法规及碰撞安全性仿真的基本理论，然后 建立某款乘用车的整车有限元模型，建立可变形移动壁障的有限元模型，按照法 规进行侧面碰撞仿真，通过与标准要求及实验数据对比，验证了可移动变形壁障 和轿车侧面碰撞有限元模型的有效性。针对车门耐撞性能较差的问题，对车门内 防撞杆进行了优化设计研究。采用多刚体动力学分析软件m a d y m o 中p s m 子 结构方法，得到其假人损伤指标值并按照法规要求进行了分析和评价。通过仿真 计算分析了该车侧面碰撞中汽车车门内饰板刚度等参数与乘员伤害值的相关性， 对内饰板进行参数进行比较性优化，提高车辆的安全性能。 研究结果表明：通过防撞杆结构的改进，防撞杆的耐撞性能有了很大的提高。 车门和b 柱内饰板对假人的损伤程度有一定的影响，通过优化内饰件的刚度，可 以使假人的损伤值降低。响应表面法可以应用于汽车概念设计阶段、结构优化阶 段车门防撞杆设计的参考，能够准确的得到防撞杆结构参数，节约计算成本和生 产成本。 关键词：侧面碰撞安全性；子结构模型；结构优化；假人损伤；响应表面法 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ev e h i c l e si ng l o b a lt r a n s p o n a t i o n ，r o a d t r a f f i ca c c i d e n t s h a v eb e c o m eam a j o rs o c i a lp r o b l e m e a c hy e a r t h en u m b e ro fd e a t h i se s t i m a t e da s a b o u t1 ，2 0 0 ，0 0 0i nt r a f f i ca c c i d e n t sa r o u n d t h ew o r l d r o a dt r a f f i ca c c j d e n t sh a v e b r o ug h tas e r i o u sd i s a s t e rt oh u m a nl i f e a n ds o c i a le c o n o m y i nc h i n a ，t h eg r a d e c r o s s i n gi st h em a j o rp a t t e r no fu r b a nt r a f f i cr o a d t h u s ，t h eo c c u r r e n c eo f s l d e1 m p a c t a c c i d e n ti st h eh i g h e s ti na nt y p eo fa c c i d e n t s ，a n dt h ei n j u r yr a t ei s a l s ot h eh i 曲e s ti n a l la c c i d e n ts c e n a r i o s t h ef a t a l i t yr a t eo fs i d ei m p a c ti so n l yl e s st h a nt h a t o ff r o n t i m p a c t s o ， r e s e a r c hi n t oo c c u p a n tp r o t e c t i o nf r o m s i d ei m p a c th a sb e c o m ea n i m p o r t a n tt o p i ci nt h ep a s s i v es a f e t ya r e a t h er e g u l a t i o n o nt h eo c c u p a n t s p r o t e c t l o n i ns i d ei m p a c ta c c i d e n t sw a sd e v e l o p e d b yc h i n aa u t o m o t i v et e c h n 0 1 0 9 y r e s e a r c h c e n t e ra c c o r d i n gt oe c er 9 5 ，w h i c hh a sb e e nb r o u g h ti n t o e f f e c ti nj u l y1 s t2 0 0 6 ， a n dc h i n e s en e wc a ra s s e s s m e n tp r o 伊a m ( c n c a p ) w a sa l s oi s s u e da t t h es a m e t i m e t h ea i mo ft h ep t e s e n tt h e s i si s t oi n v e s t i g a t et h ec r a s h w o r t h i n e s s o fs l d e s t r u c t u r ea n dh o wi ta f f e c t st h ei n ju r yo fo c c u p a n t s f o rt h es i d ed o o ir e i n f b r c eb a r ， t h ec o r r e i a t i o no ft h ek e ys t r u c t u r a lp a r a m e t e r sw i t hc f a s h w o r t h i n e s sw a sa n a l y z e d b y u s i n gs u b s t r u c t u r em o d e li nt e r m s0 fd i f f e r e n ts e c t i o n so ft h er e i n f o r c eb a r s a l s 0 i n v e s t i g a t eh o wt h ep a r a m e t e r so ft h ei n n e r t r i m sa f f e c tt h ei 1 1 j u r yo fo c c u p a n t s b a s e d o nt h er e s p o n s es u r f a c em e t h o d ( r s m ) ，t h er c i n f o r c eb a rw a so p t i m i z e dm t e 珊so t t h es e c t i o n a lp a r a m e t e r sa n dt h i c k n e s s t h eo r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o da n dr e s p o n s e s u r f a c em e t h o dw e r eu s e di no p t i m i z a t i o nf o rm i n i m i z i n gr i s ko fo c c u p a n ti n j u r y a t l a s t ，t h ep a p e rp r o v i d e ss o m ec o u n t e 咖e a s u r e st op r o t e c tt h eo c c u p a n t sa n dd l s c u s s t h e i rv a l i d i t y f i r s t l y ，t h ep a p e ro u t l i n e st h es i d ei m p a c tr e g u i a t i o n so fc h i n aa n d b a s i ct h e o r y o fc r a s hs a f e t y t h e nam o b i l ed e f o r m a b l eb a h i e rf em o d e la n dac a rf e m o d e lw a s e s t a b l i s h e da n dv e r i f i e dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l sb yc o m p a r i n gt h e mw i t h t h et e s t d a t aa n dr e q u i f e m e n t s a sap o o rc r a s h w o r t h i n e s sp e r f o r m a n c eo ft h ed o o r t h es l d e r e i n f o r c eb a rw a so p t i m i z e dt oi m p r o v ei t sp e r f o r m a n c e t h ei n j u r yp a r a m e t e 。s o f d u m m vw e r eo b t a i n e da n de v a l u a t e db yu s i n gm a d y m o s o f t w a r ea n dp s m m e t h o d t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e n c r “e r i aw a sa n a l y z e di n t h ep a r a m e l e r so fd o o ri n n e rp a n e la n do c c u p a n ti n j u r y s i d ei m p a c tt h r o u g hs i m u l a t i o n t h ed e s i g np a r a m e t e r so f m 轿下侧用结构耐掩r 丰及安伞性设计优化研究 t r i mo p t i m i z e dt oi m p r o v et h ec r a s h w o r t h i n e s sa n dr e d u c ei n j u r e so fo c c u p a n t s t h er e s u l t so ft h i ss t u d yi n d i c a t et h a tc r a s h w o r t h i n e s sp e r f o r m a n c eo fs i d eb a r h a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e db yo p t i m i z a t i o nd e s i g n t h ev a l u eo ft h ed u m m yi n j u r y p a r a m e t e r sc a nb er e d u c e db y0 p t i m i z i n gt h es t i f f n e s sa n dt h i c k n e s so fi n n e rt r i m p a n e l so fd o o ra n dbp i l i a r t h er s m c a nb eu s e di nt h es t a g e0 fc o n c e p td e s i g no fa n e w c a r u s i n gs u b - m o d e lc a ns a v et h ec o s t so fc a l c u l a t i o na n dp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：s i d ei m p a c ts a f e t y ；s u b - m o d e l ；s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ；i n j u r yo fd u m m y ； r s m i v 硕七学位论文 第1 章概述 1 1 课题的研究背景、目的及意义 汽车是现代人们出行的主要工具，随着全球汽车工业的发展，汽车人均占有 量的增长，导致碰撞事故的增多，因而道路交通事故伤亡的人数也随之增长，为 全球经济和社会发展造成不稳定因素。在我国，因道路设施交通法规不完善、路 面情况复杂、汽车制造技术水平相对较低等因素，导致我国事故发生率较高。相 关数据表明：发达国家事故致死率远远低于我国，2 0 0 3 年数据统计发达国家交通 事故致死率保持在1 4 ，而我国达到1 7 4 。我国1 9 9 9 2 0 0 8 年间的交通事 故统计如表1 1 所示。 表1 11 9 9 9 2 0 0 8 年中国道路交通事故统计 从上表1 1 可以看到，自2 0 0 2 年以来我国交通事故在发生率、伤亡人数和所 造成的经济损失逐年降低，这是由于我国汽车技术、相关设施法规逐步完善的结 果。但是同比与其他国家我国的交通事故问题仍很严峻。据资料 1 统计，近8 年来在所有事故形态中，我国侧面碰撞事较其他事故更为严重。我国侧面碰撞的 研究也更具意义。造成侧碰事故的理论原因为幅1 ：从汽车整体骨架设置方面来看， 侧面受撞击部位为a 、b 柱以及防撞杆所构成的框架，它的强度较其他部位薄弱； 从量吸收角度分析，侧面结构中吸能部件很少，吸收的能量不多，并没有如前部 碰撞时纵梁等可大量吸能的部件；从乘员乘坐角度分析，车门内饰件距离乘员距 离2 0 0 m m 至3 0 0 m m ，碰撞时则直接发生接触，乘员所受的冲击载荷较强烈。也 因为这些因素的限制，给侧面碰撞的研究带来了一定的困难，是提高汽车安全性 轿车侧围结构耐撞性及安伞性设计优化研究 能急需解决的问题。在侧面碰撞事故中，乘员致死部位严重程度依次为：头颈部 位、躯干部位( 包括胸部以及腹部) ，其次是盆骨以及四肢。侧面损伤的损伤级 别通常在a i s 3 + 及以上。图1 1 为侧面车对车碰撞事故、车对障碍物碰撞人体损 伤几率图，从该图中不难发现，在车辆之间碰撞发生时，胸部事故较为严重。如 上所述，汽车侧面碰撞安全性问题较为严峻，已成为我国汽车技术研究机构以及 汽车制造厂商急需解决的问题，对我过道路交通安全意义重大口1 。 图1 1 侧面碰撞人体部位损伤a l s 3 + 1 2 侧面碰撞国内外研究历史及现状 国外对汽车碰撞分析的研究比较早，较早开展汽车碰撞分析研究的是美国h ，。 早期汽车碰撞研究主要是进行各种条件下的碰撞试验，包括实车碰撞试验和模拟 碰撞试验。6 0 年代人们开始了计算机模拟碰撞技术的研究，早期研究完全依赖于 试验方法来进行。电子计算机的出现使得人们采用数学模拟方法来研究车身结构 的抗撞性成为可能。7 0 年代初发展了基于质点力学理论的弹簧质点整车模型，模 型自由度少，需要的计算量不大，与当时的计算机技术水平相适应。随着计算机 技术和多体系统动力学建模理论的发展，n i k r a v e s h 等人将塑性铰概念引入多体 系统中，以模拟结构中的大变形部件，并采用多体系统力学软件来研究车身结构 抗撞性。随着c r a v 等巨型机的出现，基于显式积分的有限元方法在8 0 年代初有了 很大的发展，使得人们可以对大型结构进行动态有限元分析，车身结构的抗撞性 研究进入了一个崭新的发展时期。目前，已经有用有限元与多刚体相结合的方法 来研究车辆的碰撞安全性，即软件的求解器可以同时计算有限元与多刚体程序h 1 。 汽车侧面碰撞法规的制定是汽车侧面碰撞安全性研究的重要内容。在侧面碰 撞领域，目前主要以美国的f m v s s 和欧洲的e c e 两大法规体系为主。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哺1 。目前，国外从事侧面碰撞的研究机构有很多， 主要包括：美国高速公路安全保障协会( i i h s ) ，欧洲新车评价程序( e u r on c a p ) ， 荷兰国际应用科学研究组织( t n o ) ，英国的米拉试验室( m i r a ) ，法国汽车、 摩托车、自行车联合会( u t a c ) ，澳洲新车评价程序( a n c a p ) ，日本汽车研 2 嘿 嘿 皑 皑 镰 嘣 嘣 6 5 4 3 2 l 硕十学位论文 究所( j a r i ) ，日本国家汽车安全及受害者援助组织( o s a ) ，瑞典的查尔摩斯 大学，澳大利亚m o n a s h 大学事故研究中等乜1 。 我国汽车被动安全性研究起步于上世纪8 0 年代，虽然受各种条件制约，但经 过努力也取得了一定的成果。自9 0 年代以来，国内一些高校如清华大学、湖南大 学以及相关研究院所等都建立了汽车碰撞试验设施，开始进行较为深入的碰撞试 验、仿真研究工作。 以欧洲法规为基础，参考美国法规并考虑到我国的国情，制定了中国汽车整 车碰撞安全法规。随着我国汽车侧面碰撞的乘员保护g b2 0 0 7 1 2 0 0 6 于2 0 0 6 年7 月1 日实施，汽车侧面碰撞试验已经被列入新车上市之前的强检项目，因此， 国内这些原先建立的实车碰撞试验也开始进行侧面碰撞实验平台的开发和运行。 目前，我国的汽车安全领域初步形成以汽车厂为设计主体，以大学、研究所为科 研主体的汽车被动安全体系。随着计算机运算速度的提高，国外先进软件的引进， 如p a r m c r a s h 、m a d y m o 、l s d y n a 等工程软件，国内各大学和研究所都 在进行大量的计算机碰撞模拟分析，并且取得了一定的成果阳， 。 1 3 轿车侧面碰撞的研究方法 为了研究汽车在发生撞车事故时的安全特性以及乘员的受伤情况，需要进行 各种碰撞试验。碰撞试验要求能够真实地反应实际的撞车事故，而且要求可重复 性好并且成本尽量低。碰撞试验主要分两种，一种是实车碰撞试验，一种是模拟 试验，随后发展了台车试验和试验台冲击试验等模拟碰撞技术。这两种试验方法 是以实车试验的结果为基础确定试验条件。随着电子计算机技术的迅速发展和计 算方法的日趋完善，标志着以分析计算和试验验证相结合的研究阶段的开始。 ( 1 ) 试验研究 实车碰撞试验是按照相关法规要求对成品车型进行测试，以乘员保护为出发 点，通过交通事故再现的方式分析检验车辆在碰撞过程中，乘员的保护状况和车 辆的耐撞性能。所以其试验结果与事故情况最为接近，也最具说服力。同时可以 依据实车试验的检测结果对车辆的结构安全性设计进行改进。实车碰撞试验具有 耗费大，准备工作复杂等特点，但即便如此它也是车辆被动安全研究中不可替代 的试验方法。目前广泛应用的有：固定障壁撞车试验、翻车试验、车对车撞车试 验等。其中可变形移动障壁试验是使广泛应用在对侧面碰撞车辆进行安全性评价 中引。 台车碰撞试验，主要模拟碰撞时实车减速度波形，以进行零部件的耐惯性力 试验或乘员保护性能评价。所以利用台车试验可以反应部件在碰撞中的载荷传递、 能力吸收、变形模式以及结构耐撞性等特性，可以用于部件的设计阶段。试验采 用可调机构( 如缓冲器、程序器等) 使台车获得可重复的、接近于实车碰撞的减速 3 轿车侧围结构耐撞性及安伞住设计优化研究 波形。同时试验用一个比较坚固的台车代替汽车，无需破坏真实汽车，所以其耗 费较实车试验低他1 。 由于具有这种试验难以考虑汽车的侧围结构以及内饰件等与乘员所受载荷之 间的相互关系等缺陷，所以被应用与新车型开发的早期阶段，目的是为产品开发 过程的抗撞性设计提供有益的数据和检验。 ( 2 ) 虚拟仿真研究 早期的汽车被动安全研究通常在试验车辆的样车试制出后，采用试验方法， 获得汽车结构耐撞性和假人保护性能的信息，并以此作为车辆结构和约束系统配 置改进的依据。碰撞试验有试验费用昂贵、开发周期较长、结果不一定准确和理 想等缺点，所以它并不适合在汽车开发设计阶段使用。人们开始探索从数值分析 和理论分析的角度去进行汽车被动安全的研究的道路乜1 。 上个世纪，随着有限元理论、多刚体动力学理论、生物力学理论、碰撞力学 理论、拉格朗日分析力学、统计学理论的逐步成熟以及计算机技术水平的迅猛发 展，汽车碰撞仿真分析理论应运而生并得到了不断的发展和完善。该项技术解决 了试验方法不能测得汽车内部部件应力变形的问题，为研发人员提供了宝贵的参 考数据，同时它的开发周期短、研制费用低，适用于需要重复修改结构的汽车研 发阶段。汽车虚拟仿真技术在应用中得到了不断的完善和发展，目前h y p e r w o r k s 、m a d y m o 、l s d y n a 、p a m c r a s h 、c a l 3 d 、m s c d y t r a n 等软 件应用于虚拟仿真技术中。研发人员可以利用如上软件，通过模拟碰撞事故中乘 员与环境的相互作用，再现事故过程；通过模拟分析汽车碰撞过程中各种参数的 变化趋势，处理很多异常复杂的结构大变形问题以提高车身结构的抗撞性；进行 正面碰撞、侧面碰撞、翻滚、尾追不同类型碰撞形式下汽车耐撞性能的研究n 引。 虽然碰撞虚拟仿真技术有试验方法不可比拟的优越性，但是其受模型的限制( 假 人和汽车模型) 而具有局限性，所以它不能完全替代试验分析n 。 本文将利用有限元软件h y p e rw o r k s 以及多刚体软件m a d y m o 进行汽车侧面 碰撞设计优化仿真研究。 1 4 轿车侧面碰撞的研究内容 目前国内外汽车被动安全性的研究，主要围绕车身结构抗撞性和乘员安全性 两个课题进行研究。 1 4 1 车身结构抗撞性研究 车身结构抗撞性研究主要研究汽车特别是轿车车身结构对碰撞能量的吸收以 及传递的能力，研究提高车身结构耐撞撞性的措施，在保证乘员安全空间的前提 下使得车身变形吸收并传递的碰撞能量最大，从而使传递给车内乘员的碰撞能量 4 硕f j ：学位论文 降低到最小。主要集中在以下三方面： ( 1 ) 各国对侧面碰撞试验法规的研究 目前，在的侧面碰撞安全性研究领域，美国、欧洲、日本等各国都进行了碰 撞法规的研究制订，其中比较重要的是美国的f m v s s 和欧洲的e c e 两大法规体 系。但是由于各国法规对侧面碰撞实车试验法规规则、测试假人、及假人伤害指 标的制定等方面都存在一定的差异，所以随着全球汽车技术的相互合作和渗透， 迫切需要对侧面碰撞试验法规实行统一管理。为此，在国际协调研究活动( i h r a ) 侧面碰撞工作小组( s i w g ) 的带领下，很多国家都开展了广泛的调查研究活动， 期望就此得到一种可行性的方案阳 1 引。 ( 2 ) 侧面碰撞可变形移动壁障的研究 移动变形壁障是实车侧面碰撞试验时用来撞击试验车辆的标准试验工具。国 际上对于侧碰撞台车试验方法的研究始于上世纪9 0 年代中期。用可变形移动障壁 代替实车进行碰撞试验，能够准确的反应碰撞响应情况，并可以节约试验成本。 可变形移动障壁用吸能块模拟车辆前面的刚度，其特征值的选取对试验结果 的影响较大，所以对其吸能块的变形特性进行规定。另外可变形移动壁障的速度 和其方向对试验结果也有相当影响，特别是对前后座椅上的假人损伤的影响，即 使试验方法一样，用不同的侧面碰撞假人所测得的结果也会有明显差异n 1 ”3 。根 据各国汽车侧面法规对台车要求的对比分析可知，美国采用的移动变形壁障与欧 洲采用的移动变形壁障几何尺寸，整体质量都不同，各国制造的车型种类复杂， 更新较快，所以不同法规下的可变形移动障壁并不能在全球通用，否则可能不会 增加安全性能的防护，反而容易引起车辆和乘员的严重损伤。这些都迫切要求对 可移动障壁进行更加深入的研究1 引。 ( 3 ) 侧面碰撞实验用假人的研究 汽车侧面碰撞假人用于模仿人体的外形和组织结构，在侧面碰撞中用于反应 人体碰撞冲击的损伤响应，是汽车侧面碰撞试验中一项重要的测试工具。国际上 研发了很多侧面碰撞试验假人，目前使用最为广泛的有e u r o s i d 1 、e s 2 、b i o s i d 、 s i d 、s i d i i s 。美国的侧面碰撞试验法规中采用的是s i d ，而欧洲侧面碰撞试验法 规中最初采用的是e u r o s i d 1 ，后经过欧洲和日本的改进研究，现多使用e s 2 型假 人1 引。 1 4 2 侧碰乘员安全性的研究 ( 1 ) 损伤生物力学的研究 损伤生物力学从人的角度出发，研究人体的各部位在不同形式碰撞中的伤害 机理、人体各部位的伤害忍受极限、人体各部位对碰撞载荷的机械响应特性以及 碰撞实验用人体替代物，这项研究是汽车被动安全性研究的理论基础之一。5 1 。 5 轿车侧围结构耐撞件及安全性设计优化研究 ( 2 ) 侧撞中乘员响应及损伤指标的研究 相关研究表明，在侧面碰撞发生时，乘员的损伤主要出现在乘员的头部、颈 部、胸部、腹部及骨盆等部位，对如上部位损伤的研究，对车体设计具有重要的 意义。目前在研究乘员损伤的各种评价指标方面，世界各国的专家已经做了相关 的研究并取得了一定成果。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，并运用工程软件建立相应数值模型，进行评价指标的研究，用以探 索在侧碰中乘员保护的方法n 6 1 引。 ( 3 ) 侧面碰撞滑车试验的研究 侧面碰撞滑车试验的研究经历了一个不断发展与完善的过程，大致分为两种 类型：一类是仅有一个滑车的试验台，如下图1 2 所示，试验时，将假人放置在固 定在水平侧向移动滑车的座椅上，利用牵引装置带动假人运动，当假人达到一定 速度是去掉滑车的加载，使假人与固定在座椅上的侧围结构碰撞。碰撞过程中， 侧围结构( 车门、b 柱等) 在外部作用下发生变形，同时造成了假人的损伤。由 于该试验是通过假人的相对响应来反映碰撞情况，所以不能很好的反应车门、b 柱等侧围结构与乘员之间复杂的相互作用、能量转移情况，所以滑车试验通常用 在模拟二次碰撞的冲击响应，也适用于设计研究车门内饰和缓冲材料等的吸能作 用1 9 1 。 蜂窝状纸板 图1 2 侧面碰撞试验台原理图 第二类试验台，即两个滑车的试验台，它能够较准确的模拟真实的碰撞情况， 因此对于侧面约束系统的研究具有重要的指导意义。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，另一种d o u g l a s j s t e i n 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( 这对于研究侧面气囊的安 装和打开至关重要) 陋k 删。 另外还有对乘员约束系统研究，其主要研究避免或减轻车内乘员与车内部件 发生二次碰撞( 汽车与障碍物的碰撞为一次碰撞) ，从而使乘员所受到的伤害降 低到最小。主要的研究部件有安全带、安全气囊、安全座椅、转向装置、吸能式 内饰等。 6 硕t 学位论文 1 5 国内外侧面碰撞法规研究 制定汽车侧面碰撞法规的目的是为了降低在侧碰事故中乘员受重伤和致命伤 害的风险，法规的制订研究是汽车被动安全研究重要内容之一。许多汽车工业发 达的国家已经建立了相应的法规，主要形成美欧日三大汽车安全法规体系，其中 关于汽车侧面碰撞的法规分别为f m v s s 2 1 4 、e c e r 9 5 等。除了以上由国家颁布 的汽车安全法规之外，还有致力于向用户提供每款车相对安全水平等级的n c a p ( n e wc a ra s s e s s m e n tp o r g r a m ) 。 1 5 1 美国、欧洲侧面碰撞法规比较 美国是全球最早开始机动车被动安全性研究的国家，目前已经形成了完整的 法规体系( f m v s s ) 。6 0 年代后期，欧洲开始研究制定被动安全法规，他们参 照美国法规并根据欧洲车辆安全的特点加以修正，如今已经自成的e c e 和e e c 法规。在美国，采用企业自查，管理部门抽检制度，而欧洲采用产品认证制度， 所以欧洲法规更有利于了解和操作，且技术操作的试验次数及要求较美国f m v s s 低些。下面简述欧美两大法规体系在侧碰安全部分的主要区别。 ： ( 1 ) 法规试验形式的比较 美国的f m v s s 2 1 4 法规着重于实际碰撞状况的模拟，令试验加载相对于被撞 车辆的碰撞角偏斜2 7 。试验时被撞车辆静止不动，在车辆前后排座椅上各放置 一个侧碰假人心引。 试验时需定义移动变形壁障撞击汽车时的运动参考线，其方向与被撞车辆相 垂直，其位置由被撞汽车轮距决定：当轮距不大于2 8 9 6 m m 时，该参考线位于轮 距中分线之前9 4 0 m m 的横向截面；当轮距大于2 8 9 6 m m 时，基准线位于前轴中 心线后5 0 8 m m 的横向截面。虽然移动变形壁障的前进速度方向与被测车的对称 中心线成6 3 。角，但要求保证撞击时刻移动变形壁障的对称面与被测车对称面要 保证垂直。因此，移动变形壁障的四个车轮在平行的同时应向壁障对称中心线右 侧偏转2 7 。1 。角。同时，移动变形壁障撞击汽车时，吸能块左( 或右) 侧棱角线 要与碰撞基准线对齐，移动变形壁障左( 或右) 侧切平面通过被测车基准线平面， 其误差应在5 0 8 m m 内。碰撞速度为5 3 9 k m h ，该速度在被撞车辆垂直的速度 分量为4 8 0 3 k m h 心引。 ( 2 ) 移动变形壁障的比较 由于美国与欧洲的车型并不相同，所以欧美两国法规对移动变形障壁的要求 也不同。美国标准中的可变形移动障碍壁m d b 由两个单元构成( 主部分，前端保 险杠部分) ，其前端吸能块为铝制蜂窝结构心引。 而欧洲可变形移动障碍壁m d b 由6 个单元组成，分为上下两层，下层较上层 突出6 0 m m 25 1 。 7 轿车侧围结构耐掩性及安全性设计优化研究 另外，虽两种m d b 的重心高度一致，但是美国法规m d b 的前部离地间隙要比 e c e r 9 5 m d b 低。从m d b 前端吸能块刚度特性进行比较，美国法规m d b 吸能块由 独立的蜂窝铝组合而成，欧洲法规中m d b 使用的吸能块是由多层小块的蜂窝铝粘 接而成，因而f m v s s 2 1 4 m d b 刚度特性曲线要相对e c e r 9 5m d b 光滑，试验效果 也相对好一些引。 ( 3 ) 侧碰撞假人比较 美国f m v s s2 1 4 法规试验中用到s i d 假人，而欧洲汽车技术法规中多采用的 是e u r o s i d i 和改进型的e u r o s i d i i 假人。两种假人都是模拟5 0 百分位乘员男性的， 但他们在构造上存在很大的差异。除此之外美国还有b 1 0 s i d 侧碰撞假人。2 0 0 3 年美国法规试验时，在后排座椅上使用假人s i d i i s ，以模拟5 百分位女性乘员。 表1 2f m v s s 2 1 4 和e c e r 9 5 评价指标的比较 在评价指标方面，以上的两种法规都以侧碰假人的伤害指标作为汽车侧面碰 撞试验评价指标。但是美国的法规将人体的胸部和盆骨作为伤害指标的测量点， 碰撞试验以加速度作为评价指标。而欧洲法规的测量点则包括头部、肋骨、腹部 等部位。同时，由于美欧人种的差异，美欧法规在评价指标及人体伤害指标的界 限的定义并不相同。欧美的评价指标比较可以归纳为如表1 2 所示。 1 5 2 我国侧面碰撞法规 我国侧面碰撞的研究起步很晚，所以我国以欧洲法规为蓝本，参考美 国法规并依据我国国情，编辑了汽车侧面碰撞的乘员保护并于2 0 0 6 年 7 月1 日才公布并实施。轿车侧面碰撞时，可能伴有轿车侧向翻倾或横滚发生， 因此评价轿车侧面碰撞安全性时，还要检测车身顶盖、车门静强度等。相应法规 如我国的轿车侧门强度。 1 5 3 新车评价程序n c a p ( n e wc a ra s s e s s m e n tp r o g r a m ) 由于试验法规只能说明汽车产品达到了法规的要求，并不能给消费这提供车 辆安全性能的详尽信息，所以出现了新车评价程序n c a p ( n e wc a ra s s e s s m e n t p r o g r a m ) 。该评价程序由政府或具有权威性的组织机构对在市场上销售的车型进 8 硕j ：学位论文 行碰撞安全性能测试、评分，包括5 个星级，并向社会公开评价结果。目前n c a p 主要在欧美、澳大利亚和日本施行。由于我国的汽车被动安全法规的施行以欧洲 法规为基础的，所以这里主要讨论欧洲n c a p 系统，并与美国的u sn c a p 简单 对比。 欧洲n c a p 从1 9 9 7 年开始施行。9 5 0 k g 的移动台车前端加装可变形吸能壁障 冲击静止的试验车辆驾驶员侧。其行驶方向与试验车辆垂直，碰撞速度为5 0 k m s ( 3 0 m p h ) 。试验时要求：移动壁障的纵向中垂面与试验车辆上通过碰撞侧前排座 椅r 点的横断垂面之间的距离应在2 5 m m 内。在驾驶员位置放置一个e u r o s i di i 型侧碰撞假人，e s 。2 型假人标定程序按照g b2 0 0 7 1 2 0 0 6 汽车侧面碰撞的乘员 保护附录f 的规定，并给假人系好与车辆匹配的安全带，用以测量驾驶员位置 受伤害情况，试验后检查驾驶员侧的安全带，在试验过程中是否失效。基准质量： 车辆的整车整备质量加上侧碰撞假人及测量设备的质量( 通常为1 0 0 k g ) 。 美国在1 9 7 8 年就成立了n c a p ，这个组织成为专门从事汽车安全性能测试的 权威机构。美国n c a p 侧面碰撞的试验内容与f m v s s 2 1 4 都是采用2 7 度碰撞角。但 是不同与f m v s s 2 1 4 不同之处在于美国n c a p 的侧面碰撞试验速度其速度高于法 规要求的碰撞速度。不同于欧洲n c a p ，美国n c a p 采用的可移动变形障壁的质量 高于欧洲法规，试验时采用s i d 侧面碰撞假人。不同与欧洲的n c a p 伤害指标为： 假人头部损伤指数( h i c ) 、胸部变形指数( r d c ) 、粘性指数和腹部性能指标。 美国的n c a p 伤害指标为：假人胸部伤害指数、盆骨峰值横向加速度。 目前在美国参与与新车评价的一共有两个机构：美国高速公路安全管理局 ( n h t s a ) 和保险业非盈利团体高速公路安全保险协会( 1 i h s ) 。其中n h t s a 实 施的是美国新车评价规程( u sn c a p ) ，在侧面碰撞方面，除了碰撞速度外，该 试验方法与f m v s s 2 1 4 中的动态性能要求试验方法相同。i i h s 中侧面碰撞中：把 两个5 的成年s i d i i s 女性假人分别放在前、后排驾驶员位置。碰撞速度是5 0 k m s ， 其方向与被撞车辆成9 0 度的角度。 i i h s 侧面碰撞试验假人的星级评定等级有三项：一是假人各部位评级，包括 头部伤害指数，颈部力肩部位移，躯干肋部平均位移和粘性指标，骨盆力和左大 腿骨的力和弯矩。二是假人头部保护评级，主要是考察头部的运动情况。三是车 辆结构中b 柱的变形评级，其依据是b 柱到座椅中心线的距离大小。 1 6 本文课题背景和研究内容 在侧面碰撞过程中，为了获得较好的侧撞性能，车辆的一些侧面结构如车门、 b 柱内外板和加强板、防撞杆、门槛梁、座椅横梁、车顶横梁、后底板横梁等应 具有较好的变形模式以及能够有效传递和分散来自侧面的碰撞力。车门作为一个 综合性的转动部件，它和车身一起组成乘客的周围空间，应当具有足够的刚度和 9 轿车侧同结构耐掩性及安伞性设计优化研究 强度，以满足侧面碰撞时的耐碰撞性能。资料表明【2 4 】，在侧面碰撞中导致死亡 或者人体严重损伤的主要部位依次是头部、胸部、颈部、脊椎、腹部、骨盆和下 肢。车身内饰在碰撞中与乘员直接接触，乘员的损伤程度与内饰件的复杂的相互 作用，决定着乘员的损伤情况。 本文旨在研究：通过优化研究车门重要结构件的防撞杆耐撞性能；通过优化 车门内饰件和b 柱内饰件来降低该款车碰撞过程中对乘员的损伤。 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 在阅读大量文献的基础上，对汽车侧面碰撞研究的背景、意义、侧面碰 撞国内外研究现状及研究方法进行了归类和总结。并简要的分析比较了各国的侧 面碰撞法规。 ( 2 ) 汽车碰撞是一个囊括复杂结构的大位移、大应变、大转动的非线性动态 响应问题，本章介绍了汽车结构耐撞性能的有限元理论、多刚体理论、损伤生物 力学的基本理论。 ( 3 ) 根据法规标准，对该车体结构进行侧面碰撞的计算机仿真，验证了所建 模型的准确性和所采用的虚拟试验方法的有效性；为后续章节的研究提供研究目 标。 ( 4 ) 研究侧面碰撞中轿车车门防撞杆的耐撞性能，针对圆形、帽形、矩形3 种不同截面的车门防撞杆，利用子结构模型分析了每种防撞杆的关键结构参数与 其耐撞性的内在关系，比较研究了提高防撞杆防护性能的方法。基于响应表面法， 针对车门防撞杆截面形状，材料厚度等关键结构参数进行了仿真优化。 ( 5 ) 针对该车进行p s m 子结构建模，在该模型的基础上，利用响应表面模型 技术建立p s m 子结构系统代理模型，并对内饰件参数进行优化，同时利用正交试 验直观分析法研究了内饰件刚度与乘员胸腹损伤参数的关系，最后得到最优的设 计参数。 1 0 硕十学位论文 第2 章汽车碰撞仿真的基础理论 2 1 有限元理论 有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式 相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按照不同的连接方式进行组合，且 单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。它利用每 一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。从而将 无限自由度问题离散为有限自由度问题，得到近似解。汽车碰撞问题是典型的非 线性、大变形和大位移问题，其通常运用显示有限元算法进行仿真分析，本文将 从实际应用的角度介绍有限元中重要的基本理乜7 3 们。 2 1 1 有限元分析基本理论 l s - d y n a 程序的主要算法采用l a g r a n g i a n 描述增量法。如图2 1 所示，取 初始时刻的质点坐标为石。g = 1 ，2 ，3 ) ，在任意时刻幻，该质点的坐标变化 t ( f 一1 ，2 ，3 ) ，那么这个质点的运动方程是： 五= 鼍( 五，f ) z = 1 ，2 ，3 ( 2 1 ) 在t = 0 时，初始条件为： t ( x f ，0 ) t 置 毫( x i ，0 ) = k ( x 。，0 ) ( 2 2 ) 式中，k 为质点的初始速度。 ( 1 ) 动量守恒方程 根据连续介质力学原理，整个运动系统必须保持质量守恒、动量守恒 和能量守恒。系统的动量守恒方程如下： 挈+ p 五；j d 薯 ( 2 3 ) 吼 式中，q ，为c a u c h y 应力；五为单位质量体积力；葛为质点加速度。 ( 2 ) 质量守恒方程 p = ，风 ( 2 4 ) 式中，p 为当前质量密度，风为初始质量密度，j 为密度变化系数。 ( 3 ) 边界条件 在如图2 1 所示的边界条件中： 轿车侧同结构耐掩性及安伞性设计优化研究 7 s l 图2 1 边界条件 a ：面力边界条件 万ft 五o ) ( 2 5 ) 它在s 1 面力边界上，式中靠，( j = 1 ，2 ，3 ) 为现时构形边界s 1 的外法线方向余 弦，互( f = 1 ，2 ，3 ) 为面力载荷。 b ：位移边界条件 置( 置，f ) ；k ) ( 2 6 ) 它在s 2 位移边界上，式中k 1 0 f ) ，f = l 2 ，3 是给定位移函数。 c ：滑动接触面间断处的跳跃条件( 当f = 工f ，接触时沿接触边界s o ) ( 西一啄) ，l f = o ( 2 7 ) 由上述各方程和边界条件得伽辽金法弱形式的平衡方程为： l ( j d 薯一，厂j d 正芦t d y + 正。( 巧一町) 。月，6 而订+ l ，( 厅广霉弘薯谘= o ( 2 8 ) 其中，6 五在s 2 边界上满足位移边界条件。 应用散度定理： l ( 4 ) 。，d y = l 以，6 薯始+ l 。( 嘞+ 一嘞) 尼，6 薯程 ( 2 9 ) 并注意到分部积分： ( 6 葺j ，一咯，j 6 t + 6 而， ( 2 1 0 ) 则式( 2 8 ) 可改写成： 翻| l v p 爻t 6x t 删l v 0q 6x l i d v s yp l t 6x i d v i s t t t 6x t d s iq 。2 u ) 此即虚功原理的变分列式，它表示的物理意义：作用在物体上的外力 和内力的虚功之和为零。 2 1 2 结构耐撞性有限元分析关键技术 2 1 2 1 显示积分算法和时间步长的控制 运动方程为： 硕士学位论文 旅( f ) ；p 一，+ 月 ( 2 1 2 ) 上式( 2 1 2 ) 中，m 为总体质量矩阵；菇( f ) 为总体节点加速度矢量；p 为总 体载荷矢量，由节点载荷、面力、体力等形成；f 为单元应力场的等效节点矢量。 日为总体结构沙漏粘性