汽车侧面抗撞性研究

轿车车体侧面抗撞性研究吉林大学作者李红建论文分类号U467.14单位代码10183密级秘密研究生学号2201212吉林大学硕士学位论文轿车车体侧面抗撞性研究AStudyonTheSideCrashworthinessofPassengerCarBody作者姓名：李红建专业：车辆工程导师姓名及职称：林逸教授论文起止年月：2001年10月至2003年2月提要在中国，随着汽车保有量的激增，汽车安全性的问题日益严重，特别对被动安全性的要求越来越高。从1998年9月开始，我国陆续出台了一系列汽车碰撞安全法规，正面碰撞方面的法规已经强制执行，各微型汽车厂家和科研院校都开始致力于提高提高现有产品的被动安全性能，并取得了一定的成果。侧面碰撞方面的法规目前还没有强制执行，故国内对其进行的试验和仿真分析也不深入。本文从弹塑性力学理论和有限元方法入手，剖析了进行仿真分析的理论内涵，建立了某轿车车体主要零件的数学模型，并对数据进行了相应处理和简化，模拟了实车的焊接、连接、接触等工艺条件，同时按照EEVC标准建立了可变形吸能壁模型。以典型侧撞结构框架为基础，对网格划分、材料定义、算法选择、焊接工艺、接触条件设定进行了细致的分析，积累了大量的经验参数，为整车碰撞仿真分析提供了条件。按照ECER95法规对轿车车体总成进行了侧撞仿真分析，并与实车碰撞试验数据进行了比较，验证了二者的一致性。针对试验和仿真结果中出现的问题，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，结果显示改进方案提高了车体侧面抗撞性，方案是可行的。本文介绍了一套组合多种应用软件并适用于碰撞仿真分析的方法，并在国内较早地对轿车车体侧面抗撞性进行了仿真分析，探索出一条有效可行的工作程序，对其它同类车型的侧面抗撞性分析具有一定的借鉴意义。关键词：侧面碰撞抗撞性车体有限元法仿真目录第一章绪论.........................11.1汽车安全性法规的发展史................11.2美国被动安全性法规FMVSS..............11.3欧洲被动安全性法规以及和FMVSS的区别........21.4我国被动安全性法规现状................41.5国内外被动安全研究现状................51.7本文的研究内容....................6第二章弹塑性力学理论和计算方法.............82.1弹塑性特性的基本描述.................82.2塑性变形的特点和塑性力学的附加条件..........92.3弹塑性力学的简化模型.................92.4弹塑性力学的基本方程.................102.5有限变形弹塑性问题的有限元法.............122.6计算方法分析.....................142.7小结.........................15第三章侧面碰撞模拟分析的影响因素...........163.1单元尺寸的确定....................173.2材料的设定......................193.2.1沙漏效应....................203.2.2硬化法则....................213.2.3应变率.....................223.2.4单元积分模式..................243.3接触问题.......................253.3.1接触系统的约束条件...............253.3.2接触界面算法..................253.3.3接触搜索算法..................263.3.4接触摩擦力算法.................263.4连接方式的设定....................283.5小结.........................31第四章车体侧面碰撞模拟分析...............324.1总体分析过程.....................324.2产品数学模型的建立和整理...............324.3有限元网格划分....................364.4有限元网格检查和装配.................384.5车体结构抗撞性分析..................384.5.1单元质量检查..................384.5.2材料定义....................394.5.3可变形移动壁..................404.5.4接触条件定义..................414.5.5时间步长控制..................434.5.6其它条件控制..................444.5.7碰撞仿真分析..................444.6小结.........................49第五章数据采集和处理..................505.1电测量系统......................505.1.1电测量系统的频率响应的要求...........505.1.2采样预滤波...................525.1.3采样频率....................525.1.4幅值分辨率...................525.1.5数据处理....................525.2光学测量系统.....................535.3小结.........................56第六章车体侧面碰撞被动安全对策和改进设计.......576.1增加板料厚度.....................576.2采用新材料......................606.3采用先进工艺.....................616.4改进设计.......................616.5小结.........................64第七章汽车被动安全分析技术的新观点和新方法......657.1反工程分析法.....................657.2模型简化分析法....................657.3结构简化分析法....................667.4小结.........................66结论.............................67攻读硕士学位期间发表的论文...............69致谢.............................70参考文献..........................71摘要.............................ⅰABSTRACT...........................ⅲ第一章绪论1.1汽车安全性法规的发展史1769年英国的詹姆士.瓦特发明了蒸汽机，随后在法国出现了以蒸汽机为动力的汽车Cugnot，一次意外的事故使该车撞到兵营的墙壁上，于是世界上最早的汽车安全事故出现了[1]。随着汽车工业的发展壮大，汽车安全已经成为汽车制造业和公共安全的一个非常重要的问题，世界各国都相继制定了很多法规。1929年英国开始实施道路车辆照明法，1931年实施“汽车构造和使用”法规；1952年德国公布了包含汽车及其零部件安全法规的道路交通法；欧洲一体化后，欧洲的EEC（欧洲经济共同体）指令和ECE（联合国欧洲经济委员会）法规相继出现，前者是强制性的，后者是成员国任意选用的。汽车安全在美国也受到了高度的重视，1966年国会通过了“国家交通和汽车安全法”，由国家公路交通安全局（NHTSA）执行并负责修订，随后在原有的17项中又增加了9项，形成了FMVSS的先导。1967年3月1日施行了第一个汽车安全法规—汽车安全带法规，1968年1月1日颁布了汽车正面碰撞法规，1970年提出了开发安全试验车（ESV）计划，1973年提出了开发1360kg级的安全研究车（RSV）计划，1973年1月颁布了静态侧向碰撞法规，1993年9月1日，颁布了动态侧面碰撞法规。ESV和RSV计划对提高汽车碰撞性能的影响非常大，使汽车性能在以下方面有所提高：1．采用吸能车体结构并保证了必要的乘员生存空间。2．采用较细的高刚性立柱，扩大了前视野面积。3．采用集中警报装置，扩大了警报内容和显示方法。随后又对FMVSS法规进行了多次完善和修正，美国的被动安全法规已经非常完善，欧洲也制定了相应的ECE和EEC法规，其余国家的法规基本是按照美国和欧洲的法规制定的。1.2美国被动安全性法规FMVSS[1]-[4]美国是最早开始机动车被动安全性研究的国家，迄今为止，在联邦机动车安全法规（FMVSS）中，有关被动安全性的法规有26项，已经形成了完整的体系，表1-1列出有关被动安全的法规项。表1-1FMVSS法规项条款内容条款内容201乘员撞车体内饰件Occupantprotectionininteriorimpact215保留Reserved202头部约束Headrestraints216顶部碰撞保护Roofcrashresistance203司机撞转向机构Impactprotectionforthedriverfromthesteeringcontrolsystem217公共汽车紧急出口和车窗定位及开启Busemergencyexitsandwindowsretentionandrelease204转向机构后移量Steeringcontrolrearwarddisplacement218摩托车头盔Motorcyclehelmets205窗玻璃材料Glazingmaterial219风挡玻璃区域的侵入Windshieldzoneintrusion206门锁及约束部件Doorlockanddoorretentioncomponents220校车翻滚保护Schoolbusrolloverprotection207座椅系统Seatingsystems221校车车身连接点强度Schoolbusbodyjointstrength208乘员碰撞保护Occupantcrashprotection222校车乘员座椅和碰撞保护Schoolbuspassengerseatingandcrashprotection209安全带部件Seatbeltassemblies223追尾碰撞防护装置Rearimpactguards210安全带固定点Seatbeltassemblyanchorages224追尾碰撞保护Rearimpactprotection211保留Reserved301燃油系统完好Fuelsystemintegrity212风挡玻璃安装Windshieldmounting302内饰材料易燃性Flammabilityofinteriormaterials213儿童约束系统Childrestraintsystem303压缩天然气汽车的燃料系统完好Fuelsystemintegrityofcompressednaturalgasvehicles214侧撞保护Sideimpactprotection304压缩天然气燃料容器完好Compressednaturalgasfuelcontainerintegrity1.3欧洲被动安全性法规以及和FMVSS的区别[1]-[4]欧洲从60年代后期开始制定被动安全法规，他们参照美国法规并根据自身特点加以修正、研究、实施，如今已经自成体系。美国采用企业自查，管理部门抽检制度，欧洲采用产品认证制度，所以ECE和EEC法规更有利于了解和操作，且技术操作的试验次数及要求教美国FMVSS低些。下面简述二法规中的被动安全部分的主要区别。表1-2正面碰撞中被撞机动车辆结构性能认证（不