汽车正面偏置碰撞计算机仿真分析

论文摘要

在当今汽车技术高速发展的趋势下,汽车安全性的研究越来越受到重视。目前世界汽车生产大国都已形成了对汽车的碰撞安全性强制性法规,如美国FMVSS、欧盟的ECE,我国主要参照ECE法规体系建立了相应的安全法规。对比各国正面碰撞法规,主要有100%刚性固定壁障碰撞、40%偏置可吸能壁障碰撞、30°倾角刚性倾斜壁障碰撞试验。其中100%刚性固定壁障和40%偏置可吸能壁障两种试验方式,前者着重评价乘员约束系统,后者着重评价安全车身,同时碰撞中乘员的伤害机理也不同,只有同时采用才能较全面的评价车辆的正面碰撞安全性能。近20年来在汽车被动安全性研究中碰撞仿真技术发展迅速,不仅节省费用而且还缩短开发周期,在汽车的开发过程中发挥了巨大的作用。对有前排假人的汽车碰撞进行计算机模拟,不仅能预测汽车结构本身的耐撞性,而且能预测人员的响应与伤害程度,从而能更全面地反映汽车的安全性能。本文详细学习和研究了碰撞有限元基本理论和有关算法,涉及到的内容包括有限元求解控制方程、单元离散、沙漏控制、假人及汽车碰撞模拟相关单元、时间积分算法、接触算法、以及材料模型和本构关系等。本文对目前较为流行的汽车碰撞分析软件LS-DYNA的有关大位移变形碰撞求解原理、主要功能模块及其应用进行了学习和研究。并以某车型为例建立了整车有限元模型,然后在此基础上集成了50百分位的HybridⅢ型假人（包含驾驶员和前排乘员）和安全带的乘员约束系统等有限元模型。按照国家标准GB/T20913—2007《乘用车正面偏置碰撞的乘员保护》规定的条件,对整个模型进行了正面40%偏置可变形壁障碰撞的模拟和分析,得出整车的位移、速度、加速度、能量及人体模型的伤害值。为了更全面地评价汽车正面安全性能,本文同时进行了正面全宽的刚性碰撞仿真,并比较了两种方式的变形结果,分析两种碰撞方式的特点。实现了对该车正面碰撞过程及碰撞性能的全面评价。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外汽车碰撞模拟研究的现状
• 1.3 汽车碰撞研究方法
• 1.3.1 汽车碰撞过程力学分析
• 1.3.2 研究方法介绍
• 1.4 国内外汽车碰撞安全法规简介
• 1.4.1 国外汽车碰撞安全法规
• 1.4.2 我国汽车碰撞安全法规
• 1.4.3 汽车安全技术法规的发展趋势
• 1.5 本课题研究的意义
• 1.6 本课题主要研究内容
• 1.7 本章小结
• 第2章 汽车碰撞仿真的有限元理论
• 2.1 有限元基本概念
• 2.1.1 有限元方法的优势
• 2.1.2 有限元的基本方程
• 2.2 非线性有限元基本理论
• 2.2.1 几何非线性
• 2.2.2 材料非线性
• 2.2.3 接触非线性
• 2.2.4 非线性有限元求解方程
• 2.3 碰撞仿真的时间积分算法
• 2.3.1 显式中心差分法
• 2.3.2 中心差分法的稳定性
• 2.4 沙漏控制
• 2.5 碰撞仿真的接触界面算法
• 2.6 碰撞仿真中使用的壳体单元
• 2.6.1 Hughes-Liu薄壳单元
• 2.6.2 Belytschko-Tsay薄壳单元
• 2.6.3 实体单元
• 2.7 本章小结
• 第3章 LS-DYNA软件介绍和整车模型
• 3.1 LS-DYNA概况
• 3.2 LS-DYNA970的功能特点
• 3.2.1 材料模型
• 3.2.2 单元类型
• 3.2.3 约束功能
• 3.2.4 汽车安全性分析
• 3.2.5 LS-DYNA文件系统
• 3.2.6 LS-DYNA的一般分析过程
• 3.2.7 通用前后处理器
• 3.3 整车模型
• 3.3.1 建模时关键技术的处理
• 3.3.2 建立整车有限元模型
• 3.3.3 联接方式的处理
• 3.3.4 材料的使用
• 3.3.5 整车及各总成模型
• 3.4 可变形壁障的有限元模型
• 3.5 乘员约束系统有限元模型
• 3.5.1 假人有限元模型
• 3.5.2 安全带模型
• 3.6 碰撞中的接触
• 3.7 本章小结
• 第4章 正面40%偏置碰撞仿真分析
• 4.1 初始条件
• 4.2 偏置碰撞分析
• 4.2.1 车体变形分析
• 4.2.2 门框变形分析
• 4.2.3 保险杠变形分析
• 4.2.4 B柱加速度分析
• 4.2.5 能量变化分析
• 4.3 偏置碰撞与正面全宽碰撞的对比
• 4.3.1 偏置碰撞与正面全宽碰撞的变形对比
• 4.3.2 偏置碰撞与正面全宽碰撞的加速度对比
• 4.3.3 偏置碰撞与正面全宽碰撞的整车速度对比
• 4.3.4 偏置碰撞与正面全宽碰撞的能量对比
• 4.4 偏置碰撞人体响应分析
• 4.5 人体伤害指标评价
• 4.6 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢