面向汽车安全性的材料与制造工艺改进模拟试验.pdf

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1、2o o5 年5 月农业机械学报第3 6 卷第5 期面向汽车安全性的材料与制造工艺改进模拟试验张晓云金先龙亓文果*【摘要】应用非线性有限元方法，对某车型在5 0k m h 速度下的碰撞行为进行数值模拟，仿真结果发现了该车型设计中不完善的地方。应用高强度钢板及拼焊板技术等新材料和新工艺对车身设计进行改进，通过数值模拟试验发现，对部分主要吸能部件应用高强度钢板及拼焊板技术可以有效提高整车的安全性能，改善吸能部件的变形模式。关键词：汽车安全试验有限元法数值模拟材料工艺中图分类号：U 4 6 1 9 1；T P 3 9 1 9文献标识码：AN u m e r i c a JS i m u l a t

2、i O nO nI m p r O V e m e n tO fM a t e r i a la n dM a n u f a c t u r eT e c h n o l o g yo r i e n t e dt oV e h i c l eC r a s h w o r t h i n e s sZ h a n gX i a o y u nJ i nX i a n l o n gQ iW e n g u o(S 彻g 口iL 厂如o7 1 D 咒gU 咒幻P 搿i 砂)A b s t r a c tAc o l l i s i o np r o c e s so ac o m m e r

3、 c i a lV e h i c l ea ti n i t i a IV e l o c i t yo f5 0k m hw a ss i m u l a t e db yt h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e ds o m ed e f i c i e n c i e si nt h ed e s i g no ft h et e s tv e h i c l e T oa m e l i o r a t et h e

4、s ed e f i c i e n c i e si nt h ed e s i g na n di m p r o v et h ec r a s h w o r t h i n e s so ft h ev e h i c l e，n e wm a t e r i a lo fh i g hs t r e n g t hs t e e la n dn e wm a n u f a c t u r et e c h n i q u eo ft a i l o 卜w e l d e db l a n kw e r ea p p l i e dt om a n u f a c t u r i

5、n go ft h ea u t o b o d y T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o r t h ei m p r o v e dv e h i c l ei n d i c a t e dt h a tt h ed e f o r m a t i o nm o d eo ft h ee n e r g ya b s o r p t i o nc o m p o n e n t sm a d ef r o mt h en e wm a t e r i a la n dm a n u f a c t u r e db yt h en e

6、wt e c h n i q u ew a sc h a n g e da n dt h ec r a s hs a f e t yc h a r a c t e r i s t i c so fw h o l ev e h i c l es a f e t yw a si m p r o v e d K e yw o r d sV e h i c l e，C r a s h w o r t h i n e s st e s t，F i n i t ee l e m e n tm e t h o d，N u m e r i c a ls i m u l a t i o n，M a t e r

7、i a l，M a n u f a c t u r et e c h n o l o g y引言早期的汽车耐撞性研究主要采用试验手段来进行，车对障碍物的撞击试验是评价一辆汽车抗撞强度的唯一方法。生产企业为了评价某种车型零部件更改的效果，并证明最终产品是否符合各项汽车安全标准，投入了大量费用进行了数百次这样的试验，这是一种花费很大的试错过程，同时导致了较长的开发周期。计算和仿真可以有效地减少试验次数。利用有限元方法对汽车碰撞问题进行研究最初开始于1 9 8 5 年，在我国汽车碰撞仿真还没有真正地运用到汽车设计的每一个环节中 1 5 。本文以某型小客车为研究对象，在产品设计阶段，应用非线性有限元方

8、法，对该车正面碰撞安全性能进行模拟，由计算结果发现设计中的不足之处，通过应用新材料及新的制造工艺来提高整车的安全性能，并进行可行性数值模拟试验。收稿日期：2 0 0 3 一0 8 1 2*国家自然科学基金资助项目(项目编号：6 0 1 7 4 0 2 3)和高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(项目编号：2 0 0 1 0 2 4 8 0 0 8)张晓云上海交通大学高性能计算中心博士讲师，2 0 0 0 3 0 上海市金先龙上海交通大学高性能计算中心教授博士生导师亓文果上海交通大学高性能计算中心博士生 万方数据汽车美容类型（一）汽车汽车/用品用品/配件配件/改装改装/摩托摩托汽车美容之车表护

9、理：无水洗车、泡沫精无水洗车http:/ 汽车碰撞分析的有限元法基本原理汽车碰撞过程作为大变形、强非线性系统通常需要耗费大量的计算机时，求解速度一般是求解过程的主要影响因素，与常规有限元计算不同的是，为了避免大型联立方程组求解，提高运算速度，碰撞分析一般采用显式算法。考虑如图1 所示的物体，某一质点在初始时刻f o 时，位于B 处，在固定的笛卡儿坐标系下其坐标为兄(口=l，2，3)。经时间f，该质点运动到位置6，在同一笛卡儿坐标系下的坐标为z i(i=1，2，3)。经过拉格朗日描述增量法可得z i z，(X。，f)(1)l图1 符号说明F i g 1N o t a t i o n在初始时刻一。

10、存在初始条件z i(X。，O)一z。(2)z i(X。，0)=钞f(X。)(3)式中口，初始速度根据连续介质力学原理，整个运动系统必须保持质量守恒、动量守恒和能量守恒。系统的动量守恒方程为d i，i+P f i P 圣l(4、)式中仃机J 柯西应力l D 当前构型的密度六单位质量体积力立i 加速度质量守恒方程为D y 一D o(5)式中y 相对体积I D。初始质量密度能量守恒方程为E V s i J i J 一(户+g)y(6)式中E 当前构型的能量偏应力张量户压力g 体积粘性阻力i J 应变率张量根据分步积分艿丌一，9 立，艿z i d V+毋，d z i。，d y 一P 工艿z i d y

11、 一(8)式(8)实质上是虚功原理的一种表达，式中的各个积分项分别表示单位时间内系统的惯性力、内力、体积力和表面力所作的功6 8 3。2 基于有限元方法的汽车碰撞数值模拟2 1 车身有限元模型的建立对某车型进行碰撞安全性仿真，首先建立车身数字化模型 3|，C A D 建模数据由U G l 6 o 和C a t i a完成。通过有限元前处理软件H y p e r m e s h5 o 进行网格划分，共生成单元1 3 40 0 0 个，节点1 3 5o o o 个，整车有限元模型如图2 所示。在网格划分过程中注意到网格大小的合理布置，对碰撞接触区及大变形区进行网格合理细化，从而尽可能保证计算精度。

12、图2 包含假人的整车有限元模型F i g 2F Em o d e lo fv e h i c l ew i t hd u m m y整车车身结构由1 0 0 多个构件通过焊接、螺钉联接、铆钉联接和粘合剂胶结而成。建模时，连接的刚度和强度根据实际情况确定，为了描述车身构件的几何形状和连接性质，模型中的单元类型包括六面体实体单元、板壳单元、梁单元、杆单元、边界单元、弹簧单元和阻尼单元等。而节点也分为常规节点和模拟部分焊点情况的带失效的固连。失效的固连在满足一定条件时将自动失效，焊点断裂的模拟结果可以作为点焊间距和点焊强度在汽车碰撞安全性方面的设计依据。根据多体动力学，建立了用于模拟汽车前部正面碰撞

13、过程中乘员运动学和动力学响应的三维人体模型，假人的各个部件采用球铰、平面铰等相连。2 25 0k m h 时整车碰撞仿真及结果分析根据法规规定，将整车按5 0k m h 的速度正面撞击刚性墙，碰撞过程中，乘员碰撞保护的定量分析主要取决于试验假人的伤害评价指标。合格的车辆必须使假人头部伤害值不超过10 0 0。(d i l 8 z i)尹j 8 z i d i，8(1、)式中应用散度原理得到平衡方程式眦一 南肛t 2。5 如1，H I C 头部损伤指数n 假人头部质心的合成加速度OSdz艿+r l J 萨 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据面向汽车安全性的材料与制造工艺改进模拟试验面向汽车安

14、全性的材料与制造工艺改进模拟试验作者：张晓云，金先龙，亓文果，Zhang Xiaoyun，Jin Xianlong，Qi Wenguo作者单位：上海交通大学刊名：农业机械学报英文刊名：TRANSACTIONS OF THE CHINESE SOCIETY OF AGRICULTURAL MACHINERY年，卷(期)：2005，36(5)被引用次数：0次 参考文献(11条)参考文献(11条)1.张晓云.金先龙.葛龙 面向国家标准的汽车转向机构安全性仿真期刊论文-系统仿真学报 2003(02)2.张晓云.金先龙.孙奕 基于仿真计算的汽车发动机罩改进设计研究期刊论文-系统仿真学报 2003(11)

15、3.Zhang Xiaoyun.Jin Xianlong.Qi Wenguo Virtual reconstruction of vehicle crash accident based onelasticplastic deformation of auto-body 20044.Zhang Xianyun.Jin Xianlong.Sun Yi Vehicle crash worthiness simulation based on virtural design ofautobody 2004(02)5.贾宏波.黄金陵.谷安涛 车辆典型薄壁梁结构碰撞模拟研究与参数选择期刊论文-农业机械学

16、报 1998(01)6.Zhong Z H Finite element procedures for contact-impact problems 19937.钟志华 汽车耐撞性分析的有限元法 1994(01)8.张晓云.金先龙.张淑敏 有限元方法在汽车碰撞事故再现中的应用展望期刊论文-农业机械学报 2003(06)9.朱铮 汽车用高强度钢板的开发应用和发展前景期刊论文-钢铁 2000(11)10.马鸣图 我国汽车钢板研究与应用进展期刊论文-钢铁 2001(08)11.陈炜.杨继昌.林忠钦 拼焊板在车身覆盖件制造中的应用期刊论文-汽车工程 2003(01)相似文献(10条)相似文献(10条

17、)1.会议论文 朱西产.张金换 汽车碰撞试验电测量系统的研究 1995 汽车碰撞试验要求测试仪器和数据处理方法满足规范要求，以便比较不同试验室获得的试验结果。在中国汽车被动安全性研究中迫切需要建立和健全汽车碰撞的法规试验，而法规试验中必须开发符合法规要求的测试系统。做为中汽总公司的重点科研项目对测量系统进行研究。该文详细地讨论了SAEJ211对汽车碰撞试验测试系统的要求。开发了符合要求的电测量系统。2.会议论文 王建群.张金换 汽车碰撞试验中的车载数据采集系统的研制 1995 汽车碰撞试验是进行汽车被动安全性研究的基础，碰撞试验中的电测量是试验的重要内容，该文介绍了一种车载数据采集系统，该系统

18、集成了传感器、传感器适配器、低通滤波器、数字采集系统与存储器等，实现了程控调零、程控滤波、程控量程，整个系统没有一个可动的元器件，满足了碰撞过程中大冲击条件下系统高可靠性的要求。3.学位论文 邵晓科 移动变形壁障模型建立及汽车侧面耐撞性研究 2007 我国城市道路的交叉路口以平面交叉为主，机动车、非机动车混合交通现象严重，从而交通事故类型中汽车侧面碰撞的事故发生率最高。以2000年我国发生的交通事故为例，正面碰撞事故占20.8，而侧面碰撞事故占34.4。从伤亡情况看，正面碰撞造成的伤亡人数占26.9，而侧面碰撞占32.3。可见研究汽车侧面碰撞对改善交通安全至关重要。对轿车而言，由于其侧面的强度

19、相对较弱，发生碰撞时变形空间较小，对乘员的伤害较其它类型的碰撞要严重。因此，为减少汽车侧面碰撞对乘员的伤害，汽车侧面碰撞安全性的研究已成为汽车被动安全研究的一个热点。本文在深入了解大变形非线性有限元理论、大变形弹塑性力学理论和接触界面处理方法的基础上，对汽车碰撞仿真基本理论进行了分析。建立了某轿车车体主要零部件的数学模型，方法是使用FARO三坐标测量仪获取轿车车体各零部件点云数据，在CATLIA软件中建立轿车CAD模型，然后利用HyperMesh对车体CAD模型进行网格划分，再在PAM-CRASH软件中建立用于碰撞数值模拟的计算模型。按照EEVC标准建立了移动变形壁障的几何、材料和力学模型。按

20、照ECE R95法规对轿车车体总成进行了侧撞仿真分析，并与相似车型的实车碰撞试验数据进行比较，验证了仿真方法的可行性。充分考虑生产状态、工艺条件、改进难度、实施难度等因素，对车体结构提出了比较优化的改进方案，并对改进方案进行了二次仿真，结果显示车体加速度曲线和能量曲线都有所改善，提高了车体侧面抗撞性能。本文利用CAE方法对某轿车的车体侧面抗撞性进行了仿真研究，为汽车侧面碰撞安全性研究提供了一条有效可行的研究途径。进行车体侧面抗撞性分析和改进可以完善国内现有的汽车被动安全性研究方法，可以为改进设计提供理论依据，降低改进设计的风险和费用，提高改进设计的可信度，还可以作为实车试验的相互验证手段，缩短

21、被动安全试验的周期。此外，本文所提供的方法和数据对其它同类车型的侧面抗撞性分析亦具有借鉴意义。4.会议论文 黄世霖.丁振松 汽车整车正面碰撞试验研究 19955.会议论文 龙海靖.娄磊 侧面气囊对于保护乘员效果的试验研究 2008 本文通过对同一种车型两种配置,即装有侧面气囊和无侧面气囊的试验数据进行比对分析,同时采用C-NCAP的评分算法将两组试验数据给出得分,通过试验数据和得分情况的比对说明了侧面气囊对乘员的保护作用,其作用主要体现在能够明显降低胸部和腹部的伤害情况,从而提高了侧面碰撞的安全性,使其在C-NCAP的评分中得到高分.6.学位论文 孙维汉 汽车横侧主动安全性仿真研究 2005

22、车辆行驶的安全性无论是对汽车生产商,还是对汽车用户来说都是至关重要的.在现在的汽车生产中,除了广泛地采用被动安全技术,还不断地采用主动安全技术.汽车横侧主动安全性的仿真研究也经历了由开环研究到闭环研究的过程.本文对影响汽车行驶安全的各方面因素进行了较为深入的分析和研究,建立了汽车运行的仿真数学模型,该数学模型是可操纵的.车体有六个自由度,加上一个典型的汽车前轮操纵转向系统模型.本文所建立的汽车运行仿真模型不需引入很多人为的假设;可以实现给定汽车前轮转角,也可以不给前轮转角;不依赖需要复杂测定的侧向力函数及相关模型参数;考虑了轮胎的滚动特性.在汽车模型的基础上加入驾驶员模型和道路特性,从而使整个

23、仿真系统模型成为一个驾驶员汽车道路闭环模型.在闭环模型的基础上,本文从ADAMS/Car中摘取相关模型参数,进行了汽车稳态转向特性试验、角阶跃输入试验、汽车弯道运行的对比试验等横侧主动安全试验的仿真研究;并进而对本文所建闭环模型进行评价.本文利用MATLAB语言开发了一个模块化的仿真软件,可以满足本文的研究需要;也可以进一步完善该软件使之服务于汽车运行的其它方面仿真研究.7.会议论文 李一兵.曲艳平.林克勤 轿车座椅总成模拟碰撞试验研究 1995 汽车模拟碰撞试验是用于考核和评价乘员保护装置效能和零部件的耐惯性力能力的重要手段。经过多年的独立研究和引进消化，目前国内已具备了从事汽车碰撞试验的能

24、力。该文以捷达轿车前坐椅总成的模拟碰撞试验为例介绍了试验设备、试验的实施及试验结果的评价方法。8.会议论文 胡敬文.张金换.黄世霖 汽车模拟碰撞用缓冲装置的研究 2002 汽车模拟碰撞用缓冲装置是汽车零部件安全试验中一个非常关键的设备,对不同碰撞减速度波形的准确模拟也是国内尚为完全解决的难题.本文介绍了碰撞用液压缓冲器的动态仿真过程,同时对复合式缓冲器和金属褶皱式缓冲器进行了简要介绍.试验证明,根据不同的试验要求,采用不同的缓冲装置可以实现对不同碰撞波形的模拟,这对于提高汽车零部件安全试验水平具有十分重要的现实意义.9.会议论文 胡敬文.张金换.黄世霖 汽车模拟碰撞用液压缓冲器的动态特性分析

25、2003 汽车模拟碰撞试验是汽车被动安全试验的一个重要分支,而缓冲减速装置是其中的核心部件.本文分析了汽车被动安全研究对液压缓冲器提出的不同要求.在试验、理论分析和模拟计算的基础上,详细的分析了多孔式液压缓冲器的三种动态特性.同时根据这些特性,总结了控制碰撞波形的四种方法.这些控制方法在新研制的可调液压缓冲器上都得到了很好的应用.10.学位论文 崔泰松 汽车碰撞安全性能集成技术研究 2009 随着国内自主品牌汽车的发展，国内汽车企业自主掌握汽车开发能力已经显得非常迫切。汽车碰撞安全性能集成技术是其中的核心技术之一，它包含了碰撞CAE分析、试验开发、零部件性能控制、规范建立、流程建设及优化等全方

26、面的开发能力。从某种程度上讲，它是现代汽车企业整车研发能力高低的决定性因素之一，更决定了该企业的可持续发展能力和竞争力。本文基于此背景，通过对长安汽车4款轿车和3款微车的碰撞安全开发工作进行研究，总结形成了一套适应于长安汽车开发体系的碰撞安全性能集成技术。通过本文的研究，得到如下结论：整车碰撞安全结构耐撞性开发：整车碰撞安全性能目标制定与分解是汽车企业碰撞安全性能集成技术的关键部分，它是性能、质量、成本、进度、工艺能力多方面平衡的结果，它需要几个重要的输入：一是竞争车的碰撞安全性能分析；二是主机厂自身的碰撞安全性能数据库；三是目标市场的碰撞安全性能定位。整车碰撞安全性能目标分解是将总体的指标分

27、解到整车结构、约束系统配置两个方面，形成具体的目标值。对于各个工况的结构耐撞性开发，一般分为以下几个阶段的工作。一是概念阶段，进行参考车碰撞试验，获得车体结构性能数据，结合长安自身的碰撞安全性能数据库确定开发目标参数;对试验车辆进行解析，掌握参考车车体各关重部件的变形模式以及车体各部件材料特性。二是工程化阶段，在工程化前期，对参考车进行仿真模型对标，确定仿真模型的准确性与可靠性；在开发阶段在参考车仿真模型基础上建立在研车碰撞分析仿真模型，进行碰撞结构计算分析，并提出可行性改进建议，直到满足各目标值。三是样车验证阶段，进行样车各工况碰撞试验，与CAE分析结果进行对标，并进行相关的优化改进，直到样

28、车的试验结果达到开发目标。CAE分析从车型开发的概念阶段开始直至样车试验验证达到开发目标结束，贯穿了车型开发的全过程，与CAE分析紧密相连的是试验验证。CAE分析需要实车试验进行对标验证模型，同时CAE优化设计的可靠性需要试验验证。碰撞安全结构开发过程就是一个“试验CAE试验”的闭环开发过程。约束系统集成分析：决定整车碰撞安全性能优劣的主要因素有两个：一是车体结构在碰撞性过程中表现出的性能，二是约束系统在碰撞过程中对乘员的保护作用。只有把结构性能和约束系统性能结合在一起，才能有效的评价和优化车体结构的设计。约束系统分析模型建立的过程是“零部件一子系统一整车”的建模验证过程，其中每一步都包含了必

29、要的试验验证和模型对标，确保了整车约束系统分析模型的可靠性和较好的预测性。整车约束系统模型验证遵循的原则：遵循实际碰撞中的接触顺序；验证的规则：“从下到上”，即大腿力、腰带力、髋部加速度、肩带力、胸部加速度、头部加速度；验证的基本特征：起始时刻、峰值时刻、峰值、形状及脉宽。碰撞安全规范建立：碰撞安全开发的基本过程是“试验CAE试验”，每一次开发过程中的CAE与试验的对标，都是在为CAE分析规范的建立和修正提供实践依据，CAE分析规范的建立过程就是“实践对标总结实践”的过程。CAE分析规范包含建模规则、计算分析方法、评价标准等内容。碰撞试验是CAE对标的重要依据，也是开发验证的最后一关，必须制定

30、各类碰撞安全试验规范，试验规范保证了碰撞试验的规范性、试验数据的正确性和完整性，碰撞试验规范包含试验布置方案和碰撞试验流程。安全部件性能控制规范用于碰撞安全核心零部件的性能控制，确保其满足碰撞安全开发总体性能要求。同时，性能控制规范也用于安全部件产品的验收及量产后性能质量稳定性的控制。安全部件性能控制规范包含试验方法、性能控制标准、产品验收和抽样检测三部分。碰撞安全数据库建设：碰撞安全数据库是碰撞安全性能开发的重要决策依据和参考指标，是工程经验积累的载体之一。它的建设需要多个车型开发的积累，特别是对优秀参考车的解析和研究将提升数据库的质量和效能。碰撞安全数据库建设需要建立E化的数据管理系统，能

31、对仿真项目和试验项目的各类数据实现自动导入和导出，进行综合查询以及对比显示。该系统建立后，将成为碰撞安全性能开发的必备工具和重要基础平台。碰撞安全性能开发流程：碰撞安全性能开发流程是CA-PDS所属的子流程，它把碰撞安全开发过程中有规律性的东西总结成经验，上升为可操作的、可指导开发工作的管理程序，能有效的对整个碰撞安全性能开发过程进行管控和指导。CA-PDS碰撞安全同步图体现了在整车开发流程中各个碰撞安全开发关键节点所处的阶段和位置；CA-PDS碰撞安全流程图展示了各个关键节点之间的逻辑关系，以及对应的输入和输出，使得碰撞安全流程中的开发工作同产品开发的其它子系统工作产生了联系；CA-PDS碰撞安全流程节点工作表展示了各个关键节点的工作内容、牵头责任部门、输入输出、指导文件等，是对各个关键节点的详细描述。三者构成碰撞安全性能开发流程的三级流程体系。本文链接：http:/