汽车防撞梁碰撞问题的数值模拟分析

本科生毕业设计〔论文〕汽车防撞梁碰撞问题的数值模拟分析汽车防撞梁碰撞问题的数值模拟分析题目:___________________________________姓名：___________学号：_______________班级：__________________________________中国矿业大学本科生毕业论文姓名：学号：学院：力学与建筑工程学院专业：工论文题目：汽车防撞梁碰撞问题的数值模拟分析指导教师：职称：讲师二○一三年六月徐州中国矿业大学毕业论文任务书学院力学与建筑工程学院专业年级学生姓名任务下达日期：2013年1月7日毕业论文日期：2013年2月25日至2013年6月16日毕业论文题目：汽车防撞梁碰撞问题的数值模拟分析毕业论文专题题目：毕业论文主要内容和要求：通过图书馆及网络查阅和整理汽车防撞梁分析相关文献资料，了解国能外研究现状及研究方法。根据查阅的文献内容，建立符合实际的汽车防撞梁模型。掌握ANSYS/LS-DYNA软件的使用，并对建立的模型进行合理网格划分、材料设定及加载。考虑不同设计方案下防撞梁的防冲击特性，比拟各个参数变化对碰撞的影响，得出相关规律。根据对防撞梁壁厚、截面形状等参数的分析，制定优化方案，按照中国新车评价规程〔C-NCAP〕的要求，进行分析，得出相关结论。翻译1篇与课题相关的近三年内发表的英文文献，字数3000左右。院长签字：指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语〔①根底理论及根本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意辩论等〕：成绩：指导教师签字：年月日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语〔①选题的意义；②根底理论及根本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的标准程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意辩论等〕：成绩：评阅教师签字：年月日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语〔①选题的意义；②根底理论及根本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的标准程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意辩论等〕：成绩：评阅教师签字：年月日中国矿业大学毕业设计辩论及综合成绩答辩情况提出问题回答问题辩论委员会评语及建议成绩：辩论委员会主任签字：年月日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人：年月日摘要汽车防撞梁是发生碰撞时起到主要缓冲作用的构件。主要由防撞横梁和低速吸能盒两个局部构成，影响缓冲效果的因素有：吸能盒和防撞梁的截面、厚度、截面大小、长度等。通过调整上述这些参数可以得到缓冲性能最好的防撞梁结构。本文使用数值模拟的方法，分别对防撞梁和低速吸能盒的参数取不同值进行正面的碰撞模拟，提取最终的加速度变化曲线和能量变化曲线进行比照。加速度相对小而吸收能量相对多的组合即为最优组合。由于整个过程中可变的参数很多，不可能将所有的组合都进行分析。所以首先进行单个参数的变化分析，从单个参数变化中得出规律，然后根据规律组合出相对较优的防撞梁结构并进行验证。通过上述的分析过程中最终得到研究结果大致为，低速吸能盒主要是通过薄壁梁的轴向溃缩吸能。防撞梁是通过材料发生失稳弯曲后的塑性变形来吸收能量。防撞梁和吸能盒的各个参数之间存在着耦合现象。通过单独参数变化来寻找规律，然后再根据规律进行组合参数的方法，能够较为高效准确的得出整体优化结果。关键字：防撞梁；汽车碰撞；数值模拟；优化；ABSTRACTVehiclecrashbeamisacollisionplayamajorroleincushioningmember.Mainlybylow-speedanticollisionbeamsandenergy-absorbingboxesoftwoparts,theimpactcushioningeffectoffactors:energyabsorptioncrosssectionofboxandbumperbeams,thickness,cross-sectionalsize,lengthandsoon.Byadjustingtheseparameterscangetthebestperformancecushioninganticollisionbeamstructure.Thisarticleusesthenumericalsimulationmethod,respectively,lowenergyabsorbingboxandanticollisionbeamparametersfordifferentvalues​​ofthefrontcrashsimulationtoextractthefinalaccelerationcurveandtheenergycurveforcomparison.Accelerationisrelativelysmallandrelativelylargenumberofcombinationsofabsorbedenergyistheoptimalcombination.Sincethewholeprocessalotofvariableparameters,itisimpossibletoanalyzeallcombinations.Sofirstofallbeasingleparameterchangeanalysis,derivedfromasingleparameterchangelaws,andlawsofcombinationofarelativelybetterundertheanticollisionbeamandverified.Throughtheaboveanalysisprocessisroughlythefinalresultsofthisstudy,lowenergyabsorbingboxismainlythroughthethin-walledboxbeamaxialenergyabsorbingcrumple.anticollisionbeaminstabilityoccursthroughthematerialafterbendingdeformationtoabsorbenergy.Energyabsorbinganticollisionbeamsandboxcouplingexistsbetweenthevariousparametersphenomenon.Throughseparateparameterstofindthelaw,thenunderthelawofcombinedparametersapproachcanbemoreefficientandaccurateresultsoveralloptimizationresults.Keywords:anticollisionbeam;VehicleCrash;numericalsimulation;optimization;目录第一章 绪论 图6.图6.SEQ图6.\*ARABIC6初始变形时的mises应力云图其次从mises应力云图中可以看出，在碰撞刚刚开始发生时，防撞梁是整体受力，并已经将力传递到了缓冲盒。而车架上并未出现大的应力，说明已经起到了缓冲吸能的作用。小结本章通过分析上一章的数据，验证了防撞梁的各个参数是相互影响共同作用的。并非是单独存在，所以当单个情况下最优的情况组合起来时，并没有让整体的结果到达最优效果。其次是通过各个参数对防撞梁影响因素的不同，例如缓冲盒的溃缩力、缓冲盒的稳定性、防撞梁的稳定性等因素，都是由几个参数共同影响的。并且利用第五章中已经计算的各个参数对整体的影响因素的强烈程度组合出一组防撞梁参数，利用该组数据进行模拟，取得数据，发现在该种组合的防撞梁加速度峰值为177.14m/s2。比在碰撞试验中的所用模拟的加速度降低了54%，由此可见优化的效果十分显著。总吸能也得到了相对提升，不过提升量不多，仅仅提升5%左右。不过，吸收的总能量已经到达了总能量的89.38%，可见吸收的能量已经接近了该种防撞梁的极限，无论再如何改变参数也难以再提升更多吸收的能量。结论和展望结论本文通过对汽车防撞梁的整个碰撞过程使用LS-DYNA进行数值模拟，并对数据进行比照分析得出以下结论。通过对整体的正面100%重叠刚性碰撞和正面40%重叠刚性碰撞做模拟得出，碰撞过程中会出现两次加速度峰值，一次是在刚刚发生碰撞时缓冲盒需要较大的撞击力才能使其开始溃缩变形。第二次是当整个缓冲盒和防撞梁都被压实，无法再发生溃缩时会产生加速度峰值。通过改变防撞梁和缓冲盒的参数降低这两次加速度是提高防撞梁性能的合理方法。防撞梁的宽度方向的材料主要的吸能方式是材料的失稳变形吸能。并且防撞梁的宽度主要影响其失稳的力的大小。宽度越宽失稳所需要的临界力越小。在低速情况下，缓冲盒的截面面积主要影响其稳定性，对减小加速度和吸收能量并无显著影响。在低速碰撞中，增加缓冲盒的长度在未发生整体失稳的情况下有利于减小加速度和吸收能量。本次研究中，缓冲盒的厚度对防撞梁的性能影响十分剧烈。厚度越厚缓冲盒的承载能力越大，越不容易发生溃缩变形。缓冲盒过薄在变形中会快速失稳，不利于降低加速度。在碰撞速度较小时，防撞梁的厚度对整体防撞梁结构的吸能和减小加速度方面都影响较小，但对防撞梁横向面的失稳变形有一定影响。在低速碰撞中，防撞梁截面中参加横向面，对结构的缓冲效果较好。参加纵向面对整体的加速度减小和吸收能量影响很小。在速度为5m/s时缓冲盒截面中胞体数目越多，缓冲盒的承载能力越强，即越难发生溃缩变形，并且缓冲盒的结构稳定性会增强。使用六边形单元要比使用四边形单元更加的稳定，能更多的吸收能量和降低加速度。上述几个因素中，防撞梁的宽度、防撞梁的厚度、防撞梁的截面形式共同影响防撞梁的失稳变形时的临界力。缓冲盒的厚度、截面形式共同影响缓冲盒的承载能力。缓冲盒的截面形式、长度、截面面积共同影响缓冲盒的变形稳定性。防撞梁和缓冲盒的各个参数之间存在耦合现象。单独的将单个参数的最优结果组合起来不一定是最优的结果。根据本文中所使用的参数规律，最终得出的较为优良的防撞梁结构的参数为：防撞梁宽度0.005m；缓冲盒六边形截面的边长0.05m；缓冲盒长度为0.11m；缓冲盒厚度为0.001；防撞梁厚度为0.0025；防撞梁截面中参加一个横向面；缓冲盒截面采用六边形六胞的形式。得出了多参数优化时较为简便实用的方法：通过对单个参数的手动优化，寻找该参数对整个防撞梁性能的影响。然后根据参数间的变化规律和相互影响的主要因素，组合出防撞梁的相对较优良的参数结果。再通过数值模拟进行验证观察性能的提升。展望本文中的计算为了能够较少计算时间，只取了简单的车架和防撞梁缓冲盒结构进行了计算，并且忽略了各个结构之间的焊接的因素。希望在能在今后计算设备较为先进的情况下考虑更多的因素进行分析，得出更为符合实际的计算结果。防撞梁还有很多需要优化的参数，例如防撞梁的拱曲线，更多的截面形式，在防撞梁和缓冲盒之间参加泡沫缓冲材料，以及更多的选取防撞梁的材料进行分析。希望以后能更多的考虑进去。本次的优化采用的是手动优化，参数未能取遍所有情况，希望下次能够使用软件优化尽可能多的取遍所有的情况。参考文献顾翔华.我国汽车产业现状及开展趋势[J].中国橡胶,2009,23:4-6.许伟.车辆碰撞事故中头部生物力学响应和损伤机理分析[D].湖南大学,2008.费雪良,胡江碧,刘小明.我国道路交通事故统计指标体系问题探讨[J].公路,2006,07:125-127.唐明福.主被动结合汽车碰撞缓冲吸能装置控制系统研究[D].湖南大学,2010.祝珂.汽车平安性研究与分析[J].汽车与平安,2011,05:57-59.袁庆强,赵春明,周荣.解析中美汽车平安法规和人体伤害的差异[J].北京汽车,2007,05:8-11.李怀彬.国内外汽车碰撞标准面面观[J].汽车工业研究,2006,01:43-46.吴鹏.国内外汽车碰撞标准比照研究分析[J].中国西部科技,2010,36:15-16+8.彭岳华,高卫民.NCAP现状及其相关技术开展综述[J].上海汽车,2007,03:41-44.李绍磊.NCAP及其在中国[J].汽车工程师,2011,09:13-14.侯淑娟.薄壁构件的抗撞性优化设计[D].湖南大学,2007.Tso-LiangTeng,Van-LucNgo,Trong-HaiNguyen.Designofpedestrianfriendlyvehiclebumper.JournalofMechanicalScienceandTechnology.Volume24,Issue10,p2067-2073Dong-KyouPark,Chang-DooJang.Astudyonthedevelopmentofequivalentbeamanalysismodelonpedestrianprotectionbumperimpact.JournalofMechanicalScienceandTechnology.Volume25,Issue9,p2401-2411.张静,张三川,毛杰.不同板厚后防撞梁低速碰撞仿真分析[J].中原工学院学报,2011,02:47-50.黄春曼,李慧敏.车辆碰撞及吸能材料结构研究进展综述[J].装备制造技术,2012,01:112-114巫祖烈,徐秀霞,刘亮,李世亚,周兵.防撞吸能材料金属泡沫铝压缩及吸能性能试验研究[J].交通科技,2008,04:74-77.夏铭,米林,万鑫铭,魏显坤.基于低速碰撞试验的吸能支架拓扑优化设计[J].重庆理工大学学报(自然科学),2012,10:11-15.万鑫铭,徐小飞,徐中明,李阳,赵清江.汽车用铝合金吸能盒结构优化设计[J].汽车工程学报,2013,01:15-21.曲明,柳艳杰,夏春艳,李晓阳.吸能盒在低速撞击情况下的仿真与分析[J].应用科技,2008,08:59-64.CheonSeokCha,JaeOhChung,JaeWoungPark.CollapseAnalysisofSpotWeldedThinSectionMembersinaVehicleBodyStructureatVariousImpactVelocities.KSMEInternationalJournal.Volume17,Issue4,p501-510AvinashSJoshi,LaxmikantMGupta.Asimulationstudyonquantifyingdamageinbridgepierssubjectedtovehiclecollisions.InternationalJournalofAdvancedStructuralEngineering(IJASE)

.4:8刘鸿文.材料力第四版.高等教育出版社〔M〕.2004.哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学第七版〔ΙΙ〕(M)高等教育出版社.2009.余同希.利用金属塑性变形原理的碰撞能量吸收装置[J].力学进展,1986,01:28-39.罗昌杰,刘荣强,邓宗全,李萌,沈进进.薄壁金属管塑性变形缓冲器吸能特性的试验研究[J].振动与冲击,2010,04:101-106+234.胡玉梅.汽车正面碰撞设计分析技术及应用研究[D].重庆大学,2002.徐文岷.汽车碰撞过程的有限元数值模拟[D].哈尔滨工程大学,2007.张志勇.基于ANSYS/LS-DYNA的车辆后防护装置碰撞仿真与优化设计[D].西华大学,2010.ANSYSHELPDOCUMENTATION侯淑娟.薄壁构件的抗撞性优化设计[D].湖南大学,2007.侯永康.基于LS-DYNA的电动汽车正面碰撞仿真研究[D].合肥工业大学,2012.GyuHaKim,KyuZongCho,InBumChyun.DynamicStressAnalysisofVehicleFrameUsingaNonlinearFiniteElementMethod.KSMEInternationalJournal

.Volume17,Issue10,p1450-1457翻译局部中文翻译车辆撞击桥墩的破坏模拟分析摘要：由于城市的交通越来越拥挤、桥墩附近的空间缺乏或者被占用等原因，车辆碰撞桥墩已不再是一个罕见的事件。本文想通过研究，分析由于车辆碰撞引起的桥墩塑性变形。通过有限元分析，研究具有不同几何形状的在碰撞时的响应。分析桥墩收到撞击后的动态和静态的响应。并且粗略的查看桥墩的收力图和塑性区。然后使用MATLAB开发子程序，处理材料非线性引起的静态和动态效应。最后再使用ANSYS进行验证性的静态和动态分析。根据多个国家的车辆撞击柱子的标准衡量，求解采用数值模拟得出力的时间曲线，同时也使用量化塑性区的方法作为是否破坏的标准，来获得更好的结果。关键字：碰撞，冲击力，屈服准那么，收敛性，破坏正文：从桥下经过的车撞击到桥墩的薄弱处时，容易让整个桥发生破坏。虽然这样的例子十分的罕见，但是这种撞击事故会造成严重的破坏，给人员造成巨大伤害，同时也造成经济损失。碰撞分析通常是采用静态分析桥墩的方法处理的。有关车辆撞击桥墩的标准是通过汽车撞击桥墩事故的统计和分析，同时考虑经济，风险等因素制定了全球统一的标准。在很短的时间内，撞击力的变化是复杂的。在碰撞过程中有一个十分巨大的撞击力在随时间发生变化。本文研究的内容大致可以分为两个局部：第一，即使用静态分析，将动态的力转化为一个静态的力进行分析，在实际过程中的力是一个动态变化的，但是由于动态分析的整个过程是十分繁琐和耗时的。因此，碰撞的几种标准均是采用静态分析进行研究。例如，英国、荷、美国以及印度的道路协会(IRC)等(其中包括〔Dawe2003;印度道路协会2006;英国的标准协会1998;DjelebovandDonchev2008)〕。所有的国家制定一个静态的撞击力，撞击的高度为离地面1.2m到1.5m的距离。El-Tawil(2004)规定计算两种不同的速度的卡车撞击时的等效应力。分别采用14kn重的学弗兰轻型卡车和66kn重的重型卡车为代表，对整个碰撞过程进行全程的模拟分析，车在整个碰撞过程中的车辆和桥墩之间的碰撞力的大小变化。通过结果分析复杂的碰撞过程，得出重型卡车对桥墩的撞击影响，同时也可以得出整个碰撞过程中的细节。另一份报告〔Buthetal.2010〕下进行的一期一个各州集资基金工程名为“桥梁墩台引导线设计在车辆碰撞中的影响”统计数据和详细的说明，对桥梁的碰撞事故。几个大货车，半挂牵引车碰撞桥墩事故调查作为这个工程的一局部。提取相关信息，如车速，重量和桥墩细节。这项研究提供了详细的研究桥墩强度的方法，同时也分析了桥墩的故障模式，以及破坏形式等。该报告介绍了桥墩上的车辆影响的仿真分析结果。本次分析使用了两种卡车模型。一个单元的卡车〔SUT;65,000磅，刚性和变形的货物〕和半挂牵引车〔80,000磅，与刚性和变形货运〕，分析一辆重型卡车与桥墩发生碰撞时撞击力的整个变化过程。本文试图通过量化桥墩可能损坏的局部然后进行分析，分析过程分为两个局部：第一局部，对不同几何形状的桥墩，按照各个国家的标准施加一定的静力代替碰撞力进行分析。计算出结果后，查看其塑性变形，找出发生塑性变形的点〔容易破坏〕。第二局部，利用中型卡车和大型卡车进行瞬态分析，得出撞击力与时间的关系。所使用的方法是车辆碰撞刚性壁障的方法得出碰撞力与时间的曲线。将这种力与时间的关系施加到已经预定义的固定几何形状的桥墩上，再通过瞬态的弹塑性有限元分析得出响应，然后查看已经出现的塑性区。首要的问题是建立被撞击的桥墩和撞击车辆的模拟。建模桥墩模型桥墩通常情况下认为有三种形式：固体壁面〔SW〕，实心圆柱〔SC〕,空心圆柱〔HC〕。第一局部，静态分析，桥墩的几何尺寸在列表1中列出。第二局部，动态分析，表2，给出了动态变化的力作用下的桥墩详细尺寸。选择一个尺寸的，分析在该尺寸条件下的动态响应和主要变化过程。桥墩模型使用三维八节点各项同性的单元进行网格划分。空心桥墩一般情况下是由0.5m厚的墙壁构成的，因此可以使用壳单元进行数值模拟分析。图1、2、3分别表示的是实体墙桥墩、空心圆柱桥墩、实心圆柱桥墩的有限元模型，都使用的是八节点高斯单元。每个单元的长宽比近似等于1,。碰撞力被认为是x方向的力，即碰撞方向。通过施加横向的弹簧单元约束顶部位移，到达实际情况中受到的摩擦阻力效果。还有很多细节对整体的碰撞效果影响不大〔El-Tawil2004;El-Tawiletal.2005〕用质量单元模拟上层建筑和桥墩的重量。由于在实际情况中很少发生正碰，所以在数值模拟过程中对桥墩施加偏心的冲击力，来模拟真实情况。静力分析车辆的冲击力是一个动态的力量，但习惯设计的做法，认为这是一个等效的静力。如图4所示，世界标准化组织提出一个静态分析的标准。车辆的撞击力是以英国，荷兰，美国，印度，El-Tawil〔2004〕、El-Tawil〔2005〕等提出的碰撞标准来衡量的。表3给出了各个国家标准的撞击力的大小及其作用点的高度。表4中是印度BS6779标准的详细规定。根据印度道路法规设计的模型撞击力的计算表3中第5项的撞击力的数值，是由表4中的参数经过数值模拟得到的。表4中给出了按照BS6779法规计算的撞击力大小。第一局部代表了中型和重型卡车在印度道路法规下的结果。这个结果可以通过方程1和方程2求解而得。a=υsinθ因此主要的撞击力大小为F（其中m为质量〔单位：Kg〕b：为所考虑的车辆的宽度的一半。c：为重心的位置离车头的距离，这很大程度上是依赖于货物的重量，在这里取车身长度的一半。v：是考虑车辆速度为60KM/h，转换为国际制单位约等于16.66m/s〔印度公路国会2006年〕z：为车头在碰撞过程中发生的最大溃缩位置到刚性壁障的垂直距离，整个的质量越大碰撞越剧烈那么z值会相应的增大〔英国标准协会，1998年〕。这里假设驾驶舱的局部发生了溃缩〔El-Tawil2004〕，在这样的情况下去z=1.42m如图5所示。该局部溃缩的越大，那么相应的产生的撞击力会越小。θ：是车身斜碰到刚性壁障时，车身与刚性壁障之间的夹角。如图5所示，当冲击的角度为90o时即发生