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1、分类号 U491 单位代码 10618 密 级 学 号 10818001 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 论文题目： 高速公路双条半刚性护栏设计及碰撞仿真研究 Physical Design of Freeway Double-Bar Semi-Rigid Guardrail and Impact Simulation of Vehicle-Guardrails 研究生姓名： 唐 辉 导师姓名、职称： 刘建勋 副教授 申请学位门类： 工 学 专 业 名 称： 载运工具运用工程 论文答辩日期： 2011 年 4 月 19 日 学位授予单位： 重 庆 交 通 大 学 答辩委员会主席： 胡可钊
2、评阅人： 胡可钊 李 军 2011 年 4 月 重重庆庆交交通通大大学学学学位位论论文文原原创创性性声声明明 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外，本论文不包含任何其他个人或集体已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： 日期： 年 月 日 重重庆庆交交通通大大学学学学位位论论文文版版权权使使用用授授权权书书 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
3、论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将 本学位论文的全部内容编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。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文 数据库 ，并进行信息服务（包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等） ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社 CNKI 系列数 据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受 相关权益。 学位
4、论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 摘 要 I 摘 要 近年来，随着我国汽车保有量和高速公路里程的不断增加，公路上发生的交 通事故也在逐年增加，其中近 1/3 的事故是由汽车与护栏碰撞造成的。汽车的微 型化、大型化和重型化又使得现有护栏防御性能不断下降，每年造成巨大的人员 伤亡和财产损失。因此，分析汽车与高速公路护栏碰撞事故机理，研究新型防撞 护栏提高护栏的防护性能具有非常现实而重大的意义。 本文通过计算机仿真的方法对汽车与高速公路护栏碰撞以及护栏防撞性能展 开研究。首先，分析和对比国内外高速公路护栏防撞试验和安全评价标准，确定 新型护栏的试验方案和安全评价
5、指标；其次，分析汽车发生事故机理和建立事故 数学模型，确定了新型护栏双条半刚性护栏的基本形式，并根据事故数学模 型和均匀设计试验方法确定双条半刚性护栏的结构参数；最后，利用 HyperMesh 软件建立汽车与护栏有限元模型和仿真系统，运用 LS-DYNA 软件进行模型的求 解，通过车体和护栏动态响应研究，对比和分析双条半刚性护栏与现有护栏的防 撞性能，并以护栏最大变形量、车辆驶出角度和最大加速度等为评价指标，验证 双条半刚性护栏具备优越的防御性能。 本文的研究成果对我国护栏碰撞安全标准中乘员头部损伤评价具有一定的参 考价值，为双条半刚性护栏及其衍生护栏结构的进一步研究和应用提供理论依据， 具有
6、重要的工程实用价值。 关键词：双条半刚性护栏；波形护栏；均匀设计；碰撞仿真 ABSTRACT As the vehicle capacity and the freeway mileage increase, the number of traffic accidents is also growing in recent years, and one third of the accidents are caused by vehicles crash the guardrail. Crashworthiness performance of the present guardrail is
7、 declining since the vehicle becomes miniaturization, large-scale or heavy. It causes huge casualties and heavy property damages every year. Therefore, it has a great significance to do researches on crash mechanism between vehicle and the guardrail, design new guardrail to improve the crashworthine
8、ss. In the paper, crash between vehicle and the guardrail, performance of the guardrail crashworthiness are studied through computer simulation method. First, guardrail crashworthiness tests and security evaluation criteriaion at home and abroad are analysed and compared, test scheme and evaluating
9、indicators of a new guardrail is established. Then, crash mechanalism is analysed and the crash simulation model is created. According to the crash simulation model and test method of uniform design, a new guardrail which called double-bar semi-rigid guardrail and its structural parameters is identi
10、fied. Finally, finite element models and vehicle-guardrail system is created through HyperMesh, and calculated by LS-DYNA. After studying the dynamic response of vehicle and the guardrail, crashworthiness of the two guardrails are analysed and compared, max displacement of the guardrail, vehicle max
11、 acceleration, driving out angle and such kinds of evaluating indicators verify that new guardrail has excellent crashworthiness performance. For the evaluation of passengers head injury, the research results of this paper possess a definite reference value for guardrail crash safety standards of ou
12、r country, also provide theoretical basis of double semi-rigid guardrail and derivative structure of waveform guardrail for further research and application, has an important engineering practical value. KEY WORDS：Double-bar semi-rigid guardrail；W-beam guardrail；Uniform 目录 design；Impact simulation 目
13、 录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1.1 研究背景.1 1.2 国内外防撞护栏研究现状.4 1.2.1 国外防撞护栏研究现状 .4 1.2.2 国内防撞护栏研究现状 .5 1.3 研究目的及意义.6 1.4 主要研究内容.7 1.5 研究方法.7 1.6 本章小结.8 第二章第二章 防撞护栏试验方法及安全评价标准分析防撞护栏试验方法及安全评价标准分析 9 9 2.1 各国护栏试验方法及评价标准概况.9 2.1.1 美国 NCHRP Report 350 概况 9 2.1.2 欧盟 EN1317-2 概况 .10 2.1.3 我国 JTG/T F83-01-2004 概况 10 2.2 各
14、国护栏试验方法及评价标准对比分析10 2.2.1 各国护栏等级划分及碰撞初始条件 10 2.2.2 护栏安全性能评价指标 14 2.2.3 评价指标对比分析 15 2.3 我国护栏安全评价标准分析20 2.4 本章小结22 第三章第三章 双条半刚性护栏结构设计双条半刚性护栏结构设计 2323 3.1 汽车与护栏碰撞机理23 3.2 车辆碰撞防撞护栏后引发骑跨、下钻事故的分析24 3.2.1 骑跨事故分析 24 3.2.2 下钻事故分析 29 3.3 设计思想30 3.3.1 设计目的 30 目录 3.3.2 结构形式 30 3.3.3 工作原理 31 3.3.4 变形分析 31 3.3.5 双
15、条半刚性护栏特点 32 3.4 待求参数分析33 3.5 参数设计流程34 3.6 参数范围的确定34 3.6.1 上护栏板安装高度 H 范围的确定 34 3.6.2 下护栏板安装高度 h 范围的确定 36 3.6.3 护栏板伸出量差值 和立柱跨度 L 范围的确定 .37 3.7 参数的优化设计38 3.7.1 均匀设计原理 38 3.7.2 均匀设计试验 39 3.7.3 数学建模 43 3.7.4 优化处理 44 3.8 本章小结46 第四章第四章 汽车汽车- -护栏碰撞系统仿真模型的建立护栏碰撞系统仿真模型的建立 4747 4.1 有限元建模平台47 4.1.1 仿真软件 LS-DYNA
16、.47 4.1.2 前处理软件 HyperMesh.47 4.1.3 汽车与护栏碰撞仿真流程 48 4.2 某轿车有限元模型49 4.3 某货车有限元模型54 4.4 护栏有限元模型55 4.4.1 波形护栏板模型 56 4.4.2 立柱模型 58 4.4.3 防阻块模型 58 4.4.4 护栏各组件的连接 59 4.5 地面模型59 4.6 “车辆-护栏-地面”碰撞体系的耦合60 4.6.1 碰撞假设与简化处理 60 4.6.2 参数确定及计算控制 60 4.7 本章小结63 目录 第五章第五章 汽车汽车- -护栏碰撞仿真结果分析护栏碰撞仿真结果分析 6464 5.1 试验方案的确定64 5
17、.2 某轿车与双条半刚性护栏碰撞仿真结果分析64 5.2.1 碰撞过程及能量变化 64 5.2.2 乘员安全性能 65 5.2.3 车辆安全性能 66 5.2.4 护栏防撞性能 66 5.3 某轿车与现有波形护栏仿真结果分析67 5.3.1 碰撞过程 67 5.3.2 乘员安全性能 68 5.4 某货车与双条半刚性护栏碰撞仿真结果分析69 5.4.1 碰撞过程及能量变化 69 5.4.2 乘员安全性能 69 5.4.3 车辆安全性能 71 5.4.4 护栏防撞性能 71 5.5 某货车与现有波形护栏仿真结果分析71 5.5.1 碰撞过程 71 5.5.2 乘员安全性能 71 5.6 双条半刚性
18、护栏与现有护栏对比分析73 5.7 本章小结73 第六章第六章 结论与展望结论与展望 7474 6.1 结论74 6.2 展望74 致致 谢谢 7575 参考文献参考文献 7676 在学期间发表的论著及取得的科研成果在学期间发表的论著及取得的科研成果 8080 目录 第一章 绪 论 1.1 研究背景 汽车从诞生之日起，就扮演着重要的角色，它作为当今不可或缺的现代交通 工具，极大地丰富了人们的生活。人们在享受汽车所带来的快捷方便的同时，交 通事故也给社会造成了巨大的损失，交通安全成为人们备受关注的焦点。随着高 速公路的快速发展，交通事故问题日益突出，成为世界各地持续关注的热点问题。 交通安全问题
19、已是一个世界性的大难题12。 近年来，随着各国汽车安全性能研究的不断深入，道路交通事故呈现出下降 趋势。虽然我国在安全性能研究领域取得了一定的成果，然而道路交通问题仍然 十分严峻，比其他国家严重许多。2000 年，我国万车死亡率是美国的 8.08 倍、 英国的 11.47 倍、德国的 10.68 倍，2006 年我国万车死亡率是美国的 3.62 倍、英 国的 6.48 倍、德国的 6.62 倍，如表 1.1 所示。 表 1.1 2000-2006 年世界部分国家万车死亡率统计表3 Tab.1.1 Statics of mortality per 10000 vehicles in some c
20、ountries by the year: 2000-2006 国 别2000 年2001 年2002 年2003 年2004 年2005 年2006 年 德国1.461.331.281.231.080.980.93 西班牙2.482.282.132.101.801.601.44 法国2.362.352.161.681.591.431.25 意大利1.611.631.601.431.301.351.31 荷兰1.361.221.181.230.950.870.84 英国1.211.181.151.101.020.990.95 美国1.931.911.911.861.801.771.70 日本1
21、.201.141.080.990.840.870.80 韩国7.405.504.604.403.903.403.20 中国15.605.4613.7110.819.937.576.16 据统计，自 2000 年以来，道路交通事故四项指标（即事故次数、死亡人数、 受伤人数和直接财产损失）基本均以先升高再降低态势进行转化。在 2002 年， 2 第一章 绪论 道路交通事故发生次数，死亡人数和受伤人数均达到峰值。数据还表明，在 2000 至 2009 年间，交通事故发生次数下降幅度最大，而死亡人数变化幅度最小（如 图 1.1 所示） 。可见，道路交通事故发生次数的减少，并不能较为显著的降低人员 的死
22、亡人数。 在高速公路上，其四项指标及占总数的比例关系走势如图 1.2 所示。不难发 现，在高速公路上发生交通事故造成的人员伤亡在数量上和所占比例均为强劲的 上升趋势，直接财产损失自 2003 年之后虽出现下降态势，但其占总数比例仍为 上升态势。 通过对我国高速公路交通事故数据统计做进一步分析可知，随着我国高速公 路管理水平的提高及人们安全意识的不断加强，我国高速公路事故增加率、每百 公里交通事故数总体呈下降趋势，但随着高速公路里程的不断增加，高速公路交 通事故绝对数和致死率（见表 1.2）仍在继续增加，而且事故中属于汽车与护栏 碰撞的绝对数呈强劲的上升势头4。 0 100000 200000
23、300000 400000 500000 600000 700000 800000 900000 2000年2001年2002年2003年2004年2005年2006年2007年2008年2009年 事故次数，次死亡人数，人 受伤人数，人直接经济损失，万元 图 1.1 历年全国道路交通事故数据 Fig.1.1 Traffic accident data in the past few years 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 年份 事故起数(次)
24、0 1 2 3 4 5 6 事故起数 占总数(%) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 年份 死亡人数(人) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 死亡人数 占总数(%) 第一章 绪论 3 0 5000 10000 15000 20000 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 年份 受伤人数(人) 0 1 2 3 4 5 受伤人数 占总数(%) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 2000 2001 2002 2003 2004 2005
25、 2006 2007 年份 直接财产损失(亿元) 0 5 10 15 20 25 30 35 直接财产损失 占总数(%) 图 1.2 历年高速公路四项指标及占总数比例图 Fig.1.2 Four indicators and proportion of freeways over the past few years 表 1.2 2000-2007 年我国高速公路交通事故数据统计分析表5 Tab.1.2 Statistical analysis of freeway traffic accidents in China by the year 2000-2007 年份 高速公路里 程（公里）
26、致死率 （%） 全国交通事故 致死率（%） 百公里 事故次数 百公里 死亡人数 20001631425.118.311913 20011943724.016.212917 20022513024.316.311916 20032974526.317.412218 20043428829.118.27118 20054100529.017.44416 20064533928.017.23215 20075391329.217.72311 统计结果进一步表明，在我国的道路交通事故中，发生在高速公路上的约有 30%是车辆越出路外造成的，且由此造成的特、重大恶性交通事故占该类事故总 数的比例达 62%
27、以上，我国每年有 1/3 的死亡事故发生在车辆与路侧碰撞的单车 事故中，也就是说，每 3 人死亡事故中，就有 1 人死于车辆驶离道路的事故，且 呈逐年上升趋势 16。图 1.3 为汽车与护栏碰撞事故。 4 第一章 绪论 图 1.3 汽车与护栏碰撞事故 Fig.1.3 Accidents between Vehicle and guardrail 因此，在开展汽车自身安全技术研究的同时，在交通道路上尤其是高速公路 上设置合适的防撞护栏对降低交通事故严重程度显得格外重要，通过对现有护栏 安全性的改进和新型护栏安全性设计技术的研究，以提高汽车运行的安全性和保 证乘员人身安全是十分必要和具有现实意义的
28、。 1.2 国内外防撞护栏研究现状 1.2.1 国外防撞护栏研究现状 在美国，众多部门和组织对高速公路防撞护栏的研究都十分重视，例如美国 高速公路交通安全管理局 NHTSA，美国交通运输安全署 AASHTO、美国交通运 输研究委员会 TRB、美国交通部 DOT，美国联邦公路局 FHWA 以及美国德克萨 斯 A clear all; x0=720,440,0,2000; w(1,1)=0.6;w(1,2)=0.4; w(2,1)=0.4;w(2,2)=0.6; for i=1:2 i x,f=fmincon(x)fun_obj(x,w(i,:),x0,720,440,0,2000,770,470
29、,90,4000) f1=53248241.4226343-59805.30437*x(1)-134344.39872*x(2)-3504.54219*x(3)- 39.8093901*x(4)+66.4096457*x(1)*x(1)+218.2033599*x(2)*x(2)+21.21699672*x (3)*x(3)+0.0670636727*x(4)*x(4)- 85.4470222*x(1)*x(2)+0.856692142*x(1)*x(3)- 0.1738673893*x(1)*x(4)+2.919832438*x(2)*x(3)-0.476665375*x(2)*x(4)-
30、0.1642289192*x(3)*x(4) f2=-266585.48167+445.044048*x(1)+448.620336*x(2)+130.1193323*x(3)- 3.020389085*x(4)- 0.0881271931*x(1)*x(1)+0.1148248078*x(2)*x(2)+0.1096604622*x(3)*x(3)- 0.0001255389554*x(4)*x(4)- 0.718714255*x(1)*x(2)+0.0376567369*x(1)*x(3)+0.00431996374*x(1)*x(4)- 0.408408858*x(2)*x(3)+0.0
31、00875159845*x(2)*x(4)+0.00621505561*x(3)*x(4) end function f1f2=fun_obj(x,ww) f1f2=ww(1)*(53248241.4226343-59805.30437*x(1)-134344.39872*x(2)- 3504.54219*x(3)- 39.8093901*x(4)+66.4096457*x(1)*x(1)+218.2033599*x(2)*x(2)+21.21699672*x (3)*x(3)+0.0670636727*x(4)*x(4)- 85.4470222*x(1)*x(2)+0.856692142*x
32、(1)*x(3)- 0.1738673893*x(1)*x(4)+2.919832438*x(2)*x(3)-0.476665375*x(2)*x(4)- 0.1642289192*x(3)*x(4)-ww(2)*(- 266585.48167+445.044048*x(1)+448.620336*x(2)+130.1193323*x(3)- 3.020389085*x(4)- 0.0881271931*x(1)*x(1)+0.1148248078*x(2)*x(2)+0.1096604622*x(3)*x(3)- 0.0001255389554*x(4)*x(4)- 第三章 双条半刚性护栏结
33、构设计 47 0.718714255*x(1)*x(2)+0.0376567369*x(1)*x(3)+0.00431996374*x(1)*x(4)- 0.408408858*x(2)*x(3)+0.000875159845*x(2)*x(4)+0.00621505561*x(3)*x(4); 输出结果为： 对第一组权系数，w1=0.6，w2=0.4，x=748 457.2 47.5 2950.1T，f1(x) =2.9747104mm/s2，f2(x)=798.97mm； 对第二组权系数，w1=0.4，w2=0.6，x=748 457.2 47.5 2951.1T，f1(x) =2.974
34、7104mm/s2，f2(x)=799.15mm。 这两组结果都为能满足约束条件的最终解。对比分析两组最终解，除立柱跨 度 x4值略有微小差别外，其他三个设计变量值均保持一致，车辆最大加速度和护 栏最大变形量变化幅度很小。因此，综合考虑车辆碰撞加速度和护栏变形量能在 一定范围内取得最小值，对应的护栏结构参数初步可确定为： H=748mm，h=457mm，=47.5mm，L=2950mm。 3.8 本章小结 本章对车辆碰撞护栏事故中的骑跨、下钻事故进行了分析，依此提出了新型 护栏（双条半刚性护栏）的设计思想，分析了双条半刚性护栏结构中主要待求参 数，对决定护栏结构参数的车辆主要结构尺寸进行了统计
35、，提取护栏尺寸参数取 值范围；运用 DPS 统计分析软件中的均匀设计得到护栏评价指标与护栏结构参数 的数量关系；利用 MATALB 软件 fmincon 模块进行非线性多变量约束优化，获 取了护栏结构参数的最佳值，即双条半刚性护栏中，上护栏安装高度 H=748mm，下护栏安装高度 h=457mm，上、下护栏板伸出量差值 =47.5mm，立 柱跨度 L=2950mm。 48 第三章 双条半刚性护栏结构设计 第四章 汽车-护栏碰撞系统仿真模型的建立 4.1 有限元建模平台 有限元法是当今工程分析领域中实用性最强，应用最为广泛的数值计算方法。 它的基本思想是将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干子
36、域（单元） ，通 过它们边界上的节点相互联成组合体；每个单元内假设的近似函数来分片地表示 全求解域内待求的未知场变量，通过建立和原问题数学模型等效的变分原理，求 解原来待求场函数的无穷多自由度问题转化为求解场函数就结点值的有限自由度 问题45。 本文采用的有限元软件是 LS-DYNA 和 HyperMesh 前后处理软件。 4.1.1 仿真软件 LS-DYNA LS-DYNA 软件是世界上最著名的通用显示非线性动力分析程序，最初是 1976 年在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Lab.）由 J.O.Hallquist 主持开发完成的，是显示
37、有限元程序的鼻祖和理论先导4647。LS- DYNA 以 Lagrange 算法为主，兼有 ALE 和 Euler 算法；以显示求解为主，兼有 隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流体-结构耦合功能；以非线性动 力分析为主，兼有静力分析功能48。该软件能够模拟真实世界的各种复杂几何非 线性（大位移、大转动和大应变） 、材料非线性和接触非线性问题，特别适合高 速碰撞、爆炸和金属成形等非线性动力冲击问题，广泛应用于汽车工业、航空航 天、制造业、国防工业等重要领域。 4.1.2 前处理软件 HyperMesh4950 HyperMesh 软件是美国 Altair 公司的产品，是世界领先的、功能
38、强大的 CAE 应用软件包，也是一个创新、开放的企业级 CAE 平台，它集成了设计与分析所 需的各种工具，具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界 面。 HyperMesh 软件是一个功能强大的有限元前处理平台。首先，它是一个专用 第四章 汽车-护栏碰撞系统仿真模型的建立 49 的网格划分软件，在网格自动生成、单元质量检查以及不合格单元修改等方面独 具特色；其次，能够建立各种复杂的有限元模型，配有与不同的 CAD 软件接口， 例如 UG、Pro/E、CATIA、IGES、STEP 等 CAD 软件，读入 CAD 几何模型的速 度与效率较高，减少附加的冗余数据；再次，具有强大的几
39、何处理能力，能够快 速读取那些结构非常复杂，模型数据，从而大大提高了CAE 分析工程师的工 作效率；最后，配有各种有限元计算软件（求解器）接口，如 ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA、MADYMO、PAM-CRASH、VPG 等多种求解 器接口，为各种有限元求解器写出数据文件及读取不同求解器的结果文件，可实 现不同有限元计算软件之间的模型转换功能。 4.1.3 汽车与护栏碰撞仿真流程 50 第四章 汽车-护栏碰撞系统仿真模型的建立 是 否 否 是 选取某款有限元汽车 开始 局部网格细、粗化 模型的验证 建立护栏几何模型 （CATIA） 有限元网格划分 定义材料、单元属 性等 初始条件 边
40、界条件 接触类型 沙漏控制 有限元分析模型建立 （HyperMesh） 求解计算（LS-DYNA） 结果分析（LS-PrePost） 结束 分析结果是否满意 完成分析报告 是否出现error warning 图 4.1 汽车与护栏仿真流程图 Fig.4.1 Simulation scheme between vehicle and guardrail 一般地，一个完整的有限元模型需要经历前处理、求解和后处理三个过程。 第一阶段（即前处理）是在 HyperMesh 软件中实现的：首先选用某款有限元汽车， 进行局部的调整，对调整后的有限元轿车模型进行模型的验证；其次，在 CATIA 第四章 汽车-
41、护栏碰撞系统仿真模型的建立 51 软件中建立护栏和土壤的几何模型，并导入至 HyperMesh 中进行网格的划分、材 料属性的定义、单元类型的选择、各组件的连接等前处理；最后，进行模型的耦 合，设置模型的初始条件、边界条件、接触类型和沙漏控制、质量缩放等操作。 第二阶段（即求解过程）基于 LS-DYNA 软件，在计算过程中，模型很难做到一 次调试成功，因此，通常需要根据错误提示返回到前处理阶段，进行相应的修改。 第三阶段在 LS-PrePost 软件中进行后处理，若是结果不满足要求，则仍需返回至 第一阶段进行调试，直至达到预期效果。其仿真流程如图 4.1 所示。 4.2 某轿车有限元模型 由于
42、汽车整车一般包含了成百上千个零部件，其建模工作量十分巨大，目前 公认的一个整车建模工作量是 3 人/年，所以一般情况下，在建立汽车碰撞有限元 模型时，为了减小建模的工作量，都是利用现有的汽车设计 CAD 数据来建立最 初的几何实体模型，然后进行网格划分，再给计算所需的各种边界条件、载荷条 件及约束条件等51。当然，本文的研究受到了时间、经费等诸多因素的限制，根 据汽车与护栏实际的碰撞需要，只能重构已有的有限元模型，对重要的碰撞部位 进行局部的网格细化，而非重要碰撞部位则粗化网格，从而为后面仿真试验提供 轿车有限元模型。 按照我国高速公路护栏安全性能评价标准（JTG/T F83-01-2004）
43、中的初始碰 撞条件，本文在美国国家碰撞分析中心 NCAC（The National Crash Analysis Center ）平台上选用了某款符合要求的轿车模型。其相关技术参数如表 4.1，整 车几何模型如图 4.2 所示。 表 4.1 某轿车主要技术参数 Tab.4.1 Main technical parameters of a sedan 类别单位参数 车长车宽车高mm502518401470 轴距mm2760 前轮距mm1568 后轮距mm1591 整车质量t1.665 52 第四章 汽车-护栏碰撞系统仿真模型的建立 图 4.2 某轿车几何模型 Fig.4.2 Geometric
44、model of a certain car 碰撞区域的划分 一般情况下，汽车与护栏发生碰撞时，汽车的碰撞形态及变形部位基本相同。 为此，将汽车车身壳体按照碰撞等级区域划分为：严重碰撞区域 I、轻微碰撞区 域 II 和非碰撞区域 III。其中严重碰撞区域 I 是碰撞和变形比较严重的区域，包括： 保险杠、保险杠蒙皮、前翼子板、发动机盖等；轻微碰撞区域 II 是与护栏发生碰 撞接触，变形和影响相对较小的区域，包括：侧门框、车门、后翼子板等；而其 他部位则归类于非碰撞区域 III，此区域的车身基本不变形。如图 4.3 所示。 图 4.3 碰撞区域划分图 Fig.4.3 Devision of cra
45、sh area 网格大小的调整 对于显示有限元而言，网格尺寸的设置是非常重要的，不同的网格大小会造 成不同的计算时间，以及影响单元是否出现坍塌行为。网格越小，计算时间越长； 网格越粗，则单元易出现锯齿形状的沙漏现象。因此，合理的网格密度须在保证 实用精度的前提下尽量地节省计算时间。在严重碰撞区域网格大小设置为 1020mm，轻微碰撞区域网格的大小为 2040mm 左右，而非碰撞区域可大于 50mm52。 第四章 汽车-护栏碰撞系统仿真模型的建立 53 调整后，该整车模型总共有 769035 个单元，663680 个节点。其中包括壳单 元 570928 个、实体单元 40184 个和 4464
46、个焊点等。轿车的有限元模型如图 4.4 所示。 图 4.4 整车有限元模型 Fig.4.4 Finite element model of the whole car 单元网格质量控制和模型单元检查 模型网格划分好之后，需要对网格质量加以控制，其控制标准如下53： 1）翘曲角度（warpage）：15 2）长宽比（Aspect Ratiao）：5 3）倾斜角度（skew angle）：10 4）四边形内角（angle quad）：40135 5）三角形内角（angle tria）：20120 6）雅克比（jacobian）：0.7 在实际调整中，所有单元并不都能满足上述要求，在保证模型整体良好
47、的情 况下，对局部网格可进行适当调整。其中翘曲角度上限为 3040、长宽比上限 为 56、倾斜角度上限为 6070、雅克比下限为 0.50.6，保证失效单元占总单 元数的 10%之内即可。 模型的验证 通过对原来整车模型的局部修改，车辆的碰撞性能有可能发生变化，因此需 要对修改后的整车模型进行验证。验证初始条件设置：在轿车正前方 20mm 处增 设一刚性墙，赋予轿车 x 轴方向的初速度 50km/h，与刚性墙发生正面碰撞。 下面通过整车变形、碰撞能量、速度、加速度和刚性墙受力等几个方面与原 54 第四章 汽车-护栏碰撞系统仿真模型的建立 模型报告中的相关数据进行对比分析。 1）整车变形 图 4
48、.5 为模型调整前后变形的对比图。通过比较，调整后的整车模型变形与 调整前碰撞变形基本相似。 （a）调整前整车模型变形图 （b）调整后整车模型变形图 图 4.5 整车模型变形对比图 Fig.4.5 Contrast of deformation （a）调整前整车模型能量曲线图 （b）调整后整车模型能量曲线图 图 4.6 整车模型能量对比图 Fig.4.6 Contrast of energy 2）碰撞能量 图 4.6 为碰撞能量对比图，图 4.6(a)为原整车模型的碰撞能量变化曲线图，图 4.6(b)为调整后整车模型的碰撞能量变化曲线图。由于调整后模型在碰撞过程中有 摩擦力做功，因此，存在能量消耗而导致总能量略有降低。从动能和内能变化趋 势来看，两者变化趋势基本保持了一致。 3）速度曲线 图 4.7 为座椅处的速度曲线对比图，对比可得，调整前后模型被测点的速度 都是先减小至零，然后发生反弹，两者变化趋势基本保持一致。 4）加速度曲线 图 4.8 为发动机顶部加速度曲线对比图。根据规定要求对发动机顶部加速度 第四章 汽车-