汽车侧面碰撞车门结构性能分析及吸能特性研究

汽车侧面碰撞车门结构性能分析及吸能特性研究 分类号:463.834 密级: UDC:629编号: 工学硕士学位论文汽车侧面 碰撞车 门 结构性能 分析及 吸能特 性 研究 硕士 研究 生: 安旭 辉指导 教师 : 陈克 教授 学科 、专 业: 车辆 工程沈阳理工大学2013 年 3 月分类号:463.834 密级: UDC:629编号: 工学硕士学位论文 汽车侧面 碰撞车 门 结构性能 分析及 吸能特 性 研究硕士研究生 :安旭辉 指导教师 :陈克 教授 学位级别 :工学硕士 学科、专业 :车辆工程 所在单位 :汽车与交通学院 论文提交日期:2012 年 12 月 论文答辩日期:2013 年 3 月 学位授予单位: 沈阳理工大学Classification Index: 463.834U.D.C: 629A thesis for the Master Degree of EngineeringStudy on Car Doors Structure Performanceand Energy Absorbing Properties of Side ImpactCandidate : An Xuhui Supervisor : Chen Ke Academic Degree Applied for : Master of Engineering Speciality : Vehicle Engineering Date of Submission : December ,2012Date of Examination: March ,2013 University: Shenyang Ligong University沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重 声明:本 论文的 所有工 作, 是在 导师的指 导下 , 由作 者本人独立完成的。有关观点、方法、数据 和文献的引用已在文中指出,并与参考文献相对应 。除文中已注明引 用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均己在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法 律结果 由本人 承担。作者(签 字) : 日期 : 年月日学 位 论 文 版 权 使 用 授 权 书 本学位论文作者完全了解 沈阳理工大学 有关保留、使用学位论 文的规定,即:沈阳理工大学有权保留并 向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和磁盘,允许论文被查 阅和借阅。本人授权沈阳理工大学可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索,可以采用影 印、缩 印或其 它复制 手段保 存 、汇编学 位论文 。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文 作者签 名: 指导教 师签名: 日 期: 日 期:沈阳理工大 学硕士学 位论文摘 要汽 车 安 全性 是 现代 汽 车的 主 要性 能 之一 , 已 成为 汽 车 产品 在 汽车 市 场竞 争 中的 关 键 因素 。随 着 计算 机 技术 的 迅速 发展 , 以及 虚 拟 计算 机仿 真 技术 的 出现 , 传统 汽 车 被动 安全 性 研究 方 法得 到 了 更 新和 完 善。 利 用 计算 机进 行 汽车 碰 撞仿 真 试验也早已成为现实, 为汽车产业的设计研发提供了更加快捷、 合理、 准确的途径。 本 文 针 对 某 轿 车 车 型 , 基 于 有 限 元 理 论 和 虚 拟 实 验 场 技 术 , 应 用 VPG 和LS-DYNA 软件, 对整车进行侧面碰撞分析, 研究车门结构强度与吸能特性, 并评价了该车的侧碰被动安全性能。 本次研究根据 ECE R95 侧面碰撞法规, 在 VPG/Safety 模块中加载移动壁障车模型和假人模型,利用有限元分析前处理软件对整车 CAD 模型划分了单元网格,定 义 了 单元 类型 和 材料 参 数, 创 建了 焊点 、 接触 和 约 束。 使用 非 线性 动 力学 分 析软件 LS-DYNA 进行计算 , 得到该车车门的应 力分布、 变形大小、 能量曲线、 加速度 以 及 假人 变形 、 加速 度 、伤 害 指数 的计 算 结果 。 通 过对 车门 结 构性 能 与防 撞 梁吸能特性的分析可知, 该车门结构变形过大, 防撞梁存在应力集中现象, 其材料、结构需要进一步改进。本次研究还通过计算假人的 HPC 指标、VC 指标和头部峰值 加 速 度评 价了 整 车的 侧 面碰 撞 被动 安全 性 能。 根 据 计算 结果 综 合分 析 提出 了 车门结构的改进建议和本次研究中的不足及有待解决的问题。关键词: 侧面碰撞;车门;有限元;虚拟实验场;LS-DYNA沈阳理工大 学硕士学 位论文AbstractVehicle safety is one of the important properties of modern cars. With the development of computer simulation technology and emerging of virtual simulation technology ,traditional method of vehicle safety research has been constantly updated and improved.Studying realized on computer has become reality.It provides a more rational,efficient and accurate way for automotive product designThis paper according to a vehicle model, based on the finite element theory and virtual experiment field technology, used the VPG and LS-DYNA software, through the vehicle side collision analysis, studied the door structure strength and energy absorption characteristics, at the same time, evaluated the cars side collision passive safety performance This research according to the ECE R95 side collision regulation, in the VPG/Safety module loading moving barrier vehicle model and dummy model. Using finite element analysis software to divides the vehicle CAD model thorugh the form of grid unit. Defines the unit type and material parameters , create the solder joints, contact and constraint , Using nonlinear dynamic analysis software LS-DYNA to calculate, get the doors stress distribution, deformation size, energy curve, acceleration, and the dummys deformation, acceleration, damage index calculation results. through the doors structure performance and anticollision beam energy absorption characteristics analysis ,we can see , this door structure deformation is too large, anticollision beam exists the phenomenon of stress concentration, its material and structure need to be further improved. This study also calculation the dummys HPC index, VC index, and peak acceleration in the head, and use these parameters to evaluation the vehicles passive safety performance in side collision.According to comprehensive analysis the calculation results, put forward some suggestions to improve the structure of the body at the same time ,point out the lack and the problems need to be solved in this research Keywords: side impact; car door; finite element; virtual field lab; LS-DYNA目录目 录第1 章 绪论- 1 - 1.1 汽车安全问题- 1 - 1.2 汽车碰撞安全技术研究方法与研究现状- 3 - 1.2.1 侧面碰撞概述. - 3 - 1.2.2 汽车侧面碰撞安全技术的研究方法 - 4 - 1.2.3 国外研究现状. - 6 - 1.2.4 国内研究现状. - 6 - 1.3 本课题的研究意义与内容. - 7 - 1.3.1 课题研究意义. - 7 - 1.3.2 课题研究内容. - 8 - 第2 章 侧面碰撞试验方法研究. - 9 - 2.1 两种侧面碰撞安全法规简介与比较. - 9 - 2.2 我国侧碰标准主要内容及评价指标- 13 - 2.2.1 碰撞形式. - 13 - 2.2.2 碰撞试验假人的选取 - 13 - 2.2.3 假人伤害评价指标. - 13 - 2.2.4 可变形移动壁障- 15 - 2.3 本章小结 - 16 - 第3 章 碰撞仿真有限元理论 - 17 - 3.1 汽车碰撞仿真有限元理论- 17 - 3.1.1 弹塑性动力学基本方程- 18 - 3.1.2 有限元计算基本解法 - 21 - 3.1.3 接触? 碰撞处理方法 - 24 - 3.2 VPG 介绍- 26 - 3.3 LS-DYNA 介绍- 30 -沈阳理工大 学硕士学 位论文 3.3.1 LS-DYNA 功能特点- 30 - 3.3.2 LS-DYNA 的输入数据格式 - 31 - 3.3.3 LS-DYNA 的文件类型- 32 - 3.4 本章小结 - 33 - 第4 章 侧面碰撞有限元模型的建立 - 34 - 4.1 模型网格划分与单元定义- 34 - 4.2 定义模型材料 - 37 - 4.3 定义模型连接 - 38 - 4.4 定义模型接触 - 40 - 4.5 沙漏的控制. - 41 - 4.6 分析控制参数的设定. - 42 - 4.7 本章小结- 43 - 第5 章 仿真结果分析与车门结构特性研究. - 44 - 5.1 变形分析- 44 - 5.1.1 车身变形分析 - 44 - 5.1.2 车门模型变形分析. - 45 - 5.1.3 防撞梁变形分析- 49 - 5.1.4 车门变形失效分析. - 51 - 5.2 防撞梁应力分析- 51 - 5.3 防撞梁加速度分析- 53 - 5.4 能量分析- 54 - 5.5 假人伤害评价 - 56 - 5.6 本章小结- 59 - 结 论. - 60 - 参考文献. - 62 - 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果- 65 - 致 谢. 错误! 未定 义书签。第 1 章 绪论第 1 章 绪论1.1 汽车 安全 问题 汽 车 安 全、 汽 车节 能 和汽 车 环保 三 大问 题 已 成为 当 今 汽车 领 域的 研 究热 点 ,并且具有重要的社会、经济意义,因此得到了政府和 科研团队的高度重视。 汽 车 安 全性 可 分为 主 动安 全 性和 被 动安 全 性 ,其 中 主 动安 全 性是 汽 车自 身 主动 防 止 交通 事故 发 生的 能 力, 被 动安 全性 是 汽车 在 发 生交 通事 故 时对 车 上乘 客 保护 的 能 力。 而汽 车 被动 安 全性 总 是和 广义 的 汽车 碰 撞 事故 联系 在 一起 , 因此 汽 车1碰撞安全性就成为了研究汽车被动安全性的主要内容 。 2截至 2011 年 8 月底, 全国机动车保有量达 到 2.19 亿辆 。 其中, 汽车保有量首次突破 1 亿辆。而早在 2000 年,全国机动车保有量仅为 1249 万辆,汽车保有量为 625 万辆。 通过以上数据可以看出, 短短 10 年里, 中国的机动车辆增加了 17倍,汽车增加了 16 倍,如图 1.1 。如此高的增 长速度,一方面说明了中国改革开放 取 得 的成 效, 刺 激了 中 国经 济 的迅 速发 展 ;一 方 面 说明 了汽 车 市场 在 中国 无 疑有 着 巨 大的 优势 和 潜力 。 随着 我 国汽 车保 有 量的 逐 年 增多 。这 样 的伤 亡 数据 不 得不引起人们的高度重视。图 1.1 我国 汽车保有 量增长示 意图 - 1 - 沈阳理工大 学硕士学 位论文 自 汽 车 诞生 以 来, 由 于早 期 汽车 数 量较 少 车 速较 低 , 汽车 碰 撞安 全 性没 有 得到 足 够 的重 视。 随 着汽 车 行业 的 大规 模发 展 ,车 速 不 断提 高, 碰 撞交 通 事故 给 人们 带 来 越来 越多 的 经济 损 失, 甚 至威 胁乘 员 的生 命 安 全。 仅统 计 死亡 人 数, 每 年全世界有 130 多万人死于车 祸,2011 年,在 严格禁止酒驾后,有 6.2 万人死于车3祸,伤残人数达数百万 ,见表 1.1 图 1-2。 表 1.1 交通 事故统计 年份 交通事故数 死亡人数 受伤人数 经济损失 2005 450254 98738 469911 18.8 亿 2006 378781 89455 431139 14.9 亿 2007 327209 81649 380442 12 亿2008 265204 73484 304919 10.1 亿 2009 238000 67159 275125 9.1 亿 2010 219521 65225 254075 9.3 亿 2011 210812 62387 245637 9.5 亿图 1-2 交 通事故伤 亡情况 汽 车 碰 撞按 照 其发 生 类型 可 以分 为 正碰 、 追 尾和 侧 碰 。在 以 上所 述 的交 通 事4故中, 无论是发生次数还是伤亡人数, 发生最 多的就是侧撞事故 。 据统计数据显示,在各类汽车碰撞中,发生侧面碰撞的概率约为 32%。侧碰造成的司乘人员伤- 2 - 第 1 章 绪论 5害和财产损失的概率高于正面碰撞 。如图 1-3 显示了各种交通事故类型的比较。一 旦 发 生侧 面碰 撞 ,由 于 没有 安 全带 和安 全 气囊 的 保 护, 其死 亡 率要 远 远高 出 正面碰撞及其他事 故的死亡率。图 1-3 交 通事故类 别比较 碰 撞 引 发的 交 通事 故 不仅 威 胁人 们 的生 命 健 康, 造 成 巨大 的 经济 损 失, 而 且诱 发 了 残疾 人口 上 升, 家 庭不 幸 等社 会问 题 。其 中 导 致事 故的 原 因包 括 车辆 、 驾驶 者 、 道路 等各 种 因素 , 只有 全 面综 合的 解 决完 善 道 路设 施建 设 、优 化 交通 管 理系 统 、 健全 交通 安 全法 规 、提 高 汽车 安全 性 等各 个 发 面才 能有 效 的减 少 交通 事 故带来的损失。 1.2 汽车 碰撞 安全 技术 研究 方法 与研 究现 状 1.2.1 侧面碰撞概述 6汽车的侧面碰撞可分为直接碰撞和二次碰撞 。 直接碰撞是指汽车侧面被其他障 碍 物 以一 定的 角 度予 以 直接 撞 击, 其中 包 含相 向 行 驶和 同向 行 驶两 种 不同 碰 撞条 件 。 另外 二次 碰 撞是 指 汽车 发 生直 接碰 撞 之后 由 于 碰撞 速度 过 大或 侧 滑等 其 他原 因 , 导致 车上 乘 员与 车 厢内 固 定物 (比 如 内饰 件 、 方向 盘、 车 门等 ) 发生 的 第7二次撞击。 汽车发生直接碰撞后, 一般会失去 转向能力, 引起侧滑现象 , 所以二次碰撞发生的情况并不少见。 汽 车 发 生侧 面 碰撞 的 实际 情 况比 较 复杂 , 所 以没 有 固 定的 碰 撞模 式 ,现 在 所8得到的一部分侧面碰撞碰撞模式大多是来源于真实的交通事故的调查统计 。 通过- 3 - 沈阳理工大 学硕士学 位论文 对 发 生 侧面 碰撞 的 汽车 留 下的 跑 偏的 路面 拖 印、 撞 击 痕迹 和汽 车 侧滑 等 作详 细 的记 录 统 计, 然后 分 析汽 车 侧 面 碰 撞规 律, 来 作为 计 算 机模 拟碰 撞 和侧 面 碰撞 试 验的依据。20 世纪 30 年代,美国通用汽车公司 就开始通过进行汽车与固定壁碰撞试验和翻车试验,来研究汽车直接碰撞时受到的危害。50 年代中期,随着二次碰撞 概 念 的提 出, 各 国的 汽 车行 业 开始 开展 各 种实 车 碰 撞试 验和 试 验台 碰 撞试 验 。60 年 代 计 算 机 技 术 新 起 , 国 外 开 始 尝 试 使 用 计 算 机 来 统 计 和 分 析 交 通 事 故 的 类9别, 并使用计算机进行模拟仿真的汽车碰撞 。 这些模拟碰撞试验中就包括汽车侧面 碰 撞 ,用 来确 定 汽车 被 动安 全 性能 和事 后 安全 性 能 ,从 而来 分 析汽 车 侧面 碰 撞对汽车和乘员的损害情况。 1.2.2 汽车侧面碰撞安 全技术 的研究 方法 对 于 汽 车碰 撞 被动 安 全的 研 究, 按 照研 究 对 象的 不 同 可以 分 为三 类 ,即 车 体10结构和性能特性研究、乘员约束系统研究和人体损伤生物力学研究 。 (1)机 构 性 能 特 性 研 究 主 要 研 究 的 内 容 是 通 过 分 析 车 体 结 构 在 碰 撞 时 的 变形 情 况 和能 量变 化 ,确 定 出车 体 主要 结构 的 结构 特 性 和吸 能特 性 ,从 而 考察 出 整车 的 综 合耐 撞性 能 。最 终 探索 出 车体 的改 良 方案 , 以 保证 在乘 员 有足 够 生存 空 间的 基 础 上, 使车 体 在碰 撞 中吸 收 尽量 多的 能 量, 最 大 程度 地减 轻 二次 碰 撞中 车 体对乘员的伤害。 (2)乘员约束系统研究的主要部件是车体内部的被动安全设施, 包 括安全气囊 、 安 全带 、内 饰 吸能 、 安全 座 椅等 。其 目 的是 研 究 如何 最大 程 度地 减 轻乘 员 与车体内部的二次碰撞。 (3)人体生物力学研究的研究对象是力学的基本定律和人体结构组织。 通过结 合 物 理力 学和 生 物科 学 ,解 析 人体 在碰 撞 过程 中 的 力学 响应 、 伤害 机 理和 承 受极限。提出在不同碰撞环境下,人体能够承受的最大压力、极限加速度等指标。 汽 车 碰 撞被 动 安全 的 研究 按 照试 验 方法 分 类 可以 分 为 实物 试 验法 和 计算 机 模拟试验法。 (1)试验法 汽 车 碰 撞试 验 法根 据 被测 试 对象 的 不同 , 可 分为 实 车 碰撞 试 验、 台 车碰 撞 试11验 和 零部 件台 架试 验三 种 。其 中实 车碰 撞试验 是 最具 有说 服力 的试 验, 它能 比较 精 确 的模 拟出 接 近真 实 情况 下 的碰 撞结 果 。实 车 的 费用 高昂 并 且实 车 碰撞 属 于- 4 - 第 1 章 绪论 破 坏 性 试验 无法 重 复利 用 ,故 其 具有 一定 的 局限 性 。 台车 试验 是 利用 台 车来 近 似模 拟 实 车碰 撞的 一 种方 法 。在 试 验过 程中 , 先让 台 车 通过 一个 缓 冲装 置 在发 生 碰撞 。 通 过缓 冲装 置 的力 学 特征 来 描述 汽车 碰 撞时 的 减 速度 波形 。 零部 件 台架 试 验是用来测试零件在冲击载荷下的安全性能。 但 是 汽 车碰 撞 安全 性 试验 是 一种 破 坏性 的 试 验, 每 辆 整车 样 车或 每 个车 辆 零部 件 样 件只 能试 验 一次 , 试验 后 即失 去了 利 用的 价 值 ,所 以碰 撞 试验 是 一种 非 常昂贵的试错过程。 (2 )计算机模拟试验法 汽 车 碰 撞是 一 个动 态 的大 位 移和 大 变形 过 程 ,汽 车 本 身就 具 有几 何 非线 性 和材 料 非 线性 ,仅 仅 应用 经 典力 学 很难 模拟 汽 车碰 撞 的 整个 过程 。 随着 计 算机 仿 真技 术 的 迅速 发展 , 越来 越 广泛 地 采用 数值 计 算方 法 来 处理 接触 问 题。 有 限元 方 法就 是 其 中的 一种 , 采用 有 限元 的 方法 可以 计 算具 有 复 杂几 何外 形 、任 意 变形 以 及任 意 材 料特 性的 接 触系 统 ,碰 撞 接触 问题 的 解决 方 法 归结 为求 解 代数 方 程系 统 而12不是寻找一个近似的结果 。 当 前 比 较 流 行 的 有 限 元 分 析 软 件 系 统 有 : ANSYS 、 MSC/NASTRAN 、ABAQUS 、COSMOS 、LS-DYNA 等等。 其中 LS-DYNA 是功能齐全的几何非线性13大位移和大应变 、材料非线性 材料动态模型 和接触非线性程序 。非常适合进行汽车碰撞的计算。 本次碰撞试验采用 VPG 软 件完成侧撞模型的初始化, 最后使用 LS-DYNA 进行计算求解。 14-15计算机模拟实验法与实际试验相比有很多优点, 具体有如下几点优越性 : 产品开发周期短。CAD/CAM 软件广泛的运 用, 使产品开发人员对虚拟样机的 概 念 逐渐 接受 。 产品 在 设计 、 开发 阶段 就 能预 测 其 品质 和性 能 ,避 免 了很 多 不必要的设计失误,减少部分试验,从而大大缩短了产品开发的周期。 试 验 费用 低 。计 算 机碰 撞 仿真 不 必进 行 实 车碰 撞 的 破坏 性 试验 , 更不 需 要试验设备,从而节省了大量的人力、财力和物力。 试 验数 据 收集 全面 。 实车 碰撞 试验 的 测试 结果 , 一般 都 是通 过传 感器 和 高速 摄 影机 收集 到的 , 传感 器与 摄影 机的 布 置、数 量 、调 试等 方面 都 会受 到很 多 的条 件 的限 制, 这就 会 导致 收集 到的 结果 数 据不够 全 面。 而计 算机 仿 真就 不存 在 这样的问题,它可以全面的收集和调用试验数据结果。 - 5 - 沈阳理工大 学硕士学 位论文 可 进行 重 复试 验。 实 车碰 撞试 验其 过 程容 易受 到 各种 随 机因 素影 响, 所 以在 研 究各 种参 数对 碰 撞安 全性 影响 问题 时 ,不利 于 得到 非常 精确 的 结果 。而 计 算机 仿 真依 赖的 环境 是 计算 机硬 件, 通过 仿 真软件 可 以参 数化 设计 , 方便 得到 在 参数改变时的不同仿真试验结果。 1.2.3 国外研究现状 早在 20 世纪 30 代年开始,发达国家就进行了简单的实车碰撞试验,发展到60 年代随着计算机的诞生, 人们开始了计算机模拟碰撞技术。 最近 30 几年来, 基于有限元理论的 CAE 仿真分析得到了迅速的 发展, 已经有很多不断趋于成熟的碰撞模拟软件包例如:ANSYS 、MSC/NASTRAN 、ABAQUS 、COSMOS 、LS-DYNA等等。 其中最为常见有限元软件 LS-DYNA。在 1986 年,LS-DYNA 成功模拟出了整车碰 撞变 形后 , 基于 动 态显 示 非线 性有 限 元计 算 的 计算 机模 拟 仿真 的 试验 研 究16方法开始用于计算评价汽车的耐碰撞性能 。 LS-DYNA 能够对车身结构碰撞变形进行模拟, 分析假人在碰撞过程中的动态响应。 这些功能用于研发安全汽车车身、开发碰撞试验标准假人、优化保护乘员措施等工作中发挥了很大作用。 目 前 国 外从 事 计算 机 仿真 分 析和 汽 车碰 撞 试 验的 研 究 机构 有 很多 , 发展 比 较成熟的有欧盟新车评价系统 EURONCAP , 美国 公路安全保险协会 IIHS , 英国米拉研究院 MIRA , 荷兰国家技术研究中心 TNO , 澳洲新车评价系统 ANCAP , 法国汽17车、摩 托车、自行车联合会 UTAC ,日本汽车 研究中心 JARI 等 。 1.2.4 国内研究现状 我 国 对 于汽 车 碰撞 安 全的 研 究起 步 比较 晚 , 改革 开 放 以后 开 始借 鉴 国外 的 研究 成 果 ,从 国 外的 碰 撞试 验 和碰 撞安 全 法规 入手 , 逐 渐发 展 起来 的 。例 如 ,1998年 上 海 交通 大学 介 绍了 国 外的 汽 车侧 面碰 撞 试验 方 法 ,分 析了 部 分重 要 参数 , 比对了这些方法之后,提出我国应该开展的碰撞试验方法。2000 年泛亚汽车技术中心 通 过 有限 元仿 真 ,对 某 车型 进 行了 侧面 碰 撞仿 真 分 析, 对车 身 结构 提 出了 优 化方案,对优化后方案再次仿真计算,提升了改车型的耐撞性能。2002 年以后,中国 汽 车 技术 研究 中 心、 国 家汽 车 质量 检测 中 心、 清 华 大学 、湖 南 大学 等 先后 建 立了 试 验 基地 和研 究 中心 , 围绕 车 身结 构对 乘 员保 护 、 碰撞 燃油 泄 漏、 转 向机 构 对驾驶员伤害等安全问题进行了大量工作。 - 6 - 第 1 章 绪论 国 内 目 前拥 有 研究 和 测试 碰 撞试 验 能力 的 研 究部 门 包 括有 中 国汽 车 技术 研 究中 心 、 长春 汽车 研 究所 、 国家 交 通部 公路 交 通工 程 综 合试 验场 、 襄樊 汽 车试 验 研究 所 、 清华 大学 汽 车碰 撞 试验 室 和上 海汽 车 检测 所 。 我国 已经 颁 发汽 车 侧面 碰 撞安 全 法 规, 汽车 侧 面碰 撞 试验 也 成为 了汽 车 的强 检 项 目之 一。 其 中 中 国 汽车 技 术研究中心是 在 1985 年根据国家对汽车行业 的 管理需要, 经国家科委批准 建立,隶属于 国 务院 国有 资 产监 督 管理 委 员会 的科 研 院所 。 中 国汽 车技 术 研究 中 心 在分析和研究国外 NCAP 基础上,结合中国的汽车标 准法规、道路交通实际情况和车型特征 , 并进 行广 泛 的国 内 外技 术 交流 和实 际 试验 , 考 虑了 侧面 碰 撞、 正 面碰 撞 、追尾碰撞 以及动态翻滚汽车安全法规试验项目, 最终 确定了 C-NCAP 试验和评分18的 规则 。 1.3 本课 题的 研究 意义 与内 容 1.3.1 课题研究意义 随 着 我 国车 辆 数目 的 不断 增 加, 汽 车的 安 全 性问 题 越 来越 受 到人 们 和政 府 的重 视 。 汽车 不发 生 碰撞 是 对于 车 辆的 最理 想 安全 状 态 ,避 免碰 撞 是车 辆 主动 安 全的 研 究 领域 ,而 且 目前 的 科技 水 平下 车辆 的 碰撞 是 在 所难 免的 。 因此 , 对车 辆 碰撞特性进行分析是十分具有意义研究课题。 在 汽 车 侧面 碰 撞中 , 由于 侧 面是 整 车车 体 结 构中 强 度 较为 薄 弱的 部 位, 一 旦受 到 强 烈碰 撞的 冲 击, 没 有足 够 的变 形空 间 ,不 能 像 前部 和后 部 那样 进 行溃 缩 ,无 法 达 到较 好的 吸 能效 果 ,所 以 有必 要对 车 身侧 面 特 别 是 车门 结 构的 强 度和 吸 能特性进行分析与加强,从而来满足汽车侧面碰撞耐撞性能的要求。 车 门 是 整车 车 身结 构 中一 个 重要 的 组成 部 分 ,车 门 的 碰撞 性 能对 车 辆面 临 侧面 碰 撞 时驾 驶员 的 安全 具 有很 大 影响 。国 外 一些 国 家 已制 定了 相 应的 技 术规 范 和安全标准来评估车门 的耐撞性能。例 如,美 国的 FMVSS 214 法规和欧洲的ECE . R95 法规中都采用利用移动变形障壁侧面碰撞被车汽车的方法对车门的安全性能进行检验。 另外, 在 FMVSS 214 中还规定了准静态挤压试验, 试验要求对车门施加一定的固定负载以达到所要求的偏移距。 我国的国标 GB 15743.1995 中也要求轿车车门要具有一定的强度和刚度标准。2006 年 7 月 1 日,我国实施了汽车侧面碰撞安全法规 , 强制提高我国汽车的侧碰安全性能。 因此有必要对车门的侧- 7 - 沈阳理工大 学硕士学 位论文 面碰撞特性进行分析和改进。 1.3.2 课题研究内容 本 课 题 采 用 汽 车 虚 拟 试 验 场VPG 软 件 开 展 对 汽 车 侧 面 碰 撞 进 行 虚 拟 试 验 的研究。 以车门结构作为研究对象, 按照实车侧面碰撞试验要求, 利用 VPG 虚拟试验 场 对 某轿 车整 车 、侧 面 碰撞 移 动变 形壁 障 建模 , 确 定边 界条 件 ,从 而 建立 汽 车侧 面 碰 撞计 算机 仿 真模 型 。然 后 对汽 车侧 面 碰撞 虚 拟 试验 中仿 真 过程 参 数进 行 设置 与 控 制, 最后 对 汽车 侧 面碰 撞 进行 虚拟 试 验。 在 这 次试 验中 主 要对 某 轿车 进 行了基于 ECE R95 安全法规的侧面碰撞,通过对车门结构变形,应力分布,关键点加 速 度 等 方 面 进 行 了 分 析 、 评 价 了 该 车 门 的 结 构 性 能 及 吸 能 特 性 , 并 使 用 了VPG/Safely 模块自带的 EuroSID-1 假人模型对某车型车门的碰撞安全性进行了评价。主要的研究内容包括以下几个问题: (1)介绍了研究汽车碰撞被动安全性的意义, 阐述了汽车侧面碰撞国内外的研究内容、研究方法和研究现状。 (2)叙述了有限元仿真的方法,对比了国际上各种汽车侧面碰撞法规。 (3)建立了某轿车侧面碰撞有限元模型。运用 CATIA 对模型进行了简化处理;利用 HYPERMESH 软件对模型进行网格划分;运用 VPG 软件对侧撞模型进行了边界条件设定;最后通过 LS-DYNA 软件 进行求解计算。 (4)对碰撞模型计算结果进行分析,研究了车门结构性能与吸能特性。 (5) 提出了车门改进方案,为以后该车型的优化设计奠定了基础。- 8 - 第 2 章 侧面 碰撞试验 方法研究第 2 章 侧面碰撞试验方法研 究世界上最早的汽车安全法规是 1929 年英国实施的车辆照明法,经过 80 多年的 发 展 ,各 国汽 车 安全 法 规一 逐 渐完 善。 而 目前 存 在 的汽 车侧 面 碰撞 法 规只 有 很短暂的发展过程。 上世纪 70 年代, 欧洲、 美国就开 始了从事汽车 侧面碰撞试验的研究工作。 上世纪 90 年代, 美国将汽车实车侧面碰撞的试验 方法和试验要求添加到了联邦法规FMVSS 214 车门静强度试验之中, 丰富了之前 的只有静态挤压试验。1995 年, 欧盟将汽车侧面碰撞中,对乘员保护纳入 ECE 法规中,更新为 ECE R95 。日本对汽车侧碰撞试验技术研究起步比较晚,从 90 年 代初期开始投入研究。 192006 年中国开始实施了机动车侧碰乘员防护认证规定 。但中国和日本的侧面碰撞法规发展起步较晚,其内容主要趋同于欧美法规。 2.1 两种 侧面 碰撞 安全 法规 简介 与比 较 目前国际上 对于侧面碰撞法规还没有进行统一标准,在汽车安全领域里最具20代表性的是欧洲经济委员会法规 ECE 美国联 邦机动车安全法规FMVSS 。但是欧洲和美国现有汽车侧面碰撞试验方法有很多的不同之处。 1. 美国 FMVSS 214 法规 1990 年 10 月美国联邦机动车安全法规 FMVSS 214FMVSS ,Federal Motor Vehicle Safety Standards 在美国颁布执行。 在 FMVSS214 法规中所采用的试验形式可用 图 2.1 表示。碰撞方式如下: 试验车辆保持静止, 在被撞一侧的前排、 后排 座 椅上分别放置一个测试假人。试 验 车 碰撞 的基 准 直线 是 一条 铅 垂直 线位 于 被撞 车 被 撞一 侧车 身 的相 应 位置 , 这条 基 准 线是 移动 壁 障撞 击 被撞 汽 车时 的参 考 线, 其 位 置根 据汽 车 的轮 距 不同 也 相应 有 所 不 同 : 当 被 测 汽 车 车 轮 距 大 于 2896mm 时 , 其 基 准 线 位 于 前 轴 中 心 线 后508mm 处的横向截面上;当被测汽车车轮距小于等于 2896mm 时,则基准线位于轮距中分线之前 940mm 处的横向截面上。 试验 要求移动壁障其速度方向与被测汽- 9 - 沈阳理工大 学硕士学 位论文 车左右对称中心线成 63的夹角,在撞击发生的时刻要求移动壁障的左右对称平面 与 被 测汽 车的 左 右对 称 平面 保 证垂 直关 系 。所 以 为 了满 足这 个 要求 , 移动 壁 障的四个车轮必须保持互相平行,同时向壁障对称中心线右偏 27角,误差角度控制在士 1。 此外, 移动变形壁障与被测汽车碰撞时, 吸能块左侧棱角线要与碰撞基 准 线 对齐 ,移 动 变形 壁 障左 侧 切平 面要 通 过被 测 汽 车基 准线 所 在的 平 面, 误 差尺寸应保持在士 50.8mm 以内。移动变形壁障 试验车前进速度规定为 53.9km /h ,但 由 于 其行 驶方 向 和撞 击 方向 有 一定 夹角 , 因此 实 际 上撞 击到 被 测汽 车 时的 实 际相对车速为 48.03km /h 。图 2.1 FMVSS 214 碰撞试验示意 图 2. 欧盟 ECE R95 法规 于 1995 年 10 月,欧洲制定了其相应的汽车侧 面碰撞法规 ECE R95ECE ,是Economic Commission for Europe 。为了便于与 国际汽车行业接轨,我国强制性标准采用的就是欧盟 ECE 标 准 体系 , 我 国 在 制定 汽 车 侧 面 碰 撞 法 规与 标 准 时 是 以ECE R95/02 法规为蓝本,同时结合了我国国内具体实际情况而制定的。 法规 ECER 95 采用的试验形式如图 2.2 所示:被测汽车保持静止状态,在被撞一侧前排的座椅上布置一侧碰测试假人。 当试验开始时, 移动变形壁障以 50km /h 的 速度垂直碰 撞被测汽 车,要求 移动变形壁 障对称平面 与 被测汽车的 对称平面相垂直,同时要求在碰撞发生瞬间移动变形壁障的对称平面通过前座椅 R 点的横- 10 - 第 2 章 侧面 碰撞试验 方法研究 截面,误差控制在士 25mm 内。图 2.2 ECE R95 碰撞试验 示意图 ECE R95 法规还对移动障壁车做出了严格的规定:要求移动变形壁障车质量为 950kg ;中心位置在 X 轴方向为前轴后 1000mm ,在 Y 轴方向为对称平面左右10mm 内, 在 Z 轴方向距离地面 500mm 。移动 壁障车实例如图 2.3 所示。图 2.3 ECE R95 中规定 的移动壁 障车 要求安装在移动壁障车前部的吸能块具体尺寸大小与安装高度如图 2.4 所示。 - 11 - 沈阳理工大 学硕士学 位论文图 2.4 移动壁 障车前 部吸能块 尺寸与安 装高度 通 过 对 这两 种 法规 碰 撞形 式 的比 较 ,对 它 们 之间 存 在 的不 同 点进 行 了总 结 和分析,见表 2.1 。 表 2.1 两种 法规的比 较分析 法规 FMVSS214 ECER95 碰撞测试前/ 后排乘员 前排驾驶员 保护对象 被测车 X 向与移动 变形壁障 之间 被测车 X 向与 移动变形 壁障相对 静止 碰撞形式 有相对运动 1.动态碰撞 试验要求 1. 只在 司机一侧 进行试验 , 除非 汽车 HPC 无要求 两边结构明 显不同 胸骨位 移、燃油 泄漏:无 要 2.头部 HPC 1000 求 3.胸部任意 肋骨变 形 RDC 42mm 胸部测 得加速度 85g 4. 软组织指 标 VC 1.0m/s 。 骨盆测 得加速度 130g 5.腹部内力 2.5KN 、外 力4.5KN被撞击 一侧车 门 不可脱落 , 6.碰撞过程 中车门保 持关闭 试验要求 非撞击一侧 车门保持 关闭。 7. 碰撞之后, 不用工具 可以将 门 打开2.静态挤压 试验要求 至足够的程 度,能够 供正常进 出, 无座椅 时: 可以释放假 人,移出 内部设备 等, 初始阻力 2250lb , 中间阻力 不能发生对人体有伤害的严重变3500lb ,峰值 7000lb 。 形。 有座椅 时: 8.燃油泄漏 量不能大 于 30g/min 。若 初始阻力 2250lb , 中间阻力 出现燃油与 其他液体 混和现象 而且4375lb ,峰值 12000lb 。 不能区分, 则 全部记录 为燃油泄 漏。 - 12 - 第 2 章 侧面 碰撞试验 方法研究 2.2 我 国侧 碰标 准主 要内 容及 评价 指 标 我国 2006 年开始实施了机动车侧碰乘员防 护认证规定 。其中关于侧碰标准 主 要 涵盖 了侧 面 碰撞 试 验方 法 、碰 撞试 验 所使 用 的 假人 模型 、 假人 伤 害指 标 、移 动 壁 障的 外形 尺 寸、 质 量、 速 度及 吸能 块 选用 的 刚 度等 内容 。 具体 内 容介 绍 如下。 2.2.1 碰撞形式 移动变形壁障前进方向与静止被 测车辆侧面相垂直, 速度为 501 km /h,垂直撞向试验车辆。测量仪器准确精度为 1 %。 2.2.2 碰撞试验假人的 选取 我国采用的是 ECE 法规体系, 所以不使用美国 的侧面碰撞假人 SID 假人, 而且目前国际相关组织尚未对 World SID 的侧面 碰撞假人协调达成一致意见, 因此我国暂时也不使用 World SID 假人作为侧面碰撞测试使用的假人。欧盟 ECE R95/02法规建议各国采用 EuroSid-I 改进型假人 ES-II ,在欧洲 EuroSid-I 碰撞测试假人已在 2008 年后停止使用。 考虑我国目前保有的车型中包括了美、 欧 、 日、 韩等国不同车型的实际情况,以及若干年后国际汽车行业相关组织可能会达成一致, 有开始使用 World SID 侧面碰撞假人的可能性。因此,我国目前同时采用了 EuroSid-I 和 ES-II 侧面碰撞测试假人,试验和评估可以任选其中一种假人作为试验对象。 2.2.3 假人伤害评价指 标 由 于 美 国与 欧 盟采 用 了两 种 不同 的 方法 来 减 轻乘 员 在 侧碰 撞 中受 到 的伤 害 ,这就造成了他们在评价试验假人伤害时的标准也有所不同。 美 国 标 准认 为 汽车 侧 面碰 撞 过程 中 对人 体 伤 害最 为 严 重的 首 先是 胸 部, 其 次为 腰 部 ,所 以重 点 分析 胸 部及 腰 部的 变化 参 数作 为 伤 害指 标。 胸 部的 伤 害指 标 为TTI , 是通过对假人脊椎和肋骨的加速度进行测 试记录, 然后计算出来的伤害指标,同 样 腰 部伤 害的 指 标是 通 过对 假 人臀 部处 的 加速 度 值 进行 测试 记 录, 然 后计 算 出来的伤害指标。 我 国 采 用的 汽 车侧 面 碰撞 法 规与 欧 洲法 规 基 本相 同 , 认为 发 生侧 面 碰撞 的 中乘 员 的 胸部 、头 部 、骨 盆 、腹 部 的伤 害指 标 均较 为 重 要, 因此 在 评定 乘 员受 到 碰- 13 - 沈阳理工大 学硕士学 位论文 撞伤害的指标中, 采用头部 HPC 、 胸部、 腹部、 骨盆的参数变化来作为评价指标。同 时 对 被测 试验 车 作出 了 如下 几 个要 求: 整 个碰 撞 过 程中 车门 必 须保 持 关闭 , 防止 将 乘 员甩 出车 外 ;碰 撞 结束 后 不使 用工 具 就可 以 打 开足 够数 量 车门 , 便于 救 援与出入;碰撞结束后燃油的泄漏量控制在 30g/min 以内。 以下是我国侧面碰撞法规标准中规定的损伤准则 : 1 头部伤害指标 HPCHead Performance Criterion 目 前 国 际上 评 价头 部 受伤 程 度的 较 为常 用 的 方法 是 通 过计 算 头部 受 伤性 能 指标 HPC 来进行评定的。在头部与外界发生碰撞 接触时,包括从初始接触开始到最后接触整个接触过程的计算。 2.5t1 2HPCtt adt 2-1 2 1t1tt2 12 2式 2-1 中的 a 是假人头部的重心合成加速 度m/s , 可用重力加速度 g9. 81 m/s 的倍数来表示,用来记录加速度的通道频率的等级为 1000Hz ;t 是碰撞初始接触1时刻,t 是碰撞 最后接触