汽车防撞梁碰撞问题的数值模拟分析

编号：（ ）字 号本科生毕业设计（论文）汽车防撞梁碰撞问题的数值模拟分析 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：1. 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。2. 根据查阅的文献内容，建立符合实际的汽车防撞梁模型。3. 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。4. 考虑不同设计方案下防撞梁的防冲击特性，比较各个参数变化对碰撞的影响，得出相关规律。5. 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。6. 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（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：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（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：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（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 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部分构成，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对比。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；ABSTRACTVehicle crash beam is a collision play a major role in cushioning member. Mainly by low-speed anticollision beams and energy-absorbing boxes of two parts, the impact cushioning effect of factors: energy absorption cross section of box and bumper beams, thickness, cross-sectional size, length and so on. By adjusting these parameters can get the best performance cushioning anticollision beam structure. This article uses the numerical simulation method, respectively, low energy absorbing box and anticollision beam parameters for different values of the front crash simulation to extract the final acceleration curve and the energy curve for comparison. Acceleration is relatively small and relatively large number of combinations of absorbed energy is the optimal combination.Since the whole process a lot of variable parameters, it is impossible to analyze all combinations. So first of all be a single parameter change analysis, derived from a single parameter change laws, and laws of combination of a relatively better under the anticollision beam and verified.Through the above analysis process is roughly the final results of this study, low energy absorbing box is mainly through the thin-walled box beam axial energy absorbing crumple. anticollision beam instability occurs through the material after bending deformation to absorb energy. Energy absorbing anticollision beams and box coupling exists between the various parameters phenomenon. Through separate parameters to find the law, then under the law of combined parameters approach can be more efficient and accurate results overall optimization results.Keywords: anticollision beam; Vehicle Crash; numerical simulation; optimization;目 录第一章绪 论11.1研究汽车碰撞的背景和意义11.2数值模拟计算的意义11.3目前的碰撞标准21.3.1国内碰撞检测标准21.3.2国外碰撞标准21.4碰撞试验对比21.5新车碰撞测试标准(NCAP)31.5.1欧洲的新车评价规程（Euro-NCAP）31.5.2中国新车评价规程（C-NCAP）41.6碰撞试验的评分标准51.6.1C-NCAP评分51.7目前的汽车防撞梁研究现状51.7.1目前防撞梁的研究51.7.2汽车缓冲盒的研究现状61.7.3评价指标71.8本文主要研究内容7第二章防撞梁撞击变形基本理论分析82.1弹塑性变形理论82.1.1金属材料拉伸时的力学性能82.1.2弹塑性模型的简化92.1.3材料的强化模型92.2用于碰撞过程的基本定理23112.2.1冲量定理112.2.2冲量矩定理112.3汽车防撞梁变形过程中的能量分析122.3.1能量的转化122.3.2汽车吸能装置的基本要求132.4薄壁构件变形理论132.5小结14第三章有限元数值模拟理论153.1有限元算法153.1.1拉格朗日法(LAGRANGE)153.1.2欧拉法（EULER）153.1.3任意欧拉-拉格朗日法（ALE）153.2拉格朗日有限元算法介绍153.2.1运动方程27163.2.2三大守恒方程28 27163.3单元选择173.4接触问题183.4.1接触类型183.4.2接触算法183.5本次计算的相关软件介绍193.6小结19第四章基于中国汽车安全法规C-NCAP的防撞梁数值模拟分析214.1模型建立214.2材料参数定义224.3网格划分234.4正面 100% 重叠刚性壁障碰撞模拟分析234.4.1问题简化244.4.2参数设置244.4.3计算结果分析244.5正面40%重叠刚性壁碰撞试验模拟分析284.6小结30第五章防撞梁的单个参数的优化研究315.1防撞梁宽度对防撞梁缓冲效果的影响315.1.1结果对比325.1.2数据分析335.2缓冲盒边长对防撞梁缓冲效果的影响335.2.1缓冲盒变形335.2.2加速度结果对比345.2.3能量结果对比355.3缓冲盒长度对防撞梁性能好坏分析355.3.1整体加速度对比355.3.2能量对比365.3.3数据对比375.4缓冲盒厚度对防撞梁性能的影响分析385.4.1整体加速度曲线对比385.4.2吸能对比395.5防撞梁薄壁结构的厚度对整体性能的影响分析395.5.1不同厚度的防撞梁加速度对比分析395.5.2吸收能量对比405.6防撞梁截面形式对整体缓冲吸能效果的影响分析415.6.1整体加速度对比分析415.6.2数据对比分析425.7缓冲盒截面形式对整体防撞梁缓冲特性的影响分析435.7.1不同缓冲盒截面对加速度的影响变化分析435.7.2能量吸收对比445.8小结45第六章防撞梁的各个参数组合优化476.1防撞梁各项参数间的相互影响验证476.1.1单个防撞梁参数变化下的最优参数组合476.1.2加速度和吸能分析476.2各个参数间的组合优化486.2.1各个参数间关系的综合分析486.2.2结果分析496.2.3数据对比506.2.4变形图和应力图分析516.3小结51结论和展望53参考文献.55翻译部分.57致 谢.73汽车防撞梁碰撞问题的数值模拟分析中国矿业大学2013届本科生毕业设计（论文） 第75页第一章 绪 论汽车作为当今最流行的交通工具之一，在日常生活中也是越来越多的出现。而且随着汽车产业的快速发展和人民生活水平的提高，汽车的数量和种类也开始大大提升。我国汽车产量从1992年的年产22万量车，到2008年时已经增长到了年产935万量1 。而且由于汽车生产流水线的产生，汽车的行驶速度也大大的提高。但是由于汽车数量的增多和车速的提高，车祸的发生概率自然就大大的提高，所以必须通过改善车的质量、结构来增强车辆的安全性。为了能够更快的计算出提高安全性的方法，采用软件模拟的方式来进行计算是具有使用意义的。1.1 研究汽车碰撞的背景和意义在汽车越来越多的情况下，发生车祸是不可避免的。虽然车身内存在很多的保护措施，例如安全带，安全气囊等。但是由于车祸而产生的生命和财产损失仍然是十分巨大的。每年因为车祸导致的财产损失高达数十亿元2 。据统计，仅2002年中国一共发生了773137次交通事故，导致118131人死亡，财产损失巨大。其他国家交通事故发生的次数同样十分庞大，美国共发生1967000起交通事故，死亡人数42825人，日本发生936721次交通事故，死亡9575人，欧盟国家共发生123294起交通事故，死亡人数38824人3 ，并且以上数字每年都在增长。如此庞大的数字让人们不得不在购买车辆时对车辆的安全性能进行考核。车辆的安全性可以通过技术改进来提高，通常的汽车安全技术主要分为两类：第一类是主动安全技术，第二类是被动安全技术。主动安全技术是指通过利用控制技术或传感器等提前的预知危险，从而达到躲避危险的目的。被动安全技术是指通过在车内及车身放置安全带，安全气囊，防撞梁等保护措施，在车辆碰撞后，起缓冲保护作用，从而达到保护车内人员的目的。汽车发生碰撞后首先是汽车发生碰撞，称为一次碰撞，其次是车内的人和车内部构件发生碰撞，称为二次碰撞4 。由于二次碰撞是由一次碰撞引起的，所以控制好一次碰撞对提高汽车安全性有着巨大的意义。汽车的一次碰撞的控制，是指在发生碰撞的时候通过对采用缓冲装置，吸能装置，阻尼装置或者是各种装置的组合，吸收碰撞时候产生的巨大能量。通过以上这些操作也可大大的减缓一次碰撞后二次碰撞所产生的巨大损害，同时也是增加了碰撞的时间，为安全气囊等装置争取时间4 5 ，以便能够最大效果的发挥保护作用。吸收一次碰撞所产生的巨大能量，最常用的吸能构件是采用汽车防撞梁。汽车的正前防撞梁能够在汽车发生正面碰撞或者斜碰的时候，有效的吸收能量、增大碰撞时间，从简单的根据冲量定理可以得出，在以一定的速度发生碰撞的时候，作用时间越长，那么作用于汽车的反作用力就越小。同时防撞梁的强度也一定程度上减少了汽车的变形，在给予汽车内部人员一定生存空间的同时，也是保护了汽车内部重要部件，如发动机、变速箱等不被损坏，给汽车的再次维修降低了费用，减少了财产损失。1.2 数值模拟计算的意义由于车祸的高发性，导致各国对汽车的安全性逐渐形成了法规，如美国的 FMVSS 208 ( 美国联邦车辆标准安全法规) ，还有我国的汽车正面碰撞标准 GB1155l-2003乘用车正面碰撞的乘员保护 规定6 。这些试验都是需要做汽车实体试验的。只有符合该试验标准的车辆才能继续生产。但是直接使用实体碰撞的试验可重复性太弱，而且每次试验都需要耗费巨大的资金。所以如果做生产之前的设计，采用这种方法是不行的。随着计算机技术的快速发展。计算机模拟是一种进行大型计算非常适合的工具。通过在计算机中建模、求解、改进等方法，可以模拟真实的碰撞过程，虽然不能和实际的碰撞完全相同，但是也能大致的得到改进汽车安全性能的可行方法，而且由于计算机的计算速度极快，可以很快的重复多次计算而取得最优值。显然，这通过汽车实体实验是无法实现的，并且由于有限元的快速发展，使得计算机能够计算出很多通过理论无法计算出来的东西。例如汽车碰撞过程是十分复杂的，如果单纯的通过理论计算来得出结果显然是不现实的，只能是用理论来辅助模拟计算。1.3 目前的碰撞标准汽车的碰撞标准是，采用汽车实体碰撞的方法，通过碰撞后汽车的变形、汽车发生碰撞时候的加速度、速度衰减以及汽车内部假人模型的受损情况而综合考虑后制定的一套测试汽车安全性的指标。各个国家的标准均不相同，但是目的都是测试汽车的安全性能。1.3.1 国内碰撞检测标准我国的碰撞法规建立的比较晚，主要是参照外国的法规、结合我国的实情而制定的。我国于1999年由原国家机械工业局发布了汽车碰撞法规CMVDR 294汽车正面碰撞乘员保护的设计规则。经过后来的完善和发展至2004年，我国参照欧洲ECE R94法规制定了国家强制性标准GB11551-2003乘用车正面碰撞的乘员保护正式实施，成为了我国第一个自己的汽车正面碰撞标准7 随后的几年里又相继制定了侧面碰撞标准和后碰撞标准。图 1. 1 我国的汽车碰撞试验汽车碰撞检测标准都建立了相应的碰撞试验作为依据，分别有正面碰撞，侧面碰撞等。正面碰撞一般分为主动是碰撞和被动碰撞。主动碰撞是指由汽车以一定的速度，来撞击静止的刚性或者非刚性的墙壁。被动碰撞是指将汽车通过铁索固定，使用钢块进行撞击。我国的汽车正面碰撞标准GB11551-2003就是主动碰撞。如图 1. 1所示为我国的汽车做碰撞试验时候的照片。1.3.2 国外碰撞标准国外的碰撞标准主要是由美国的FMVSS和欧盟的ECE两个检测标准，其他国家的安全法规，大部分是参考这两个法规制定的，针对这两个安全法规的出发点是不相同的。美国认为“汽车是任何人都可以做的软垫”，而欧洲人则认为“汽车是驾车技术熟练者使用的工具”，所以美国的安全法规比较注重于汽车的被动安全性，其技术要求普遍严格，而欧洲的安全法规偏重于汽车的主动安全性。1.4 碰撞试验对比图 1. 2 各个国家的碰撞试验示意图虽然碰撞试验的目的都是为提高汽车的安全性，但是由于各国的侧重点不同，所以导致各国的碰撞试验的具体细节也不尽相同。如图 1. 2所示，是各个国家的正面碰撞试验示意图。每个国家碰撞试验的具体要求也不相同，但整体都是结合了自己的实际情况，表 1. 1各个国家的汽车碰撞试验要求对比而制定的符合自己国家的标准。如表 1. 18 中列举了各个国家的汽车碰撞具体要求。1.5 新车碰撞测试标准(NCAP)NCAP ( New Car Assessment Program )即新车评价规程。是由政府机关或者具有权威性的机构，对市场上销售的车型进行碰撞安全性能测试、评分划分等级，并向社会公开评价结果的规程。NCAP是由1987年由美国公路交通安全管理局提出，并且组建了最早的NCAP体系。随后的数年内其他各国也相继的结合自己国家的公路情况、汽车保有量等建立适合自己国家的NCAP,分别有美国的NHTSA-NCAP,欧洲的Euro-NCAP,日本的J-NCAP,澳大利亚的A-NCAP以及我国的C-NCAP。通过多年的试验，总结和验证，欧洲的Euro NCAP被公认为是世界上最严格和最具有权威性的汽车安全法规9 。下面主要介绍欧洲的Euro-NCAP和我国的C-NCAP。1.5.1 欧洲的新车评价规程（Euro-NCAP）欧洲的汽车安全法规，是由英国交通部的交通研究实验室研究成立的。该法规测试所需的经费全部是由欧盟提供。不定期的对已上市的新车和进口车进行测试。由于该法规的严格性和权威性，使得该法规得到了各国的广泛支持和认可，在全球影响力巨大。Euro-NCAP的主要测试内容有：1) 64km/h时40%正面偏置碰撞2) 50km/h时可变形移动壁障的侧面碰撞。3) 40km/h时的行人保护碰撞。4) 29km/h时的撞柱子试验。1.5.2 中国新车评价规程（C-NCAP）中国的汽车安全法规主要是参照美国的NHTSA-NCAP和欧洲的 Euro-NCAP，再结合我国的汽车标准法规以及我国的路况等各种因素，最终形成的检测汽车安全性能的法规。如下表 1. 2 中国新车评价规程（C-NCAP）10 表 1. 2 中国新车评价规程（C-NCAP）10 试验项目碰撞形式假人安放位置正面 100% 重叠刚性壁障碰撞试验车辆以 50 km/h 的速度与刚性固定壁障进行100 重叠率的正面碰撞在前排驾驶员和乘员位置分别放置 Hybird 型第 50 百分位男性假人，在第 2 排最右侧座位放置 Hybird 型第 5 百分位女性假人，试验时假人应佩戴安全带，用以考核安全带性能正面 40% 重叠可变形壁障碰撞试验车辆以 56 km/h 的速度对可变形壁障进行40 重叠率的正面偏置碰撞在前排驾驶员和乘员位置分别放置 Hybird 型第 50 百分位男性假人，在第 2 排最右侧座位放置 Hybird 型第 5 百分位女性假人，应佩戴安全带可变形移动壁障侧面碰撞可变形移动壁障以 50 km/h 的速度与车辆侧面 （ 驾驶员侧）进行碰撞在驾驶员位置放置Euro SID 型假人， 用以测量驾驶员位置受伤害情况如下面三幅图所示，分别表示了C-NCAP三个实验的碰撞试验图图 1. 3正面 100% 重叠刚性壁障碰撞试验图 1. 4可变形移动壁障侧面碰撞图 1. 5正面 40% 重叠可变形壁障碰撞试验1.6 碰撞试验的评分标准碰撞试验的评分标准主要是通过，在实车碰撞试验中，通过加速度传感器，速度传感器，力传感器等，全程的检测汽车碰撞过程中假人受到的力，加速度。碰撞后还可以查看假人的变形受损情况。通过这些因素的综合比重考虑，制定出的评分标准。能够简单的通过分数的高低来判断汽车的安全性能。下面主要介绍C-NCAP的评分。1.6.1 C-NCAP评分C-NCAP评分的高低是，变相的反映了汽车安全性能的高低。评测的时候通过对汽车内部假人的头部、颈部、胸部、大腿部、小腿部、膝盖、大腿、骨盆部位和小腿、脚及脚踝部位所受到的压力的大小来设定不同部位的得分数。对于每个假人，基本的评分原则是： （1）设定高性能指标限值和低性能指标限值，分别对应每个部位的最高得分和 0 分，处于两者之间的测量值分别采用线性插值的方法得出相应分数； （2）若同一部位存在多个评价指标，则采用其中的最低得分来代表该部位的得分； （3）所有单项得分保留到小数点后两位。 C-NCAP的评测分数是目前人们渐渐开始关心的内容。所以评测分数也会成为影响汽车销量的重要因素。提高分数的方法很多，其中通过优化汽车防撞梁、缓冲装置等方法是很有效的手段。好的防撞梁能够有效的减小汽车在碰撞过程中的加速度，从而减小汽车内假人所受的加速度，当然相应的假人受到的力和破坏也会减小，这样就能提高评测分数。所以说防撞梁的优劣决定着汽车碰撞试验评分的高低。1.7 目前的汽车防撞梁研究现状防撞梁作为汽车碰撞时候的第一道防线，主要起到缓冲和防止过分变形的作用。其中缓冲的效果能够降低加速度、增加碰撞时间；这两个缓冲效果可以在碰撞发生时有效的减小车内的人受到的力，防止过分变形，尤其是在发生撞击柱子等事故时。目的有两个方面，第一，给车内的人员充分的生存空间；第二，保护车体内重要部件，例如发动机变速箱等。这样可以降低汽车的维修费用。碰撞的时候起缓冲作用的主要部件是缓冲盒，通过缓冲盒的轴向溃缩，来吸收能量。同时防撞梁也会发生塑性变形，这也是起到缓冲作用的重要部分。还有就是通过在防撞梁前段加入一些缓冲材料，或者特殊的结构，来起到缓冲作用。防止大变形主要是通过防撞梁来实现，防撞梁和车架之间具有一定的距离，该距离是缓冲距离，防撞梁被碰撞后发生塑性变形，向内凹进去，而在防撞梁中间的撞击力，会由于防撞梁的存在将力间接的传递到车架上，由此车会发生反弹，从而有力的保护了车的重要部件。1.7.1 目前防撞梁的研究防撞梁的研究主要是从下几点入手：截面形状，防撞梁的厚度，梁的材料，梁的轴向弯曲曲线。需要达到的目的有两个：第一，具有良好的抗撞击性能；第二，具有良好的吸能性质。下面分别讨论一下：1) 截面形状图 1. 6 梁的各种截面梁截面可以采用单元胞，两元胞，三元胞，四元胞等。分别如下图 1. 6在2007年，湖南大学侯淑娟等人，曾经对上面的四种结构进行了抗撞性能和缓冲性能的分析11 。通过研究计算机建模分析，对不同厚度和不同截面进行压力碰撞后发现，元胞数的增加会影响结构的吸能增加，多元胞结构的吸能效果要远好于单元胞结构。四元胞结构的吸能特性最好。而且同时发现，轴向的吸能性能要远好于横向的吸能特性。从而得到结论材料，在发生褶皱叠缩变形的时候，能够提高结构的吸能特性和抗撞特性，同时也能让材料的利用率提高。同时截面形式也不仅限于矩形的截面，也可以有多种多样的形式，例如梯形12 ，不规则形状13 等。2) 防撞梁的厚度对于防撞梁厚度的研究，前人也总结了很多的经验，也是使用数值模拟的方式，通过在一定厚度范围内等间距取值然后使用软件模拟撞击过程。最后对防撞梁的变形，撞击后的速度、加速度的变化，做曲线分析。然后根据具体能够允许的最大加速度和最大位移来确定防撞梁厚度14 19 。3) 梁的材料梁的材料通常使用的是吸能性质很好的材料。吸能材料通常指薄壁管材、 泡沫铝、 复合材料、聚氨酯泡沫等15 14 。考虑价格等方面因素后，使用薄壁铝合金或者其他合金材料作为防撞梁的材料。随着科技的不断发展和创新，新的金属泡沫材料又被人们发现，其中具有代表性的材料是泡沫铝材料。泡沫铝是一种以铝金属为骨架,具有较大孔径及较高孔隙率的新型结构功能材料,兼有泡沫和金属的特性。有较高的强度以及制备工艺相对简单的特点16 。这种金属材料的吸能特性非常好，而且强度也很高，可以满足吸收能量和防止大变形的双重要求。4) 梁的轴向曲线梁的轴向曲线通常是根据汽车的外形和车内构件的形状决定的。在这两点已经确定的情况下考虑防撞梁碰撞，如果采用外弧形的曲线，可以增大碰撞时候的接触时间。所以通常情况下，汽车防撞梁的轴向曲线通常是采用外凸形状的。具体的形状会根据车型的不同而改变，比如，利用三段直线够成外凸状或者采用圆弧外凸曲线，甚至会结合使用两种模型。1.7.2 汽车缓冲盒的研究现状缓冲盒的吸能缓冲效果，主要是由缓冲盒的厚度，材料，截面形状，诱导槽等因素决定。同样的厚度和材料对吸能效果的研究和防撞梁是相同的，但截面形状则不同。主要原因是缓冲盒是轴向压缩变形，而防撞梁则是横向变形，所以两者的吸能性不能一概而论。1) 缓冲盒的截面形状在2012年，重庆理工大学夏铭等人，对吸能盒的截面形状进行拓扑优化17 。通过数值模拟的方法，得出六边形截面形状的缓冲盒吸能效果最好。优化结果如图 1. 7所示图 1. 7缓冲盒截面优化效果图 1. 8各种截面形状的缓冲和数值模拟结果同样在2012年，中国汽车工程研究院的万鑫铭18 等人又通过对正方形，正六边形，正八边形，圆形的铝制吸能盒和钢制的吸能盒做数值模拟分析，结果如图 1. 8所示。得出正八边形铝管的吸能性质十分突出，但是碰撞时候引起的碰撞力峰值太大，而正六变形的各项指标相对均衡。2) 诱导槽在缓冲盒上开诱导槽对缓冲效果有着十分明显的提高。哈尔滨工业大学的曲明19 等人曾对诱导槽的研究及分析发现，薄壁梁在撞击的时候会发生溃缩变形。变形的过程中缓冲盒上有些部位会发生内凹，有些部位会发生外凸。根据这种现象，如果在缓冲盒的表面本身设置向内凹或者向外凸的槽，在发生碰撞的时候可以有效的减小撞击力的峰值。通过研究发现，设置双层的诱导槽薄壁梁的缓冲效果要远远好于不设置诱导槽的缓冲效果，如图 1. 9所示，如此可以大大提高碰撞性能。图 1. 9 双层诱导槽缓冲盒缓冲盒的优化还可以通过在缓冲盒内部填充橡胶材料，使用变截面梁作为缓冲盒，并且考虑缓冲盒的焊接方式等20 。这些方法都是有待研究，并且值得研究的内容。其次除了采用缓冲盒的方式，也可以使用机械阻尼缓冲装置来做缓冲器，虽然这样的方法可能会提高缓冲效果。但是可以想象得到，制作成本也肯定会远远高于铝制薄壁梁。1.7.3 评价指标在碰撞过程中大多数碰撞试验采用加速度，能量吸收等指标来评价。这些参数都是碰撞过程中体现碰撞激烈程度的因素，同时也是体现防撞梁结构吸能缓冲效果的标准，且也可以使用更为直观的撞击力21 ，位移等因素作为标准进行对比分析。1.8 本文主要研究内容本文主要利用LS-DYNA做实验的数值模拟计算。利用车架连接防撞梁的模型进行碰撞，采用不同厚度，不同截面，不同材料的防撞梁进行碰撞分析，通过碰撞后车架所受的力的峰值，加速度的大小，能量的剩余情况来衡量防撞梁的缓冲效果。通过对碰撞后的整个防撞梁的变形情况，来判定防撞梁是否符合碰撞最大位移要求。整个碰撞过程是为了给汽车防撞梁的实验做理论依据。同时也是给实验做有力验证。第二章 防撞梁撞击变形基本理论分析汽车防撞梁的好坏主要是通过汽车发生碰撞时防撞梁吸收能量的多少来判定，而防撞梁吸收的能量主要是由梁和缓冲盒的塑性变形引起的。既然提到塑性变形，那么首先需要确定材料的性质，所以需要利用弹塑性理论分析。其次，吸收能量的主要部分是塑性变形能，所以需要考虑变形过程中的能量问题。再次，由于汽车发生碰撞是一个碰撞过程，则需要动力学分析。最后防撞梁的力学模型可以用薄壁梁来进行模拟，所以薄壁梁理论也是理论分析中不可缺少的一部分。下面依次介绍这些理论。2.2.1 弹塑性变形理论金属材料在发生压缩或者拉伸变形的时候，都是先发生弹性变形，然后进入屈服阶段，最后进入强化阶段。每个阶段的应力应变规律均不相同，有的阶段吸收能量多，有的少，有些能量会再次反弹，而有些能量则被永远的吸收。了解简单材料的变形才能了解复杂变形情况中能量的吸收情况。2.1.1 金属材料拉伸时的力学性能图2. 1 力和伸长量的关系图材料拉伸时的应力应变曲线能够反映材料在受到拉力的作用下变形与力的关系。以简单的低碳钢拉伸为例子22 ，对低碳钢做缓慢增加拉力作用。将拉力P和伸长量DL的关系作图，如图2. 1 所示。为了消除尺寸对力学规律的影响，将拉力p除以试样横截面积A0，得出正应力： =P/A0；同时，把伸长量DL除以总长L0，可以得到应变：=DL/L0。因为各点的应变是均匀的，所以该应变是平均应变。然后再以为纵坐标，以为横坐标，作图表示和的关系，该关系为应力应变关系，该图为应力应变曲线图。如图2. 2图2. 2所示。图2. 2应力应变曲线根据上图的结果，可以将变形分为几个阶段。1) 弹性阶段在材料拉伸的初始阶段，和是线性关系即上图中的OA段。该段中应力与应变成正比关系。即 将该式子写为等式则有=E (2. 1)该式即为拉伸压缩的胡克定律。式子中的E即为弹性模量通常情况下使用的是弹性模量2) 屈服阶段当应力增加超过B'时应力有明显的下降。然后在应力应变曲线上开始形成像锯齿一样的变化情况。这种情况下，应力基本保持不变，而应变却有显著增加。在这个阶段内的最低应力值为下屈服极限，该屈服极限比较稳定，能够反映材料的性能，所以用下屈服极限来做计算。用s表示。该参数在后面的有限元计算中，作为一个参数输入。3) 强化阶段金属材料在屈服一段时间后，又恢复了抵抗变形的能力，能够使应力继续增加。该种现象即为强化。2.1.2 弹塑性模型的简化图2. 3 多线性和双线性的材料应力应变曲线上面介绍了弹塑性材料变形特性。该变形特性曲线可以作为大多数材料，发生变形的时候力与变形的关系。但是如果每次计算都使用该曲线进行计算太过于繁琐，所以可以将其简化为多线性，双线性的特性。则应力应变曲线可简化为如下所示，这样可以大大的简化计算。该图中的s是材料的屈服强度。在有限元计算中该参数是双线性材料的斜率转折点。在有限元计算中即采用上图中的双线性材料模型，作为防撞梁的材料模型。2.1.3 材料的强化模型金属材料在屈服一段时间后，能够继续恢复部分承载能力，这种现象称之为强化，强化有很多种形式，比如在拉伸强化的时候，反向的压缩也进行强化。或者说拉伸强化后反向压缩弱化。还有两个合并起来的强化形式。使用塑性力学中的强化模型即：等向强化，随动强化，组合强化。材料的强化模型的确定是在有限元计算时，材料模型确定的必要选项。1) 等向强化等向硬化弹塑性模型符合了大多数金属材料在加载过程中的变形特性，它表示当金属材料受到反向加载，即压迫时，其屈服极限与拉伸过程中的屈服极限相同，即他们的绝对值是始终相同的，表达式为：=（） (2. 2)其中是刻画塑性变形历史的参数，例如可以取=dp 为塑性应变增量的对决积累值，或取 =wp=dp为塑性功。该模型不论是拉伸还是压缩都使屈服应力的绝对值提高。如图2. 4 所示 图2. 4 等向强化图2. 5 随动强化2) 随动强化等向硬化弹塑性模型虽然计算相对简单，但不能反映材料反向加载过程中存在的包氏效应。因此，在较复杂地变形模式中，材料的特性通常选用随动硬化弹塑性模型。该模型表示，拉伸屈服应力和压缩屈服应力的带数值之差，始终不变。表达式可以写为：-(p)=s (2. 3)其中(p)是塑性应变p的单调递增函数。在线性强化的情况也可以写成：-hp=s (2. 4)式中h=d/d是一个常数。3) 组合强化图2. 6 三种强化模型Mises屈服圆将等向强化模型和随动强化模型组合起来，就构成更为一般的组合强化模型。把上面的三种强化模型，使用mises屈服圆的方法，画到平面上。这样可以更为直观的看出三种强化模型的特性，如图2. 6 所示。强化模型的确定是在有限元计算中材料模型选择的基础，本文中计算所使用的材料为铝合金材料，该材料的强化模型和金属的等向强化模型相似，所以有限元计算中选用等向强化模型。2.2 用于碰撞过程的基本定理23 汽车碰撞的整个过程是在极短的时间内完成的，因此不适合直接使用力来度量碰撞的作用，也不宜用运动微分方程描述每一瞬时运动和力的变化关系，经常使用的分析方式是分析碰撞前、后运动的变化。在碰撞过程中会发生变形、发声、发热，甚至发光。因此在碰撞过程中会出现机械能的损失。机械能损失的程度取决于碰撞物体的材料性质以及其他因素。所以在碰撞过程中一般不便于应用动能定理，所以经常采用动量定理和动量矩定理的积分形式来确定力的作用与运动变化的关系。2.2.1 冲量定理假设有一质点的质量为m，碰撞过程开始瞬时的速度为，碰撞结束时的速度为'，则该质点的动量定理为：m'-m=0tFdt=I (2. 5)式子中I为碰撞梁，普通力的冲量可以忽略不计。对于整个汽车，是无法简化为一个质点来计算的。但是可以简化为很多质点的一个组合。所以可以看作一个质点系，对于碰撞的质点系，作用在第i个质点上的碰撞冲量可分为外碰撞冲量Ii(e)和内碰撞冲量Ii(i)，按照上面的式子有：mii'-mii=Ii(e)+Ii(i) (2. 6)设质点系有n个质点，对于每个质点都可以列出如上的方程，将n个方程相加，就可以得到整体的质点系的冲量定理：i=1nmi'-i=1nmii=i=1nIie+i=1nIii (2. 7)又因为内碰撞冲量总是大小相等，方向相反，一对一对的存在。所以Ii(i)=0,所以上式可以简化为：i=1nmi'-i=1nmii=i=1nIie (2. 8)该式即为整个汽车碰撞过程中质点系的动量定理。此式可以表示整个车体在碰撞前后速度变化与车体所受到的力的关系。冲量是力和时间的乘积，由此可以简单的得出，在汽车车速一定的情况下。碰撞所经历的时间越长，从而车体受到的撞击力越小，缓冲效果越好。2.2.2 冲量矩定理质点系动量矩定理的一般表达式为导数形式，即：ddxLo=i=1nMiFie=i=1nri×Fie (2. 9)式中Lo为质点系对定点O的动量矩矢，i=1nri×Fi(e)为作用与质点系的外力对点O的住矩。对上式进行变形简化，可以得到：dLo=i=1nri×Fi(e)dt=i=1nr×dIi(e) (2. 10)对上式进行积分，则可以得到：Lo1Lo2dLo=i=1n0tri×dIi(e) (2. 11)进一步简化上式得：Lo2-Lo1=i=1n0tri×dIi(e) (2. 12)如果将整个车身看成一个整体，那么在碰撞过程中，各个质点的位置都是不变的。因此可以将ri看作为一个整体即：Lo2-Lo1=i=1nri0tdIi(e)=i=1nri×Ii(e)=i=0nMo(Ii(e) (2. 13)式中Lo2和Lo1分别为碰撞前后质点系对点O的动量矩，Ii(e)是外碰撞冲量。ri×Ii(e)为冲量矩。上式可以简单的用来计算汽车碰撞时力矩的关系。比如在汽车偏置碰撞中，汽车发生的并不是完全的正碰，所以在碰撞过程中会有力矩产生，这种力矩大小的计算，便可以通过该式子进行简单计算而得到。由此同样可以得出，碰撞时间越长所产生的碰撞冲量就越大，在碰撞前后动量矩差值一定的情况下，所产生的碰撞力就越大。但是汽车碰撞过程是复杂的变化过程。不能将其看作整体对待。所以简化的式子只能是用于进行大概计算，更为精确的值，还需要通过数值模拟计算得到。2.3 汽车防撞梁变形过程中的能量分析图2. 7 实车碰撞图片汽车碰撞过程是在很快速的过程中发生大变形的过程，其能量交换的过程也十分的短暂。仅仅在百分之一秒到百分之十秒的时间内，就需要将汽车的动能完全的转化为塑性变形能，热能等其他能量的形式进行释放。这些能量大部分都是由汽车内部的缓冲装置吸收的，这样就保护了汽车内部人员的安全。由于汽车发生碰撞多半为汽车前部发生碰撞，所以经常采用汽车前部防撞梁和缓冲装置的塑性变形进行能量的吸收，所以在进行汽车正面碰撞试验时，可以看到，大部分的车的前部会在汽车碰撞时发生大变形，正是由于这些变形的存在，吸收了车体的大部分的动能，才能保证汽车内的人员，尽可能少的受到汽车碰撞的破坏。2.3.1 能量的转化汽车在碰撞前有动能T=1/2mv2，在发生碰撞时会发生弹性变形，则产生弹性势能Ve；发生塑性变形，则有塑性变形能Vp用同样高速碰撞时会产生热量，即有热能Q。还有因为汽车轮胎和地面的摩擦力作的功Qf。所以汽车发生碰撞前的总能量E=T。在汽车发生碰撞的过程中能量的转换可以分为两个阶段分析，分别为碰撞到汽车第一次速度为0的形态和汽车最终形态。第一阶段，当汽车发生碰撞后，汽车的动能第一次减为零，这时动能T=0。弹性势能最大。塑性变形能Vp同样最大，并且已经成为定值。这个过程中有热能的产生。摩擦力也做功。总能量E=Vp+Q+Qf第二阶段，由于弹性变形是可以恢复的，所以因挤压发生的弹性变形会继续回弹回来。对应于汽车碰撞，即弹性势能会再次转化为动能。所以汽车在碰撞过程中造成的反弹现象全部都是由弹性变形造成的。而塑性变形是不可恢复的，所以在第一阶段发生变形时，塑性变形能的转化已经结束了，产生的热量在空气中扩散，最后消失。所以Q=0当汽车反弹时。由于地面的摩擦力和汽车的动能抵消，汽车最终停止下来。所以最后剩余的总能量只有塑性应变能Vp。整个过程中，为了能够让能量快速的被吸收，通常采用防撞梁，吸能器的形式。目的就是为了在更短的时间内，更多的吸收汽车的动能。 这样做之后塑性变形能要远远大于弹性变形能，所以更多的时候看到的是汽车发生了大变形，而不是大范围的反弹。另外，碰撞时虽然有热能产生，但是跟塑性能和弹性能相比，还是太小了，所以通常情况下忽略不计。2.3.2 汽车吸能装置的基本要求汽车行业发展到现在，已经有各种各样的用于吸收能量的装置。虽然形态各异，但是功能是一样的，就是起吸收能量的作用。通常最简单的吸能装置即为防撞梁形式的。这种吸能装置通常制作简单，同时又能取得良好的吸能效果，所以在现在汽车工业中运用也最广泛，但是其形态却是各式各样的。纵观很多防撞梁的形式，可以得出好的防撞梁一般是满足以下几个条件的：1) 能够更多的产生塑性变形来存储汽车发生碰撞时候的动能，因为这种存储形式不会产生回弹等效应。2) 碰撞的变形模式，应该很稳定24 。即每次变形的情况趋近于相同。这样才能在真实发生碰撞时保证一定的吸能效果。3) 碰撞过程中能够控制加速度和撞击力，保护车体内部人员和车内的重要结构不受到严重破坏。4) 结构应该轻巧，简便，利于生产，能够提高单位质量的比吸能效率，同时也是降低了成本。满足上述条件的防撞梁能够在汽车发生碰撞时最大程度的吸收能量，也能在汽车生产和制造中得到广泛的应用。 2.4 薄壁构件变形理论 由于本文所采用的防撞梁模型和缓冲盒模型均采用的是薄壁管的形式，所以使用薄壁理论对其进行理论研究。本文中对薄壁的研究主要是针对其塑性变形吸收能量多少进行研究。薄壁管轴向受到冲压时，会发生扩径的褶皱压缩，该过程吸收能量十分巨大，主要是塑性变形能。这种褶皱变形的好坏，主要通过两个方面来衡量，一是在变形过程中的吸收能量，二是在变形过程中能承受的溃缩力。薄壁管的吸能能力主要通过三个参数来决定25 ，吸收的总能量W，单位体积吸收的能Wv量，单位质量吸收的能量Wm。可以通过以下几个式子进行计算；W=0sF(s)d (2. 14)上式中：s为溃缩的长度，F(s)为溃缩时受到的相应的压力。相对应的Wv和Wm主要除以对应的体积和质量即可。使用该式子来衡量薄壁管的能量吸收。薄壁管的承载能力，主要是通过溃缩力来决定的。该力决定了碰撞过程中，汽车所受最大撞击力的大小。一般情况下求解平均溃压载荷FmFm=1s0sF(s)ds (2. 15)为了让薄壁梁能够产生稳定的溃缩，通常可以使用变截面的锥形薄壁管作为缓冲盒。同时也可以使用在薄壁梁的两侧加入诱导槽的方法，来确定薄壁梁变形的方向，以及降低最大撞击力的效果。2.5 小结本章的内容是通过理论分析的方式，对后面的数值模拟明确方向。包括在数值模拟中需要确定的材料模型，强化模型，也从整体上简单的分析了整个汽车的碰撞过程中力和能量的变化情况。最后是通过理论明确数值模拟最终需要得到的结果及评价结果好坏的标准等。总之，理论部分的分析是为了辅助数值模拟分析，并不能直接得到汽车碰撞的理论结果。第三章 有限元数值模拟理论汽车的碰撞过程是一个复杂的过程。因为其中存在着各种复杂的因素。单纯的依靠理论计算是无法得到结果的。在有限元计算软件还没有发展起来之前，如果想要得到碰撞的结果，那么只能是通过实体汽车碰撞的方法。但是实体汽车碰撞是需要高昂的