汽車專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(guó)外引進(jìn)的老車型，這些車型設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有過(guò)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(yàn)在我國(guó)還屬于開(kāi)始階段，關(guān)于貨車的碰撞安全法規(guī)也沒(méi)有出臺(tái)，進(jìn)行大規(guī)模的貨車碰撞試驗(yàn)的條件還不成熟。針對(duì)這一情況，本文在參考大量國(guó)內(nèi)外資料與實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)貨車正面碰撞進(jìn)行虛擬試驗(yàn)研究，并且針對(duì)原始設(shè)計(jì)存在的碰撞安全性缺陷，設(shè)計(jì)了壓潰桿式緩沖吸能裝置，并對(duì)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(jìn)后的駕駛室碰撞安全性有了顯著提高；在此基礎(chǔ)之上，對(duì)不同的緩沖吸能設(shè)計(jì)進(jìn)行了對(duì)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(guó)內(nèi)外汽車碰撞安全法規(guī)概述21.2.1 國(guó)外汽車碰撞安全法規(guī)31.2.2 國(guó)內(nèi)汽車碰撞安全法規(guī)51.3 國(guó)內(nèi)外汽車碰撞分析研究概述61.3.1 國(guó)外研究發(fā)展概況61.3.2 國(guó)內(nèi)研究發(fā)展概況71.4 汽車虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)81.4.1 VPG 簡(jiǎn)介81.4.2 LS-DYNA 簡(jiǎn)介81.5 本文的研究?jī)?nèi)容和工作計(jì)劃8第2章 瞬態(tài)非線性動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)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(wèn)題153.1.2 CAD 建模153.2 CAD 數(shù)據(jù)的改善及導(dǎo)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(jì)264.1 碰撞緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思想及

8、約束條件264.2 結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案設(shè)計(jì)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(jìn)車型的碰撞安全性分析315.1 改進(jìn)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(duì)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(diǎn)416.2 展望41致 謝43參考文獻(xiàn)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(lái)便利與好處的同時(shí)，引發(fā)了大量

9、的交通事故3，給人類的生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)極大的威脅和傷害（圖1-1）。我國(guó)2001年開(kāi)始對(duì)汽車實(shí)施新的強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證制度，在2001年發(fā)布的第一批實(shí)施強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證產(chǎn)品目錄中，明確將汽車碰撞試驗(yàn)列入對(duì)汽車的檢測(cè)之中。從2002年5月1日起，未經(jīng)碰撞試驗(yàn)或經(jīng)碰撞試驗(yàn)不合格的國(guó)外汽車不能進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)汽車未能通過(guò)強(qiáng)制認(rèn)證試驗(yàn)的也不能出廠銷售5。國(guó)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(guó)內(nèi)的大多數(shù)平頭輕型貨車幾乎都是從國(guó)外直接引進(jìn)的老車型，設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有過(guò)多考慮碰撞安全性，緩沖區(qū)間小或沒(méi)有，其耐撞性能相對(duì)長(zhǎng)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(lái)的傷亡和財(cái)產(chǎn)損失占了交通事故很大的比重。雖然我國(guó)加入WTO 后，為了增強(qiáng)和外國(guó)汽車廠家的競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)內(nèi)各汽車廠家和汽車研究所開(kāi)始加大對(duì)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(jī)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(duì)型客車的碰撞安全性研究稍有涉及，但對(duì)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(guó)以其自身的優(yōu)點(diǎn)，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(chǎng)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(huì)各方面的關(guān)注，國(guó)家應(yīng)出臺(tái)相應(yīng)的法

11、規(guī)對(duì)汽車的生產(chǎn)進(jìn)行干預(yù)，廠家應(yīng)該加大對(duì)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(guò)對(duì)某汽車廠生產(chǎn)的歐鈴平頭輕型貨車進(jìn)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(wèn)題，并尋找解決問(wèn)題的方法，改善輕型貨車碰撞安全性。通過(guò)對(duì)本文的研究，能夠在貨車碰撞安全性方面得出一些有指導(dǎo)性的建議，在提高商品競(jìng)爭(zhēng)力的同時(shí)有效保護(hù)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(shí)提高對(duì)駕駛者及乘員的保護(hù)，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(huì)問(wèn)題，減少國(guó)家不必要的巨額財(cái)產(chǎn)損失。1.2 國(guó)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(jì)損失與人員傷亡越來(lái)越嚴(yán)重4。因此，汽車的安全性成了汽車廠商、消費(fèi)者、政府部門等社會(huì)各方面高度關(guān)注的問(wèn)題。公眾強(qiáng)烈要求政府部門采取相應(yīng)措施對(duì)汽車安全問(wèn)題進(jìn)行強(qiáng)制干預(yù)1，各國(guó)的碰撞安全法規(guī)隨之出臺(tái)。1.2.1 國(guó)外汽車碰撞安全法規(guī)目前，世界各汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都制定了相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)法規(guī)，但歸納起來(lái)，所有汽車安全技術(shù)法規(guī)可分為三大體系，即美國(guó)、歐洲和日本技術(shù)法規(guī)體系1。美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全法規(guī)是由美國(guó)聯(lián)邦運(yùn)輸部國(guó)家交通安全局依據(jù)1966 年9 月9 日制定的國(guó)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(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目共有54 項(xiàng)，其中包括防止事故發(fā)生的標(biāo)準(zhǔn)29 項(xiàng)，減輕碰撞事故發(fā)生時(shí)對(duì)乘員的損傷標(biāo)準(zhǔn)21 項(xiàng)，以及發(fā)生事故后的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)4 項(xiàng)，其中各項(xiàng)指標(biāo)均有嚴(yán)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(shì)，具體實(shí)例見(jiàn)美國(guó)馬里蘭州實(shí)施安全法規(guī)前后的統(tǒng)計(jì)，如圖1-2。美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全法規(guī)可以說(shuō)是世界上最完善的法規(guī)體系之一，它從各個(gè)方面規(guī)定了對(duì)車輛乘員、路上行人的保護(hù)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(duì)的碰撞類型是正面碰撞，但發(fā)展的重點(diǎn)是側(cè)面碰撞保護(hù)、行人碰撞保護(hù)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(duì)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(kuò)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(jìn)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(duì)于正面碰撞的要求是當(dāng)車輛以48.3km/h 速度沿縱向向前行駛，撞擊一個(gè)垂直于車輛行駛方向的固定壁障，或者撞擊一個(gè)與車輛行駛方向垂直的線成30角的固定壁障時(shí)，放在每一個(gè)指定的前排外側(cè)座位上的試驗(yàn)假人的響應(yīng)應(yīng)滿足下列要求：Hybrid.假人的傷害標(biāo)準(zhǔn)：a) 在試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)

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(guò)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(guò)程中任一兩個(gè)時(shí)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(shí)間不大于3ms。d) 胸部相對(duì)脊柱的壓縮變形量不超過(guò)76.2mm。e) 沿軸向傳達(dá)到每條大腿的壓力應(yīng)不超過(guò)1012.5kg。歐洲各國(guó)開(kāi)始實(shí)施各自的車輛法規(guī)及車型認(rèn)證制度早于美國(guó)，歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)于1958 年開(kāi)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(guó)統(tǒng)一的法規(guī)，是強(qiáng)

16、制性的，后者由各成員國(guó)任意自選，是非強(qiáng)制性的。目前，ECE 已頒布的法規(guī)有99 項(xiàng)，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(xiàng)，被動(dòng)安全法規(guī)26 項(xiàng),包括車輛的正面碰撞、側(cè)面碰撞、追尾碰撞、翻車時(shí)車身強(qiáng)度及碰撞時(shí)防止火災(zāi)等要求，如R94、R95。歐洲法規(guī)的基本特點(diǎn)是局限于汽車的裝備和部件，因此，ECE 車型認(rèn)證也只有裝備和部件的認(rèn)證而無(wú)整車認(rèn)證。法規(guī)對(duì)各項(xiàng)安全指標(biāo)制定有便于理解和操作的詳細(xì)試驗(yàn)方法，并且要求進(jìn)行的試驗(yàn)次數(shù)也較少3。早在1951 年日本就根據(jù)道路運(yùn)輸車輛法制定了道路車輛安全標(biāo)準(zhǔn)，從時(shí)間上來(lái)說(shuō)要比美國(guó)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(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的優(yōu)點(diǎn)，再結(jié)合自身的特點(diǎn)形成了比較健全的日本道路車輛安全標(biāo)準(zhǔn)體系。與歐美不同的是，由于日本國(guó)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(duì)汽車外部凸物等的規(guī)定特別詳細(xì)5。到1995 年底，日本道路車輛安全標(biāo)準(zhǔn)包含車輛構(gòu)造、置標(biāo)準(zhǔn)共95 條，其中安全標(biāo)準(zhǔn)68 條，試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)88 條，其中安全標(biāo)準(zhǔn)76 條1。1.2.2 國(guó)內(nèi)汽車碰撞安全法規(guī) 由于汽車產(chǎn)品的特殊性，我國(guó)政府對(duì)其實(shí)施的是政府強(qiáng)制認(rèn)證制度1。1999 年10月28 日，原國(guó)家機(jī)械工業(yè)局頒布了我國(guó)第一項(xiàng)汽車技術(shù)法規(guī)CMVDR 294關(guān)于正面碰撞乘員保護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則。到目前為止，已經(jīng)發(fā)布

18、了40 項(xiàng)CMVDR，其中，涉及安全部件的有12 項(xiàng)，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(hù)，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(duì)于按照亞洲人體標(biāo)準(zhǔn)模型設(shè)計(jì)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(duì)于微型車，碰撞試驗(yàn)時(shí)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(guó)目前最嚴(yán)格、最全面的碰撞安全法規(guī)，能夠代表我國(guó)強(qiáng)制

19、性實(shí)施的汽車碰撞性法規(guī)。側(cè)面法規(guī)等正在計(jì)劃與制定中，所以相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)，我國(guó)的汽車碰撞安全法規(guī)還欠完善。我國(guó)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(hù)評(píng)價(jià)方法。當(dāng)然，還有兒童乘員的碰撞保護(hù)問(wèn)題、安全氣囊的作用問(wèn)題等。自2006 年7 月1 日開(kāi)始又有兩項(xiàng)碰撞標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，分別是：“汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)”和“乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求”。另外，還有一項(xiàng)推薦性標(biāo)準(zhǔn)是“乘用車正面偏置碰撞的乘員保護(hù)”，3、5 年后很可能也會(huì)被納入國(guó)標(biāo)當(dāng)中。側(cè)面碰撞試驗(yàn)和追尾碰撞試驗(yàn)的場(chǎng)地要求和車輛準(zhǔn)備與正面碰撞基本相同。側(cè)面碰撞的試驗(yàn)方法是將試驗(yàn)車輛放到臺(tái)車上，臺(tái)車以29km/h 的速度將試驗(yàn)車輛的側(cè)面

20、撞向柱子，撞擊點(diǎn)有嚴(yán)格的要求，柱子直徑為10 英寸；追尾試驗(yàn)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(yàn)車以50km/h 的速度撞擊。1.3 國(guó)內(nèi)外汽車碰撞分析研究概述隨著碰撞法規(guī)的出臺(tái)，及消費(fèi)者對(duì)汽車安全問(wèn)題認(rèn)識(shí)的提高，各大汽車制造商和一些研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始專門研究汽車碰撞安全性問(wèn)題。1.3.1 國(guó)外研究發(fā)展概況較早開(kāi)展汽車碰撞分析研究的是美國(guó)。美國(guó)運(yùn)輸部于1970 年公布了開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)安全車(ESV)的計(jì)劃，一般認(rèn)為，ESV 計(jì)劃的實(shí)施開(kāi)始了汽車安全技術(shù)研究的新時(shí)代4。此計(jì)劃要求開(kāi)發(fā)以80km/h 的速度進(jìn)行正面碰撞時(shí)仍具有高度安全性能的1800kg 級(jí)試驗(yàn)樣車。目的是弄清汽車碰撞時(shí)增加乘員

21、生存的可能性；掌握如何依靠改進(jìn)設(shè)計(jì)來(lái)減少傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的一般規(guī)律；促進(jìn)世界汽車工業(yè)界安全研究；將安全試驗(yàn)車試驗(yàn)研究所得到的技術(shù)資料用于制訂新的安全標(biāo)準(zhǔn)。與些同時(shí)，日本與歐洲對(duì)9001360kg 級(jí)的ESV 進(jìn)行了開(kāi)發(fā)工作3。1970 年11 月日美簽署了“開(kāi)發(fā)ESV 備忘錄”。在日本汽車工業(yè)協(xié)會(huì)中設(shè)立了ESV 分會(huì)，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(xiàng)工作。在歐洲，德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)和意大利等政府也與美國(guó)DOT 簽訂了推進(jìn)ESV 協(xié)議。1973 年美國(guó)DOT 部長(zhǎng)又提出開(kāi)發(fā)1360kg 級(jí)安全研究車(SRV)計(jì)劃。此計(jì)劃提出的技術(shù)要求為80 年代汽車確定了安全目標(biāo)3。ESV

22、計(jì)劃對(duì)提高汽車碰撞性能影響很大，加上RSV 計(jì)劃，使汽車安全性能得到了顯著改善。RSV 計(jì)劃的成果為制訂80 年代后期的安全標(biāo)準(zhǔn)起了重要作用3。19791984 年為德國(guó)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(kāi)展了偏置前碰撞研究，廣泛開(kāi)展真實(shí)的室內(nèi)試驗(yàn)，擴(kuò)展了乘員計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算和有限元方法計(jì)算3。對(duì)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(jì)主要憑工程師的直覺(jué)、經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)方法來(lái)完成1，然后以交通事故的結(jié)果為依據(jù)來(lái)改善汽車的碰撞安全性。這是一個(gè)自然的從實(shí)踐到理論，再?gòu)睦碚摰綄?shí)踐的認(rèn)識(shí)世界改造

23、世界的過(guò)程，盡管有效但周期太長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的要求。為了更快、更好的研究和設(shè)計(jì)汽車的碰撞安全性，人們開(kāi)始系統(tǒng)地開(kāi)展碰撞過(guò)程的理論分析和試驗(yàn)研究。由于碰撞過(guò)程太復(fù)雜，理論分析能提供的幫助非常有限。試驗(yàn)研究方面人們開(kāi)展了碰撞試驗(yàn)技術(shù)的系統(tǒng)性研究，發(fā)明了各種實(shí)車碰撞、臺(tái)車碰撞和零部件碰撞試驗(yàn)技術(shù)與裝置6，建立了試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。由于其直觀性和真實(shí)性，碰撞試驗(yàn)不僅在生產(chǎn)實(shí)際中有力地幫助了汽車碰撞安全性的改進(jìn)和提高，而且還極大地豐富了碰撞理論，為推動(dòng)碰撞安全技術(shù)的進(jìn)步起到了重要作用。雖然實(shí)車試驗(yàn)?zāi)転榕鲎舶踩匝芯刻峁?qiáng)有力的幫助，但是它依賴于實(shí)物，而且是破壞性試驗(yàn)，加上試驗(yàn)所需要的設(shè)備裝置

24、，實(shí)車試驗(yàn)的費(fèi)用是相當(dāng)昂貴的。而且周期長(zhǎng)，可重復(fù)性差，不能解決設(shè)計(jì)人員希望解決的全部問(wèn)題，如真實(shí)的吸能分布等6。于是人們開(kāi)始尋找一種可以局部或全部替代實(shí)車碰撞試驗(yàn)的方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展，汽車碰撞過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，且日益成熟。仿真模型建立得越來(lái)越完善，仿真結(jié)果也越來(lái)越接近實(shí)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(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)特別關(guān)注和重視的高新技術(shù)。1.3.2 國(guó)內(nèi)研究發(fā)展概況我國(guó)對(duì)汽車被動(dòng)安全性進(jìn)行系統(tǒng)研究是從上個(gè)世紀(jì)80 年代后期開(kāi)始的，汽車碰撞研究工作也開(kāi)始于這一時(shí)期。1988 年，吉林工業(yè)大學(xué)和西安公路交通大學(xué)分別建立了“剛體彈塑性彈簧”數(shù)學(xué)模型和“剛體

25、彈簧阻尼”數(shù)學(xué)模型。后者還做了模型碰撞試驗(yàn)，驗(yàn)證其理論模型。次年，吉林工業(yè)大學(xué)李卓森教授和李洪國(guó)教授就計(jì)算機(jī)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(jìn)行了探討。1992 年，清華大學(xué)的于旭光、黃世霖引進(jìn)美國(guó)的CAL3D 軟件，應(yīng)用剛體動(dòng)力學(xué)中的Kane 方法建立了二維人體模型，并對(duì)碰撞事故中安全帶對(duì)人體的保護(hù)作用進(jìn)行了研究。同年，湖南大學(xué)宗子安將DYNA3D 介紹進(jìn)中國(guó)，并用其進(jìn)行了汽車轉(zhuǎn)向盤、假人碰撞的模擬計(jì)算。湖南大學(xué)還應(yīng)用DYNA3D 軟件對(duì)駕駛員與安全帶構(gòu)造了有限元模型并進(jìn)行了碰撞模擬計(jì)算，得出了有價(jià)值的結(jié)論。同時(shí)清華大學(xué)也利用DYNA3D 作了BJ212 車架碰撞模擬計(jì)算，

26、并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)車架進(jìn)行了改進(jìn)12。1.4 汽車虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的作用愈加重要。目前國(guó)內(nèi)外模擬汽車碰撞過(guò)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(jiǎn)介VPG 是ETA 公司開(kāi)發(fā)的以LS-DYNA 為求解，以整車系統(tǒng)為分析對(duì)象，考慮系統(tǒng)中各類非線性因素，以標(biāo)準(zhǔn)路面和車速為負(fù)荷，排除傳統(tǒng)CAE 分析常使用的人為假定，對(duì)整車系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞、全頻率振動(dòng)噪聲分析和數(shù)據(jù)處理及碰撞歷程仿真，達(dá)到在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期即可得到樣車道路實(shí)驗(yàn)結(jié)

27、果的“整車性能預(yù)測(cè)”效果的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。豐富標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)可讓用戶只需很少的時(shí)間即可完成整車仿真。1.4.2 LS-DYNA 簡(jiǎn)介L(zhǎng)S-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(guó)勞倫斯利維莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 J.Q.Hallquist博士主持開(kāi)發(fā)8，時(shí)間積分采用中心差分格式，當(dāng)時(shí)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(dòng)力響應(yīng)，是北約組織武器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dá)國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)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(jì)、爆炸過(guò)程、高速?gòu)椡鑼?duì)板靶的穿甲模擬、生物醫(yī)學(xué)工程、機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)分析等9。1.5 本文的研究?jī)?nèi)容和工作計(jì)劃本學(xué)位論文結(jié)合山東省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“輕型載貨汽車車身關(guān)鍵技術(shù)的研究”，對(duì)平頭輕型貨車的碰撞安全性進(jìn)行研究與提高。針對(duì)課題的研究任務(wù)和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本論文積極吸收相關(guān)學(xué)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(duì)正面碰撞進(jìn)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(duì)點(diǎn)云

29、進(jìn)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(guó)內(nèi)相關(guān)汽車安全標(biāo)準(zhǔn)，建立輕型貨車與剛性墻正面碰的撞模型，對(duì)平頭輕型貨車進(jìn)行正面碰撞仿真，并對(duì)所得結(jié)果進(jìn)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(wèn)題，提出改進(jìn)方案，并對(duì)改進(jìn)后的平頭輕型貨車在相同的控制參數(shù)下進(jìn)行碰撞仿真，對(duì)比改進(jìn)前后的仿真結(jié)果。 第2章 瞬態(tài)非線性動(dòng)力學(xué)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(lái)求解數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算方法。眾所周知，由于一些物理問(wèn)題的微分方程求解困難，以致長(zhǎng)期以來(lái)在彈性力學(xué)，結(jié)構(gòu)力學(xué)，以及其他連續(xù)體力學(xué)方面的問(wèn)題只能解決一些嚴(yán)格理想化的情況，

30、而有限元法對(duì)于分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)或者多自由度系統(tǒng)來(lái)說(shuō)卻是一種有效的方法。1965 年，為了分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)問(wèn)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(xué)和工程問(wèn)題方面顯示了巨大的潛力。近年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)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(xué)平面問(wèn)題擴(kuò)展到了空間問(wèn)題、板殼問(wèn)題；從靜力平衡問(wèn)題發(fā)展到塑性、粘性、粘塑性和復(fù)合材料等；從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)、振動(dòng)學(xué)等連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域。實(shí)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(rèn)為是工程分析中最強(qiáng)有力和最通用的計(jì)算方法。其應(yīng)用范圍很廣，并且由于實(shí)踐

31、性強(qiáng)而具有強(qiáng)大的生命力。利用有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，實(shí)質(zhì)上也是一種“電子計(jì)算機(jī)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)”，它不僅使過(guò)去無(wú)法進(jìn)行運(yùn)算的課題得到數(shù)值解，并且逐漸代替某些成本高、時(shí)間長(zhǎng)的常規(guī)試驗(yàn)。2.2 有限元法的基本原理有限元法是運(yùn)用離散的概念，假想把連續(xù)體分割成有限個(gè)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(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。各單元之間沿周邊本來(lái)是整體相連的，現(xiàn)在認(rèn)為它們彼此只在節(jié)點(diǎn)處相連，取節(jié)點(diǎn)處的位移作為基本未知量。這樣，就把原來(lái)是無(wú)限多個(gè)自由度的體系簡(jiǎn)化成有限多個(gè)自由度的體系了，這個(gè)過(guò)程就稱為連續(xù)體的有限元離散化。一個(gè)連續(xù)體通過(guò)有限元離散后就變成一個(gè)離散體，它是和真實(shí)結(jié)構(gòu)近似的

32、一個(gè)力學(xué)模型，而整個(gè)的數(shù)值計(jì)算就是在這個(gè)離散化的模型上進(jìn)行的。在每一個(gè)單元內(nèi)運(yùn)用變分法，即利用與原問(wèn)題中微分方程相等價(jià)的變分原理來(lái)進(jìn)行推導(dǎo)，從而使原問(wèn)題的微分方程組轉(zhuǎn)化為代數(shù)聯(lián)立方程組，使問(wèn)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(gè)動(dòng)態(tài)的大位移和大變形的過(guò)程，接觸狀態(tài)和高速?zèng)_擊載荷都影響著碰撞的全過(guò)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(guò)彈性極限，但是位移大，材料線元素有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)應(yīng)該考慮變形對(duì)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(shí)應(yīng)變表達(dá)式也應(yīng)包括位移的二次項(xiàng)。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(dòng)引起的非線性問(wèn)題稱為幾何非線性問(wèn)題。還有另一類幾何非線性問(wèn)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(shí)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(wèn)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(dá)格式。第一種格式中所有靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)變量總是參考于初始構(gòu)形，即在整個(gè)分析過(guò)程中參考構(gòu)形保持不變，這種格式稱為完全的Lagrange 格式，簡(jiǎn)稱T.L.法。另一種格式中所有靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的變量參考于每一載荷

34、或時(shí)間步長(zhǎng)開(kāi)始時(shí)的構(gòu)形，即在分析過(guò)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(jiǎn)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(guò)程中，結(jié)構(gòu)在碰撞力的作用下發(fā)生大的變形，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限時(shí)，就會(huì)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(jì)算要解決兩個(gè)基本問(wèn)題：1. 材料在什么樣的條件下開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形；2. 材料在塑性變形過(guò)程中應(yīng)遵循什么樣的規(guī)律；第一個(gè)問(wèn)題涉及到材料的屈服準(zhǔn)則，而第二個(gè)問(wèn)題涉及到材料的流動(dòng)法則。（一） 初始屈服準(zhǔn)則工程上常用兩種屈服準(zhǔn)則：

35、Von Mises 條件和 Tresca 條件。Von Mises 條件材料的形狀應(yīng)變能達(dá)到一定數(shù)值時(shí)開(kāi)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(dá)到一定數(shù)值時(shí)開(kāi)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(gè)屈服條件相比，Tresca 條件趨于安全，但在棱邊處的導(dǎo)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(dòng)法則材料在進(jìn)入塑性階段后，應(yīng)力與應(yīng)變之間沒(méi)有一一對(duì)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(shí)驗(yàn)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(xué)的基本法則導(dǎo)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(fù)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(wú)例外的都采用增量分析，但

37、是計(jì)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(wèn)題，是一種典型的非線性問(wèn)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(wèn)題屬于不定邊界問(wèn)題，即使是簡(jiǎn)單的彈性接觸問(wèn)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(duì)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(wú)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(duì)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(wèn)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(diǎn)，出現(xiàn)了一些改進(jìn)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(wú)穿透的約束條件。罰函數(shù)方法沒(méi)有引入新的未知量，簡(jiǎn)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(huì)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(duì)每個(gè)約束引入一個(gè)因變量，必然導(dǎo)致大量的未知量，計(jì)算費(fèi)用增加；同時(shí)，如果兩個(gè)物體分離時(shí)，接觸力為零，物體發(fā)生剛體位移，系統(tǒng)平衡方程奇異，無(wú)法求解。罰函數(shù)法

39、簡(jiǎn)單，并與顯示算法完全相容，但在引入接觸點(diǎn)的穿透時(shí)，會(huì)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(shí)采用罰函數(shù)法，在閉合粘式接觸時(shí)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(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 汽車碰撞過(guò)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(shí)間域離散技術(shù)?？臻g域的不同離散方法對(duì)應(yīng)著不同的有限單元類型，時(shí)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(jiǎn)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(duì)LSDYNA 軟件的顯示時(shí)間積分理論進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，闡述了輕型車碰撞仿真虛擬試驗(yàn)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(wèn)題 一輛完整的汽車是由幾萬(wàn)個(gè)零部件組裝而成的，在建模前必須對(duì)這些零部件進(jìn)行篩選和簡(jiǎn)化，分析哪些結(jié)構(gòu)件對(duì)碰撞項(xiàng)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(méi)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(duì)結(jié)果影響較大的構(gòu)件：前圍，前底縱梁等，對(duì)這些部件應(yīng)該進(jìn)行精確建模；對(duì)結(jié)果影響不大的部件如：發(fā)動(dòng)機(jī)，車箱等部分，主要依據(jù)其外形

41、幾何形狀進(jìn)行建模。對(duì)于篩選出的部件也存在一個(gè)簡(jiǎn)化的問(wèn)題，構(gòu)件的細(xì)節(jié)如小孔、臺(tái)階、小倒角等，一方面會(huì)增加CAD 建模的難度，另一方面，更重要的是在進(jìn)行計(jì)算仿真時(shí)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的急劇增加，并會(huì)使有限元模型的單元質(zhì)量變差，從而降低計(jì)算精度。這些細(xì)節(jié)中有的可以加強(qiáng)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(qiáng)和減弱會(huì)對(duì)載荷和變形的傳遞路徑產(chǎn)生干擾，進(jìn)而影響整體結(jié)構(gòu)的變形；有的僅僅起到定位作用，而對(duì)整體的剛度和強(qiáng)度毫無(wú)影響。在建立CAD 模型前，應(yīng)認(rèn)真分析這些細(xì)節(jié)，將不必要的細(xì)節(jié)忽略掉。3.1.2 CAD 建模雖然有實(shí)車，但沒(méi)有詳細(xì)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，所以汽車CAD 數(shù)模只能通過(guò)利用實(shí)驗(yàn)室具有的

42、條件對(duì)實(shí)車進(jìn)行逆向工程來(lái)得到。車身CAD中逆向工程技術(shù)的應(yīng)用，主要是對(duì)車身零部件曲面的造型與車身實(shí)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(shí)體模型的制作。對(duì)于數(shù)據(jù)的獲取，本文是應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室里的非接觸式光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器ATOS 對(duì)白車身進(jìn)行測(cè)量得到的。并利用本身自帶的軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，剔除不好的噪聲點(diǎn)、精簡(jiǎn)點(diǎn)云數(shù)量等。對(duì)所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，以免數(shù)據(jù)太大而導(dǎo)致計(jì)算緩慢，最好將一個(gè)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(duì)點(diǎn)云進(jìn)行反求以建立車身曲面模型。3.2 CAD 數(shù)據(jù)的改善及導(dǎo)入 在將CAD 數(shù)據(jù)導(dǎo)入VPG 中前，先對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化與修改，使其適合有限元分析。一些構(gòu)件的細(xì)節(jié)如小孔、臺(tái)階、小倒角等，一方面會(huì)增加網(wǎng)格劃分的難度，會(huì)使有限元模型的單元質(zhì)量變差，從而降低計(jì)算精度。另一方面，更重要的是在進(jìn)行計(jì)算仿真時(shí)會(huì)導(dǎo)致時(shí)間積分步長(zhǎng)的減小，從而計(jì)算時(shí)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(guò)VPG 軟件的IGES 格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入零件幾何外形，利用其線和面進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。這種建模方法的優(yōu)點(diǎn)是可以避免重復(fù)的對(duì)現(xiàn)有CAD 模型的勞動(dòng)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(shí)，采用的是統(tǒng)一的空間坐標(biāo)，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(diǎn)，那就是在從CAD 系統(tǒng)向CAE 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，會(huì)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(duì)于被損壞的模型，可利用VPG 里的CAD 功能進(jìn)行簡(jiǎn)單修補(bǔ)。同時(shí)，對(duì)一些影響網(wǎng)格劃分的一些細(xì)小特征，如小孔或小圓（倒）角等要進(jìn)行修改，這些工作在模型的建立過(guò)程中要占用大部分的時(shí)間9。3.3 有限元模型的建立 整車建模不僅復(fù)雜，而且工作量巨大。建模

45、前必須對(duì)整車結(jié)構(gòu)與特征進(jìn)行分析、分解，才能達(dá)到既簡(jiǎn)化又準(zhǔn)確建模的目的。建模過(guò)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(zhǔn)確的接觸及聯(lián)接；以及最后對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的控制是很重要的。仿真的精度及準(zhǔn)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(guò)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(guò)LS-DYNA 的計(jì)算，我們對(duì)仿真結(jié)果從車身變形、加速度及能量吸收等各方面進(jìn)行分析，從而對(duì)本車型的碰撞安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。3.4.1 車身變形分析 碰撞開(kāi)始后，保險(xiǎn)杠先與剛性墻接觸發(fā)生碰撞，7ms 時(shí)前圍板參與碰撞與剛性開(kāi)始?jí)佑|

46、，前圍板與底板前部開(kāi)始變形，10ms 左右保險(xiǎn)杠內(nèi)側(cè)的組件開(kāi)始變形，15ms 時(shí)保險(xiǎn)杠總成與車架之間的連接件開(kāi)始變形，20ms 時(shí)門框與前圍板之間的三角連接件開(kāi)始明顯變形，而且后面的部分也開(kāi)始參與變形，32ms 時(shí)車架開(kāi)始撞上剛性墻，駕駛室前部變形已很嚴(yán)重，門框開(kāi)始有所變形，但還沒(méi)有撞上剛性墻，40ms 時(shí)車架前端折鄒變形明顯，門框開(kāi)始撞上剛性墻，58ms 時(shí)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(kāi)始變形，車架后端也開(kāi)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(xiǎn)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(yán)重壓縮(如圖21-圖26)。碰撞前駕駛室長(zhǎng)度為1555.8mm，碰撞后的長(zhǎng)度為1200mm，壓縮量為355.8mm。汽車前部變形比較嚴(yán)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(shí)，汽車車身前部受到猛烈的撞擊，沖擊能量很大，在極短的時(shí)間內(nèi)動(dòng)量變化迅速，形成瞬時(shí)數(shù)值極高的沖擊力，車身前部受此沖擊力作用，在碰撞時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)材料的屈服應(yīng)力而發(fā)生較大的塑性變形，同時(shí)將大部分沖擊能量吸收掉，使汽車動(dòng)能降低。汽車在碰撞發(fā)生過(guò)程中沖擊力從前部傳到后部有一個(gè)時(shí)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(méi)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(diǎn)的速度曲線駕駛員座椅與底板連接點(diǎn)的速度曲線分別是前圍板上某點(diǎn)與駕駛員座椅與底板連接點(diǎn)的速度曲線圖。從兩圖中曲線變化趨勢(shì)看，車身前圍與駕駛員座椅與底板連接點(diǎn)的速度都在衰減，前圍上的點(diǎn)的衰減速度要比后部的衰減速度要快。經(jīng)過(guò)很短的一陣波動(dòng)，在約20ms 時(shí)速度就為減0，而后點(diǎn)的速度在經(jīng)過(guò)約90ms 后才逐漸變?yōu)?，可以看出隨著選點(diǎn)的后移，其速度衰減趨勢(shì)減緩。從這里可以看出經(jīng)過(guò)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(diǎn)的加速度曲線駕駛員座椅與地板連接點(diǎn)的加速度曲線3.4.4 能量變化分析系統(tǒng)動(dòng)能內(nèi)能變化曲線從圖中可以

49、看出，系統(tǒng)動(dòng)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(shí)動(dòng)能因被轉(zhuǎn)化而減少，減少的動(dòng)能與增加的內(nèi)能基本保持同步，在峰值的一點(diǎn)差距是由于部分動(dòng)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(xiǎn)杠總成和保險(xiǎn)杠車架連接件共同吸收的能量曲線。在開(kāi)始階段，能量的吸收很小，這是因?yàn)榍皣寮氨ｋU(xiǎn)杠總成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且剛度太??；它們的變形屬于簡(jiǎn)單變形，吸收的能量太?。磺也荒馨雅鲎擦鬟f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(duì)輕型貨車的碰撞安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。第4章 平頭輕型貨車碰撞緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 碰撞緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思想及約束條件汽車碰撞安全性問(wèn)題自汽車誕生以來(lái)就存在，但在早期由于車速較低，車輛相對(duì)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(wèn)題變得越來(lái)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(dāng)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(duì)減少人

51、體損傷有重要的意義，合理設(shè)計(jì)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(jìn)方案設(shè)計(jì)基于上述碰撞緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思想及約束條件，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖4-2。 由圖可見(jiàn)，改進(jìn)后的前圍外板較原來(lái)的前圍外板最下端向前移動(dòng)40mm,同時(shí)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(xiǎn)杠位置在改進(jìn)前后沒(méi)有變動(dòng)，保險(xiǎn)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(duì)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(jì)的基本思想及約束條件，通過(guò)局部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來(lái)加強(qiáng)整車碰撞安全性受到很多條件的制約，改進(jìn)設(shè)計(jì)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(duì)原車的影響。為最后設(shè)計(jì)好的緩沖區(qū)的整體結(jié)構(gòu)，緩沖區(qū)總體長(zhǎng)度為140mm，該結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，證明在一定程度上的確能夠起到保護(hù)駕駛室的作用。因?yàn)樗軌蛴行У匚諄?lái)自前面撞擊所產(chǎn)生的能量，當(dāng)貨車發(fā)生正面碰撞時(shí)，運(yùn)動(dòng)急劇停止，緩沖區(qū)便增加了緩沖的距離，不至于人體與堅(jiān)硬物接觸，而產(chǎn)生嚴(yán)重傷亡事故，從而達(dá)到設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)仿照蓮花公司為Elise 運(yùn)動(dòng)轎車研制的塑料復(fù)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(fù)原狀，但由于考慮到經(jīng)濟(jì)性的需要，并不可能采用該種材料，這樣成本過(guò)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(guò)UG 得到的初始?jí)簼U如下圖，但是該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮到加工工藝的要求，因?yàn)槿粲媚＞邲_壓成型之后，模具將會(huì)無(wú)法取出。因此，做出了如下的改進(jìn)。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(jì)圖。經(jīng)過(guò)最后的仿真計(jì)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(dāng)車身受到撞擊時(shí)將

54、沖擊載荷傳遞給吸能的壓潰桿，同時(shí)又不能讓壓潰桿頂破前圍板。圖4-1 為初始設(shè)計(jì)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(jìn)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(jiǎn)單介紹了車輛縱向碰撞理想特性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的約束條件，并依此設(shè)計(jì)碰撞緩沖區(qū)，同時(shí)利用UG 完成了數(shù)模。第5章 改進(jìn)車型的碰撞安全性分析5.1 改進(jìn)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(lái)看，由于緩沖區(qū)的存在，前圍板等組件的剛度適當(dāng)增加，能夠?qū)?/p>

55、碰撞力傳遞給壓潰桿，壓潰桿因?yàn)槠溥m當(dāng)?shù)膭偠?，在變形吸能的同時(shí)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(lái)。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(zhǎng)度也比原車有所增加。對(duì)于非承式車身來(lái)說(shuō)，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(jìn)車型上底板與駕駛員座椅連接點(diǎn)的速度曲線。改進(jìn)車型的速度曲線與原車的速度曲線并無(wú)明顯差別，衰減到零的時(shí)間基本差不多。從50mm 以前曲線形狀來(lái)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(gè)拐點(diǎn)，而原車型此點(diǎn)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(diǎn)有四個(gè)。5.1.3 加速度變化分析圖5-8 是改進(jìn)車型駕駛員在底板上放腳點(diǎn)的加速度曲線，與原車碰撞仿真中的選點(diǎn)是同一個(gè)。加速度曲線的最大峰值大約為80g，比原車仿真中些點(diǎn)此時(shí)的加速度值減少27g。從整個(gè)加速度曲線來(lái)看，7ms 時(shí)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(dāng)平緩，這說(shuō)明現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)件達(dá)到了預(yù)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(jìn)行優(yōu)化便可達(dá)到最佳的效果。圖5-8 改進(jìn)車型的碰撞加速度曲線5.1.4 能量變化對(duì)比圖5-9 改進(jìn)車型的能量吸收曲線前圍組件，緩沖結(jié)構(gòu)，保險(xiǎn)杠總成及新

57、的連接件的吸能曲線如圖5-9，有兩個(gè)比較明顯的變化。一是開(kāi)始階段，吸能有所增加，這是因?yàn)榍皣冉M件剛度的適當(dāng)增加。這部分的剛度增加，本身變形吸能會(huì)增加；這部分剛度增加后，會(huì)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(lái)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(jìn)前后的碰撞結(jié)果分析可以看出，改進(jìn)的設(shè)計(jì)起到了預(yù)想的作用。但是為了更進(jìn)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(duì)緩沖裝置進(jìn)行優(yōu)化，使緩沖吸能的效果能達(dá)到最佳。 圖5-10 四種形狀的吸能管汽車碰撞過(guò)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