车身结构强度与碰撞安全分析技术.ppt

1、车身结构强度与碰撞安全分析技术,安全性法规（NCAP) 有限元方法的理论基础 仿真工具 工程应用实例,内容提要,安全性法规（NCAP),U.S. - FMVSS (Federal Motor Vehicle Safety Standard, ) Canada - CMVSS (Canada Motor Vehicle Safety Standard) Europe - European Regulation (European Economic Commission) Japan - Safety Regulation For Road Vehicles Australia - ADR (Au

2、stralian Design Rule) China CMVDR 294 (China Motor Vehicle Design Regulation,GB),各地区安全法规,汽车安全标准 (NCAP) NCAP 星级评价组织或新车评价体系 ,是轿车（尤指新上市车型）碰撞安全的一种标准。 它是行业性标准，不同于政府强制性法规; 主要有美国US-NCAP、欧洲EURO-NCAP、日本JNCAP、澳大利亚ANCAP等; 这些国家的星级评价，主要以美国星级评价为基础，因而内容基本相同.,NCAP标准与政府法规的区别,安全性法规（NCAP),NCAP（新车评价体系）的试验内容以及与相对应法规的比较,

3、安全性法规（NCAP),Phase One 正常驾驶,Phase Two 发生危险,Phase Three 不可避免,Phase Four 事故发生,Phase Five 事故后处理,主动安全与被动安全,安全性法规（NCAP),安全性法规（NCAP),NCAP(新车评价体系)的实验内容,安全性法规（NCAP),前碰撞试验法规比较,安全性法规（NCAP),欧洲NCAP前碰撞方法,试验前车的准备 若有气囊检查安全气囊一切正常； 放掉油箱中所有的汽油并且发动汽车把油耗干； 在油箱中灌满水，水的质量为满箱油质量的90%； 把前排座椅放在导槽的中间，并且放置两个假人； 测试车的重量：包括燃料，冷却液，润

4、滑油，备用胎，测试设备等。 离合器，刹车板以及加速板的中心点； 方向盘中心点； 测量碰撞前门的距离,安全性法规（NCAP),欧洲NCAP前碰撞方法,测试参数 碰撞前： 车的测试速度：测试点离壁障尽量近，目标速度64km/h(+/-1km/h); 碰撞区域：碰撞区域40(+/-20mm)车的宽度（不包括后视镜）; 试验前门需关闭，但不锁，测试中也不能打开； 碰撞后： 试验后记录下打开门所需的力，打开角度为45度； 记录下假人的位置； 记录下从车里取出假人的方法，要求不须调整椅背即可将假人移出车外； 测取需要记录侵入点的侵入量； 燃料泄漏要小于30g/min；,安全性法规（NCAP),前碰撞评价指

5、标,安全性法规（NCAP),正面碰撞实验评价方法（美国NCAP),安全性法规（NCAP),正面碰撞实验评价方法（欧洲NCAP),安全性法规（NCAP),假人损伤值换算得分,安全性法规（NCAP),侧面碰撞试验法规比较,安全性法规（NCAP),侧面碰撞实验方法（欧洲NCAP）,试验前车的准备 车辆状态是静止； 放掉油箱中所有的汽油并且发动汽车把油耗干； 在油箱中灌满水，水的质量为满箱油质量的90%； 驾驶员座椅放置在导槽的中间位置； 在驾驶员位置放置ES-2假人； 测量车的重量：无负载情况100kg（包括假人及其相关测试设备） 标注出座椅的R点；,安全性法规（NCAP),测试参数 碰撞前： 运动

6、壁障车的测试速度：测试点离碰撞区尽量近，目标速度50km/h(+/-1km/h); 避免运动壁障车与试验车发生二次碰撞； 运动壁障车与试验车的碰撞放置： 目标对齐的位置：运动壁障车的中心线与R点一致（ 25mm） 测试期间车门不能打开； 碰撞后： 试验后记录下打开门所需的力，打开角度为45度； 记录下假人的位置； 记录下从车里取出假人的方法，要求不试用工具能将假人模型移出； 燃料泄漏要小于30g/min；,侧面碰撞实验方法（欧洲NCAP）,安全性法规（NCAP),侧面碰撞评价指标,安全性法规（NCAP),侧面碰撞实验评价方法（美国NCAP),安全性法规（NCAP),侧面碰撞实验评价方法（欧洲N

7、CAP),安全性法规（NCAP),假人损伤值换算得分,安全性法规（NCAP),侧面柱撞试验方法（欧洲NCAP）,安全性法规（NCAP),试验前准备 放掉油箱中所有的汽油并且发动汽车把油耗干； 在油箱中灌满水，水的质量为满箱油质量； 驾驶员座椅放置在导槽的中间位置； 在驾驶员位置放置假人； 测量车的总重量； 碰撞位置：在侧边门的参考线上，过该参考线的横向垂直平面通过假人头部重心位置； 在车的位置上标上标记。,侧面柱撞试验方法（欧洲NCAP）,安全性法规（NCAP),测试参数 碰撞前： 使刚性柱与参考线对齐； 刚性柱：离地高度不低于102mm，需高于车顶100mm，刚性柱的直径为245mm（/-3

8、mm）； 碰撞速度：台车的加速度不能超过1.5m/s2,目标速度29km/h(+/-0.5km/h) 碰撞角度：90度（+/-3度） 碰撞后： 试验后记录下打开门所需的力，打开角度为45度； 记录下假人的位置； 记录下从车里取出假人的方法； 测取侵入点的侵入量；,侧面柱撞试验方法（欧洲NCAP）,安全性法规（NCAP),碰撞综合评价方法（欧洲NCAP),安全性法规（NCAP),美国和欧洲碰撞法规试验方法的差别： 1、移动障碍壁的质量、尺寸及形状不同 2、碰撞形式不同 3、碰撞速度不同 4、碰撞点位置不同 5、乘员损伤评价方法不同,有限元方法基础,适用领域,有限元法几乎适用于所有的工程领域，应用

9、最为广泛的是结构工程、材料科学领域中的应力、应变和位移的分析计算。,在车身结构设计中，主要用于车身结构分析、模态分析、碰撞模拟,有限元方法基础,基本思想,“以直代曲”，以离散体代替连续体,有限元方法基础,有限元方法的基本步骤,1、结构离散化 2、位移模式的选择 3、单元力学特性分析 4、等效节点力计算 5、建立整体结构的平衡方程 6、求解未知节点的位移及单元应力,有限元方法基础,有限元方法的基本步骤,1、结构离散化 把无限变量处理成有限变量的过程称为离散化。有限元法的结构离散化过程，就是将被分析的连续的对象划分成由有限个单元组成的离散体的集合，并在单元上选取一定数量的点作为节点。各个单元体之间

10、仅在节点处相连接。有限单元法的整个分析过程就是针对这种单元集合体进行的。,有限元方法基础,有限元方法的基本步骤,2、位移模式的选择 位移模式是指对单元中各点处位移的分布状况所作的一种假设，即选择一种比较简单的函数用以近似表示单元中各点位移的分量随坐标变化的分布规律。 由于多项式的数学运算比较简单，易于处理，因此通常选用多项式作为位移模式，多项式的项数和阶数通常根据单元的自由度和求解的收敛性要求等来选取。一般情况下，应等于单元的自由度数，同时广义坐标应取为节点位移。,有限元方法基础,有限元方法的基本步骤,3、单元的力学特性分析 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数量、位置等，找出单元节点力与节

11、点位移的关系，并用几何方程和物理方程建立力与位移之间的方程式。即对单元的刚度矩阵和质量矩阵进行分析求解。,有限元方法基础,有限元方法的基本步骤,4、单元受力等效转换 当结构被分离成多个单元后，结构所承受的载荷在单元之间仅通过节点来传递。但实际上，力是从单元的公共边界上传递的，因此必须把作用在单元边界上的面力，以及作用在单元体内的体积力、集中力等按照静力等效的原则，处理成只作用在节点上的力。,有限元方法基础,有限元方法的基本步骤,5、建立整体结构的平衡方程 即结构的整体分析，也就是将单元刚度矩阵合成为整体刚度矩阵，同时，将作用于各节点的载荷合成为整体结构的节点载荷向量。,有限元方法基础,有限元方

12、法的基本步骤,6、求解未知节点的位移及单元应力 在求得单元节点解的基础上，根据单元位移插值函数，求得单元内任一点的位移和应力。,有限元方法基础,有限元法的求解流程,有限元方法基础,双燃料车气瓶支架计算,有限元方法基础,利用CAE技术进行仿真分析的局限性,1、由于材料特性描述与实际材料差异等多方面的原因， 模拟计算结果与实际试验结果存在偏差； 2、金属材料的塑性特性理论尚不完备； 3、材料冷作硬化特性难以掌握； 4、材料的初始内应力不易掌握； 5、材料断裂难以预测。,仿真工具,碰撞仿真分析的进展及发展趋势,碰撞仿真分析的进展及发展趋势,应用领域 1. Plasticity 2. Contact-

13、impact treatment 3. Airbag, seat belt model 4. Barrier model 5. Welding 6. Material failure modes development 7. Joint development 8. Foam material 9. Dummy model,仿真工具,汽车碰撞仿真分析工具,CAD Data,Mesh Generation,Part Assembly,Solver,Post Process,CATIA IDEAS,Hypermesh ANSAFEMB,EasiCrash Hypework FEMB Mode-Ed

14、it Pam-Safe,LS-DYNA RADIOSS Pam-Crash ABAQUS MADYMO MSC-DYTRAN ADINA,Hypermesh FEMB Mod-Anim Pam-Safe Dyna-Post,仿真工具,仿真模型,目前趋势是创建同一个模型用于3个主要的碰撞模拟分析（前碰、侧碰和后碰）； 有限元网格是用自动网格划分工具生成的，并且把各个部件装配起来； 车身大约包括2025平方米的钣金覆盖件；,仿真工具,仿真模型,CAD数据： 数据类型有：CATIA、 UG、 PRO-E、 IGES 等等； 提供厚度信息和材料列表； 几何处理；,仿真工具,仿真模型,仿真工具,结构简化

15、,1、孔类特征,2、筋类特征,仿真模型,基于翻边的网格划分方法： 在汽车结构中，焊点基本上都是分布在翻边上； 焊点数据的提供通常是晚于部件数据； 在翻边上划分网格的方法可以解决这个问题： 这种方法可以在所有的翻边生成相同的网格； 在翻边的宽度方向上有2或3个单元； 这种方法可以让我们在预先不知道焊点位置的时候就开始划分网格；,仿真工具,仿真模型,碰撞区域的网格划分：,仿真工具,碰撞模拟分析中车身上一些重要部件： 车身骨架 保险杠 防撞泡沫 副车架 发动机 变速箱 发动机安装座 仪表板 发动机罩 行李箱盖 车门 翼子板 风窗,仿真模型,仿真工具,创建车身的材料以及车身的单元特性： 材料的参数和部

16、件的厚度由用户提供； LS-DYNA拥有丰富的材料模型库； 不同的材料（钢材，塑料，泡沫，胶，焊点，玻璃等等）选用LS-DYNA中不同的材料模型；(材料方向） 不同的单元类型（壳单元，立体单元，梁单元，弹簧单元等等）选用LS-DYNA中不同的积分方式；,仿真模型,仿真工具,创建质量块单元以配重 质量块单元可以用于代替非结构质量； 质量块单元所在的位置位于所代替部件的质心位置； 质量块代替的部件一般有： 电池 备用胎 内饰件 仪表板上的部件 油箱等等,仿真模型,仿真工具,仿真模型,仿真工具,整车建模的质量分配,障碍物模型： 前碰撞模拟分析用的刚性墙： 物理车试验时法规规定的刚性墙要求： 壁障由钢

17、筋混凝土制成； 壁障前部宽度不小于3m，高度不小于1.5m，厚度应保证其质量不低于70000kg； 壁障前表面应铅垂，其法线应与车辆直线行驶方向成00或300夹角； 壁障表面应覆以2cm厚状态良好的胶合板； 壁障固定在地面上，以限制其位移；,仿真模型,仿真工具,欧洲40偏置前碰撞模拟分析用的障碍物： 物理车试验时法规规定的障碍物要求：,仿真模型,仿真工具,物理车试验时法规规定的障碍物上蜂窝铝特性要求：,仿真模型,仿真工具,欧洲侧碰撞模拟分析用的运动壁障(MDB): 欧洲侧碰撞运动壁障车上蜂窝铝的几何尺寸：,仿真模型,仿真工具,欧洲侧碰撞模拟分析用的运动壁障(MDB): 物理车试验时法规规定的运

18、动壁障车要求： 欧洲侧碰撞运动壁障车整车的几何特性： 总质量为950（/- 20）kg； 运载车的前、后轮距为1500（/10）mm； 运载车的轴距为3000（/10）mm； 重心在纵向中垂面10mm内，距前轴1000（/30）mm，距地面500（/30）mm； 碰撞壁前表面距壁障重心为2000（/30）mm； 在静止状态下，蜂窝铝最底面离地间隙为300（/5）mm；,仿真模型,仿真工具,仿真模型,仿真工具,欧洲侧碰撞模拟分析用的运动壁障有限元模型 材料为*MAT_HONEYCOMB,仿真模型,仿真工具,美国侧碰撞模拟分析用的运动壁障(MDB): 物理车试验时法规规定的运动壁障车要求： 美国侧

19、碰撞运动壁障车整车的几何特性： 总质量为1368（/- 5）kg； 运载车的前、后轮距为1880mm； 运载车的轴距为2590mm； 重心在纵向中垂面左侧7.6mm内，距前轴1123mm，距地面500mm； 在静止状态下，蜂窝铝最底面离地间隙为279mm；,仿真模型,仿真工具,美国侧碰撞模拟分析用的运动壁障有限元模型： 蜂窝铝所用的材料模型为：*MAT_MODIFIED_HONEYCOMB,仿真模型,仿真工具,汽车碰撞仿真的假人模型： VPG中的假人库模型: 6个前碰撞假人 2个侧碰撞假人,可变形50百分位前碰撞假人,刚性50百分位前碰撞假人,欧标侧碰撞假人,美标侧碰撞假人,汽车碰撞仿真的假人

20、模型： VPG假人库中的假人模型的标定: 根据FMVSS法规572规定： 头部跌落试验； 颈部弯曲试验； 颈部拉伸试验； 胸部碰撞试验； 下肢大腿骨碰撞试验； 大腿骨髋关节弯曲试验；,仿真模型,仿真工具,头部跌落试验：,The peak acceleration of VPG simulation result is 239.158g and it meets the FMVSS 572 Regulation (225g to 275g), see the right figure.,仿真模型,仿真工具,仿真模型,仿真工具,颈部弯曲试验： 试验要求：颈部做摆锤运动，在摆锤与蜂窝铝接触瞬间，切向

21、速度为19.9ft/sec（6.1m/s)。弯矩最大值范围：53N*m 80N*m.,The peak moment of VPG simulation result is 112606 N-mm from this simulation and it is slightly higher than requirement (88223 N-mm to 108582 N-mm).,仿真模型,仿真工具,颈部拉伸试验 试验要求：颈部做摆锤运动，在摆锤与蜂窝铝接触瞬间，切向速度为19.9ft/sec（6.1m/s)。弯矩最大值范围：53N*m 80N*m.,The peak moment of VP

22、G simulation result is 89850.7 N-mm from this simulation and it is slightly higher than requirement (-52934 N-mm to -80079Nmm).,仿真模型,仿真工具,胸部碰撞试验：,The peak force of VPG simulation result is 5558.17 N from this simulation and it meets requirement (5165 N to 5900 N).,仿真模型,仿真工具,下肢大腿骨碰撞试验：,The peak force

23、 of VPG simulation result is 5641.72 N from this simulation and it meets requirement (4720 N to 5789 N).,仿真模型,仿真工具,下肢大腿骨髋关节弯曲试验：,The femur torque at 30 deg. rotation from its initial horizontal orientation is 94981 N-mm and this meets the requirement (not more than 95009 N-mm).,仿真模型,仿真工具,假人模型损伤值的测量:

24、 假人模型上的测量点在有限元模型中都已自动设置 HIC值 测点是头部重心，测的量是头部重心的加速度； 颈部的损伤值（Nij，F，M） 测点是颈部的上端点和下端点的铰接点，测的量是铰接的力和弯矩； 胸部损伤值（a，d，VC值） 测点是胸部的加速度计或扭簧，测的量是加速度或扭簧的扭矩； 腹部的损伤值（a） 测点是腹部的加速度计，测的量是加速度； 大腿骨的力（F） 测点是大腿骨上的弹簧单元，测的量是弹簧力；,Half Vehicle Model 6,000 Elements Demo the Frontal Crash Phenomena,前碰撞模拟实例:,仿真模型,仿真工具,仿真模型,仿真工具,前

25、碰撞仿真结果分析,仿真模型,仿真工具,工程应用,汽车碰撞安全进展,汽车安全设计,工程应用,汽车碰撞安全进展,美国前碰撞评估试验,欧洲前碰撞评估试验,侧撞评估试验（欧、澳洲、日）,侧面碰撞评估试验,工程应用,汽车碰撞安全进展,工程应用,汽车碰撞安全进展,车身结构安全设计的基本概念 、吸收分配汽车碰撞能量（结构产生塑性变形） 、降低对乘客的冲击力到可容度以内 、保持乘客一定的生存空间,工程应用,汽车碰撞安全进展,车身结构安全分析 、汽车安全性能评估 、提供提高安全性能的修改方案及费用估算 、给出最佳方案 、提供优化组合及可靠性设计,工程应用,汽车碰撞安全进展,工程应用,汽车碰撞安全进展,中国汽车碰撞安全前景