机动车与作业任务车上缓冲安全装置的碰撞研究.pdf

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1、江苏大学 硕士学位论文 汽车与作业车上缓冲安全装置的碰撞研究 姓名：赵琨 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：田晋跃 20100604 江苏大学硕士学位论文 摘要 交通运输业的高速发展，使得道路的养护施工成为经常性的、影 响较大的交通事件。本文针对高速公路养护施工区的交通安全进行研 究，分析比较缓冲安全装置在碰撞过程中对冲击能量的吸收，对碰撞 中人员的伤害的影响，以此来提高养护区的交通安全。 对于高速公路养护区的重型车辆，当高速行驶高速行驶而误入养 护区，与重型工程车相撞时，无疑是一种自杀式的行为。基于车辆与 乘员的伤害，在车辆尾部安装一个缓冲安全装置，减小了碰撞过程中 对车辆的损坏

2、，以及对车内乘员的伤害，达到提高人身安全和降低社 会财产的目的。 分析研究车辆与缓冲安全装置的碰撞性能，采用虚拟实验的模式 方法，对整个碰撞过程进行模拟。模拟的过程中，首先对研究对象缓 冲安全装置的结构进行设计，得到可行性的方案，根据以往对碰撞壁 障研究的相关资料和安全法规，使用C A T I A 软件，设计安全装置的基 本模型，应用A N S Y S 分析软件对几种模型进行有限元分析，将得到K 文件导入L S - D Y N A 中，得到相关的缓冲安全装置的吸能特性和车辆质 心加速度变化曲线，依据仿真得到的结果，选择最佳的缓冲安全装置 结构。 碰撞过程属于非线性大变形的范畴，在仿真模拟的过程

3、中，保持 车辆和缓冲安全装置的基本参数不变，改变车辆的碰撞速度和角度的 情况下，对缓冲安全装置的影响，并依据欧盟E N l 3 1 7 安全标准，进 江苏大学硕士学位论文 一步验证缓冲安全装置在实际应用中的可行性。 在碰撞模拟过程中，基于原始的缓冲安全装置结构，分析比较不 同的缓冲安全装置结构对车辆质心加速度峰值的影响，以及对安全装 置的吸能特性的影响，选出最佳的缓冲安全装置结构，为以后的实车 碰撞提供一些验证方案。 关键字：正面碰撞，缓冲安全装置，吸能特性，有限元，非线性 江苏大学硕士学位论文 A B S T R A C T A sar e s u l to ft h eh i g hs p

4、 e e dd e v e l o p m e n to ft r a f f i ci n d u s t r y ，t h e r o a d m a i n t e n a n c ec o n s t r u c t i o nh a v eb e c o m e r e g u l a r l y t r a f f i c e v e n t ，a n di tc a nm a k e b i g g e ri n f l u e n c e T h i sp a p e r ，a n a l y s i sc u s h i o n s a f e t yd e v i c ei

5、 nt h eh i g h w a ym a i n t e n a n c ea n dc o n s t r u c t i o nz o n e T h i s p a p e rs t u d i e st h es t r u c t u r eo ft h eb u f f e rs a f e t yd e v i c e ，w h i c hu s e di nt h e p r o c e s s o f a b s o r b i n g t h e i m p a c te n e r g y o ft h e c o l l i s i o n ，r e d u c

6、i n g p e r s o n n e li n j u r y , t h e r e b ye n h a n c i n gt h er o a ds a f e t yi nc o n s e r v a t i o na r e a B c a u s et h ea c c e l e r a t i o no fi m p a c ti sv e r yh i g h ，S Ot h a ti ti sp o s s i b l et o c a u s et h es e c o n d a r yc o l l i s i o nb e t w e e nt h ep e

7、 r s o n n e la n dt h ev e h i c l e i n t e r i o rp a r t s ，i tw i l lc a u s es e r i o u si n j u r yf o rt h ep e r s o n n e li nt h ec a r w h e n t h ee x t e r n a l v e h i c l e h i g h l ys p e e di n t o t h eh i g h w a yw o r kz o n e ，i t i m p a c tt h eh e a v yv e h i d e ，t h i

8、 si s u n d o u b t e d l yab e h a v i o ro fk i l l i n gb y o n e s e l f C o n s i d e r i n g t h eo f t h ev e h i c l ea n do c c u p a n t ，W ew i l lf i xt h e v e h i c l es a f e t yd e v i c eb e h i n dt h ev e h i c l e ，f o rr e d u c i n gt h ei n j u r yo ft h e v e h i c l ea n do

9、c c u p a n t S Ot h a tr e a c ht h ep u r p o s eo fa c h i e v i n gg r e a t e r p e r s o n a ls a f e t ya n dr e d u c i n g s o c i a lp r o p e r t y B yu s i n g av i r t u a l e x p e r i m e n tm o d e l ，a n a l y s i s t h e i m p a c t p e r f o r m a n c eb e t w e e nv e h i c l ea

10、n db u f f e rs a f e t yd e v i c e s ，a n ds i m u l a t et h e c o l l i s i o np r o c e s s A tf i r s t yd e s i g nt h es t r u c t u r eo ft h eb u f f e r s a f e t y d e v i c e s ，a n dr e c e i v et h ef e a s i b i l i t yr e p o r t B a s e do np a s tr e s e a r c ho nt h e b a t ea b

11、 o u tc o l l i s i o nb u f f e ra n ds a f e t yr e g u l a t i o n ，d e s i g nt h eb a s i cm o d e l o ft h es a f e t yd e v i c e sb yu s i n gt h eC A T I As o f t w a r e ，s e c o n d l y , t a k et h e e l e m e n ta n a l y s i sb yt h eA N S Y Ss o f t w a r e ，t h e ns e n dt h eKf i l

12、ei n t ot h e L S - D Y N A , w ew i l lr e a c ht h er e s u l t so fc h a r a t e r i s t i c so fs a f e t yd e v i c e sa n d v e h i c l e - m a s sa c c e l e r a t i o n ，t h e nc h o o s et h eb e s ts t r u c t u r eo fs a f e t yd e v i c e s b yt h e r e s u l t s 江苏大学硕士学位论文 C o l l i s i

13、 o n p r o c e s sb e l o n g s t ot h e s c o p e o f n o n - l i n e a r l a r g e d e f o r m a t i o n I nt h es i m u l a t i o np r o c e s s ，m a i n t a i nt h es a m eb a s i cp a r a m e t e r o ft h ev e h i c l ea n db u f f e r s a f e t yd e v i c e s ，b a s e d o nE N l 3 1 7s a f e t

14、 y s t a n d a r d ，c h o o s ed i f f e r e n ti n i t i a lv e l o c i t ya n da n g l e ，t h e na n a l y s i st h e r e s u l t su n d e rd i f f e r e n tv e l o c i t ya n da n g l e ，i no r d e rt of u r t h e rr e s e a r c h f e a s i b i l i t yo ft h eb u f f e rS a f e t yd e v i c e s B

15、 a s e do nt h eo r i g i n a ls t r u c t u r eo ft h eb u f f e rS a f e t yd e v i c e s ，a n a l y s e a n dc o m p a r et h ee f f e c to fd i f f e r e n ts t r u c t u r e so ft h eb u f f e rs a f e t yd e v i c e a b o u ta c c e l e r a t i o no fv e h i c l em a s sa n dt h e e n e r g ya

16、 b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h e s a f e t yd e v i c e si nt h ec o l l i s i o n C o m p a r e a n d a n a l y s et h er e s u l ta n ds e l e c tt h eb e s tb u f f e rs a f e t yd e v i c es t r u c t u r et o p r o v i d es o m ev a l i d a t i o np r o g r a m sf o rf u

17、 t u r er e a lv e h i c l ec o l l i s i o n K e y w o r d s ：h e a d - o nc o l l i s i o n ，c u s h i o ns a f e t yd e v i c e ，e n e r g y a b s o r p t i o n ， F E M ，n o n l i n e a r I V 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编

18、入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。 不保密函 学位论文作者签名：赵醌 2 0 1 0 年f 月2 0 日 指导教师签名：司秀适之 2 0 1 0 。毛只| q 日 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已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。 学位论文作者签名：赵萝黾 日期：2 0

19、 l o 年月 江苏走学硕士学位论文 11 引言 第一章绪论 随着汽车拥有量的不断增加和汽车行驶速度的日益提高，汽车交通事故几乎 不可避免。这对驾驶员、乘员、行人及其他交通参与者的健康和生命安全都造成 了很大的威胁和伤害。 据世界卫生组织统计，自2 0 世纪5 0 年代以来，全世界丧生于车祸的人数已 经超过了2 0 0 0 万人，目前全世界每年死于车祸的人数达到1 0 0 万人之多，伤残 人数达数千万。在我国，每年因车祸致死的人数己连续3 年超过1 0 万人( 相当 于甲均每5 m i n 就有1 人死于车祸) ，致伤者每年有数百万人之多，每年直接经 济损失高达3 0 多亿元。交通事故不仅造成

20、大量人员伤亡和巨额的经济损失，而 且导致了诸多社会问题。 图l l 发生交通事故的悔剧 F i g 1 1 T h e n 辈k o f t r a f f i ca c c i d e n t 如何通过改善汽车结构的耐撞性能，采取合适的安全防护措施，将汽车事故 对交通参与者的伤害减轻到尽可能低的程度，是汽车工程中所要研究的重点的问 题。 汽车安全的研究中分为“主动安全性”和“被动安全性”。“主动安全性”是 指汽车能够识别潜在的危险因素而自动减速，或者当突发因素作用时，能够在驾 驶员的操纵下避免发生碰撞的性能，包括可靠性，环境可见性，操纵稳定性和加 速制动性。而“被动安全性”则是指汽车发生不可

21、避免的交通事故时，能够对车 内乘员或车外行人进行保护，以免发生伤害或者将伤害减到最低程度的性能。根 1 圈E基 江苏大学硕士学位论文 据目前的汽车技术和事故统计，交通事故的发生在今后很长一段时间内仍不可避 免。因此，汽车被动安全性技术仍是保护汽车乘员及行人安全的主要对策，是汽 车安全性领域研究的重要内容。 汽车被动安全性的研究内容包括： 1 ) 车身结构耐撞性研究； 2 ) 人体碰撞生物力学研究； 3 ) 乘员约束系统以及安全驾驶室内饰组件的开发研究等。 1 ) 车身结构耐撞性研究：主要是研究轿车和微型客车的车身结构对碰撞能 量的吸收特性，寻求改善车身结构耐撞性的方法，使得车身结构在外力冲击下

22、能 以预计的方式变形，其变形能量控制在一定的范围内。在保证乘员安全空间的前 提下，车身变形吸收的能量最大，从而使传递给车内乘员的碰撞能量降低到最小， 尽可能使乘员受到的减速度最小。通过车身结构的耐撞性分析，使车身满足理想 的正面碰撞变形特性。当低速碰撞时，变形以及变形力值都比较小，以保护行人 或车辆自身；当发生中速碰撞时，变形应尽量均匀，以最大限度地降低撞击加速 度峰值；当发生高速碰撞时，为了阻止变形扩展到驾驶室，从悬架到车身前围板 之间的变形应急剧上升【。 2 ) 人体碰撞生物力学研究：主要是指在碰撞过程中，人体各部分伤害机理、 人体各部分的伤害极限、人体各部分对碰撞载荷的机械响应。 认识和

23、理解不同部位和器官对不同形式的碰撞机理是碰撞生物力学研究的 基础，对设计和开发安全驾驶室内饰组件具有重要意义。到目前为止，人们广泛 开展了头部、颈部在正面碰撞和侧面碰撞的伤害机理的研究，并对肩部、胸部以 及盆骨在侧碰撞中的伤害机理进行了探讨。S t r i c h 于1 9 6 1 年发现了脑组织D A I ( D i f f u s e A x o n a lI n j u r y ) 分布轴突伤害现象。对这种伤害的进一步研究表明，除 了高线加速度场、高角加速度场以及没有平动和转动的直接撞击都可引起脑组织 的D A I 伤害。对于颈部伤害机理的研究表明，挤压和向前弯折是造成正面碰撞中 颈椎骨

24、折和脱臼的主要原因，颈椎由于错位、脱臼、骨折所造成的压迫导致了颈 椎神经的伤害。 碰撞试验的伤害性决定了碰撞试验不可能采用真人来进行，除非一些没用任 何危险的试验中，如研究低速碰撞时人体与安全带约束系统的相互作用时，才通 2 江苏大学硕士学位论文 过志愿者进行。在早期的生物力学研究中，人们采用了活体动物特别是类人猿和 猴类来进行研究，但由于动物保护组织的极力反对，目前已经很少采用。人类死 尸是最理想的碰撞试验人体替代物，但由于死尸的收集和保管都有一定难度，而 且死尸在伤害忍受极限及生物力学响应方面随着年龄和性别的变化不大，不易形 成统一的比较标准。因此人们根据志愿者和死尸生物力学试验得到的有关

25、数据， 设计出人体试验装置A T D ( A n t h r o p m o r p h i cT e s tD e v i c e ) 即假人用来进行碰撞试 验 2 1 ，A T D 的设计通常是非常复杂的，不仅要保证严格的生物可信度，而且还要 根据需要安装大量的传感器以采集所需数据。目前，正面碰撞试验中最常用的假 人为美国福特公司于7 0 年代开发的H y b r i d 型假人和H y b r i d 型假入【3 , 4 1 。除此 之外，在欧共体试验车辆委员会E E V C 的协助下，欧共体多国政府和私人组织 联合开发了E U R O S I D 假人【习。之所以在不同的碰撞中采用不同

26、的假人，是因为 在不同方向的碰撞中，人体具有不同的生物力学响应和伤害特性，由于假人制造 技术的限制，人们还没用完全开发能够对不同方向的碰撞伤害进行评价的假人， 随着生物力学和假人制造技术的发展，适用于各种碰撞方向试验的假人必然会出 现。 3 ) 乘员约束系统及安全驾驶室内饰组件的开发研究：主要研究不同形式的 安全带和安全气囊的机械特性，以获得最优的约束性能，避免人体与驾驶室内饰 发生二次碰撞；研究开发安全座椅体、吸能式转向柱、安全仪表板、内装饰组件 的吸能衬垫材料，使得人体与之发生二次碰撞时，所受到的伤害最小【5 ，6 1 。 碰撞事故中乘员伤害原因及相应对策： 汽车发生碰撞事故一般是指汽车和

27、外部事物之间的碰撞，称之为一次碰撞。 乘员与汽车内部结构的碰撞，称之为二次碰撞。 乘员的伤害主要是由下述几种原因造成的：第一，在碰撞时，汽车结构发生 变形，汽车构件侵入乘员生存空间，使乘员受到伤害；第二，碰撞时，由于汽车 结构破损等原因，使得乘员的部分身体或全部身体暴露到汽车外面二受伤；第三， 当汽车结构设计较好时，尽管汽车构件没有侵入乘员生存空间，乘员身体也没有 暴露到汽车外部，但在碰撞的作用下，汽车的速度急剧减小，这时乘员由于惯性 作用继续移动，与汽车内部结构( 如方向盘，以表板等) 发生碰撞而造成伤害。 在第三种情况下乘员受到的伤害是直接由二次碰撞造成的。 3 江苏大学硕士学位论文 提高

28、汽车的被动安全性，可从下面两个方面采取对策：第一，提高汽车结构 的安全性，即使得汽车碰撞部位的塑性变形尽量大，吸收较多的碰撞能量，降低 汽车减速度的峰值，尽量减缓一次碰撞的强度；使得汽车乘员舱部分有足够的强 度和刚度，确保汽车乘员的生存空间，并保证发生事故后乘员能够顺利逃逸； 同时保证碰撞时乘员身体不暴露到车外；第二，使用乘员保护系统，即使用安全 带，安全气囊等乘员保护装置对乘员加以保护，为了提高安全带的约束性能，人 们在安全带系统中增加了预紧器和卷收器，针对没有锁止能的卷收器，开发了自 动锁止卷收器铷嗽和紧急锁止卷收器E L R 7 1 ；另外，为了克服已有安全带对人体 造成的伤害，一种新型

29、的充气式安全带已在研究之中嘲。安全气囊主要用来防止 乘员在正面碰撞事故中与驾驶室内饰件的二次碰撞【9 】。在碰撞过程中，人体伤害 的直接原因是人体与内饰组件的二次碰撞。为了减轻和避免二次碰撞所造成的伤 害，人们开展了内饰件对人体伤害的研究，并设计了安全座椅、吸能式转向柱、 安全仪表板掣1 0 l 。 因此，提高汽车被动安全性，要从汽车结构设计和乘员保护系统两个方面入 手。 1 2 国内外汽车碰撞模拟研究的现状 1 国外汽车碰撞模拟研究 国外对汽车碰撞研究比较早，技术水平也比较高。最早开始碰撞研究的是美 国。早期的汽车碰撞研究主要是进行各种条件下的碰撞试验，包括实车碰撞试验 和各类模拟实验。六十

30、年代人们开始了计算机碰撞模拟技术。七十年代美国开始 用计算机辅助交通事故分析，分析软件有N H T S A ( 美国道路安全局) 的S M A C ， C R A S H 3 ，E D C R A S H 等。而近2 0 年计算机碰撞模拟技术得到了迅速的发展， 已经有了许多成熟的用于碰撞模拟的商业化软件。 目前，在国际上汽车被动安全研究方面，具有代表性的商业软件有美国的 C D L 3 D 软件、D Y N A 3 D 软件、A N S Y S L S D Y N A 软件，荷兰的M A D Y M O 软 件，法国的P A M C R A S H 软件。根据建模的方法和功能不同，可以将这些软

31、件 分成两类：一类是C V ( S C r a s hV i c t i mS i m u l a t i o n ) 碰撞伤害软件，主要模拟在 汽车碰撞事故中乘员与环境的相互作用，以C D L 3 D 和M A D Y M O 为代表；另一 4 江苏大学硕士学位论文 类是采用显示有限元理论建模，主要用来描述车身结构的抗撞行，以D Y N A 3 D 、 A N S Y S L S D Y N A 和P A M C R A S H 为代表。 总的来说，这些软件能够进行标准假人在碰撞过程中的动态响应分析，人体 生物学和碰撞假人的开发，碰撞受害者模拟，碰撞受害者保护措施的优化；对车 身结构碰撞大变

32、形进行模拟，安全车身开发，汽车结构抗撞性模拟；在碰撞法规 试验中进行碰撞模拟【1 1 l 。由此可见，国外在汽车碰撞计算机模拟方面已经具备了 相当的规模，达到了很高的水平。 对于国外汽车碰撞的研究，自上世纪六十年代，对耐撞强度的研究为汽车结 构性能提出了更高的要求，研究人员开始意识到必须设计一种在冲击下能以预定 方式变形的结构，结构撞击变形必须能够控制而变形能必须与冲击动能相平衡， 在保持乘坐室完整性的同时，结构的变形应使乘员的减速度最小【1 2 1 。 国外汽车吸能结构的研究主要采用试验与仿真相结合的方式。试验主要用来 测试整车或部件的碰撞性能是否达到设计要求，而基于有限元的数值仿真则用来

33、模拟和改进结构的碰撞吸能特性。由于汽车碰撞试验是破坏性试验，其试验成本 高，试验周期长，只有实力雄厚的汽车大公司或其资助的实验室才能开展整车碰 撞试验研究。国外的G M 、F o r d 、V o l k s W a g o n 等大型汽车制造商，以及像国家碰撞 分析中心( N C A C ) 这样大型的科研机构每年都进行几百次的碰撞试验对各种车型 进行认证和考核。一些高等院校和科研机构则主要致力于典型结构和材料方面的 研究。吸能材料和吸能结构是目前这一研究领域的热点，尤其是超轻材料、复合 材料、泡沫材料和蜂窝状材料的结构。如在国际上享有盛名的M I T 的应用力学教 授T W i e r z

34、 b i c k i 所领导的碰撞与耐撞性实验室在蜂窝材料充填的薄壁梁在承受 压、扭、弯复合作用下的吸能特性研究等【1 3 1 。 对于典型构件碰撞吸能特性的研究，国外的一些汽车公司和科研机构开 展了一系列的试验和理论研究l 体1 6 1 ，主要集中在金属材料能量消耗特性的研究、 各种截面形状的构件吸能特性研究、结构件的连接特性研究等【1 7 1 9 1 。L o r e n z i 等 人对蜂窝铝管在车辆前碰撞领域的应用进行了研究【加】。 2 国内汽车碰撞模拟研究 国内在汽车碰撞仿真方面虽然起步较晚，但是在引进国外的先进软件之后， 发展速度也是非常快的。目前在我国，汽车的被动安全性是汽车安全

35、性研究的重 5 江苏太学硕士学位论文 要课胚，而且人们对汽车的被动安牟性的要求也越来越高。尽管我国对汽车被动 安全性的研究不足十年，但取得了显著的成绩，不仅制定了和国际接轨的系列法 规，而且在试验研究方面已经具备了开展模拟碰撞实验以及整车的碰撞试验能 力。汽车被动安t 牟= 件的碰撞模拟研究工作已经迅速麓展起来。 围12 汽车碰撞试验 F i 9 12 T e s t o f v e h i c l e i m n n c t 当前我国的汽车碰撞模拟仿真的研究工作主要分为两个方面：一个方面是应 用有限元的方法研究在碰撞过程中的汽车车身、车架的变形情况，速度和加速度 的值，以及各部分的应力分布情

36、况；另一个方面应用多刚体动力学研究汽车在碰 撞过程中，人体各部分的动态响应和人体备部分的伤害值。 动态非线性有限元方法适用于计算结构变形，它能够得到汽车各个部件在碰 撞过程中的变形情况。在计算方法上，采用显式积分法中的中心差分法。目前国 内应用最多的软件是国外引进的L q - D Y N A 3 D 、A N S Y S L S D Y N A 和 P A M - C R A S H 软件。1 9 9 2 年湖南大学将D Y N A 3 D 软件引入我国，并应用该程序 进行了假人碰撞试验的有限元分析。该校的钟志华教授提出了汽车碰撞的有限元 方法，还应用驾驶员和安全带构造了碰撞模拟模型。1 9

37、9 6 年，清华大学应用 D Y N A 3 D 软件研究了车架的耐撞性能，在此基础上，进行了背景吉普B J l 2 1 的 车架的碰撞模拟仿真。吉林大学与长春汽车研究所合作于1 9 9 7 年在S G I 图形工 作站上建立了国内比较完整的汽车碰撞模拟，并通过了可视化技术得到了汽车结 构碰撞变形的整个过程。 江苏大学硕士学位论文 应用多刚体动力学，可以研究汽车在碰撞过程中人体各部分的动态响应和人 体各部分的伤害值。目前，国内使用的软件有M A D Y M O 、C A L 3 D 软件。1 9 9 2 年，清华大学引进美国的C A L 3 D 软件应用多刚体动力学，研究人体在汽车碰撞 过程中

38、的动态响应，建立了二维的成员座椅模型。1 9 9 8 年，清华大学合作开发 了汽车碰撞人体运动响应三维模拟计算软件系统M U L 3 D ，并应用该软件对汽车 撞行人的运动响应进行了模拟计算【2 1 】。湖南大学钟志华等人，在汽车碰撞模拟 中有关摩擦力的计算和碰撞接触问题的处理方面，取得了卓有成效的成剁矧。 在汽车乘员的计算机仿真研究方面，清华大学于旭光等应用多刚体系统动力学中 的K a n e 方法，建立了二维人体模型，并对碰撞事故中的安全带对人体的保护作 用进行了研究嘲；吉林工业大学的林逸等人，应用R - W 方法建立了二维和三维 人体模型，并将其应用于碰撞事故中的乘员运动学和动力学响应的

39、研究中【2 4 1 。 同时，随着国家安全法规的实施，国内有许多家单位相继成立了碰撞实验室： 长春国家汽车技术检测中心、天津国家汽车技术检测中心、上海市机动车检测中 心、湖南大学汽车碰撞实验室等。它们的建立，极大的促进了实车试验和整车模 拟研究的结合。 1 3 本课题研究目的和意义 本文研究主要针对高速公路路面状态检测区、养护区的缓冲安全装置的吸能 特性的分析，研制用于安装在高速公路路面检测车后部的碰撞缓冲安全装置，并 在缓冲安全装置上加装的警示灯等警示、提醒高速公路驾驶者前方道路维护状 态，避免事故发生，起到保护路面检测车的作用，并研究将其推广应用到高速公 路养护施工区的安全管理的可能性；

40、同时通过计算机碰撞模拟分析和碰撞试验验证，获得高速公路养护施工区碰 撞车辆的质心加速度基本特性，为今后制定和修订相关领域的技术标准奠定基 础。 1 4 本文研究的主要内容 本文通过计算机模拟和欧洲碰撞壁障安全法规验证为研究手段，采用理论分 7 江苏大学硕士学位论文 析、计算机模拟和验证分析相结合的方法，针对某缓冲安全装置正面碰撞中出现 的结构吸能问题展开研究。本论文主要从以下几个方面对缓冲安全装置的正面碰 撞仿真进行系统的研究： ( 1 ) 确定缓冲装置的结构形式，依据汽车的车重，碰撞速度等因素估算出主 要吸能能力，应用C A T I A 软件进行结构设计，确定主要吸能构件的结构形式；针 对工

41、程车辆正面碰撞中吸能的缓冲安全装置，分析了影响其吸能效果的主要结构 因素。 ( 2 ) 建立商务车与缓冲安全装置的有限元模型，并在L S D Y N A 软件中进行 仿真，根据仿真结果绘制车辆质心加速度曲线，参照欧洲E N1 3 1 7 欧洲安全法规， 验证缓冲安全装置在实际应用的可行性。 ( 3 ) 应用有限元单元理论、结构板壳单元等对碰撞模拟比较关键的理论，并 以碰撞分析软件L S D Y N A 为例，介绍显式差分方法的具体算法。以某商务车与 缓冲安全装置的正面碰撞试验为例，分析缓冲安全装置的吸能特性和车辆的加速 度曲线，根据仿真结果，找出最佳的缓冲安全装置结构，为以后的实车碰撞提供 参

42、考依据。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章汽车碰撞分析理论基础 2 。1 车辆一乘员模型基本描述 在分析车辆碰撞的研究过程中，应该将车辆与乘员联系起来。图2 1 车辆一 乘员系统动力学模型所示，根据乘员约束系统分析建立的车辆一乘员运动学模型 中，各变量符号定义如下：车辆与乘员质量分别为M 、m ，两者正方向定义为 X v 、X o 方向，车辆的碰撞加速度以a 表示，乘员约束系统刚度为K ，特征刚度 为k ，乘员与约束系统问隙为6 。 图2 1 车辆一乘员系统动力学模型 F i g 2 1D y n a m i c m o d e ls y s t e mo fc a r - p a s s e

43、 n g e r 根据如图正方向定义各运动学变量符号： 初始条件：碰撞初速度V 。 乘员运动变量符号： 加速度a 。= j 。O ) ，速度V o = 岛( f ) ，位移d o = X o ( t ) 。 车辆运动变量符号： 加速度a ，= 觉，( f ) ，速度1 I v = 戈，( D ，位移d ，= X v 9 ) 。 乘员相对车辆运动变量符号： 加速度a o ，= a o + 口，速度V o ，= V o + 叱，位移d o ，= d o + d ，。 在分析碰撞中，车辆的加速度与人体所受到的冲击加速度具有一定联系，通 过研究车辆质心的加速度可以反映出人体所承受的冲击加速度。 9 江

44、苏大学硕士学位论文 2 2 虚拟试验在碰撞中的应用 由于受到周围环境的限制，以及实车碰撞的不可重复性，在分析研究碰撞时， 常采用计算机模拟车辆碰撞试验。这种不适用或部分使用试验硬件来构造试验环 境，完成实际物理试验的方法和技术称为虚拟试验。在虚拟试验的环境中，试验 者可以如同在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，使所取得的试验效果 接近或等同于真实环境中测得的效梨2 5 1 。 计算机仿真利用计算对实验对象的数字模型进行模拟试验，求得对实物原型 系统规律性认识的一种试验方法，它使虚拟试验进入了数字化阶段。随着计算机 的迅速发展，虚拟试验的方法已逐渐被科学工作者所接受，并广泛应用。计算机 本

45、身的记忆能力和运算速度上的优势，使得计算机仿真试验能处理一些复杂系统 和非线性系统的试验，并且这一研究范围从简单研究向复杂研究的方向发展。 关于汽车碰撞的研究领域里，基于碰撞本身具有不可重复性，且受时间和场 地的限制，研究人员经常在物理实验前期，采用计算机仿真模拟实验的过程，对 各种可能的结果进行重复性的模拟，为实车碰撞做好前期的准备工作闭。 2 3 虚拟试验理论基础 2 3 1 有限元理论 有限元法是目前工程技术领域中实用性最强、应用最为广泛的数值模拟方 法。它的基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元、单元之间仅靠节点相连。 单元内部点的待求物理量可由单元节点物理量通过选定的函数关系插值求

46、得。由 于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式，然后将 各个单元方程“装配 在一起而形成总体代数方程组，加入边界条件后即可对方 程组求解。 汽车碰撞问题是典型的非线性、大变形和大位移问题阳，它涉及到众多的 学科和领域，尤其是有限元理论、计算数学、计算力学、弹塑性力学、计算机图 形学等，并且这些理论本身也在不断发展和完善，本章将从应用的角度简要介绍 其中相关的基本理论幽刎。 本文主要采用L S D Y N A 对汽车一缓冲安全装置的进行碰撞模拟，基于乘员 1 0 江苏大学硕士学位论文 的保护，分析碰后车辆质心加速度曲线的变化，得出碰撞中对人体造成的伤害。 2 3 2 接触

47、一碰撞界面算法 接触一碰撞计算问题是结构非线性动力分析的一个重点和难点，而当用于汽 车碰撞问题的计算分析时则更为复杂，因为汽车碰撞过程中可能存在着多种不确 定的接触类型，如部件与部件的接触、部件自身的单面接触，易变形部件与刚体 物体的接触等。另外，接触过程中还可能出现穿透，滑动、接触与分离等等复杂 情况。关于接触一碰撞问题的计算和处理方法有多种多样，其中较为常用是“对 称罚函数法”。 定义不同结构可能相互接触的两个表面分别称为主表面和从表面，主表面上 的单元和节点分别称为主块和主节点，从表面上的单元表面和节点分别称为从块 和从节点。 对称罚函数的原理是：每一时步先检查各从节点是否穿透主表面，没

48、有穿透 则对该从节点不作任何处理。如果穿透，则在该从节点与被穿透主表面之间引入 一个较大的界面接触力，其大小与穿透深度、主块刚度成正比，它的物理意义相 当于在从节点和被穿透之间放置一个法向弹簧，以限制从节点对主表面的穿透。 对各主节点的处理与从节点一样，因此，称为对称罚函数法。由于该算法具有对 称性，动量守恒准确、不需要碰撞和释放条件，因此，很少激起网格沙漏变形效 应。下面以对从节点的处理为例来说明对称罚函数法的工作原理。 对任一从节点n 。的计算步骤如下： ( 1 ) 从节点I I 。搜索，确定与它最靠近的主节点m s ( 如图2 2 ) 。 图2 2 从节点与靠近的主块 F i g 2 2

49、 S e c o n dn o d ea n dm a i np i e c e 1 1 江苏大学硕士学位论文 主节点m s 周围的主块是s 1 ，s 2 ，s 3 ，s 4 。 ( 2 ) 检查与主节点m s 有关的所有主块，确定从节点n 。穿透主表面时可能接 触的主块，如图2 3 所示。 图2 3 从节点与靠近的主块 F 啦3S e c o n dn o d ea n dm a i np i e c e 若主节点m 。与从节点n 。不重合，那么满足下列两个不等式时，从节点n s 可 能与主块s i 接触，即： ( C i s ) ( c lxCl+1)0(2-1) ( c ；s ) ( s c i + 1 ) o ( 2 2 ) 式中，C ；和C 矢量是主块S ；的两条边，从主节点m 。向外。 矢量S 是矢量g 在主表面上的投影矢量，而g 是从节点m s 到从节点n s 的矢 量。 S = g - Q m ) m ( 2 - 3 ) 式中，m = 若妄高是主块s t 的外法线单位矢量。 如果接近或位于两个主块的交线上，上述不等式可能不确定。在这种情况下， 若n 。位于两个主块的交线C ；上，则下述量为极大值： 可g C i ；= 1 ，2 ( 二4 ) ( 3 ) 确定从节点S 。在主块上可能接触点C 的位置 江苏