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摘 要平头轻型载货汽车大多是由国外引进的老车型，这些车型设计时并没有过多考虑其碰撞安全性，因此在碰撞安全性方面存在先天不足，缓冲吸能区间小，碰撞安全性能差。由于货车碰撞试验在我国还属于开始阶段，关于货车的碰撞安全法规也没有出台，进行大规模的货车碰撞试验的条件还不成熟。针对这一情况，本文在参考大量国内外资料与实验的基础上，对货车正面碰撞进行虚拟试验研究，并且针对原始设计存在的碰撞安全性缺陷，设计了压溃杆式缓冲吸能装置，并对平头驾驶室局部结构做了相应改造，虚拟碰撞结果表明改进后的驾驶室碰撞安全性有了显著提高；在此基础之上，对不同的缓冲吸能设计进行了对比研究和优选。全套图纸，加153893706关键词：平头轻型货车，碰撞安全性，正面碰撞，缓冲吸能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 deficiency.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 of 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 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 impact, energy-absorption capability45目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1课题的背景与意义21.1.1 背景21.1.2 意义21.2 国内外汽车碰撞安全法规概述21.2.1 国外汽车碰撞安全法规31.2.2 国内汽车碰撞安全法规51.3 国内外汽车碰撞分析研究概述61.3.1 国外研究发展概况61.3.2 国内研究发展概况71.4 汽车虚拟试验场技术81.4.1 VPG 简介81.4.2 LS-DYNA 简介81.5 本文的研究内容和工作计划8第2章 瞬态非线性动力学分析方法102.1 有限元法的发展及应用102.2 有限元法的基本原理102.3 非线性有限元基本理论112.3.1 几何非线性112.3.2 材料非线性112.3.3 接触非线性132.4 LS-DYNA 非线性动力学基础132.5 本章小结14第3章 平头轻型货车的碰撞安全性分析153.1 CAD 建模153.1.1 CAD 建模应注意的问题153.1.2 CAD 建模153.2 CAD 数据的改善及导入163.3 有限元模型的建立163.4 结果分析173.4.1 车身变形分析173.4.2 速度变化分析203.4.3 加速度变化分析223.4.4 能量变化分析243.5 本章小结25第4章 平头轻型货车碰撞缓冲结构设计264.1 碰撞缓冲区结构设计的基本思想及约束条件264.2 结构的改进方案设计264.3 碰撞缓冲区整体结构的构建284.3.1 压溃杆数模的建立284.3.2 压溃杆横梁数模的建立294.4 本章小结30第5章 改进车型的碰撞安全性分析315.1 改进后汽车碰撞仿真结果315.1.1 车身变形分析315.1.2 速度变化分析335.1.3 加速度变化分析335.1.4 能量变化对比355.2 压溃杆的优化355.3 本章小结40第6章 总结与展望416.1 总结416.1.1本文的创新点416.2 展望41致 谢43参考文献44附录145附录248第1章 绪论汽车作为现代化的交通工具，在给人们的生活带来便利与好处的同时，引发了大量的交通事故3，给人类的生命和财产带来极大的威胁和伤害（图1-1）。我国2001年开始对汽车实施新的强制性产品认证制度，在2001年发布的第一批实施强制性产品认证产品目录中，明确将汽车碰撞试验列入对汽车的检测之中。从2002年5月1日起，未经碰撞试验或经碰撞试验不合格的国外汽车不能进入我国市场，国产汽车未能通过强制认证试验的也不能出厂销售5。国内各生产厂商纷纷提高在汽车碰撞安全性方面的投资。1.1课题的背景与意义1.1.1 背景 国内的大多数平头轻型货车几乎都是从国外直接引进的老车型，设计时没有过多考虑碰撞安全性，缓冲区间小或没有，其耐撞性能相对长头、短头轻型货车而言就差得多。在每年的交通事故中，平头轻型货车事故率高、事故伤害大，其事故带来的伤亡和财产损失占了交通事故很大的比重。虽然我国加入WTO 后，为了增强和外国汽车厂家的竞争，国内各汽车厂家和汽车研究所开始加大对汽车碰撞安全性的研究，但不同类型的车辆受到的重视程度也不同。各大汽车制造商和研究机构关于汽车碰撞安全性的研究主要集中在轿车方面 , 对型客车的碰撞安全性研究稍有涉及，但对货车的碰撞安全性研究非常少。不可忽视的是，平头轻型货车在我国以其自身的优点，受到广大用户的青睐，成为轻型货车中的主力军，在轻型货车的市场中占有不小的份额。平头轻型货车碰撞安全性能不足、技术投入少但是用户广泛，已经引起了社会各方面的关注，国家应出台相应的法规对汽车的生产进行干预，厂家应该加大对轻型货车碰撞安全性的研发力度与投资比例。1.1.2 意义通过对某汽车厂生产的欧铃平头轻型货车进行正面碰撞仿真分析，探讨轻型载货汽车在碰撞安全性方面存在的一些问题，并寻找解决问题的方法，改善轻型货车碰撞安全性。通过对本文的研究，能够在货车碰撞安全性方面得出一些有指导性的建议，在提高商品竞争力的同时有效保护驾驶员及乘员的人身安全，能够做到“车毁人不亡”1。在发生事故时提高对驾驶者及乘员的保护，从而有效抑止残疾人口数目上升和减少家庭不幸等诸多社会问题，减少国家不必要的巨额财产损失。1.2 国内外汽车碰撞安全法规概述 随着二战后汽车工业的持续发展，汽车保有量的不断增加，车速的不断提高，道路交通事故发生率不断上升，造成的经济损失与人员伤亡越来越严重4。因此，汽车的安全性成了汽车厂商、消费者、政府部门等社会各方面高度关注的问题。公众强烈要求政府部门采取相应措施对汽车安全问题进行强制干预1，各国的碰撞安全法规随之出台。1.2.1 国外汽车碰撞安全法规目前，世界各汽车工业发达国家都制定了相应的安全标准和技术法规，但归纳起来，所有汽车安全技术法规可分为三大体系，即美国、欧洲和日本技术法规体系1。美国联邦机动车安全法规是由美国联邦运输部国家交通安全局依据1966 年9 月9 日制定的国家交通及汽车安全法组织制定的，其目的是减少汽车交通事故及减轻汽车碰撞事故中的伤害程度。到1996 年12 月31 日止，该法规制定和实施的标准项目共有54 项，其中包括防止事故发生的标准29 项，减轻碰撞事故发生时对乘员的损伤标准21 项，以及发生事故后的防护标准4 项，其中各项指标均有严格要求。FMVSS 系列法规颁布后，虽然汽车保有量在继续增加，但汽车交通事故死亡人数或死亡率反而呈下降趋势，具体实例见美国马里兰州实施安全法规前后的统计，如图1-2。美国联邦机动车安全法规可以说是世界上最完善的法规体系之一，它从各个方面规定了对车辆乘员、路上行人的保护及车辆应该具有避免事故的性能。该法规目前主要针对的碰撞类型是正面碰撞，但发展的重点是侧面碰撞保护、行人碰撞保护以及货车和多用途客车的安全性及车辆稳定性等。FMVSS 系列法规主要是针对轿车而制定的，但为了保证所有汽车乘员最低限度的安全性，NHTSA 提出各种客车都必须源用轿车法规这一方针，并逐步将轿车法规的适用范围扩大到轻型载货汽车、多用途客车等车型上1。本文主要参照FMVSS208 进行碰撞分析，它适用于轿车，多用途乘客车，载货汽车和客车。其对于正面碰撞的要求是当车辆以48.3km/h 速度沿纵向向前行驶，撞击一个垂直于车辆行驶方向的固定壁障，或者撞击一个与车辆行驶方向垂直的线成30角的固定壁障时，放在每一个指定的前排外侧座位上的试验假人的响应应满足下列要求：Hybrid.假人的伤害标准：a) 在试验过程中试验假人的所有部分自始至终应包含在车厢内。b) 按下式求出的头部重心的合成加速度值应不超过1000。式中HIC-Head Injury Criterion，a-合成加速度，以g(重力加速度)的倍数表示；1 t ， 2 t 碰撞过程中任一两个时刻，其间隔不大于36ms。c) 胸部合成加速度应不大于60g，但持续时间不大于3ms。d) 胸部相对脊柱的压缩变形量不超过76.2mm。e) 沿轴向传达到每条大腿的压力应不超过1012.5kg。欧洲各国开始实施各自的车辆法规及车型认证制度早于美国，欧洲经济委员会于1958 年开始制定统一的汽车法规，分为EEC 指令和ECE 法规。前者作为成员国统一的法规，是强制性的，后者由各成员国任意自选，是非强制性的。目前，ECE 已颁布的法规有99 项，涉及汽车的安全、环保及节能等领域，安全方面的法规占81 项，被动安全法规26 项,包括车辆的正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞、翻车时车身强度及碰撞时防止火灾等要求，如R94、R95。欧洲法规的基本特点是局限于汽车的装备和部件，因此，ECE 车型认证也只有装备和部件的认证而无整车认证。法规对各项安全指标制定有便于理解和操作的详细试验方法，并且要求进行的试验次数也较少3。早在1951 年日本就根据道路运输车辆法制定了道路车辆安全标准，从时间上来说要比美国和欧洲早。但随着汽车工业的发展，日本又充分吸收FMVSS 系列法规和ECE 法规等标准法规的优点，再结合自身的特点形成了比较健全的日本道路车辆安全标准体系。与欧美不同的是，由于日本国土狭窄，所以日本道路交通车辆法规特别重视汽车与行人及摩托车之间的碰撞安全，对汽车外部凸物等的规定特别详细5。到1995 年底，日本道路车辆安全标准包含车辆构造、置标准共95 条，其中安全标准68 条，试验方法标准88 条，其中安全标准76 条1。1.2.2 国内汽车碰撞安全法规 由于汽车产品的特殊性，我国政府对其实施的是政府强制认证制度1。1999 年10月28 日，原国家机械工业局颁布了我国第一项汽车技术法规CMVDR 294关于正面碰撞乘员保护的设计规则。到目前为止，已经发布了40 项CMVDR，其中，涉及安全部件的有12 项，涉及整车碰撞的技术法规只颁布了正面碰撞乘员保护，即CMVDR294。CMVDR 294 的适用范围是新上目录的M1 类基本车型。CMVDR 294 等效采用了欧洲1995 年颁布的ECE R94.00，但将30。斜角碰撞改为0正面碰撞。另外，考虑到亚洲成年人体型分布与欧美成年人体型分布的差异，对于按照亚洲人体标准模型设计的车辆，等效采用了日本法规中前排座椅的调整方式：对于微型车，碰撞试验时允许前排座椅后移，以保证Hybrid 型50 百分位男性假人正确的坐姿1。CMVDR 294 法规是我国目前最严格、最全面的碰撞安全法规，能够代表我国强制性实施的汽车碰撞性法规。侧面法规等正在计划与制定中，所以相对于发达国家来说，我国的汽车碰撞安全法规还欠完善。我国目前尚未建立汽车与行人、骑自行车或摩托车者的碰撞保护评价方法。当然，还有儿童乘员的碰撞保护问题、安全气囊的作用问题等。自2006 年7 月1 日开始又有两项碰撞标准实施，分别是：“汽车侧面碰撞的乘员保护”和“乘用车后碰撞燃油系统安全要求”。另外，还有一项推荐性标准是“乘用车正面偏置碰撞的乘员保护”，3、5 年后很可能也会被纳入国标当中。侧面碰撞试验和追尾碰撞试验的场地要求和车辆准备与正面碰撞基本相同。侧面碰撞的试验方法是将试验车辆放到台车上，台车以29km/h 的速度将试验车辆的侧面撞向柱子，撞击点有严格的要求，柱子直径为10 英寸；追尾试验中的碰撞物体是固定在壁障上的模拟卡车尾部的支架，试验车以50km/h 的速度撞击。1.3 国内外汽车碰撞分析研究概述随着碰撞法规的出台，及消费者对汽车安全问题认识的提高，各大汽车制造商和一些研究机构开始专门研究汽车碰撞安全性问题。1.3.1 国外研究发展概况较早开展汽车碰撞分析研究的是美国。美国运输部于1970 年公布了开发实验安全车(ESV)的计划，一般认为，ESV 计划的实施开始了汽车安全技术研究的新时代4。此计划要求开发以80km/h 的速度进行正面碰撞时仍具有高度安全性能的1800kg 级试验样车。目的是弄清汽车碰撞时增加乘员生存的可能性；掌握如何依靠改进设计来减少伤亡和经济损失的一般规律；促进世界汽车工业界安全研究；将安全试验车试验研究所得到的技术资料用于制订新的安全标准。与些同时，日本与欧洲对9001360kg 级的ESV 进行了开发工作3。1970 年11 月日美签署了“开发ESV 备忘录”。在日本汽车工业协会中设立了ESV 分会，制订了日本ESV 规范。丰田、日产和本田等公司参加了这项工作。在欧洲，德国、英国、法国和意大利等政府也与美国DOT 签订了推进ESV 协议。1973 年美国DOT 部长又提出开发1360kg 级安全研究车(SRV)计划。此计划提出的技术要求为80 年代汽车确定了安全目标3。ESV 计划对提高汽车碰撞性能影响很大，加上RSV 计划，使汽车安全性能得到了显著改善。RSV 计划的成果为制订80 年代后期的安全标准起了重要作用3。19791984 年为德国约束系统发展的里程碑。奔驰公司首先向顾客提供了气囊和安全带张紧器3。19841989 年，欧洲开展了偏置前碰撞研究，广泛开展真实的室内试验，扩展了乘员计算机模拟计算和有限元方法计算3。对于汽车碰撞安全性的研究手段也随着碰撞安全性研究的不断深入和需要而提高。早期的汽车碰撞安全性设计主要凭工程师的直觉、经验和试验方法来完成1，然后以交通事故的结果为依据来改善汽车的碰撞安全性。这是一个自然的从实践到理论，再从理论到实践的认识世界改造世界的过程，尽管有效但周期太长，远远满足不了社会经济快速发展的要求。为了更快、更好的研究和设计汽车的碰撞安全性，人们开始系统地开展碰撞过程的理论分析和试验研究。由于碰撞过程太复杂，理论分析能提供的帮助非常有限。试验研究方面人们开展了碰撞试验技术的系统性研究，发明了各种实车碰撞、台车碰撞和零部件碰撞试验技术与装置6，建立了试验标准和规范。由于其直观性和真实性，碰撞试验不仅在生产实际中有力地帮助了汽车碰撞安全性的改进和提高，而且还极大地丰富了碰撞理论，为推动碰撞安全技术的进步起到了重要作用。虽然实车试验能为碰撞安全性研究提供强有力的帮助，但是它依赖于实物，而且是破坏性试验，加上试验所需要的设备装置，实车试验的费用是相当昂贵的。而且周期长，可重复性差，不能解决设计人员希望解决的全部问题，如真实的吸能分布等6。于是人们开始寻找一种可以局部或全部替代实车碰撞试验的方法。随着计算机技术和计算方法的发展，汽车碰撞过程的计算机仿真技术应运而生，且日益成熟。仿真模型建立得越来越完善，仿真结果也越来越接近实际碰撞结果。汽车碰撞仿真技术现已成为各大汽车研究与开发机构特别关注和重视的高新技术。1.3.2 国内研究发展概况我国对汽车被动安全性进行系统研究是从上个世纪80 年代后期开始的，汽车碰撞研究工作也开始于这一时期。1988 年，吉林工业大学和西安公路交通大学分别建立了“刚体弹塑性弹簧”数学模型和“刚体弹簧阻尼”数学模型。后者还做了模型碰撞试验，验证其理论模型。次年，吉林工业大学李卓森教授和李洪国教授就计算机模拟中所需的汽车碰撞刚度和汽车正面碰撞方程式等方面进行了探讨。1992 年，清华大学的于旭光、黄世霖引进美国的CAL3D 软件，应用刚体动力学中的Kane 方法建立了二维人体模型，并对碰撞事故中安全带对人体的保护作用进行了研究。同年，湖南大学宗子安将DYNA3D 介绍进中国，并用其进行了汽车转向盘、假人碰撞的模拟计算。湖南大学还应用DYNA3D 软件对驾驶员与安全带构造了有限元模型并进行了碰撞模拟计算，得出了有价值的结论。同时清华大学也利用DYNA3D 作了BJ212 车架碰撞模拟计算，并根据计算结果对车架进行了改进12。1.4 汽车虚拟试验场技术近年来随着计算机技术的发展，计算机模拟技术在汽车产品开发中的作用愈加重要。目前国内外模拟汽车碰撞过程常用的有限元软件主要有LS-DYNA、PAM-CRASH 和MSC/DYTRAN。本文的研究中主要用到以LS-DYNA 为求解器的VPG。1.4.1 VPG 简介VPG 是ETA 公司开发的以LS-DYNA 为求解，以整车系统为分析对象，考虑系统中各类非线性因素，以标准路面和车速为负荷，排除传统CAE 分析常使用的人为假定，对整车系统同时进行结构疲劳、全频率振动噪声分析和数据处理及碰撞历程仿真，达到在产品设计前期即可得到样车道路实验结果的“整车性能预测”效果的计算机仿真技术。丰富标准的数据库可让用户只需很少的时间即可完成整车仿真。1.4.2 LS-DYNA 简介LS-DYNA 是全世界范围内最知名的有限元显式求解程序。LS-DYNA 在1976 年由美国劳伦斯利维莫尔国家实验室 J.Q.Hallquist博士主持开发8，时间积分采用中心差分格式，当时主要用于求解三维非弹性结构在高速碰撞、爆炸冲击下的大变形动力响应，是北约组织武器结构设计的分析工具。从理论和算法而言LS-DYNA 是目前所有的显式求解程序的鼻祖和理论基础。现在，LS-DYNA的用户主要是发达国家的研究机构、大学和世界各地的工业部门。应用领域是：高速碰撞模拟、乘客的安全性分析、零件制造、罐状容器的设计、爆炸过程、高速弹丸对板靶的穿甲模拟、生物医学工程、机械部件的运动分析等9。1.5 本文的研究内容和工作计划本学位论文结合山东省重点科技攻关项目“轻型载货汽车车身关键技术的研究”，对平头轻型货车的碰撞安全性进行研究与提高。针对课题的研究任务和国内外研究现状，本论文积极吸收相关学科的新思想、新技术，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，探讨利用VPG建立了平头轻型货车与刚性墙正面碰撞模型的方法，并利用显式非线性分析软件LS-DYNA对正面碰撞进行虚拟仿真，以分析与优化平头轻型货车的碰撞安全性。具体的工作安排如下：首先要建立整车的数字化模型，利用UG 对点云进行反求以得到平头轻型载货汽车的CAD模型。建立了整车数模后，然后根据FMVSS 和国内相关汽车安全标准，建立轻型货车与刚性墙正面碰的撞模型，对平头轻型货车进行正面碰撞仿真，并对所得结果进行处理与分析。根据原车型在碰撞安全性方面存在的不足与问题，提出改进方案，并对改进后的平头轻型货车在相同的控制参数下进行碰撞仿真，对比改进前后的仿真结果。 第2章 瞬态非线性动力学分析方法2.1 有限元法的发展及应用有限元法是一种根据变分原理来求解数学物理问题的数值计算方法。众所周知，由于一些物理问题的微分方程求解困难，以致长期以来在弹性力学，结构力学，以及其他连续体力学方面的问题只能解决一些严格理想化的情况，而有限元法对于分析复杂结构或者多自由度系统来说却是一种有效的方法。1965 年，为了分析飞机结构问题，首次提出了有限单元法。在其后10 年中，该方法在解决不同类型的应用科学和工程问题方面显示了巨大的潜力。近年来，由于计算机技术的飞速发展，为有限元法的应用和发展提供了充分的物质基础。目前，有限元法的应用已经从弹性力学平面问题扩展到了空间问题、板壳问题；从静力平衡问题发展到塑性、粘性、粘塑性和复合材料等；从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学、声学、振动学等连续介质领域。实际上，有限元法发展到今天，已发展得较为完善，它已经被认为是工程分析中最强有力和最通用的计算方法。其应用范围很广，并且由于实践性强而具有强大的生命力。利用有限元进行结构分析，实质上也是一种“电子计算机的数值实验”，它不仅使过去无法进行运算的课题得到数值解，并且逐渐代替某些成本高、时间长的常规试验。2.2 有限元法的基本原理有限元法是运用离散的概念，假想把连续体分割成有限个有限大小的多边形或多面体，这些多边形或多面体，就称为有限元。多边形或多面体的顶点称为节点。各单元之间沿周边本来是整体相连的，现在认为它们彼此只在节点处相连，取节点处的位移作为基本未知量。这样，就把原来是无限多个自由度的体系简化成有限多个自由度的体系了，这个过程就称为连续体的有限元离散化。一个连续体通过有限元离散后就变成一个离散体，它是和真实结构近似的一个力学模型，而整个的数值计算就是在这个离散化的模型上进行的。在每一个单元内运用变分法，即利用与原问题中微分方程相等价的变分原理来进行推导，从而使原问题的微分方程组转化为代数联立方程组，使问题归结为解线性方程组，由此得到数值解答。2.3 非线性有限元基本理论本文所研究的汽车碰撞是一个动态的大位移和大变形的过程，接触状态和高速冲击载荷都影响着碰撞的全过程，系统具有几何非线性、材料非线性和接触非线性等多重非线性。2.3.1 几何非线性在汽车碰撞中，薄壁结构在冲击载荷作用下，尽管应变很小，甚至未超过弹性极限，但是位移大，材料线元素有较大的转动。这时应该考虑变形对平衡的影响，即平衡条件应建立在变形后的构形上，同时应变表达式也应包括位移的二次项。这样，平衡方程与几何关系都将是非线性的。这种由于大位移和大转动引起的非线性问题称为几何非线性问题。还有另一类几何非线性问题，例如金属的成型、橡皮型材料受到载荷作用，都可能出现很大的应变，这时除了采用非线性的平衡方程和几何关系而外，还需要引入相应的应力应变关系。在涉及几何非线性问题的有限单元法中，通常采用增量分析方法求解。它基本上可以采用两种不同的表达格式。第一种格式中所有静力学和运动学变量总是参考于初始构形，即在整个分析过程中参考构形保持不变，这种格式称为完全的Lagrange 格式，简称T.L.法。另一种格式中所有静力学和运动学的变量参考于每一载荷或时间步长开始时的构形，即在分析过程中参考构形是不断被更新的，这种格式称为更新的Lagrange 格式，简称U.L.法。2.3.2 材料非线性材料非线性是指物理方程的应力和应变是非线性关系。在碰撞过程中，结构在碰撞力的作用下发生大的变形，当应力超过材料的屈服极限时，就会产生永久的塑性变形，在弹性变形阶段，应力和应变的关系是线性的，而在塑性阶段就是一种非线性的关系。塑性变形的计算要解决两个基本问题：1. 材料在什么样的条件下开始产生塑性变形；2. 材料在塑性变形过程中应遵循什么样的规律；第一个问题涉及到材料的屈服准则，而第二个问题涉及到材料的流动法则。（一） 初始屈服准则工程上常用两种屈服准则：Von Mises 条件和 Tresca 条件。Von Mises 条件材料的形状应变能达到一定数值时开始屈服。在三维主应力空间上，该条件可表示为：其几何意义是以1 2 3 = = 为轴线的圆柱面，式中s 为屈服应力。Tresca 条件最大剪应力达到一定数值时开始屈服。在三维主应力空间上，该条件可表示为：其几何意义是以1 2 3 = = 为轴线并内接 Von Mises 圆柱的正六棱柱面，式中s 为屈服应力。两个屈服条件相比，Tresca 条件趋于安全，但在棱边处的导数是不存在的。所以在使用上不如 Von Mises 条件方便。因此在有限元分析中通常采用Von Mises 屈服条件。（二） 流动法则材料在进入塑性阶段后，应力与应变之间没有一一对应的关系，如何表征这种关系，目前描述塑性变形规律的理论分为两大类：一类是全量理论，另一类是增量理论实验已经证明，塑性变形是和加载路径有密切关系的。增量理论考虑了这种依赖性，所以，在一般加载的情况下，增量理论的方法是比较合理的。属于这类理论的主要有：列维-米塞斯理论和普朗特-鲁伊斯理论。关于材料本构关系。在有限元分析中普遍采用的是增量型本构关系，重要的是如何依据塑性力学的基本法则导出它在各种应力状态中的矩阵表示，由于弹塑性增量分析具有普遍的适应性，即它可以用于复杂的加载方式和加载路径，因此作为有限元通用程序，现在差不多无例外的都采用增量分析，但是计算量较大。2.3.3 接触非线性汽车碰撞是一种大规模冲击接触问题，是一种典型的非线性问题，其非线性是由接触边界上的边界条件非线性引起的。接触问题属于不定边界问题，即使是简单的弹性接触问题也具有非线性，其中既有接面积变化而产生的非线性以及由接触压力分布变化而产生的非线性，也有由摩擦作用产生的非线性53。根据对接触边界条件的不同处理，产生了不同的接触非线性有限元法，即拉格朗日乘子法、罚函数法和拉格朗日乘子和罚函数混合法等。1) 拉格朗日乘子法拉格朗日乘子法是精确解法，要求精确满足接触界面无穿透的约束条件。此方法需要引入新的未知量，增加了未知量的数目，系数矩阵对角线上出现了0 元素，使方程组不再是解耦的，从而使得冲击接触问题变得更难求解。另外，该方法与显示积分求解方案不相容。为了克服上述缺点，出现了一些改进算法。2) 罚函数法罚函数法引入罚参数与界面穿透量的乘积作为接触力，近似满足接触界面无穿透的约束条件。罚函数方法没有引入新的未知量，简单易用，因此在有限元软件中被广泛使用。但是，如果引入的罚参数特别大，会使方程组病态。3) 拉格朗日乘子和罚函数混合法 这种方法是为了克服拉格朗日乘子法和罚函数法各自的缺陷而产生的。拉格朗日乘子法由于对每个约束引入一个因变量，必然导致大量的未知量，计算费用增加；同时，如果两个物体分离时，接触力为零，物体发生刚体位移，系统平衡方程奇异，无法求解。罚函数法简单，并与显示算法完全相容，但在引入接触点的穿透时，会影响显示算法的稳定性和精度，若增大罚函数因子，虽能提高上述精度，但易引起平衡方程病态，且罚函数因子越大，影响越大。混合法是在接触体分离时采用罚函数法，在闭合粘式接触时采用拉格朗日乘子法；闭合滑移接触的法向采用拉格朗日乘子法，切向采用罚函数法。2.4 LS-DYNA 非线性动力学基础 汽车碰撞过程的仿真一般都是基于有限元方法的空间域离散技术和基于有限差分法的时间域离散技术。空间域的不同离散方法对应着不同的有限单元类型，时间域的离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 本章小结本章着重讲述了有限元特别是非线性有限元的基本理论，简单介绍了几何非线性、材料非线性及接触非线性的相关理论，并对LSDYNA 软件的显示时间积分理论进行了简单介绍，阐述了轻型车碰撞仿真虚拟试验的理论基础。第3章 平头轻型货车的碰撞安全性分析3.1 CAD 建模3.1.1 CAD 建模应注意的问题 一辆完整的汽车是由几万个零部件组装而成的，在建模前必须对这些零部件进行筛选和简化，分析哪些结构件对碰撞项目有较大的影响，哪些结构件的影响不大，而哪些结构件基本没有影响。以车辆正面碰撞为例，承载碰撞冲击力的主要部分是车身前部，因此对结果影响较大的构件：前围，前底纵梁等，对这些部件应该进行精确建模；对结果影响不大的部件如：发动机，车箱等部分，主要依据其外形几何形状进行建模。对于筛选出的部件也存在一个简化的问题，构件的细节如小孔、台阶、小倒角等，一方面会增加CAD 建模的难度，另一方面，更重要的是在进行计算仿真时会导致计算时间的急剧增加，并会使有限元模型的单元质量变差，从而降低计算精度。这些细节中有的可以加强或减弱结构的局部刚度，尤其在碰撞区和塑性变形区，这种刚度的加强和减弱会对载荷和变形的传递路径产生干扰，进而影响整体结构的变形；有的仅仅起到定位作用，而对整体的刚度和强度毫无影响。在建立CAD 模型前，应认真分析这些细节，将不必要的细节忽略掉。3.1.2 CAD 建模虽然有实车，但没有详细的设计数据，所以汽车CAD 数模只能通过利用实验室具有的条件对实车进行逆向工程来得到。车身CAD中逆向工程技术的应用，主要是对车身零部件曲面的造型与车身实体零件模型的逆向重构，用于结构分析和零件制造等。车身逆向工程的一般步骤：获取数据、数据处理、曲面模型重构、实体模型的制作。对于数据的获取，本文是应用实验室里的非接触式光学三坐标测量仪器ATOS 对白车身进行测量得到的。并利用本身自带的软件对所得数据进行处理，剔除不好的噪声点、精简点云数量等。对所得点云数据进行分块，以免数据太大而导致计算缓慢，最好将一个零部件分为一块，有利于建模及最后的装配。车身曲面模型是车身CAD 的重要内容，所以曲面模型的重构是车身逆向工程中的关键步骤。本文利用三维CAD 软件UG 对点云进行反求以建立车身曲面模型。3.2 CAD 数据的改善及导入 在将CAD 数据导入VPG 中前，先对模型进行简化与修改，使其适合有限元分析。一些构件的细节如小孔、台阶、小倒角等，一方面会增加网格划分的难度，会使有限元模型的单元质量变差，从而降低计算精度。另一方面，更重要的是在进行计算仿真时会导致时间积分步长的减小，从而计算时间的急剧增加。将整车各零部件的CAD 三维模型存成IGES 格式文件，该格式的文件保留了原有模型的曲线和面，通过VPG 软件的IGES 格式数据转换接口导入零件几何外形，利用其线和面进行网格的划分。这种建模方法的优点是可以避免重复的对现有CAD 模型的劳动而生成待分析的曲面模型，划分网格后的模型与CAD 模型的外形吻合的较好，而且由于在CAD 建模时，采用的是统一的空间坐标，这有利于各零部件有限元模型的装配。但是这种方法也存在着缺点，那就是在从CAD 系统向CAE 系统转换的过程中，会出现一些图形元素信息的丢失，如小平面，小圆角等。因此在把IGES 格式的CAD 模型数据读入VPG 后，要检查模型是否完整，对于被损坏的模型，可利用VPG 里的CAD 功能进行简单修补。同时，对一些影响网格划分的一些细小特征，如小孔或小圆（倒）角等要进行修改，这些工作在模型的建立过程中要占用大部分的时间9。3.3 有限元模型的建立 整车建模不仅复杂，而且工作量巨大。建模前必须对整车结构与特征进行分析、分解，才能达到既简化又准确建模的目的。建模过程中要根据不同的区域及特征划分不同的网格，定义不同的单元类型；根据部件之间的相互关系建立准确的接触及联接；以及最后对各项参数的控制是很重要的。仿真的精度及准确性在很大程度上依赖于仿真模型建立的精度，所以在有限元模型建立过程中，每一步的精度与正确性都要得到保证。材料的应力应变曲线3.4 结果分析经过LS-DYNA 的计算，我们对仿真结果从车身变形、加速度及能量吸收等各方面进行分析，从而对本车型的碰撞安全性进行评价。3.4.1 车身变形分析 碰撞开始后，保险杠先与刚性墙接触发生碰撞，7ms 时前围板参与碰撞与刚性开始墙接触，前围板与底板前部开始变形，10ms 左右保险杠内侧的组件开始变形，15ms 时保险杠总成与车架之间的连接件开始变形，20ms 时门框与前围板之间的三角连接件开始明显变形，而且后面的部分也开始参与变形，32ms 时车架开始撞上刚性墙，驾驶室前部变形已很严重，门框开始有所变形，但还没有撞上刚性墙，40ms 时车架前端折邹变形明显，门框开始撞上刚性墙，58ms 时驾驶室及车架前端已基本到了最大变形，货箱因货物的惯性开始变形，车架后端也开始变形，但直到碰撞结束，这两部分变形都不是很大。从碰撞仿真中可以看出汽车前部发生了明显的挤压变形，保险杠在受压变形后又压迫连接其上的结构件，最终压迫车架、驾驶室，车架前部变形明显，驾驶室受到严重压缩(如图21-图26)。碰撞前驾驶室长度为1555.8mm，碰撞后的长度为1200mm，压缩量为355.8mm。汽车前部变形比较严重，起到了吸收能量的作用，而后部变形则较小。出现这种现象的原因是正面碰撞发生时，汽车车身前部受到猛烈的撞击，冲击能量很大，在极短的时间内动量变化迅速，形成瞬时数值极高的冲击力，车身前部受此冲击力作用，在碰撞时产生的应力远远超过材料的屈服应力而发生较大的塑性变形，同时将大部分冲击能量吸收掉，使汽车动能降低。汽车在碰撞发生过程中冲击力从前部传到后部有一个时间上的延迟，数值上也发生显著衰减，汽车的后部承受的应力减小，没有明显的变形发生。3.4.2 速度变化分析前围板上某点的速度曲线驾驶员座椅与底板连接点的速度曲线分别是前围板上某点与驾驶员座椅与底板连接点的速度曲线图。从两图中曲线变化趋势看，车身前围与驾驶员座椅与底板连接点的速度都在衰减，前围上的点的衰减速度要比后部的衰减速度要快。经过很短的一阵波动，在约20ms 时速度就为减0，而后点的速度在经过约90ms 后才逐渐变为0，可以看出随着选点的后移，其速度衰减趋势减缓。从这里可以看出经过车身的变形吸能，后部的速度衰减程度要显著小于前面的。3.4.3 加速度变化分析底板上驾驶员放脚点的加速度曲线驾驶员座椅与地板连接点的加速度曲线3.4.4 能量变化分析系统动能内能变化曲线从图中可以看出，系统动能呈非线性逐渐减少。车身由于塌陷变形而吸收冲击能量，从而内能增加，随着变形的增大，内能也增大；同时动能因被转化而减少，减少的动能与增加的内能基本保持同步，在峰值的一点差距是由于部分动能转化为热能消散掉了。碰撞区部分组件的吸能曲线上图是车身碰撞区域内的前围板、保险杠总成和保险杠车架连接件共同吸收的能量曲线。在开始阶段，能量的吸收很小，这是因为前围板及保险杠总成结构简单，且刚度太小；它们的变形属于简单变形，吸收的能量太小；且不能把碰撞力传递给后面的组件，参与变形吸能的组件太少。3.5 本章小结本章叙述了利用UG 建立整车数模及在VPG 环境中建立了轻型货车与刚性墙正面碰撞的有限元模型的步骤，并分析了碰撞仿真的结果，对轻型货车的碰撞安全性进行评价。第4章 平头轻型货车碰撞缓冲结构设计4.1 碰撞缓冲区结构设计的基本思想及约束条件汽车碰撞安全性问题自汽车诞生以来就存在，但在早期由于车速较低，车辆相对较少而未引起人们的重视。随着汽车大规模的生产和使用，也由于车速的不断提高，碰撞安全性问题变得越来越突出。汽车发生碰撞后，不仅给车辆本身造成损坏，更重要的是造成成员的伤害。汽车交通事故已成为当今威胁、残害人类生命的一大公害。人们常将汽车的碰撞称为“一次碰撞”，而将人体与车内部件的碰撞称为“二次碰撞”，“一次碰撞”在很大的程度上决定了“二次碰撞”的剧烈程度，因此控制好“一次碰撞”对减少人体损伤有重要的意义，合理设计汽车结构的缓冲与吸能特性是控制好“一次碰撞”的关键。4.2 结构的改进方案设计基于上述碰撞缓冲区结构设计的基本思想及约束条件，改进设计方案见图4-2。 由图可见，改进后的前围外板较原来的前围外板最下端向前移动40mm,同时增加了前围内板、前围外板、压溃杆、压溃杆前横梁，使之构成驾驶室碰撞缓冲区。保险杠位置在改进前后没有变动，保险杠与车架形成的空间区域增加了碰撞缓冲管。平头驾驶室加装缓冲区前后的对比图4.3 碰撞缓冲区整体结构的构建考虑到碰撞缓冲区结构设计的基本思想及约束条件，通过局部结构的改进来加强整车碰撞安全性受到很多条件的制约，改进设计的空间较小。特别是该部件与原车之间的配合关系最为密切，因此必须要注意其尺寸的变化对原车的影响。为最后设计好的缓冲区的整体结构，缓冲区总体长度为140mm，该结构经过计算分析，证明在一定程度上的确能够起到保护驾驶室的作用。因为它能够有效地吸收来自前面撞击所产生的能量，当货车发生正面碰撞时，运动急剧停止，缓冲区便增加了缓冲的距离，不至于人体与坚硬物接触，而产生严重伤亡事故，从而达到设计的要求。4.3.1 压溃杆数模的建立压溃杆作为主要的吸能部件，在发生碰撞时应能够吸收大部分的撞击载荷，以起到缓冲吸能的作用，它安放在前围内外板之间。此次设计仿照莲花公司为Elise 运动轿车研制的塑料复合构件，就像是褶皱的钢件，可以吸收碰撞能量，还可恢复原状，但由于考虑到经济性的需要，并不可能采用该种材料，这样成本过高，此次选用的结构材料为08AL（优质碳素结构用钢），它的塑性非常好，具有优良的深拉延特性。通过UG 得到的初始压溃杆如下图，但是该结构的设计没有考虑到加工工艺的要求，因为若用模具冲压成型之后，模具将会无法取出。因此，做出了如下的改进。将整体式的结构改成分体式的结构。得到最终的驾驶室中压溃杆件的设计图。经过最后的仿真计算，这一部分的厚度确定为0.55mm。压溃杆初始数模4.3.2 压溃杆横梁数模的建立压溃杆横梁既要与前围外板连接又要与压溃杆相连接，因此既要保证工艺要求，又要有足够的刚度，主要的作用在于当车身受到撞击时将冲击载荷传递给吸能的压溃杆，同时又不能让压溃杆顶破前围板。图4-1 为初始设计的数模，该结构虽然能够起到传递载荷的作用，但是占用了一定的空间，使得压溃杆的有效距离缩短，降低了压溃杆的作用，而且不易固定，改进为图4-2 所示的结构。 这一部分的厚度，最终确定为0.8mm。图4-1 压溃杆横梁初始数模图4-2 压溃杆横梁最终数模4.4 本章小结本章简单介绍了车辆纵向碰撞理想特性及结构设计的约束条件，并依此设计碰撞缓冲区，同时利用UG 完成了数模。第5章 改进车型的碰撞安全性分析5.1 改进后汽车碰撞仿真结果5.1.1 车身变形分析从仿真历程来看，由于缓冲区的存在，前围板等组件的刚度适当增加，能够将碰撞力传递给压溃杆，压溃杆因为其适当的刚度，在变形吸能的同时将碰撞力传递给后面的组件，使后面的组件也能比较早的参与到变形吸能中来。从仿真结果可以看到碰撞后驾驶室变形(图5-1 到图5-6)与车架前端的变形有所缓解，驾乘空间比原车也有所增加，车架碰撞变形后的长度也比原车有所增加。对于非承式车身来说，驾乘空间在很大程度上取决于车架的变形。 5.1.2 速度变化分析图5-7 是改进车型上底板与驾驶员座椅连接点的速度曲线。改进车型的速度曲线与原车的速度曲线并无明显差别，衰减到零的时间基本差不多。从50mm 以前曲线形状来看，新车型的速度曲线可以分成四段近似线性的曲线，曲线上有三个拐点，而原车型此点的速度曲线可以分成五段，近似线性的只有二段，曲线上的拐点有四个。5.1.3 加速度变化分析图5-8 是改进车型驾驶员在底板上放脚点的加速度曲线，与原车碰撞仿真中的选点是同一个。加速度曲线的最大峰值大约为80g，比原车仿真中些点此时的加速度值减少27g。从整个加速度曲线来看，7ms 时的峰值为37g，比原车降低了约一半，而且到最大峰值之间的曲线也相当平缓，这说明现在的结构件达到了预期的效果，起到了缓冲吸能的作用，降低了加速度，方案是正确的。在此基础上进行优化便可达到最佳的效果。图5-8 改进车型的碰撞加速度曲线5.1.4 能量变化对比图5-9 改进车型的能量吸收曲线前围组件，缓冲结构，保险杠总成及新的连接件的吸能曲线如图5-9，有两个比较明显的变化。一是开始阶段，吸能有所增加，这是因为前围等组件刚度的适当增加。这部分的刚度增加，本身变形吸能会增加；这部分刚度增加后，会起到把碰撞力往后传递的作用，使后面的组件尽早参与到变形吸能中，增加这一阶段的总吸能量。二是最后吸能的总量比原车中这些组件多了三分之一左右。缓冲装置的变形吸收了这部分多出来的能量，从而减少了传递给驾乘人员的能量冲击。5.2 压溃杆的优化从车身模型改进前后的碰撞结果分析可以看出，改进的设计起到了预想的作用。但是为了更进一步发挥其缓冲吸能的作用，本文在不改变车身结构的基础上对缓冲装置进行优化，使缓冲吸能的效果能达到最佳。 图5-10 四种形状的吸能管汽车碰撞过程中，碰撞能量的吸收主要是依靠大量薄壁构件的塑性变形。而薄壁构件的碰撞吸能大小受到很多方面的影响，除了与自身的材料有关外，还与焊点、材料壁厚、横截面形状以及预变形密切相关。本文所设计的缓冲装置主要吸能件并没有利用焊接，所以可以不考虑焊点的影响。本文从横截面形状、材料壁厚及预变形这三个方面进行优化。图5-10 是本文所用的四种压溃杆，矩形截面的边长为70mm，圆形截面的直径为70mm。前两者是矩形横截面的，第一个所以是分体式，是从工艺上考虑加工预变形槽比较方便，后两者是圆形横截面的。前两者之间的不同在于预变形设计的不同，同理，后两者之间的不同也在于预变形设计的不同。预变形技术是通过人工的方法预先使结构的某些部位弱化或强化，从而引导结构在碰撞时候朝着褶皱压缩的方向发展。但预变形既有可能提高部件的撞击能量吸收水平，也有可能起到相反的作用。图5-11 是在同一壁厚下，四种不同压溃杆在瞬时碰撞中的能量吸收情况。可以看出吸收能量最少的就是第四种波纹管，也就是说在圆形截面设计中，预变形降低了结构的吸能量。其余三种设计在能最的吸收上相差不多，从中可以看出矩形截面设计中，预变形槽的多少没有太大关系。 图5-11 四种管的能量吸收情况图5-12 方形截面管的碰撞加速度曲线同是直梁件，但不同形状的横截面就会导致碰撞特性的不同。在同一壁厚下，我们对四种设计进行碰撞，然后对它们的加速度曲线进行分析。图5-12 是矩形截面管的碰撞加速度曲线，图5-13 是圆形截面管的碰撞加速度曲线。可以看出圆形管的加速度值远小于方形管的加速度值。综合考虑四种压溃杆的吸能曲线与加速度曲线，如果四种压溃杆吸收的能量在同一水平时，方形管与波纹管的加速度将会比圆形直管大很多，如果四种压溃杆的加速度在同一水平时，圆形直管吸收的能量又将是最多的。不难看出圆形直管是最佳设计，综合碰撞性能最好。图5-14 最终车型的碰撞加速度曲线在选定圆形直管后，再对碰撞模型以不同壁厚反复进行仿真，就可以找出最合适的壁厚。最终确定的壁厚是1.1mm，再厚将会引起加速度值增大，而薄了就会造成吸能不足，无法将其碰撞吸能发挥到最佳。图5-14 是采用圆形吸能管的改进车型的加速度曲线(与图3-29.图5-8 是同一点)，峰值为58g 左右，比原车降低了49g，整个曲线没有太大的波峰与波谷。碰撞终了整车长度5393mm，比原车增加了287.7mm；碰撞后，驾驶室的长度为1238mm 比原车多了38mm。5.3 本章小结对改进车型进行仿真计算并比较改进前后车型的仿真结果，优化安置在保险杠与车架之间的压溃杆，使整车的碰撞安全性得到最大提高。第6章 总结与展望6.1 总结 随着社会的发展和人们生活水平的提高，汽车的安全性特别是碰撞安全性问题越来越引起人们的关注并成为了重要的购车因素，所以汽车的碰撞安全性已成为汽车企业与用户共同追求的目标。6.1.1本文的创新点本课题的主要工作是分析和优化轻型货车的碰撞安全性，在完成课题的过程中，主要有以下两个创新点：1）研制了应用于平头轻型货车的缓冲吸能装置。本文章在参考了大量国内外关于汽车缓冲吸装置的基础上，结合平头轻型货车的实际情况，设计了一种全新的不必改变整车长度且不影响原车的造型风格的缓冲吸能装置。经过仿真分析，证明这一设计是在提高轻型货车碰撞安全性方面是有效的。2）对不同的缓冲吸能设计进行了对比分析与优选。系统研究了四种不同形式的缓冲吸能管件，从结果中分析出哪种横截面适合吸能，哪种横截面适合缓冲，以及预变形在各种形式中所起的正反作用。6.2 展望随着人们生活水平的提高，对汽车碰撞安全性的要求必然越来越高，而关于汽车碰撞方面的研究国内刚刚开始，还有许多工作需要深入探讨。由于本人知识水平疏浅以及课题时间有限等主、客观原因，本文所做工作难免流于肤浅，拟出以下几点后续工作：1.整车模型的进一步完善。本文的仿真过程中，对整车模型进行了简化，不是太完善，应该进一步完善。在仿真过程中，应该考虑内饰缓冲材料和填充材料尤其是车门，对碰撞的影响作用，而本文建立的模型中，忽略了内饰件和填充材料；对一些部件之间的联结处理也应该再详细合理；材料模型也应该更丰富。2.以实车试验来研究碰撞安全性是不可缺少的方法。汽车碰撞安全性研究最有效的方法是实车碰撞，所以实车碰撞是不能够缺少的。要想仿真效果真实，须经过大量的试验验证和修改，而且最后也须经过实车碰撞来验证结果的好坏。实车试验与虚拟仿真相结合才能快速有效的提高汽车的碰撞安全性。3.进一步的研究应该以乘员为像。研究汽车碰撞安全性的最终目的是对乘员进行保护，所以应该以乘员的响应来作为改进汽车碰撞安全性的主要依据，进行关于乘员安全、安全带、安全气囊以及人体损伤评价等的研究。致
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