汽車專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文）-平頭輕型貨車的碰撞安全性平【全套圖紙】

1、摘 要平頭輕型載貨汽車大多是由國外引進的老車型，這些車型設(shè)計時并沒有過多考慮其碰撞安全性，因此在碰撞安全性方面存在先天不足，緩沖吸能區(qū)間小，碰撞安全性能差。由于貨車碰撞試驗在我國還屬于開始階段，關(guān)于貨車的碰撞安全法規(guī)也沒有出臺，進行大規(guī)模的貨車碰撞試驗的條件還不成熟。針對這一情況，本文在參考大量國內(nèi)外資料與實驗的基礎(chǔ)上，對貨車正面碰撞進行虛擬試驗研究，并且針對原始設(shè)計存在的碰撞安全性缺陷，設(shè)計了壓潰桿式緩沖吸能裝置，并對平頭駕駛室局部結(jié)構(gòu)做了相應(yīng)改造，虛擬碰撞結(jié)果表明改進后的駕駛室碰撞安全性有了顯著提高；在此基礎(chǔ)之上，對不同的緩沖吸能設(shè)計進行了對比研究和優(yōu)選。全套圖紙，加153893706關(guān)鍵

2、詞：平頭輕型貨車，碰撞安全性，正面碰撞，緩沖吸能ABSTRACT Most types of the flat-face light truck are old models introduced from abroad.The crashworthiness is not considered enough,the buffering and energy absorbing section is strait and the crashworthiness is bad,thus the crashworthiness of them are in congenital deficienc

3、y.For the test of truck crashing is at the inipient stage in our nation and the law related to it is not published yet,the qualification for taking massive ctashing test is not mature.Aiming at this situation,this thesis has taken dummy test research of the truck,s front impact on the precondition o

4、f consulting many information and experiment from home and abroad，then the dummy crashing test and security evaluation of it has been done by method of nonlinear dynamics.Aimed at the former design,s crashing safety defects,the energy-absorption device with the collapse-tube has been design and the

5、corresponding substructure of the cab has been improved.The cab,s crashing security has been increased notably shown from the dummy crashing test result.At last,the difference energy absorption device has been comparative studied and optimized.Key word:flat-face light truck,crashworthiness,front imp

6、act, energy-absorption capability45目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒論11.1課題的背景與意義21.1.1 背景21.1.2 意義21.2 國內(nèi)外汽車碰撞安全法規(guī)概述21.2.1 國外汽車碰撞安全法規(guī)31.2.2 國內(nèi)汽車碰撞安全法規(guī)51.3 國內(nèi)外汽車碰撞分析研究概述61.3.1 國外研究發(fā)展概況61.3.2 國內(nèi)研究發(fā)展概況71.4 汽車虛擬試驗場技術(shù)81.4.1 VPG 簡介81.4.2 LS-DYNA 簡介81.5 本文的研究內(nèi)容和工作計劃8第2章 瞬態(tài)非線性動力學分析方法102.1 有限元法的發(fā)展及應(yīng)用102.2 有限元法的基本原理102

7、.3 非線性有限元基本理論112.3.1 幾何非線性112.3.2 材料非線性112.3.3 接觸非線性132.4 LS-DYNA 非線性動力學基礎(chǔ)132.5 本章小結(jié)14第3章 平頭輕型貨車的碰撞安全性分析153.1 CAD 建模153.1.1 CAD 建模應(yīng)注意的問題153.1.2 CAD 建模153.2 CAD 數(shù)據(jù)的改善及導入163.3 有限元模型的建立163.4 結(jié)果分析173.4.1 車身變形分析173.4.2 速度變化分析203.4.3 加速度變化分析223.4.4 能量變化分析243.5 本章小結(jié)25第4章 平頭輕型貨車碰撞緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計264.1 碰撞緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思想及

8、約束條件264.2 結(jié)構(gòu)的改進方案設(shè)計264.3 碰撞緩沖區(qū)整體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建284.3.1 壓潰桿數(shù)模的建立284.3.2 壓潰桿橫梁數(shù)模的建立294.4 本章小結(jié)30第5章 改進車型的碰撞安全性分析315.1 改進后汽車碰撞仿真結(jié)果315.1.1 車身變形分析315.1.2 速度變化分析335.1.3 加速度變化分析335.1.4 能量變化對比355.2 壓潰桿的優(yōu)化355.3 本章小結(jié)40第6章 總結(jié)與展望416.1 總結(jié)416.1.1本文的創(chuàng)新點416.2 展望41致 謝43參考文獻44附錄145附錄248第1章 緒論汽車作為現(xiàn)代化的交通工具，在給人們的生活帶來便利與好處的同時，引發(fā)了大量

9、的交通事故3，給人類的生命和財產(chǎn)帶來極大的威脅和傷害（圖1-1）。我國2001年開始對汽車實施新的強制性產(chǎn)品認證制度，在2001年發(fā)布的第一批實施強制性產(chǎn)品認證產(chǎn)品目錄中，明確將汽車碰撞試驗列入對汽車的檢測之中。從2002年5月1日起，未經(jīng)碰撞試驗或經(jīng)碰撞試驗不合格的國外汽車不能進入我國市場，國產(chǎn)汽車未能通過強制認證試驗的也不能出廠銷售5。國內(nèi)各生產(chǎn)廠商紛紛提高在汽車碰撞安全性方面的投資。1.1課題的背景與意義1.1.1 背景 國內(nèi)的大多數(shù)平頭輕型貨車幾乎都是從國外直接引進的老車型，設(shè)計時沒有過多考慮碰撞安全性，緩沖區(qū)間小或沒有，其耐撞性能相對長頭、短頭輕型貨車而言就差得多。在每年的交通事故中

10、，平頭輕型貨車事故率高、事故傷害大，其事故帶來的傷亡和財產(chǎn)損失占了交通事故很大的比重。雖然我國加入WTO 后，為了增強和外國汽車廠家的競爭，國內(nèi)各汽車廠家和汽車研究所開始加大對汽車碰撞安全性的研究，但不同類型的車輛受到的重視程度也不同。各大汽車制造商和研究機構(gòu)關(guān)于汽車碰撞安全性的研究主要集中在轎車方面 , 對型客車的碰撞安全性研究稍有涉及，但對貨車的碰撞安全性研究非常少。不可忽視的是，平頭輕型貨車在我國以其自身的優(yōu)點，受到廣大用戶的青睞，成為輕型貨車中的主力軍，在輕型貨車的市場中占有不小的份額。平頭輕型貨車碰撞安全性能不足、技術(shù)投入少但是用戶廣泛，已經(jīng)引起了社會各方面的關(guān)注，國家應(yīng)出臺相應(yīng)的法

11、規(guī)對汽車的生產(chǎn)進行干預，廠家應(yīng)該加大對輕型貨車碰撞安全性的研發(fā)力度與投資比例。1.1.2 意義通過對某汽車廠生產(chǎn)的歐鈴平頭輕型貨車進行正面碰撞仿真分析，探討輕型載貨汽車在碰撞安全性方面存在的一些問題，并尋找解決問題的方法，改善輕型貨車碰撞安全性。通過對本文的研究，能夠在貨車碰撞安全性方面得出一些有指導性的建議，在提高商品競爭力的同時有效保護駕駛員及乘員的人身安全，能夠做到“車毀人不亡”1。在發(fā)生事故時提高對駕駛者及乘員的保護，從而有效抑止殘疾人口數(shù)目上升和減少家庭不幸等諸多社會問題，減少國家不必要的巨額財產(chǎn)損失。1.2 國內(nèi)外汽車碰撞安全法規(guī)概述 隨著二戰(zhàn)后汽車工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，汽車保有量的不斷

12、增加，車速的不斷提高，道路交通事故發(fā)生率不斷上升，造成的經(jīng)濟損失與人員傷亡越來越嚴重4。因此，汽車的安全性成了汽車廠商、消費者、政府部門等社會各方面高度關(guān)注的問題。公眾強烈要求政府部門采取相應(yīng)措施對汽車安全問題進行強制干預1，各國的碰撞安全法規(guī)隨之出臺。1.2.1 國外汽車碰撞安全法規(guī)目前，世界各汽車工業(yè)發(fā)達國家都制定了相應(yīng)的安全標準和技術(shù)法規(guī)，但歸納起來，所有汽車安全技術(shù)法規(guī)可分為三大體系，即美國、歐洲和日本技術(shù)法規(guī)體系1。美國聯(lián)邦機動車安全法規(guī)是由美國聯(lián)邦運輸部國家交通安全局依據(jù)1966 年9 月9 日制定的國家交通及汽車安全法組織制定的，其目的是減少汽車交通事故及減輕汽車碰撞事故中的傷害

13、程度。到1996 年12 月31 日止，該法規(guī)制定和實施的標準項目共有54 項，其中包括防止事故發(fā)生的標準29 項，減輕碰撞事故發(fā)生時對乘員的損傷標準21 項，以及發(fā)生事故后的防護標準4 項，其中各項指標均有嚴格要求。FMVSS 系列法規(guī)頒布后，雖然汽車保有量在繼續(xù)增加，但汽車交通事故死亡人數(shù)或死亡率反而呈下降趨勢，具體實例見美國馬里蘭州實施安全法規(guī)前后的統(tǒng)計，如圖1-2。美國聯(lián)邦機動車安全法規(guī)可以說是世界上最完善的法規(guī)體系之一，它從各個方面規(guī)定了對車輛乘員、路上行人的保護及車輛應(yīng)該具有避免事故的性能。該法規(guī)目前主要針對的碰撞類型是正面碰撞，但發(fā)展的重點是側(cè)面碰撞保護、行人碰撞保護以及貨車和多

14、用途客車的安全性及車輛穩(wěn)定性等。FMVSS 系列法規(guī)主要是針對轎車而制定的，但為了保證所有汽車乘員最低限度的安全性，NHTSA 提出各種客車都必須源用轎車法規(guī)這一方針，并逐步將轎車法規(guī)的適用范圍擴大到輕型載貨汽車、多用途客車等車型上1。本文主要參照FMVSS208 進行碰撞分析，它適用于轎車，多用途乘客車，載貨汽車和客車。其對于正面碰撞的要求是當車輛以48.3km/h 速度沿縱向向前行駛，撞擊一個垂直于車輛行駛方向的固定壁障，或者撞擊一個與車輛行駛方向垂直的線成30角的固定壁障時，放在每一個指定的前排外側(cè)座位上的試驗假人的響應(yīng)應(yīng)滿足下列要求：Hybrid.假人的傷害標準：a) 在試驗過程中試驗

15、假人的所有部分自始至終應(yīng)包含在車廂內(nèi)。b) 按下式求出的頭部重心的合成加速度值應(yīng)不超過1000。式中HIC-Head Injury Criterion，a-合成加速度，以g(重力加速度)的倍數(shù)表示；1 t ， 2 t 碰撞過程中任一兩個時刻，其間隔不大于36ms。c) 胸部合成加速度應(yīng)不大于60g，但持續(xù)時間不大于3ms。d) 胸部相對脊柱的壓縮變形量不超過76.2mm。e) 沿軸向傳達到每條大腿的壓力應(yīng)不超過1012.5kg。歐洲各國開始實施各自的車輛法規(guī)及車型認證制度早于美國，歐洲經(jīng)濟委員會于1958 年開始制定統(tǒng)一的汽車法規(guī)，分為EEC 指令和ECE 法規(guī)。前者作為成員國統(tǒng)一的法規(guī)，是強

16、制性的，后者由各成員國任意自選，是非強制性的。目前，ECE 已頒布的法規(guī)有99 項，涉及汽車的安全、環(huán)保及節(jié)能等領(lǐng)域，安全方面的法規(guī)占81 項，被動安全法規(guī)26 項,包括車輛的正面碰撞、側(cè)面碰撞、追尾碰撞、翻車時車身強度及碰撞時防止火災(zāi)等要求，如R94、R95。歐洲法規(guī)的基本特點是局限于汽車的裝備和部件，因此，ECE 車型認證也只有裝備和部件的認證而無整車認證。法規(guī)對各項安全指標制定有便于理解和操作的詳細試驗方法，并且要求進行的試驗次數(shù)也較少3。早在1951 年日本就根據(jù)道路運輸車輛法制定了道路車輛安全標準，從時間上來說要比美國和歐洲早。但隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，日本又充分吸收FMVSS 系列法規(guī)

17、和ECE 法規(guī)等標準法規(guī)的優(yōu)點，再結(jié)合自身的特點形成了比較健全的日本道路車輛安全標準體系。與歐美不同的是，由于日本國土狹窄，所以日本道路交通車輛法規(guī)特別重視汽車與行人及摩托車之間的碰撞安全，對汽車外部凸物等的規(guī)定特別詳細5。到1995 年底，日本道路車輛安全標準包含車輛構(gòu)造、置標準共95 條，其中安全標準68 條，試驗方法標準88 條，其中安全標準76 條1。1.2.2 國內(nèi)汽車碰撞安全法規(guī) 由于汽車產(chǎn)品的特殊性，我國政府對其實施的是政府強制認證制度1。1999 年10月28 日，原國家機械工業(yè)局頒布了我國第一項汽車技術(shù)法規(guī)CMVDR 294關(guān)于正面碰撞乘員保護的設(shè)計規(guī)則。到目前為止，已經(jīng)發(fā)布

18、了40 項CMVDR，其中，涉及安全部件的有12 項，涉及整車碰撞的技術(shù)法規(guī)只頒布了正面碰撞乘員保護，即CMVDR294。CMVDR 294 的適用范圍是新上目錄的M1 類基本車型。CMVDR 294 等效采用了歐洲1995 年頒布的ECE R94.00，但將30。斜角碰撞改為0正面碰撞。另外，考慮到亞洲成年人體型分布與歐美成年人體型分布的差異，對于按照亞洲人體標準模型設(shè)計的車輛，等效采用了日本法規(guī)中前排座椅的調(diào)整方式：對于微型車，碰撞試驗時允許前排座椅后移，以保證Hybrid 型50 百分位男性假人正確的坐姿1。CMVDR 294 法規(guī)是我國目前最嚴格、最全面的碰撞安全法規(guī)，能夠代表我國強制

19、性實施的汽車碰撞性法規(guī)。側(cè)面法規(guī)等正在計劃與制定中，所以相對于發(fā)達國家來說，我國的汽車碰撞安全法規(guī)還欠完善。我國目前尚未建立汽車與行人、騎自行車或摩托車者的碰撞保護評價方法。當然，還有兒童乘員的碰撞保護問題、安全氣囊的作用問題等。自2006 年7 月1 日開始又有兩項碰撞標準實施，分別是：“汽車側(cè)面碰撞的乘員保護”和“乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求”。另外，還有一項推薦性標準是“乘用車正面偏置碰撞的乘員保護”，3、5 年后很可能也會被納入國標當中。側(cè)面碰撞試驗和追尾碰撞試驗的場地要求和車輛準備與正面碰撞基本相同。側(cè)面碰撞的試驗方法是將試驗車輛放到臺車上，臺車以29km/h 的速度將試驗車輛的側(cè)面

20、撞向柱子，撞擊點有嚴格的要求，柱子直徑為10 英寸；追尾試驗中的碰撞物體是固定在壁障上的模擬卡車尾部的支架，試驗車以50km/h 的速度撞擊。1.3 國內(nèi)外汽車碰撞分析研究概述隨著碰撞法規(guī)的出臺，及消費者對汽車安全問題認識的提高，各大汽車制造商和一些研究機構(gòu)開始專門研究汽車碰撞安全性問題。1.3.1 國外研究發(fā)展概況較早開展汽車碰撞分析研究的是美國。美國運輸部于1970 年公布了開發(fā)實驗安全車(ESV)的計劃，一般認為，ESV 計劃的實施開始了汽車安全技術(shù)研究的新時代4。此計劃要求開發(fā)以80km/h 的速度進行正面碰撞時仍具有高度安全性能的1800kg 級試驗樣車。目的是弄清汽車碰撞時增加乘員

21、生存的可能性；掌握如何依靠改進設(shè)計來減少傷亡和經(jīng)濟損失的一般規(guī)律；促進世界汽車工業(yè)界安全研究；將安全試驗車試驗研究所得到的技術(shù)資料用于制訂新的安全標準。與些同時，日本與歐洲對9001360kg 級的ESV 進行了開發(fā)工作3。1970 年11 月日美簽署了“開發(fā)ESV 備忘錄”。在日本汽車工業(yè)協(xié)會中設(shè)立了ESV 分會，制訂了日本ESV 規(guī)范。豐田、日產(chǎn)和本田等公司參加了這項工作。在歐洲，德國、英國、法國和意大利等政府也與美國DOT 簽訂了推進ESV 協(xié)議。1973 年美國DOT 部長又提出開發(fā)1360kg 級安全研究車(SRV)計劃。此計劃提出的技術(shù)要求為80 年代汽車確定了安全目標3。ESV

22、計劃對提高汽車碰撞性能影響很大，加上RSV 計劃，使汽車安全性能得到了顯著改善。RSV 計劃的成果為制訂80 年代后期的安全標準起了重要作用3。19791984 年為德國約束系統(tǒng)發(fā)展的里程碑。奔馳公司首先向顧客提供了氣囊和安全帶張緊器3。19841989 年，歐洲開展了偏置前碰撞研究，廣泛開展真實的室內(nèi)試驗，擴展了乘員計算機模擬計算和有限元方法計算3。對于汽車碰撞安全性的研究手段也隨著碰撞安全性研究的不斷深入和需要而提高。早期的汽車碰撞安全性設(shè)計主要憑工程師的直覺、經(jīng)驗和試驗方法來完成1，然后以交通事故的結(jié)果為依據(jù)來改善汽車的碰撞安全性。這是一個自然的從實踐到理論，再從理論到實踐的認識世界改造

23、世界的過程，盡管有效但周期太長，遠遠滿足不了社會經(jīng)濟快速發(fā)展的要求。為了更快、更好的研究和設(shè)計汽車的碰撞安全性，人們開始系統(tǒng)地開展碰撞過程的理論分析和試驗研究。由于碰撞過程太復雜，理論分析能提供的幫助非常有限。試驗研究方面人們開展了碰撞試驗技術(shù)的系統(tǒng)性研究，發(fā)明了各種實車碰撞、臺車碰撞和零部件碰撞試驗技術(shù)與裝置6，建立了試驗標準和規(guī)范。由于其直觀性和真實性，碰撞試驗不僅在生產(chǎn)實際中有力地幫助了汽車碰撞安全性的改進和提高，而且還極大地豐富了碰撞理論，為推動碰撞安全技術(shù)的進步起到了重要作用。雖然實車試驗?zāi)転榕鲎舶踩匝芯刻峁娪辛Φ膸椭撬蕾囉趯嵨?，而且是破壞性試驗，加上試驗所需要的設(shè)備裝置

24、，實車試驗的費用是相當昂貴的。而且周期長，可重復性差，不能解決設(shè)計人員希望解決的全部問題，如真實的吸能分布等6。于是人們開始尋找一種可以局部或全部替代實車碰撞試驗的方法。隨著計算機技術(shù)和計算方法的發(fā)展，汽車碰撞過程的計算機仿真技術(shù)應(yīng)運而生，且日益成熟。仿真模型建立得越來越完善，仿真結(jié)果也越來越接近實際碰撞結(jié)果。汽車碰撞仿真技術(shù)現(xiàn)已成為各大汽車研究與開發(fā)機構(gòu)特別關(guān)注和重視的高新技術(shù)。1.3.2 國內(nèi)研究發(fā)展概況我國對汽車被動安全性進行系統(tǒng)研究是從上個世紀80 年代后期開始的，汽車碰撞研究工作也開始于這一時期。1988 年，吉林工業(yè)大學和西安公路交通大學分別建立了“剛體彈塑性彈簧”數(shù)學模型和“剛體

25、彈簧阻尼”數(shù)學模型。后者還做了模型碰撞試驗，驗證其理論模型。次年，吉林工業(yè)大學李卓森教授和李洪國教授就計算機模擬中所需的汽車碰撞剛度和汽車正面碰撞方程式等方面進行了探討。1992 年，清華大學的于旭光、黃世霖引進美國的CAL3D 軟件，應(yīng)用剛體動力學中的Kane 方法建立了二維人體模型，并對碰撞事故中安全帶對人體的保護作用進行了研究。同年，湖南大學宗子安將DYNA3D 介紹進中國，并用其進行了汽車轉(zhuǎn)向盤、假人碰撞的模擬計算。湖南大學還應(yīng)用DYNA3D 軟件對駕駛員與安全帶構(gòu)造了有限元模型并進行了碰撞模擬計算，得出了有價值的結(jié)論。同時清華大學也利用DYNA3D 作了BJ212 車架碰撞模擬計算，

26、并根據(jù)計算結(jié)果對車架進行了改進12。1.4 汽車虛擬試驗場技術(shù)近年來隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機模擬技術(shù)在汽車產(chǎn)品開發(fā)中的作用愈加重要。目前國內(nèi)外模擬汽車碰撞過程常用的有限元軟件主要有LS-DYNA、PAM-CRASH 和MSC/DYTRAN。本文的研究中主要用到以LS-DYNA 為求解器的VPG。1.4.1 VPG 簡介VPG 是ETA 公司開發(fā)的以LS-DYNA 為求解，以整車系統(tǒng)為分析對象，考慮系統(tǒng)中各類非線性因素，以標準路面和車速為負荷，排除傳統(tǒng)CAE 分析常使用的人為假定，對整車系統(tǒng)同時進行結(jié)構(gòu)疲勞、全頻率振動噪聲分析和數(shù)據(jù)處理及碰撞歷程仿真，達到在產(chǎn)品設(shè)計前期即可得到樣車道路實驗結(jié)

27、果的“整車性能預測”效果的計算機仿真技術(shù)。豐富標準的數(shù)據(jù)庫可讓用戶只需很少的時間即可完成整車仿真。1.4.2 LS-DYNA 簡介LS-DYNA 是全世界范圍內(nèi)最知名的有限元顯式求解程序。LS-DYNA 在1976 年由美國勞倫斯利維莫爾國家實驗室 J.Q.Hallquist博士主持開發(fā)8，時間積分采用中心差分格式，當時主要用于求解三維非彈性結(jié)構(gòu)在高速碰撞、爆炸沖擊下的大變形動力響應(yīng)，是北約組織武器結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析工具。從理論和算法而言LS-DYNA 是目前所有的顯式求解程序的鼻祖和理論基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，LS-DYNA的用戶主要是發(fā)達國家的研究機構(gòu)、大學和世界各地的工業(yè)部門。應(yīng)用領(lǐng)域是：高速碰撞模擬、

28、乘客的安全性分析、零件制造、罐狀容器的設(shè)計、爆炸過程、高速彈丸對板靶的穿甲模擬、生物醫(yī)學工程、機械部件的運動分析等9。1.5 本文的研究內(nèi)容和工作計劃本學位論文結(jié)合山東省重點科技攻關(guān)項目“輕型載貨汽車車身關(guān)鍵技術(shù)的研究”，對平頭輕型貨車的碰撞安全性進行研究與提高。針對課題的研究任務(wù)和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本論文積極吸收相關(guān)學科的新思想、新技術(shù)，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，探討利用VPG建立了平頭輕型貨車與剛性墻正面碰撞模型的方法，并利用顯式非線性分析軟件LS-DYNA對正面碰撞進行虛擬仿真，以分析與優(yōu)化平頭輕型貨車的碰撞安全性。具體的工作安排如下：首先要建立整車的數(shù)字化模型，利用UG 對點云

29、進行反求以得到平頭輕型載貨汽車的CAD模型。建立了整車數(shù)模后，然后根據(jù)FMVSS 和國內(nèi)相關(guān)汽車安全標準，建立輕型貨車與剛性墻正面碰的撞模型，對平頭輕型貨車進行正面碰撞仿真，并對所得結(jié)果進行處理與分析。根據(jù)原車型在碰撞安全性方面存在的不足與問題，提出改進方案，并對改進后的平頭輕型貨車在相同的控制參數(shù)下進行碰撞仿真，對比改進前后的仿真結(jié)果。 第2章 瞬態(tài)非線性動力學分析方法2.1 有限元法的發(fā)展及應(yīng)用有限元法是一種根據(jù)變分原理來求解數(shù)學物理問題的數(shù)值計算方法。眾所周知，由于一些物理問題的微分方程求解困難，以致長期以來在彈性力學，結(jié)構(gòu)力學，以及其他連續(xù)體力學方面的問題只能解決一些嚴格理想化的情況，

30、而有限元法對于分析復雜結(jié)構(gòu)或者多自由度系統(tǒng)來說卻是一種有效的方法。1965 年，為了分析飛機結(jié)構(gòu)問題，首次提出了有限單元法。在其后10 年中，該方法在解決不同類型的應(yīng)用科學和工程問題方面顯示了巨大的潛力。近年來，由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，為有限元法的應(yīng)用和發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前，有限元法的應(yīng)用已經(jīng)從彈性力學平面問題擴展到了空間問題、板殼問題；從靜力平衡問題發(fā)展到塑性、粘性、粘塑性和復合材料等；從固體力學擴展到流體力學、傳熱學、電磁學、聲學、振動學等連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域。實際上，有限元法發(fā)展到今天，已發(fā)展得較為完善，它已經(jīng)被認為是工程分析中最強有力和最通用的計算方法。其應(yīng)用范圍很廣，并且由于實踐

31、性強而具有強大的生命力。利用有限元進行結(jié)構(gòu)分析，實質(zhì)上也是一種“電子計算機的數(shù)值實驗”，它不僅使過去無法進行運算的課題得到數(shù)值解，并且逐漸代替某些成本高、時間長的常規(guī)試驗。2.2 有限元法的基本原理有限元法是運用離散的概念，假想把連續(xù)體分割成有限個有限大小的多邊形或多面體，這些多邊形或多面體，就稱為有限元。多邊形或多面體的頂點稱為節(jié)點。各單元之間沿周邊本來是整體相連的，現(xiàn)在認為它們彼此只在節(jié)點處相連，取節(jié)點處的位移作為基本未知量。這樣，就把原來是無限多個自由度的體系簡化成有限多個自由度的體系了，這個過程就稱為連續(xù)體的有限元離散化。一個連續(xù)體通過有限元離散后就變成一個離散體，它是和真實結(jié)構(gòu)近似的

32、一個力學模型，而整個的數(shù)值計算就是在這個離散化的模型上進行的。在每一個單元內(nèi)運用變分法，即利用與原問題中微分方程相等價的變分原理來進行推導，從而使原問題的微分方程組轉(zhuǎn)化為代數(shù)聯(lián)立方程組，使問題歸結(jié)為解線性方程組，由此得到數(shù)值解答。2.3 非線性有限元基本理論本文所研究的汽車碰撞是一個動態(tài)的大位移和大變形的過程，接觸狀態(tài)和高速沖擊載荷都影響著碰撞的全過程，系統(tǒng)具有幾何非線性、材料非線性和接觸非線性等多重非線性。2.3.1 幾何非線性在汽車碰撞中，薄壁結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下，盡管應(yīng)變很小，甚至未超過彈性極限，但是位移大，材料線元素有較大的轉(zhuǎn)動。這時應(yīng)該考慮變形對平衡的影響，即平衡條件應(yīng)建立在變形后的

33、構(gòu)形上，同時應(yīng)變表達式也應(yīng)包括位移的二次項。這樣，平衡方程與幾何關(guān)系都將是非線性的。這種由于大位移和大轉(zhuǎn)動引起的非線性問題稱為幾何非線性問題。還有另一類幾何非線性問題，例如金屬的成型、橡皮型材料受到載荷作用，都可能出現(xiàn)很大的應(yīng)變，這時除了采用非線性的平衡方程和幾何關(guān)系而外，還需要引入相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。在涉及幾何非線性問題的有限單元法中，通常采用增量分析方法求解。它基本上可以采用兩種不同的表達格式。第一種格式中所有靜力學和運動學變量總是參考于初始構(gòu)形，即在整個分析過程中參考構(gòu)形保持不變，這種格式稱為完全的Lagrange 格式，簡稱T.L.法。另一種格式中所有靜力學和運動學的變量參考于每一載荷

34、或時間步長開始時的構(gòu)形，即在分析過程中參考構(gòu)形是不斷被更新的，這種格式稱為更新的Lagrange 格式，簡稱U.L.法。2.3.2 材料非線性材料非線性是指物理方程的應(yīng)力和應(yīng)變是非線性關(guān)系。在碰撞過程中，結(jié)構(gòu)在碰撞力的作用下發(fā)生大的變形，當應(yīng)力超過材料的屈服極限時，就會產(chǎn)生永久的塑性變形，在彈性變形階段，應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系是線性的，而在塑性階段就是一種非線性的關(guān)系。塑性變形的計算要解決兩個基本問題：1. 材料在什么樣的條件下開始產(chǎn)生塑性變形；2. 材料在塑性變形過程中應(yīng)遵循什么樣的規(guī)律；第一個問題涉及到材料的屈服準則，而第二個問題涉及到材料的流動法則。（一） 初始屈服準則工程上常用兩種屈服準則：

35、Von Mises 條件和 Tresca 條件。Von Mises 條件材料的形狀應(yīng)變能達到一定數(shù)值時開始屈服。在三維主應(yīng)力空間上，該條件可表示為：其幾何意義是以1 2 3 = = 為軸線的圓柱面，式中s 為屈服應(yīng)力。Tresca 條件最大剪應(yīng)力達到一定數(shù)值時開始屈服。在三維主應(yīng)力空間上，該條件可表示為：其幾何意義是以1 2 3 = = 為軸線并內(nèi)接 Von Mises 圓柱的正六棱柱面，式中s 為屈服應(yīng)力。兩個屈服條件相比，Tresca 條件趨于安全，但在棱邊處的導數(shù)是不存在的。所以在使用上不如 Von Mises 條件方便。因此在有限元分析中通常采用Von Mises 屈服條件。（二） 流

36、動法則材料在進入塑性階段后，應(yīng)力與應(yīng)變之間沒有一一對應(yīng)的關(guān)系，如何表征這種關(guān)系，目前描述塑性變形規(guī)律的理論分為兩大類：一類是全量理論，另一類是增量理論實驗已經(jīng)證明，塑性變形是和加載路徑有密切關(guān)系的。增量理論考慮了這種依賴性，所以，在一般加載的情況下，增量理論的方法是比較合理的。屬于這類理論的主要有：列維-米塞斯理論和普朗特-魯伊斯理論。關(guān)于材料本構(gòu)關(guān)系。在有限元分析中普遍采用的是增量型本構(gòu)關(guān)系，重要的是如何依據(jù)塑性力學的基本法則導出它在各種應(yīng)力狀態(tài)中的矩陣表示，由于彈塑性增量分析具有普遍的適應(yīng)性，即它可以用于復雜的加載方式和加載路徑，因此作為有限元通用程序，現(xiàn)在差不多無例外的都采用增量分析，但

37、是計算量較大。2.3.3 接觸非線性汽車碰撞是一種大規(guī)模沖擊接觸問題，是一種典型的非線性問題，其非線性是由接觸邊界上的邊界條件非線性引起的。接觸問題屬于不定邊界問題，即使是簡單的彈性接觸問題也具有非線性，其中既有接面積變化而產(chǎn)生的非線性以及由接觸壓力分布變化而產(chǎn)生的非線性，也有由摩擦作用產(chǎn)生的非線性53。根據(jù)對接觸邊界條件的不同處理，產(chǎn)生了不同的接觸非線性有限元法，即拉格朗日乘子法、罰函數(shù)法和拉格朗日乘子和罰函數(shù)混合法等。1) 拉格朗日乘子法拉格朗日乘子法是精確解法，要求精確滿足接觸界面無穿透的約束條件。此方法需要引入新的未知量，增加了未知量的數(shù)目，系數(shù)矩陣對角線上出現(xiàn)了0 元素，使方程組不再

38、是解耦的，從而使得沖擊接觸問題變得更難求解。另外，該方法與顯示積分求解方案不相容。為了克服上述缺點，出現(xiàn)了一些改進算法。2) 罰函數(shù)法罰函數(shù)法引入罰參數(shù)與界面穿透量的乘積作為接觸力，近似滿足接觸界面無穿透的約束條件。罰函數(shù)方法沒有引入新的未知量，簡單易用，因此在有限元軟件中被廣泛使用。但是，如果引入的罰參數(shù)特別大，會使方程組病態(tài)。3) 拉格朗日乘子和罰函數(shù)混合法 這種方法是為了克服拉格朗日乘子法和罰函數(shù)法各自的缺陷而產(chǎn)生的。拉格朗日乘子法由于對每個約束引入一個因變量，必然導致大量的未知量，計算費用增加；同時，如果兩個物體分離時，接觸力為零，物體發(fā)生剛體位移，系統(tǒng)平衡方程奇異，無法求解。罰函數(shù)法

39、簡單，并與顯示算法完全相容，但在引入接觸點的穿透時，會影響顯示算法的穩(wěn)定性和精度，若增大罰函數(shù)因子，雖能提高上述精度，但易引起平衡方程病態(tài)，且罰函數(shù)因子越大，影響越大?；旌戏ㄊ窃诮佑|體分離時采用罰函數(shù)法，在閉合粘式接觸時采用拉格朗日乘子法；閉合滑移接觸的法向采用拉格朗日乘子法，切向采用罰函數(shù)法。2.4 LS-DYNA 非線性動力學基礎(chǔ) 汽車碰撞過程的仿真一般都是基于有限元方法的空間域離散技術(shù)和基于有限差分法的時間域離散技術(shù)。空間域的不同離散方法對應(yīng)著不同的有限單元類型，時間域的離散也有不同形式的有限差分法，如中心差分法或牛曼法。2.5 本章小結(jié)本章著重講述了有限元特別是非線性有限元的基本理論，

40、簡單介紹了幾何非線性、材料非線性及接觸非線性的相關(guān)理論，并對LSDYNA 軟件的顯示時間積分理論進行了簡單介紹，闡述了輕型車碰撞仿真虛擬試驗的理論基礎(chǔ)。第3章 平頭輕型貨車的碰撞安全性分析3.1 CAD 建模3.1.1 CAD 建模應(yīng)注意的問題 一輛完整的汽車是由幾萬個零部件組裝而成的，在建模前必須對這些零部件進行篩選和簡化，分析哪些結(jié)構(gòu)件對碰撞項目有較大的影響，哪些結(jié)構(gòu)件的影響不大，而哪些結(jié)構(gòu)件基本沒有影響。以車輛正面碰撞為例，承載碰撞沖擊力的主要部分是車身前部，因此對結(jié)果影響較大的構(gòu)件：前圍，前底縱梁等，對這些部件應(yīng)該進行精確建模；對結(jié)果影響不大的部件如：發(fā)動機，車箱等部分，主要依據(jù)其外形

41、幾何形狀進行建模。對于篩選出的部件也存在一個簡化的問題，構(gòu)件的細節(jié)如小孔、臺階、小倒角等，一方面會增加CAD 建模的難度，另一方面，更重要的是在進行計算仿真時會導致計算時間的急劇增加，并會使有限元模型的單元質(zhì)量變差，從而降低計算精度。這些細節(jié)中有的可以加強或減弱結(jié)構(gòu)的局部剛度，尤其在碰撞區(qū)和塑性變形區(qū)，這種剛度的加強和減弱會對載荷和變形的傳遞路徑產(chǎn)生干擾，進而影響整體結(jié)構(gòu)的變形；有的僅僅起到定位作用，而對整體的剛度和強度毫無影響。在建立CAD 模型前，應(yīng)認真分析這些細節(jié)，將不必要的細節(jié)忽略掉。3.1.2 CAD 建模雖然有實車，但沒有詳細的設(shè)計數(shù)據(jù)，所以汽車CAD 數(shù)模只能通過利用實驗室具有的

42、條件對實車進行逆向工程來得到。車身CAD中逆向工程技術(shù)的應(yīng)用，主要是對車身零部件曲面的造型與車身實體零件模型的逆向重構(gòu)，用于結(jié)構(gòu)分析和零件制造等。車身逆向工程的一般步驟：獲取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、曲面模型重構(gòu)、實體模型的制作。對于數(shù)據(jù)的獲取，本文是應(yīng)用實驗室里的非接觸式光學三坐標測量儀器ATOS 對白車身進行測量得到的。并利用本身自帶的軟件對所得數(shù)據(jù)進行處理，剔除不好的噪聲點、精簡點云數(shù)量等。對所得點云數(shù)據(jù)進行分塊，以免數(shù)據(jù)太大而導致計算緩慢，最好將一個零部件分為一塊，有利于建模及最后的裝配。車身曲面模型是車身CAD 的重要內(nèi)容，所以曲面模型的重構(gòu)是車身逆向工程中的關(guān)鍵步驟。本文利用三維CAD 軟件

43、UG 對點云進行反求以建立車身曲面模型。3.2 CAD 數(shù)據(jù)的改善及導入 在將CAD 數(shù)據(jù)導入VPG 中前，先對模型進行簡化與修改，使其適合有限元分析。一些構(gòu)件的細節(jié)如小孔、臺階、小倒角等，一方面會增加網(wǎng)格劃分的難度，會使有限元模型的單元質(zhì)量變差，從而降低計算精度。另一方面，更重要的是在進行計算仿真時會導致時間積分步長的減小，從而計算時間的急劇增加。將整車各零部件的CAD 三維模型存成IGES 格式文件，該格式的文件保留了原有模型的曲線和面，通過VPG 軟件的IGES 格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口導入零件幾何外形，利用其線和面進行網(wǎng)格的劃分。這種建模方法的優(yōu)點是可以避免重復的對現(xiàn)有CAD 模型的勞動而生成

44、待分析的曲面模型，劃分網(wǎng)格后的模型與CAD 模型的外形吻合的較好，而且由于在CAD 建模時，采用的是統(tǒng)一的空間坐標，這有利于各零部件有限元模型的裝配。但是這種方法也存在著缺點，那就是在從CAD 系統(tǒng)向CAE 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的過程中，會出現(xiàn)一些圖形元素信息的丟失，如小平面，小圓角等。因此在把IGES 格式的CAD 模型數(shù)據(jù)讀入VPG 后，要檢查模型是否完整，對于被損壞的模型，可利用VPG 里的CAD 功能進行簡單修補。同時，對一些影響網(wǎng)格劃分的一些細小特征，如小孔或小圓（倒）角等要進行修改，這些工作在模型的建立過程中要占用大部分的時間9。3.3 有限元模型的建立 整車建模不僅復雜，而且工作量巨大。建模

45、前必須對整車結(jié)構(gòu)與特征進行分析、分解，才能達到既簡化又準確建模的目的。建模過程中要根據(jù)不同的區(qū)域及特征劃分不同的網(wǎng)格，定義不同的單元類型；根據(jù)部件之間的相互關(guān)系建立準確的接觸及聯(lián)接；以及最后對各項參數(shù)的控制是很重要的。仿真的精度及準確性在很大程度上依賴于仿真模型建立的精度，所以在有限元模型建立過程中，每一步的精度與正確性都要得到保證。材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線3.4 結(jié)果分析經(jīng)過LS-DYNA 的計算，我們對仿真結(jié)果從車身變形、加速度及能量吸收等各方面進行分析，從而對本車型的碰撞安全性進行評價。3.4.1 車身變形分析 碰撞開始后，保險杠先與剛性墻接觸發(fā)生碰撞，7ms 時前圍板參與碰撞與剛性開始墻接觸

46、，前圍板與底板前部開始變形，10ms 左右保險杠內(nèi)側(cè)的組件開始變形，15ms 時保險杠總成與車架之間的連接件開始變形，20ms 時門框與前圍板之間的三角連接件開始明顯變形，而且后面的部分也開始參與變形，32ms 時車架開始撞上剛性墻，駕駛室前部變形已很嚴重，門框開始有所變形，但還沒有撞上剛性墻，40ms 時車架前端折鄒變形明顯，門框開始撞上剛性墻，58ms 時駕駛室及車架前端已基本到了最大變形，貨箱因貨物的慣性開始變形，車架后端也開始變形，但直到碰撞結(jié)束，這兩部分變形都不是很大。從碰撞仿真中可以看出汽車前部發(fā)生了明顯的擠壓變形，保險杠在受壓變形后又壓迫連接其上的結(jié)構(gòu)件，最終壓迫車架、駕駛室，車

47、架前部變形明顯，駕駛室受到嚴重壓縮(如圖21-圖26)。碰撞前駕駛室長度為1555.8mm，碰撞后的長度為1200mm，壓縮量為355.8mm。汽車前部變形比較嚴重，起到了吸收能量的作用，而后部變形則較小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是正面碰撞發(fā)生時，汽車車身前部受到猛烈的撞擊，沖擊能量很大，在極短的時間內(nèi)動量變化迅速，形成瞬時數(shù)值極高的沖擊力，車身前部受此沖擊力作用，在碰撞時產(chǎn)生的應(yīng)力遠遠超過材料的屈服應(yīng)力而發(fā)生較大的塑性變形，同時將大部分沖擊能量吸收掉，使汽車動能降低。汽車在碰撞發(fā)生過程中沖擊力從前部傳到后部有一個時間上的延遲，數(shù)值上也發(fā)生顯著衰減，汽車的后部承受的應(yīng)力減小，沒有明顯的變形發(fā)生。3.

48、4.2 速度變化分析前圍板上某點的速度曲線駕駛員座椅與底板連接點的速度曲線分別是前圍板上某點與駕駛員座椅與底板連接點的速度曲線圖。從兩圖中曲線變化趨勢看，車身前圍與駕駛員座椅與底板連接點的速度都在衰減，前圍上的點的衰減速度要比后部的衰減速度要快。經(jīng)過很短的一陣波動，在約20ms 時速度就為減0，而后點的速度在經(jīng)過約90ms 后才逐漸變?yōu)?，可以看出隨著選點的后移，其速度衰減趨勢減緩。從這里可以看出經(jīng)過車身的變形吸能，后部的速度衰減程度要顯著小于前面的。3.4.3 加速度變化分析底板上駕駛員放腳點的加速度曲線駕駛員座椅與地板連接點的加速度曲線3.4.4 能量變化分析系統(tǒng)動能內(nèi)能變化曲線從圖中可以

49、看出，系統(tǒng)動能呈非線性逐漸減少。車身由于塌陷變形而吸收沖擊能量，從而內(nèi)能增加，隨著變形的增大，內(nèi)能也增大；同時動能因被轉(zhuǎn)化而減少，減少的動能與增加的內(nèi)能基本保持同步，在峰值的一點差距是由于部分動能轉(zhuǎn)化為熱能消散掉了。碰撞區(qū)部分組件的吸能曲線上圖是車身碰撞區(qū)域內(nèi)的前圍板、保險杠總成和保險杠車架連接件共同吸收的能量曲線。在開始階段，能量的吸收很小，這是因為前圍板及保險杠總成結(jié)構(gòu)簡單，且剛度太?。凰鼈兊淖冃螌儆诤唵巫冃?，吸收的能量太??；且不能把碰撞力傳遞給后面的組件，參與變形吸能的組件太少。3.5 本章小結(jié)本章敘述了利用UG 建立整車數(shù)模及在VPG 環(huán)境中建立了輕型貨車與剛性墻正面碰撞的有限元模型的

50、步驟，并分析了碰撞仿真的結(jié)果，對輕型貨車的碰撞安全性進行評價。第4章 平頭輕型貨車碰撞緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1 碰撞緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思想及約束條件汽車碰撞安全性問題自汽車誕生以來就存在，但在早期由于車速較低，車輛相對較少而未引起人們的重視。隨著汽車大規(guī)模的生產(chǎn)和使用，也由于車速的不斷提高，碰撞安全性問題變得越來越突出。汽車發(fā)生碰撞后，不僅給車輛本身造成損壞，更重要的是造成成員的傷害。汽車交通事故已成為當今威脅、殘害人類生命的一大公害。人們常將汽車的碰撞稱為“一次碰撞”，而將人體與車內(nèi)部件的碰撞稱為“二次碰撞”，“一次碰撞”在很大的程度上決定了“二次碰撞”的劇烈程度，因此控制好“一次碰撞”對減少人

51、體損傷有重要的意義，合理設(shè)計汽車結(jié)構(gòu)的緩沖與吸能特性是控制好“一次碰撞”的關(guān)鍵。4.2 結(jié)構(gòu)的改進方案設(shè)計基于上述碰撞緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思想及約束條件，改進設(shè)計方案見圖4-2。 由圖可見，改進后的前圍外板較原來的前圍外板最下端向前移動40mm,同時增加了前圍內(nèi)板、前圍外板、壓潰桿、壓潰桿前橫梁，使之構(gòu)成駕駛室碰撞緩沖區(qū)。保險杠位置在改進前后沒有變動，保險杠與車架形成的空間區(qū)域增加了碰撞緩沖管。平頭駕駛室加裝緩沖區(qū)前后的對比圖4.3 碰撞緩沖區(qū)整體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建考慮到碰撞緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思想及約束條件，通過局部結(jié)構(gòu)的改進來加強整車碰撞安全性受到很多條件的制約，改進設(shè)計的空間較小。特別是該部件與

52、原車之間的配合關(guān)系最為密切，因此必須要注意其尺寸的變化對原車的影響。為最后設(shè)計好的緩沖區(qū)的整體結(jié)構(gòu)，緩沖區(qū)總體長度為140mm，該結(jié)構(gòu)經(jīng)過計算分析，證明在一定程度上的確能夠起到保護駕駛室的作用。因為它能夠有效地吸收來自前面撞擊所產(chǎn)生的能量，當貨車發(fā)生正面碰撞時，運動急劇停止，緩沖區(qū)便增加了緩沖的距離，不至于人體與堅硬物接觸，而產(chǎn)生嚴重傷亡事故，從而達到設(shè)計的要求。4.3.1 壓潰桿數(shù)模的建立壓潰桿作為主要的吸能部件，在發(fā)生碰撞時應(yīng)能夠吸收大部分的撞擊載荷，以起到緩沖吸能的作用，它安放在前圍內(nèi)外板之間。此次設(shè)計仿照蓮花公司為Elise 運動轎車研制的塑料復合構(gòu)件，就像是褶皺的鋼件，可以吸收碰撞能

53、量，還可恢復原狀，但由于考慮到經(jīng)濟性的需要，并不可能采用該種材料，這樣成本過高，此次選用的結(jié)構(gòu)材料為08AL（優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)用鋼），它的塑性非常好，具有優(yōu)良的深拉延特性。通過UG 得到的初始壓潰桿如下圖，但是該結(jié)構(gòu)的設(shè)計沒有考慮到加工工藝的要求，因為若用模具沖壓成型之后，模具將會無法取出。因此，做出了如下的改進。將整體式的結(jié)構(gòu)改成分體式的結(jié)構(gòu)。得到最終的駕駛室中壓潰桿件的設(shè)計圖。經(jīng)過最后的仿真計算，這一部分的厚度確定為0.55mm。壓潰桿初始數(shù)模4.3.2 壓潰桿橫梁數(shù)模的建立壓潰桿橫梁既要與前圍外板連接又要與壓潰桿相連接，因此既要保證工藝要求，又要有足夠的剛度，主要的作用在于當車身受到撞擊時將

54、沖擊載荷傳遞給吸能的壓潰桿，同時又不能讓壓潰桿頂破前圍板。圖4-1 為初始設(shè)計的數(shù)模，該結(jié)構(gòu)雖然能夠起到傳遞載荷的作用，但是占用了一定的空間，使得壓潰桿的有效距離縮短，降低了壓潰桿的作用，而且不易固定，改進為圖4-2 所示的結(jié)構(gòu)。 這一部分的厚度，最終確定為0.8mm。圖4-1 壓潰桿橫梁初始數(shù)模圖4-2 壓潰桿橫梁最終數(shù)模4.4 本章小結(jié)本章簡單介紹了車輛縱向碰撞理想特性及結(jié)構(gòu)設(shè)計的約束條件，并依此設(shè)計碰撞緩沖區(qū)，同時利用UG 完成了數(shù)模。第5章 改進車型的碰撞安全性分析5.1 改進后汽車碰撞仿真結(jié)果5.1.1 車身變形分析從仿真歷程來看，由于緩沖區(qū)的存在，前圍板等組件的剛度適當增加，能夠?qū)?/p>

55、碰撞力傳遞給壓潰桿，壓潰桿因為其適當?shù)膭偠?，在變形吸能的同時將碰撞力傳遞給后面的組件，使后面的組件也能比較早的參與到變形吸能中來。從仿真結(jié)果可以看到碰撞后駕駛室變形(圖5-1 到圖5-6)與車架前端的變形有所緩解，駕乘空間比原車也有所增加，車架碰撞變形后的長度也比原車有所增加。對于非承式車身來說，駕乘空間在很大程度上取決于車架的變形。 5.1.2 速度變化分析圖5-7 是改進車型上底板與駕駛員座椅連接點的速度曲線。改進車型的速度曲線與原車的速度曲線并無明顯差別，衰減到零的時間基本差不多。從50mm 以前曲線形狀來看，新車型的速度曲線可以分成四段近似線性的曲線，曲線上有三個拐點，而原車型此點的速

56、度曲線可以分成五段，近似線性的只有二段，曲線上的拐點有四個。5.1.3 加速度變化分析圖5-8 是改進車型駕駛員在底板上放腳點的加速度曲線，與原車碰撞仿真中的選點是同一個。加速度曲線的最大峰值大約為80g，比原車仿真中些點此時的加速度值減少27g。從整個加速度曲線來看，7ms 時的峰值為37g，比原車降低了約一半，而且到最大峰值之間的曲線也相當平緩，這說明現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)件達到了預期的效果，起到了緩沖吸能的作用，降低了加速度，方案是正確的。在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化便可達到最佳的效果。圖5-8 改進車型的碰撞加速度曲線5.1.4 能量變化對比圖5-9 改進車型的能量吸收曲線前圍組件，緩沖結(jié)構(gòu)，保險杠總成及新

57、的連接件的吸能曲線如圖5-9，有兩個比較明顯的變化。一是開始階段，吸能有所增加，這是因為前圍等組件剛度的適當增加。這部分的剛度增加，本身變形吸能會增加；這部分剛度增加后，會起到把碰撞力往后傳遞的作用，使后面的組件盡早參與到變形吸能中，增加這一階段的總吸能量。二是最后吸能的總量比原車中這些組件多了三分之一左右。緩沖裝置的變形吸收了這部分多出來的能量，從而減少了傳遞給駕乘人員的能量沖擊。5.2 壓潰桿的優(yōu)化從車身模型改進前后的碰撞結(jié)果分析可以看出，改進的設(shè)計起到了預想的作用。但是為了更進一步發(fā)揮其緩沖吸能的作用，本文在不改變車身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對緩沖裝置進行優(yōu)化，使緩沖吸能的效果能達到最佳。 圖5-10 四種形狀的吸能管汽車碰撞過程中，碰撞能量的吸收主要是依靠大量薄壁構(gòu)件的塑性變形。而薄壁構(gòu)件的碰撞吸能大小受到很多方面的影響，除