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中请同济大学工学博士学位论文 中文摘要 汽车被动安全性仿真及综合评价的理论与方法研究 摘要 本论文首先综述了国内外汽车被动安全性及碰撞仿真技术发展状 况。对于应用于汽车碰撞仿真技术的动态显示有限元方法及基本理论进 行了系统的研究，并在此基础上以数值分析的方法对碰撞仿真中参数的 设置对于模拟结果与计算效率的影响进行了对比研究。在实际应用过程 中，为有限元模型的建立与参数的优化提供了参考与依据a 从工程应用的角度出发，对汽车碰撞过程中主要吸能结构的碰撞特 性进行了研究，对于纵梁的分段特性以及截面形状的选取方法进行了研 究：对于纵梁焊点布置的方法进行了理论分析与模拟计算。同时结合我 国的被动安全法规的各项要求，建立了完整的微型客车碰撞分析模型， 并进行了5 0 k m h 的正面碰撞数值模拟。对于整车被动安全性能的提高进 行了相关结构件的优化改进研究，并通过实车碰撞试验验证，检验了模 型的正确性与改进方法的有效性，大大提高了该车的被动安全性能，保 证了与市场的接轨。同时，也为其它新车型的开发和碰撞性能的改进提 供了借鉴。 从理论研究的角度出发，以理想特性安全车身碰撞特性研究为基础， 对于汽车车身碰撞特性的评价方法进行了研究，提出了基于减速度离散 度与减速度峰值偏差为评价标准的整车碰撞性能的评价方法。建立了整 车碰撞性能与乘员头部伤害指标之间的关系。与安全法规中基于乘员保 护为核心的汽车最低限度的被动安全要求不同，以安全车身为核心的车 身碰撞特性评价方法更直接地为安全车身设计优化提供了明确目标与要 求。是安全法规要求的进一步提高，同时也可以作为实车碰撞试验检验 前的评价指标。同时对于汽车碰撞后车门可否正常开启的检验方法进行 了研究并以实车试验检验了该方法的正确性。 本文对于被动安全性仿真计算到被动安全性优化与整车车身结构碰 撞特性的评价研究，形成了一个理论与实际应用相结合的完整的研究体 系，本论文的研究结果对于实际应用与理论研究都将具有重要的参考价 值。 关键词：汽车被动安全性碰撞仿真结构优化评价方法安全车身 汽车碰撞仿真及综合评价的理论与方法研究 申请同济大学工学博士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t l ys u m m a r i z e st h es i t u a t i o na n dp r e v i o u s a c h i e v e m e n to fa u t o m o b i l ep a s s i v es a f e t yp e r f o r m a n c ea n dc r a s h s i m u l a t i o nt e c h n i q u e sh o m ea n da b r o a d s y s t e m a t i cr e s e a r c hi s c a r r i e do u to nt h em e t h o da n db a s i c t h e o r yo fd y n a m i c e x p l i c i t f e a t h e nc o n t r a s ts t u d yo nt h ee f f e c to nt h ec a l c u l a t i o n r e s u l ta n de f 丘c i e n c yo ft h ep a r a m e t e ri nc r a s hs i m u l a t i o ni s d i s c u s s e db yn u m e r i c a lv a l u ea n a l y s i sm e t h o d ，w h i c hs u p p l i e s r e f e r e n c ea n db a s i sf o rf e am o d e l i n ga n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n c r a s h p e r f o r m a n c e o ft h e i m p o r t a n te n e r g y a b s o r b i n g s t r u c t u r ei ss t u d i e d t h es u b s e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es e c t i o n s h a p eo fg i r d e ri sr e s e a r c h e d t h em e t h o do nd i s t r i b u t i o no fw e l d o ng i r d e ri s a n a l y z e dw i t h t h e o r e t i c a n a l y s i sa n dc o m p u t e r s i m u l a t i o n am i n i b u sf i n i t ee l e m e n tm o d e li sb u i l ta n d l o n g i t u d i n a li m p a c ti n50 k m hi ss i m u l a t e dt om a k ei tm e e tt h e e x p e c t a t i o n o ft h ec m v d r 2 9 4 i t g r e a t l yi m p r o v e s t h e c r a s h w o r t h i n e s so ft h em i n i b u st h r o u g ho p t i m i z a t i o no fr e l a t e d s t r u c t u r e ，a n dm a k ei tm e e tt h ei m p a c te x p e r i m e n tr e q u i r e m e n t ， t h er e s u l tv e r i f i e st h ev a l i d i t yo ft h ef em o d e la n dt h ev a l i d i t yo f t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d a tt h es a m et i m e ，i tc a na l s ob e e nu s e d f o r o t h e ra u t o m o b i l en e w p r o d u c td e v e l o p m e n t a n d c r a s h w o r t h i n e s so p t i m i z a t i o n w i t ht h et h e o r e t i cr e s e a r c h ，t h ee v a l u a t i o nm e t h o do ft h e c r a s h w o r t h i n e s sc h a r a c t e r i s t i ci sd i s c u s s e db a s e do nt h ei d e a l p e r f o r m a n c e o ft h e s a f e t ya u t o b o d y i t p u t s f o r w a r dt h e d e c e l e r a t i o nf l u c t u a t ea n dp e a kv a l u ew i n d a g et oe v a l u a t et h e a u t o m o b i l ec r a s hp e r f o r m a n c e s e tu pt h er e l a t i o n s h i po ft h e a u t o b o d yc r a s hp e r f o r m a n c ew i t h t h e p a s s e n g e r h e a di n j u r y c r i t e r i o n b e i n gd i f f e r e n tf r o mt h ed e m a n do ft h es e c u r i t yr u l e ro f l o w ，w h i c hi s f o c u so nt h e p r o t e c t i o no ft h ep a s s e n g e r ，t h e e v a l u a t i o nm e t h o db a s e do na u t o b o d yc r a s hp e r f o r m a n c ec a n p r o v i d et a r g e ta n dr e q u i r e m e n tm o r ed e f i n i t e l yi ns a f e t ya u t o b o d y d e s i g na n do p t i m i z a t i o n t h em e t h o dt e s tw h e t h e rt h ed o o rc a nb e o p e n e dn a t u r a l l yo rn o ti sa l s os t u d i e da n dt h ev a l i d i t yi sv e r i 6 e d b yi m p a c te x p e r i m e n t t h er e s e a r c ho np a s s i v es a f e t y i m p a c ts i m u l a t i o na n dt h e 汽车被动安全仿真及综合评价的理论与方法研究 i i 申请同济大学工学博士学位论文 英文摘要 e v a l u a t i o nm e t h o do fa u t o b o d y i n t e g r a t i o no fs y s t e m a t i ct h e o r y c r a s hp e r f o r m a n c ec o m p o s e sa a n dp r a c t i c a l l ya p p l i c a t i o n t h e r e s u l to ft h i sd i s s e r t a t i o ni si m p o r t a n tt oa p p l i c a t i o na n dr e s e a r c h w o r k k e y w o r d ：a u t o m o b i l e ，p a s s i v e s a f e t y ，i m p a c t ，s i m u l a t i o n , s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ，e v a l u a t i o nm e t h o d ，s a f e t ya u t o b o d y 汽车被动安全仿真及综合评价的理论与方法研究 i i i 申请同济大学工学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1汽车被动安全性及碰撞仿真技术发展综述 汽车的安全性分为主动安全性和被动安全性两方面。汽车的主动安全 性是指汽车防止和难于发生事故的性能，其内涵就是为驾驶员提供一个能 适应人的生理特性的外部条件，以保证驾驶员能很好地完成感知、判断、 操作过程的循环。汽车的被动安全性是指事故发生时汽车本身对司乘人员 及行人等提供安全保护的能力，也就是指汽车的碰撞安全性。 由于汽车安全性问题与汽车的制动性、操纵性能、动力性、平顺性能 等直接或间接相关，因此，在汽车发展的早期，汽车安全性研究与提高汽 车的整车性能的研究交织在一起，主要着眼于改善汽车的主动安全性能， 二战后，随着汽车工业的持续发展，汽车主动安全性能与汽车保有量都有 了明显提高，而汽车事故发生率却空前高涨，引起公众与各国政府的高度 重视，汽车的被动安全性研究逐渐从汽车技术研究的其他领域中分离出来 成为一个独立的分支比】【4 1 。 早先所有对车辆被动安全性研究的兴趣大都集中在车辆内部的防护装 置上。1 9 4 9 年，n a s h 就提出了可以减少汽车碰撞对司乘人员伤害程度的 第一个成果一一座位安全带。随后，安全仪表板、安全门锁、安全气囊等 安全措施被广泛采用。直到2 0 世纪6 0 年代，人们才真正认识到汽车车体 结构的性能在汽车碰撞中的主导地位。但由于汽车碰撞过程涉及多方面的 非线性因素，汽车安全车体结构设计方法并未取得实质性的突破。虽然一 般用途的非线性有限元或有限差分的计算机程序提供了广泛而多样的数 值方法，但是它们在预测整个汽车结构的撞击响应方面还和实验结果有很 大的出入，尚未被证明是完全成功的。只是借助于在具体特殊负荷状况的 模型上引入各种近似，在汽车结构的一些分总成或相似薄壁结构件的撞击 响应方式上有了成功的进展3 m 8 m 9 m o m 7 1 。如t r g r i m m 等人对圆柱性 薄壁结构碰撞特性的研究h 引；h f m a h m o o d 等人对对薄壁纵梁的碰撞分析 以及应用梁单元进行汽车构件碰撞响应的计算机模拟分析等h 町h 引；对于薄 壁结构及汽车分总成结构件的分析研究大大提高了汽车被动安全性研究 的基础内容，但是对于整车碰撞性能的分析与研究却被有太大的实质性进 展，因此，直到六十年代末期，车对障碍物的撞击试验是评价一辆汽车的 耐撞性能的唯一可用方法。 随着计算机技术的提高和数值分析方法的不断完善，为汽车被动安全 性的研究创造了条件，自此以后，借助于计算仿真与实验技术，在汽车被 汽车被动安全仿真及综合评价的理论与方法研究 申请同济大学工学博士学位论文第一章绪论 动安全性研究领域取得了累累硕果。例如：早在1 9 9 3 年，a k p i c k e t t 等人就利用反复数值模拟的方法对客车碰撞性能进行优化改进u 副： l c a s t e j o n 等人对汽车碰撞吸能结构进行设计凹劓；a l b e r t 对碰撞能量最 优分配原则的研究曲 ；m i c h a e ls v a r a t 对汽车追尾碰撞进行的研究等h 引； 到1 9 9 6 年6 月，日本丰田汽车公司就已开发出了满足汽车安全标准部分 要求的安全车身，并己正式安装在s t a r l e t 等轿车上，从而进一步推进了 代表当今世界最高水平的碰撞安全车身的研究进展心。汽车被动安全性的 研究趋向于多元化、深入化发展阶段。 国内在汽车车体结构设计领域的研究，尽管起步较晚，但发展很快。 清华大学于1 9 9 1 年最早建立了台车实验台，开展了汽车被动安全性的试 验研究，已经对北京吉普、上海桑塔纳、神龙富康、一汽红旗以及一汽长 安等累计五十余辆整车进行了碰撞试验，试验类型分为正撞、侧撞和追尾 碰撞试验。同时，还建立了台车模拟碰撞试验台，对座椅、安全带安全气 囊等进行了三百多次试验。随后天津汽研所、东风汽车研究院等机构都先 后建立了正规话的实车碰撞实验场，可以按照安全法规的各项要求对车的 各项性能指标进行验证哺1 。 在计算机仿真研究方面，1 9 9 7 年5 月，裘薪等人就利用汽车碰撞动力 学的分析方法对八十年代生产的某轻型车的纵向碰撞响应进行了研究，实 现了我国在汽车车体结构纵向碰撞安全性研究领域中零的突破。1 9 9 8 年 l o 月，贾宏波等人对红旗轿车车身的纵向碰撞安全性研究，为该轿车安全 性能的进一步提高奠定了新的基础叭。在对数值分析计算方法的研究中， 湖南大学的钟志华教授创立了接触搜寻新的算法一一级域法n 一引：同时， 各科研机构和高等院校的研究人员在汽车被动安全性与碰撞仿真研究领 域都先后开展了全方位的研究n u n ”( 3 l 】【3 钔。 事实上，汽车的碰撞安全性研究是其非常重要的基本属性，已经成为 世界各国汽车工业发展中的关键技术。各国在被动安全性方面的研究已有 了很大的发展，但是远远还没有达到高枕无忧的时候。最近，欧洲专门独 立测试汽车安全性的权威组织e u r on c a p ( 欧洲新车评估计划) 对奔驰 e 2 0 0 、宝马5 2 0 i 、欧宝欧米茄、绅宝9 - 5 、富豪$ 7 0 和丰田佳美等轿车进 行了撞击试验。上述六款车虽然都是著名的名牌轿车，但经过碰撞测试后 研究人员发现，在强烈的冲击之下，不管是号称最安全的绅宝还是最驰名 的奔驰，都或多或少存在危险的缺陷，世界上并不存在一种绝对安全的汽 车。有人以为汽车有坚固的车身结构，有安全气囊，有车门防护杠，有a b s ， 就万无一失，这实际上是很片面的认识。现代汽车只是对以前的汽车相比， 它是安全了，但在物理规律面前，倘以目前的科技水平而言，人类还做不 到十足安全的汽车。尽管现代显式有限元碰撞仿真计算程序的工业效率和 稳定性已达到了相当的水平，但对算法的改善和发展仍大有余地，对于更 汽车被动安全仿真及综合评价的理论与方法研究 申请同济大学工学博士学位论文 第一章绪论 多材料模型、更精确的单元方程式的研究还有待深入。 与发达国家相比，我国对于汽车被动安全性研究还存在一定的差距， 自主开发与研究的能力较弱。针对我国新近颁布的安全法规的要求，从目 前各“微客 企业的环保达标车来看，也仅有长安公司的“长安之星最 早经历了安全问题的考验，进行了被称为国产微车第一撞的碰撞试验。而 大部分其他品牌的“微客 在被动安全法规强制实施的情况下均有可能存 在上市受阻现象。显然，安全标准对各汽车生产厂家提出了严峻的挑战。 我国汽车产品要参与国际竞争，对于汽车的被动安全性能的研究以及碰撞 仿真的研究还远远没有完结凹引。 本文将针对我国颁布的安全法规，对汽车碰撞仿真计算模型的建立方 法进行研究，对微型客车结构耐撞性能进行优化改进并最终通过安全法规 的各项要求；并对车身碰撞性能的评价方法进行研究。 1 2 汽车被动安全性能评价方法概述 对于汽车被动安全性能的评价最直接可靠的方法是通过碰撞试验来实 现的。6 0 年代初，美国、欧洲汽车工业发达国家就着手碰撞试验的研究， 经过3 0 年的努力，建立了各自的碰撞实验法规体系。日本开展实车碰撞 滞后于美国和欧洲l o 年左右，在研究实车碰撞试验的基础上，也逐步建 立了自己的实车碰撞法规和实验方法。1 9 9 9 年1 0 月2 8 日，我国机械局发 布关于正面碰撞乘员保护的设计规则，对汽车碰撞试验进行了具体规 范。安全法规的制定明确提出了汽车被动安全性能所要求达到的各项标 准，它的颁布实施大大促进了汽车被动安全性研究的发展璐7 5 1 。 目前，除了各国相应的汽车碰撞法规以外，关于汽车被动安全性能的 评价没有一套统一的方法。虽然，安全法规从乘员保护的角度提出了整车 被动安全性能的评价方法，但是人们还不能方便地从中推演出进一步的修 改方案来使汽车设计达到最优化。以车身碰撞性能为研究基础，综合考虑 车身结构的安全性能和保护乘员的目的，建立安全车身碰撞性能与乘员伤 害机理之间的关系，通过改变车身结构达到乘员保护的目的，是汽车被动 安全性能评价方法研究的方向。 近年来，对于整车被动安全性能的数值与试验研究有很多，而对于被 动安全性能评价方法的研究却并不多见。1 9 8 7 年，d a v i dc v i a n o 对汽车 侧面碰撞结构能量吸收能力进行研究，初步建立了乘员胸部撞击响应与车 门撞击速度之间的联系，通过胸部的生物力学特性确定了侧面碰撞安全撞 击速度范围油8 l ；1 9 9 0 年，h i r o y u k im a t s u m o t o 等人通过对汽车碰撞变形 汽车被动安全仿真及综合评价的理论与方法研究 申请同济大学工学博士学位论文第一章绪论 特性与仪表板最大变形量对乘员头部与胸部伤害指标的影响的研究，对汽 车碰撞加速度一位移曲线进行了参数化设计，首次将整车碰撞特性与安全 法规人员伤害指表联系起来油7 1 ；随后，p r a t a pa n a i c k 等人对碰撞空间与 h i c 值的影响进行了研究，并在设计中应用有限元分析的方法对h i c 值进 行预测汨引。这些研究成果对于汽车被动安全性能的设计与优化提供了可靠 的依据与参考。 我国安全标准是在别国安全法规参考下制定的，对于汽车被动安全性 能评价方法的研究还是一个崭新的课题，大多数研究还集中在局部结构耐 撞性能的评价和整车理想碰撞性能的研究方面，这些是进行整车碰撞性能 评价的基础。如文献 5 3 中对于结构耐撞性能的评价指标研究；如雷正保 等人对纵向碰撞理想力学特性的研究以及对碰撞控制结构的设计方法的 研究，为整车碰撞性能确定了一个理想设计目标旧引；文献 7 7 提出了综合 考虑乘员伤害指标、结构性能乘员舱的刚性、约束系统性能三方面因素为 评价指标的整车碰撞性能的评价方法等。 安全车身碰撞性能的研究与评价是汽车被动安全性研究的重要课题， 本文将针对我国颁布的安全法规，对汽车碰撞仿真计算模型的建立方法进 行研究，对微型客车结构耐撞性能进行优化改进并最终通过安全法规的各 项要求；并对车身碰撞性能的评价方法进行研究。 1 3 汽车被动安全性仿真及综合评价的 理论与方法研究的意义 1 3 1 汽车被动安全性仿真研究的意义 随着计算技术和实验手段的提高，汽车的被动安全性研究取得了长足 的发展。为了提高汽车的被动安全性能，各汽车生产厂家花费大量的人力 物力进行了大量的研究工作，同时各国政府也先后颁布了各项安全标准从 法规的角度对汽车的被动安全性能进行要求，以减少交通事故造成的损 失。我国在这方面的研究起步较晚，交通安全和汽车结构安全性问题十分 的严重，开展汽车被动安全性方面的研究是缩短与发达国家先进技术之间 差距，改善交通状况的迫在眉睫的事情。同时，考虑到我国目前的经济状 况，大规模进行实车碰撞试验研究是不现实的，我们应该尽可能借鉴国外 一些发达国家经验的同时，多进行汽车被动安全性仿真研究。希望能够在 设计阶段就能通过计算仿真预测改进效果，对还未制造出的产品设计方案 汽车被动安全仿真及综合评价的理论与方法研究 申请同济大学工学博士学位论文第一章绪论 进行安全性评估，提出合理的设计改进方案，从而提高新车型满足极高的 碰撞安全性要求的成功率。 需要指出的是，汽车碰撞分析的建模工作量较大，并且车身结构在碰 撞过程中具有材料非线性和几何非线性等多重非线性，同时由于碰撞接 触、焊点连接等诸多因素的影响，计算机模拟技术不能代替实物实验，甚 至有限元模型的建立中的微小失误常常会导致计算模拟结果的失败。在这 方面，模拟结果本身的可靠性起着决定性的作用。因此，有必要总结建模 与分析经验，提高计算机模拟精确度。 近年来，我国对于汽车碰撞仿真方面的研究有许多，但是针对我国新 颁布的法规的各项要求，结合计算模拟与实验进行整车结构优化改进的研 究却并不多见。尤其对于微型客车这类m 1 类车，前部结构碰撞吸能区域 较短，要通过法规的各项要求，势必给设计人员提出了更高的研究。本文 通过计算模拟与实验研究的结合，可以总结大量的碰撞分析与结构优化的 经验，为汽车安全性设计、优化方案提供系统完整的思路和理论依据，同 时对于各类m l 类车通过我国的安全法规，提供参考，该课题的研究具有 鲜明的现实意义。 1 3 2 安全车身评价方法研究的意义 汽车被动安全性的研究内容主要是在汽车发生碰撞时如何降低乘员伤 害。研究的目的就是让汽车在碰撞过程中能够以预定的方式进行的问题， 也就是如何实现碰撞过程控制的问题。它涉及到汽车构造、转向机构的安 装和选用、座椅、风挡玻璃、安全带、安全气囊及内饰等。但其中最基本 的汽车结构不但决定了汽车的整体变形方式和损伤程度，同时也决定了汽 车碰撞过程中的减速度变化。碰撞系统中的大部分能量，必须由汽车车体 结构承受，大量的统计资料表明，碰撞过程中汽车车体结构的力学特性对 碰撞系统中司乘人员的生命安全具有至关重要的作用。可见，能否使碰撞 过程中的冲击动能在汽车车体结构中得以最优分布，不仅关系到乘员保护 系统的承受能力，而且是影响司乘人员生命安全的第一因素。因此汽车结 构中的耐撞性是汽车具有良好被动安全性的基础。自2 0 世纪8 0 年代后期 以来，随着汽车碰撞动力学的日益成熟，汽车车体结构的研究再度成为人 们研究的焦点。 交通要安全，汽车就必须具备安全的汽车结构，对于碰撞分析来说， 汽车车体结构变形特性是影响汽车安全性能的关键因素。而安全结构的研 制，又岂能脱离与之相应的评定标准? 人们对被动安全性取得的一系列成 果中，最核心的成果就是制定并逐步完善了汽车车身及附件的安全评定标 准。正是在这些评定标准的指引下，以保护车内乘员为主要目的的车身设 汽车被动安全仿真及综合评价的理论与方法研究 申请同济大学工学博士学位论文 第一章绪论 计技术才得以突飞猛进。事实上每一次评定标准的重大变化突破都必将给 汽车技术水平带来新的飞跃。 而在我国，汽车工业是我国的支柱产业，按规划，到2 0 1 0 年，汽车生 产能力要达到6 0 0 万辆，产品开发要具备自主开发新车型的能力，产品和 制造技术水平要达到当代国际水平。因此，那种不实施某些安全标准的做 法必定是暂时的，而强制实施之则是必然的。由于我国汽车工业起步较晚， 对汽车安全结构这一新生事物的研究才刚刚起步，有待解决的问题还很 多，就拿车身安全性评定标准来说，尽管早在1 9 8 9 年就已经出台了与国 标标准接轨的有关标准，但却一直没有付诸实施，更谈不上更深层次研究 了。事实上安全标准只是对汽车安全技术水平提出的最低要求，满足安全 标准的汽车，其安全水平未必达到最优状况，更不能达到人们对汽车安全 性能的心理期望水平。其实，安全标准只给出了人体安全状况的允许值， 都是直接针对乘坐室内司乘人员安全保护的。并未指明提高汽车安全性水 平的具体方法与措施。事实上，人们在乘员保护系统领域的研究已经取得 了惊人的成就，保护措施与技术不断完善。然而，与汽车车体结构相比， 它只能也只允许吸收汽车碰撞系统中极少部分的能量。因此，要真正提高 汽车的碰撞安全性，还必须从分析导致车内人员伤亡的根本原因出发，即 汽车本身具有的碰撞响应及对司乘人员的保护能力出发进行研究。因此， 对于汽车安全性评价方法的研究就具有特殊重大的意义。基于车体结构与 附件碰撞性能进行的汽车结构被动安全性的研究与安全性评价方法的研 究是必要的，也必将成为我国汽车技术发展的一个重要内容岱m 铂口引。 1 4 本文研究的基本内容 本文主要从以下几个方面对汽车被动安全仿真及综合评价研究进行了 较系统的研究工作： l 、本文对车辆碰撞分析的基本理论进行了比较系统的论述，具体研究 了具有代表性的动态显示积分算法、板壳单元理论、结构大变形过 程中的接触与摩擦边界条件处理、材料本构关系等基本理论，是进 行碰撞仿真计算与研究的理论基础与前提条件。对汽车碰撞分析中 有限元模型建立时主要参数的选取方法以及对分析结果的影响做 出系统的研究，为有限元模型的建立和优化提供理论依据。 2 、对车身纵梁、发动机盖板、转向轴支架等典型结构的碰撞性能进行 了研究，对微型客车主要西能结构进行了优化改进，为结构件的耐 撞性研究与设计提供一定的参考经验与理论依据；同时引入焊点失 汽车被动安全仿真及综合评价的理论与方法研究 申请同济大学工学博士学位论文第一章绪论 效模型，对焊点间距与焊点布置方式进行了理论分析与计算机仿真 计算，提出了汽车纵梁的焊点质量、焊点分布方式对提高整车耐撞 性的重大作用。为汽车焊接工艺与方法提供参考与指导。 3 、建立了微型客车碰撞仿真有限元计算模型，进行碰撞仿真计算，并 对微型客车进行了碰撞试验研究，为整车数值模拟提供模型校核与 修正的依据，并积累了相关的经验。同时为整车结构耐撞性能优化 改进研究及安全车身评价方法的建立提供试验数据与依据。 4 、对汽车理想碰撞特性进行理论分析与研究，以理想加速度曲线为依 据，建立了新的安全车身结构碰撞特性评价方法。对车身结构碰撞 特性与乘员头部h i c 值的关系进行研究，建立了安全车身碰撞性能 与乘员伤害指标之间的联系。并对微型客车改进前后的车身结构碰 撞特性进行研究计算，对安全车身结构碰撞特性评价方法进行检 验。 本文研究结果将对汽车模拟、设计安全性综合评价体系的建立打下良 好的理论基础；对中国汽车被动安全性的研究起到一定的推动作用。 1 5 本章小结 本章介绍了国内外汽车被动安全性研究及汽车碰撞仿真技术的发展状 况，着重阐述了安全车身研究的发展；论述了汽车被动安全性仿真及综合 评价的理论与方法研究的意义，介绍了进行研究的主要内容。明确指出了 基于车身结构安全性评价方法是超越法规，对于汽车被动安全性能提出的 更高的、更具指导意义的要求，是我国汽车技术研究发展的一个重要内容。 汽车被动安全仿真及综合评价的理论与方法研究 申请同济大学工学博士学位论文第二章汽车碰撞仿真理论与参数设置研究 第二章汽车碰撞仿真理论与参数设置研究 汽车碰撞是一个动态的大位移和大变形的过程，接触和高速冲击载 荷影响着碰撞全过程，系统具有几何非线性和材料非线性等多重非线性。 当碰撞发生时，结构的变形和应力将以波的形式迅速传播到整个结构， 在非常短的时间内，结构将会产生复杂的动力响应及大变形，部分结构 将由弹性状态进入塑性状态。结构在碰撞过程中会产生大位移、大转动， 位移与应变之间不再是线性关系；动态接触是碰撞的典型特征，由于接 触边界事先未知，且随着碰撞的进行，两接触结构间的接触边界随时在 变化，对结构撞击数值分析的每一步都要判断结构与结构之间的接触状 态。因而结构碰撞过程是一种不仅有几何非线性、材料非线性，而且还 有接触非线性综合在一起的强非线性问题。上述系统的模拟计算需要采 用动态大变形非线性有限元方法进行研究，8 0 年代中期，动态显示有限 元方法在碰撞仿真计算中的广泛应用使得通过仿真计算来较精确地描述 碰撞过程成为可能，它是进行计算机碰撞仿真的理论基础。 但是由于计算机仿真方法中计算模型的建立需要进行大量的参数设 置，这些参数的设置范围本身存在着很多的局限性，同时，参数设置的 准确度也直接影响着模拟计算的结果。因此，计算仿真还不可以完全脱 离试验或完全代替试验。要使计算结果与实际相符，使碰撞仿真结果能 够达到预测碰撞性能的目的，就必须对求解汽车碰撞问题的动态显示有 限元理论方法及影响模拟结果的诸多因素的参数设置方法进行研究。 2 1 砂漏控制研究 汽车碰撞计算机数值仿真过程中，常常会遇到零能量模式的出现， 称之为砂漏现象。由于砂漏模态与真实的变形模式是正交的，所以砂漏 变形在能量计算中被完全忽略。砂漏模态的周期比结构响应的周期要小 得多，他给结构动态分析带来严重的影响，使计算结果严重失真，因此， 需要加以控制。 2 1 1 板壳单元砂漏能的产生 对于一个单自由度的4 节点单元，如图2 1 ： 汽车碰撞仿真及综合评价的理论与方法研究 8 - 申请同济大学工学博士学位论文第二章汽车碰撞仿真理论与参数设置研究 n l n 3 图2 1 具有单自由度的四节点单元 它的变形模式是一 廿2 目 基向量是在每一个节点的单位位移模式见图2 2 ： 1l 图2 2 基向量的含义 ( 2 1 1 ) 4 节点单元内的任意点的基矢量及运动模态如图2 3 所示。其中，g l 反映单元的刚体平移运动：9 2 反映单元的拉、压变形；9 4 反映单元的剪 切变形；而9 3 反映了一种非真实的单元变形模态，也就是砂漏模态。 g l 】= 衄试b o d y t r a n 蚰a d o n 哑，= 最)；褂 b q 埘蓉8 5 sm o d e 曲e 盯m o d e 图2 3 壳单元内任意点运动基矢量与模态图 由砂漏模态图可知，单元虽然发生变形，但是通过单元形心平行于 x 一轴的单元直线长度并未改变。当在单元形心处进行单点积分时，可以 汽车碰撞仿真及综合评价的理论与方法研究 量 “ 句 一 剿m 四 分 叶 + 哑 ：口 田。 申请同济大学工学博士学位论文第二章汽车碰撞仿真理论与参数设置研究 得到： 邓廿。 ( 2 1 2 ) 也就是说，砂漏模式在使用单点积分时没有应变，因此，也就没有 任何应力和内力对砂漏变形进行约束，砂漏变形将会无限增长，使得单 元的变形呈现无序振荡。在单元应变能的计算中，9 1 反映单元的平移运 动，对能量的计算没有影响：而砂漏变形模态在能量的计算中被丢失， 砂漏吸收用于抵抗变形的能量在总的能量平衡中被忽略，因此，砂漏模 式的存在，使得系统的总能量和内能减少，结构整体刚度变小，严重影 1， 一， 响计算仿真结果u 小1 。 2 1 2 砂漏控制原理 最早的砂漏控制的尝试出现在l d a e n c h e n 和s a c h 的有限差分文献中 他们通过加入人工粘性限制单元对边相反方向的旋转来抑制砂漏模态。 对于矩形单元通过把速度投影到砂漏基向量上来获得砂漏分量。 曲) = ( 函) k ，) ) g 。) = ( ( “) k 即 至i=e据。 铭2铭3 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 如果速度的投影已经进入砂漏模式，可以通过附加节点力来控制砂漏， 卧 f q l i 驰 吼 i9 3 i l q 4 ( 2 1 5 ) 附加节点力可以防止砂漏速度无限制地增加，上式( 2 1 5 ) 中： g 是用户定义的砂漏控制系数 k 是板壳单元的刚度 板壳单元的砂漏控制类型有两种：粘性阻尼与刚度阻尼。砂漏控 汽车碰撞仿真及综合评价的理论与方法研究 申请同济大学工学博士学位论文第二章汽车碰撞仿真理论与参数设置研究 制方程式决定于单元弹塑性变形的模式和单元的刚度。对于发生塑性变 形的板壳单元由于在材料截面上不断采用默认的砂漏系数，这将导致结 构刚度的增加。采用粘性砂漏控制时，附加节点力与产生砂漏应变的砂 漏速度成正比，不受单元刚度的累积效应的影响，可以避免结构的过刚 度问题。一般在程序中粘性阻尼系数是精心调好的，能够抑制砂漏模态 而不影响其它模态。一般情况下，粘性阻尼已经足够。采用刚度阻尼系 数控制砂漏比采用粘性阻尼控制更有效，但很可能使单元的刚度过于刚 硬而影响计算精确度。因此，建议一般情况下采用粘性阻尼砂漏控制， 系数设置取程序默认值：粘性砂漏控制系数为o 1 ，采用刚度砂漏控制 系数为0 0 1 。 在对砂漏进行控制的同时，影响砂漏能大小的其他因素也必须考虑。 一般认为当砂漏能内能 c p u 计算时间与下列因素成正比： 令单元数目 夺终止时间 时间步长的倒数 其中，终止时间是在计算之前就已经设定好的，所要求解的时间历 程。对于典型的碰撞分析，一般取终止时间为l o o m s 。而单元的尺寸大 小决定着单元的数目与时间步长的大小： 网格的尺寸与时间步长成正比； 对于平面单元而言，单元尺寸与单元数目的平方成反比 由此可见：在终止时间一定的情况下，单元的尺寸大小直接决定着 c p u 计算时间。因此，在进行有限元网格划分之前可对单元尺寸大小 不同的计算模型所用c p u 计算时间进行估算，估算公式为： 乏五= ( 1 t 乞) 3 ( 2 2 1 ) 汽车碰撞仿真及综合评价的理论与方法研究 申请同济大学工学博士学位论文第二章汽车碰撞仿真理论与参数设置研究 其中：丁为c p u 计算时间 对于具体的碰撞仿真计算而言，它所占用的c p u 计算时间可用公式 进行计算： c ，- - z c f ( 2 2 2 ) 甲 = 警 2 3 ) ， a t = t e l e m e n t( 2 2 4 ) c 其中：死为单位循环所用的c p u 时间； 腿h 。单元个数； 。伽循环次数； r t , r m i n 口f f d 以为终止时间； c 为冲击波在材料中传播的速度。 如果c p u 计算时间不可接受，可以通过改变单元尺寸的办法来改变 c p u 计算时间的长短。 2 2 3 单元对计算精确度的影响研究 单元的大小和质量对计算的精确度有着很大的影响。在有限元网格 划分好后，必须对单元质量进行检验，单元形状必须满足以下规则： 最大偏角小于1 0 0 ； 夺最大长宽比小于4 ； 令四边形单元内角必须大于或等于4 0 0 而小于或等于1 4 0 0 ； 夺三角形单元内角必须大于或等于3 0 0 而小于或等于1 0 0 0 。 同时，单元尺寸的大小对砂漏的影响也很大，网格越细密，砂漏能 与内能的比值越小，可用公式模拟表述为： 厶元= 1 7 厶 ( 2 2 5 ) 其中：旯为砂漏能与内能的比值 z为单元长度 2 2 4 仿真分析对2 2 2 ，2 2 3 中结论的检验 本文对有限元网格分别为5 m m 、1 0 m m 、1 5 m m 、2 0 m m 的帽形薄壁梁进 行碰撞分析，薄壁梁截面形状为1 0 0 m m 正方形，长3 4 0 m m 。终止时间为 汽车碰撞仿真及综合评价的理论与方法研究 申请同济大学工学博士学位论文第二章汽车碰撞仿真理论与参数设置研究 6 0 s 。以单元网格大小为l o * i o 薄壁粱为例计算结果文件如图24 ，根 据结果文件，计算碰撞仿真c p u 时间如下： 文件证) 编辑( e ) 挫囊o 摊聩鬻整睁，； n ormalterminatlon 嘏脒耀嚣；裟鬣i 。1 6 。 ”8 ”3 苫击埽嚣龄器西。0 i n i t l a l l z a t l o np h a s e5 9 0 8 e - 0 130 0 4 e - 0 200 6 l n t e r n a lf o r c e s70 6 1e + 0 236 0 5 e - 0 1 6 80 2 t m e i n t e g rf r a m e u p d13 0 0 e + 0 250 0 7 e 0 1 1 25 6 i ot ot a p e s24 5 93 5 3 e + 0 079 1 0 e 4 - 0 015 8 c o n t a c ta l g o r l t h m19 1 6 e + 0 236 0 5 e - 0 11 5 5 9 d 临p l c t a n d v e l o c i t rb c9 0 1 3 e - 0 1 40 0 6 e 0 200 9 n o d a l c s t rr br w2 1 7 3 e + 0 115 0 2 e 0 1 2 1 1 t o t a l s10 3 0 e + 0 98 4 5 2 e + o o1 0 00 0 ；糯器脞m l a ep 3 e dt 1 0 6 0 e 9 + 0 7 3 1 9 e 0 1 n o r m a lt e r m i n a t i o n ，e x i t om e s s a g e 图2 4 网格l o * l o m m 薄壁粱碰撞结果文件 t c p u = z c ne t 。n 。b = l34 9 * 1 6 3 2 * 4 6 7 9 7 = l0 3 0 e + 0 6 ( u s ) = 10 3 0 e + 0 3 ( 0( 226 ) 单元类型 5 m ml o m m1 5 m m2 0 m m 砂漏能内能( 劝 25 44 68 2 0 起始时间步长( 0 08 6 3 e 一1 001 7 2 6 e 一0 902 4 6 6 e - 0 9 03 4 5 2 6 0 5 单元个数 6 5 2 81 6 3 27 3 64 0 8 循环次数 9 6 1 2 04 6 7 9 73 2 4 1 92 6 9 0 3 单位循环时间( u s ) 1 3 3 41 34 91 3 4 ll l5 4 c p u 计算时间( s ) 8 3 7 3 e + 0 31 0 3 0 e + 0 33 2 0 0 e + 0 2l2 6 7 l e + 0 2 实际计算时间( 曲 8 6 1 3 e + 0 310 6 0 e 一- 0 333 7 0 e + 0 2l4 0 0 e + 0 2 表2 1 网格划分对计算结果与计算效率的影响 汽乍碰撞仿真及综台评价的理论与方法研究 申请同济大学工学博士学位论文第二章汽车碰撞仿真理论与参数设置研究 不同网格尺寸薄壁粱计算结果如表2l ，由表可知：砂漏能与内能的 比值随着单元尺寸的增加而成比例增加，当网格大小为2 0 m m 时，砂漏能 内能 1 0 ，砂漏现象已较严重。如图2 5 所示，单元尺寸为5 m m 的薄壁 梁变形后，结构变形平滑过度，单元连续变化计算结果较真实。单元 尺寸为2 0 m m 的薄壁粱在碰撞后出现单元锯齿状变形和结构的穿透现象， 是严重砂漏变形的表现，因此，单元尺寸过大，砂漏现象严重，必须进 行网格细化。 同时从结果表中可以看出，当单元的尺寸减少一倍时，计算时间将 增加将近8 倍，也就是说单元细化虽有利于提高计算的精度但耗时量会 大大降低计算效力。因此，可以根据上述两个模拟计算公式，在进行网 格划分时兼顾计算效率与计算模型准确度的两方面的效果。 螽量 单元尺寸2 0 * 2 0单元尺寸5 5 图2 5 单元尺寸不同薄壁梁变形对比图 根据参考文献 1 0 的研究，对于方形薄壁粱的折叠半径可估计为： ，= 0 7 2 c 1 3 t 2 7 3 ( 227 ) 其中：c 为截面宽； t 为板厚 对于方形薄壁粱的单元尺寸： ， + 图2 2 l 方梁有限元模型 以闭口方梁为例，对 质量放大法的具体应用 进行研究。方梁有限元模 型如图2 2 l 所示，单元 尺寸为l o m m ，其中有个 别单元尺寸为5 m m 。根据 方梁单元尺寸进行时间 步长的检验结果如图 2 2 2 。由图可知：大部分 单元的临界时间步长为1 6 5 9 e - 0 0 6 ，个别尺寸为5 m m 的单元的临界时间 步长为7 8 5 l e - 0 0 7 ，计算过程中的积分时间步长决定于所有单元中临界 时间步长最小者，即7 8 5 l e - 0 0 7 。应用质量放大法，对方梁中1 2 个临 界时间步长范围为7 8 5 1 e - 0 0 7 到8 8 2 1e - 0 0 7 之间的单元通过增加材料 密度的方法增加该单元时间步长，时间步长的范围增加至1 5 7 0 e 一0 0 6 到1