A00电动轿车车头3D设计及碰撞分 毕业论文.doc

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1、本科生毕业设计（论文） I 摘要 随着汽车保有量的增长，道路交通事故己经成为世界性的一大社会难题。每年有 大量的人因交通事故死亡，交通事故带来的损失日益剧增，研究汽车的碰撞安全性能， 提高其耐撞性成为各国汽车行业研究的重要课题。 本文为了改进某一整车的前碰撞性能，应用计算机仿真技术对该车的前碰吸能部 件进行了碰撞仿真改进研究。设计车头 3D 数模，并根据其各吸能区计算断面结构，由 改进前的整车有限元模型碰撞仿真计算结果与改进后的实车碰撞试验结果的对比表明， 部件的碰撞仿真设计是确保设计车辆具有良好碰撞性能的一种重要的方法和手段。 关键词：车头模型、断面结构、计算机仿真 本科生毕业设计（论文）

2、II Abstract With the increasing of car amount, traffic accident has become a serious problem in the world. Many people annually died in the traffic accident，traffic accident gives the life and property safety of people bring serious of disaster. But now because the loss of accident increase greatly，

3、the study of car crash safety performance attracts the increasing attention of a consequence of car company in the whole world. In order to improve a passenger cars crashworthiness, a computer simulation was done in this paper to study the crash characteristics of the energy absorbing front end of a

4、 car .3D digital-analog design front, and areas according to their calculation of the absorption cross section structure .The results showed that the method of the crash simulation was a feasible way to ensure a new designed car having good crash worthiness. Key words: Digital-analog front、Cross sec

5、tion structure、Computer Simulation 本科生毕业设计（论文） III 目录 第一章 绪论 .5 1.1. 课题背景 5 1.2. 研究的目的和意义 6 1.3. 汽车碰撞法规的现状及发展趋势 6 1.4. 研究内容 7 第二章 汽车车头 3D 数模 9 2.1 CATIA 软件应用介绍 9 2.2 车头 3D 数模 .10 第三章 碰撞过程中各吸能区的划分及作用 .11 3.1 车身的概述 11 3.1.1 白车身 11 3.1.2 车身的作用 11 3.1.3 车头结构 12 3.2 车头骨架设计要求 13 3.2.1 空间要求 13 3.2.2 变形控制要求

6、 13 3.3 碰撞过程中吸能区的划分 13 3.4 各吸能区的作用 15 第四章 各吸能区断面结构的分析计算 .16 4.1 各吸能区的断面结构 16 4.2 断面结构的分析计算 20 第五章 电动汽车车头结构仿真分析及优化设计 .22 5.1 汽车碰撞 22 5.1.1 概要 22 5.1.2 流程应用工具软件 22 5.1.3 汽车碰撞过程的特点 22 5.2 HYPERMESH 软件介绍及功能 23 5.3 LS-DYNA 软件介绍及功能 .24 5.3.1 LS-Dyna 概况 24 5.3.2 LS-DYNA 程序功能 .24 5.4 正面碰撞试验条件 25 5.4.1 试验场地

7、25 5.4.2 壁障 25 5.4.3 车辆要求 26 5.4.4 正碰目标设定 26 5.5 原模型仿真分析 27 5.5.1 有限元模型的建立 27 5.5.2 材料强度 28 5.5.3 模拟碰撞局部变形图 30 5.5.4 能量曲线图 31 5.5.5 吸能区域能量分布 32 本科生毕业设计（论文） IV 5.5.6 吸能区域各部件吸能 32 5.5.7 整车加速度曲线 33 5.5.8 总结 33 5.6 结构优化 34 5.7 改进后仿真分析 40 5.7.1 模型建立 40 5.7.2 材料属性：(前部吸能区 )41 5.7.3 碰撞结果 42 5.7.4 能量曲线图 44 5

8、.7.5 吸能区域各部件吸能 45 5.7.6 整车加速度曲线 46 5.7.7 车头相关部位的变形情况 47 5.7.8 对比总结 52 第六章 总结与展 望 .54 6.1 本文总结 54 6.2 研究展望 54 参考文献 .56 致谢 .58 附录 .59 本科生毕业设计（论文） 5 第一章 绪论 1.1. 课题背景 汽车安全性可分为主动安全性和被动安全性。其中主动安全性是指汽车避 免发生意外事故的能力；被动安全性，则是汽车在发生意外事故时对乘员进行 保护的能力。由于被动安全性总是与广义的汽车碰撞事故联系在一起，故也称 为“汽车碰撞安全性” 。大量数据表明，主动安全性再好，也只能避免 5

9、%的事 故1，95%以上的事故是由于人和环境因素共同造成的。在各种交通状况下发 生的碰撞事故，归纳起来包括正面碰撞、侧面碰撞、追尾、翻滚等2。统计数 据显示，在汽车各类碰撞事故中正面碰撞的发生几率约为 59%3，同时其对车 内司乘人员和生命财产安全的危害性也是最大的。 汽车的安全，尤其是碰撞安全性越来越受到重视，各国各地区都加强了对 安全法规的制定工作。目前，在美国、日本、欧洲及澳洲都有称为 NCAP 的组织 机构，对不同车型进行汽车碰撞安全性评估。汽车碰撞安全性评估主要包括正 面碰撞、侧面碰撞、儿童保护和行人保护四个方面。其中防正面碰撞的车身结 构设计己经成熟，由刚性的乘员舱与前后的吸能区组

10、成，并注意吸能后撞击力 的分流;防侧面碰撞的车身结构设计也正趋完善，重点是放在加强车身刚性和冲 击力分流两个方面;为满足保护行人法规要求，整车的造型和汽车前部结构发生 了很大的变化。 目前，汽车安全已经成为制约我国交通运输业和汽车工业进一步发展的重 要因素之一，开展汽车安全性研究是十分必要和紧迫的。为了促进这一领域的 研究工作，中国汽车工程学会于 1995 年 9 月成立了(被动)安全技术专业委员会 4。这一专业委员会的成立，标志着我国汽车被动安全性研究工作正逐渐走上 系统化和正规化的发展道路。我国颁布的第一项汽车安全技术法规 CMVOR294汽车正面碰撞乘员保护的设计规则5于 1999 年

11、10 月 28 日由国 家机械工业局发布，己列入了新的 40 项强制检测项目中，这表明我国政府己对 汽车的被动安全性有了更全面的评价方法6，2003 年，GBll551 一 2003乘 用车正面碰撞乘员保护7强制性国家标准的颁布则标志着我国的碰撞法规正 逐渐与国际接轨。 随着国家 863 计划电动汽车重大专项的实施，我国在纯电动汽车、混合动 力汽车和燃料电池汽车等新能源环保汽车方面的开发力度正在加强，我国拥有 本科生毕业设计（论文） 6 自主知识产权的新能源汽车动力系统技术平台正在逐步建立，通过整车集成配 套技术的研发，实现与传统汽车的技术对接，逐步向产业化延伸。电动汽车的 一个重要特点就是车

12、内装有高电压的动力回路，由数十块甚至几百块储能单元 (如单体电池)串联或者并联组成的储能系统(如动力电池组)的电压远远超过安 全电压，所以相对传统汽车而言，电动汽车对碰撞安全性做出了更高的要求。 本课题是奥杰汽车为东风公司正在设计研发的一款 A00 级电动轿车碰撞试 验中的一部分，即车头的正碰。 1.2. 研究的目的和意义 长期以来，轿车安全性能的提高一直是汽车工业界所追求的目标。用实车 碰撞试验可测定轿车安全性能，但因其需要在实物样机上安装各种测试设备， 进行实地试验，成本高，时间长。所以探索新的试验方法一直是汽车工业界非 常关注的课题。随着计算机技术的发展和各种应用软件的出现，轿车碰撞试验

13、 可以用计算机来模拟来实现，利用虚拟现实技术设计的汽车虚拟试验场可逼真 地实现试验过程。通过交互改变汽车设计参数、试验道路环境，可以验证设计 方案，从而达到缩短设计周期，降低开发成本，提高产品质量的目的。与传统 的实车试验相比应用虚拟试验场具有快速、逼真、可重复性等特点，可无危险， 无损坏地进行碰撞、翻倾等极限试验。同时，正面碰撞是汽车碰撞事故中最多， 对人体危害最大的碰撞形式，也是国际上许多安全法规中规定的小型客车和轿 车的最主要标准试验。我国颁布的第一项汽车安全技术法规 CMVDR294汽车正 面碰撞乘员保护的设计规则5，己列入了新的 40 项强制检测项目中。通过 计算机模拟的方法研究电动

14、车正面碰撞问题满足项目的实际需求，同时也符合 国家相关政策，具有良好的现实意义。 本课题研究的意义不仅仅在于能够解决奥杰公司在实际试验中参在的问题， 为实车试验提供实际的参考和指导，而且可以提供一种计算机虚拟仿真的计算 方法，在降低试验成本以及缩短产品试验周期等方面均有着重要意义。此外， 由于目前国内对电动车正面碰撞安全性的研究较少，因此本课题研究对电动车 正面碰撞安全性的相关研究工作具有一定的借鉴和参考价值，有助于我国电动 车被动安全性设计整体性水平的提高。 1.3. 汽车碰撞法规的现状及发展趋势 实车碰撞实验是综合评价汽车碰撞安全性能的最基本、最有效的方法。实 车碰撞试验按碰撞形态可分为：

15、正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞、角度碰撞。 本科生毕业设计（论文） 7 其中正面碰撞、侧面碰撞为主要碰撞形态。 实车正面碰撞试验形式有正面碰撞、30 度斜碰撞和偏置碰撞等形式。试验 中的基本条件主要包括车质量状态、假人质量、固定障碍壁的几何形状和质量、 固定障碍壁与被试车辆的位置关系等。实车试验中最基本的碰撞壁障有固定刚 性壁了障和变形壁障两种。固定壁障的碰撞试验与实际交通事故的碰撞形式差 异较大。变形壁障偏置碰撞能较好地模拟实际交通事故中的正面碰撞，试验结 果更有说服力。正面碰撞试验以下面三种方式进行： （1）车辆纵轴线与障碍壁表面垂直； （2）障碍壁前放置 30 度的楔形块，碰撞时车辆右前端

16、先接触楔形块； （3）障碍壁前放置 30 度的楔形块，碰撞时车辆左前端先接触楔形块。7 在测量用假人方面，规定使用 Hybrid型假人并给出乘员损伤限值。 欧洲汽车工业发达国家虽然对汽车也进行了长时间的研究，但一直没有形 成统一的法规，直到 1992 年才提出一个 ECE 草案。草案规定碰撞速度为 50km/h，固定障碍壁为刚性表面，并且障碍壁前放置一个 30 度的楔形块，碰撞 时车辆驾驶员侧先接触。该草案与 FMVSS88（美国联邦机动车安全法规2）法 规的区别是：车辆只进行一种方式的碰撞试验，并且楔形块表面安装有防滑装 置，以防止碰撞时车辆沿楔形块表面滑脱。欧洲在研究正面碰撞安全法规时比

17、较重视实际的交通事故形态，提出了与实际交通事故最接近的偏置变形壁障碍 碰撞试验方法。但是由于偏置变形壁障碰撞试验方法对碰撞试验条件的控制十 分苛刻，当时的碰撞试验设备无法满足该试验要求，故在 1995 年颁布 ECE94/00 时先采用了车速为 50km/h 的 30 度斜角碰撞试验方法作为过渡。但欧 洲专家认为美国 FMVSS208 中的斜角碰撞试验中光滑的斜角壁障使碰撞车产生滑 移而减轻了车辆碰撞的强烈程度，使试验结果与实际交通事故不同。为了防止 斜角碰撞中车辆前端面的滑动，欧洲 ECE R94/00 中的貌一新 30 度斜壁障上装 设了标准的防滑块阻止碰撞中试验车前端面的滑动。到 199

18、4 年，ECE R94/01 中采用了车速为 56km/h 的 40%的偏置变形壁障碰撞试验。 1.4. 研究内容 本课题研究的具体内容包括以下方面： （1） 电动轿车车头吸能区域的结构分析并进行优化 利用 CATIA 建立车头骨架 3D 模型，对模型进行结构上的分析，首先 在结构上进行优化，保证吸能区有足够的压溃长度；其次在连接的选择 上分析焊接与螺接的区别进行优化。 （2） 各吸能区的断面结构的分析计算 本科生毕业设计（论文） 8 通与成功车型的断面结构进行对比分析，选择合适的断面形状，保 证碰撞受力时达到预订的变形要求。 （3） 利用 CAE 软件进行仿真分析并进行优化设计 利用 CAE

19、 软件进行碰撞仿真，与法规进行对比，进行局部的优化， 在理论上满足整车的基本要求。 本科生毕业设计（论文） 9 第二章 汽车车头 3D 数模 2.1 CATIA 软件应用介绍 CATIA 是法国达索飞机公司在 70 年代开发的高档 CAD/CAM 软件，是世界 上一种主流的 CAD/CAE/CAM 一体化软件。CATIA 是英文 Computer Aided Tri- Dimensional Interactive Application（计算机辅助三维交互式应用） 的缩 写。目前在中国由 IBM 公司代理销售。 CATIA 是汽车工业的事实标准，是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核 心系

20、统。CATIA 在造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特的长处，为各种 车辆的设计和制造提供了端对端（end to end ）的解决方案。CATIA 涉及产品、 加工和人三个关键领域。CATIA 的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上 市时间。 一级方程式赛车、跑车、轿车、卡车、商用车、有轨电车、地铁列车、高 速列车，各种车辆在 CATIA 上都可以作为数字化产品，在数字化工厂内，通过 数字化流程，进行数字化工程实施。CATIA 的技术在汽车工业领域内是无人可 及的，并且被各国的汽车零部件供应商所认可。从近来一些著名汽车制造商所 做的采购决定，如 Renault、Toyota、Karman

21、、Volvo、Chrysler 等，足以证 明数字化车辆的发展动态。 Scania 是居于世界领先地位的卡车制造商，总部 位于瑞典。其卡车年产量超过 50，000 辆。当其他竞争对手的卡车零部件还在 25，000 个左右时，Scania 公司借助于 CATIA 系统，已经将卡车零部件减少了 一半。现在，Scania 公司在整个卡车研制开发过程中，使用更多的分析仿真， 以缩短开发周期，提高卡车的性能和维护性。CATIA 系统是 Scania 公司的主 要 CAD/CAM 系统，全部用于卡车系统和零部件的设计。通过应用这些新的设计 工具，如发动机和车身底盘部门 CATIA 系统创成式零部件应力分析

22、的应用，支 持开发过程中的重复使用等应用，公司已取得了良好的投资回报。现在，为了 进一步提高产品的性能，Scania 公司在整个开发过程中，正在推广设计师、分 析师和检验部门更加紧密地协同工作方式。这种协调工作方式可使 Scania 公 司更具市场应变能力，同时又能从物理样机和虚拟数字化样机中不断积累产品 知识。 本科生毕业设计（论文） 10 2.2 车头 3D 数模 图 2-1 车头 3D 模型 本科生毕业设计（论文） 11 第三章 碰撞过程中各吸能区的划分及作用 3.1 车身的概述 车身是汽车的“上层建筑” ，是整车的四大组成部分之一。汽车的更新换 代很大程度上取决于汽车车身技术的发展。汽

23、车车身涉及美学、空气动力学、 环境学、计算机、机械工程学、人机工程学、材料和化工等。车身一般由白车 身、内饰、外件、附件组成。 3.1.1 白车身 白车身：英文 body in white,是指车身本件及覆盖件的总成，包括车身 焊接本体、翼子板、四门两盖（五门一盖） ，不含附件及装饰件的未涂漆的车身。 如下图： 图 3.1 白车身结构 3.1.2 车身的作用 1)实现整车功能的作用 2)为乘员提供舒适的乘坐环境 3)为乘员提供安全保护措施 本科生毕业设计（论文） 12 4)减少空气阻力 5)增强汽车的美观性 其中，为乘员提供安全保护措施是本课题研究的主要内容，即车头碰撞安 全性的研究。 3.1

24、.3 车头结构 下图为本课题研究的电动车的整车效果图 图 3.2 整车效果图 车头主要由前保险杠、车头顶盖、翼子板和车头内部骨架组成。由于该纯 电动车车头较短，在碰撞过程中起主要作用的是车头内部骨架结构，如下图所 示： 图 3.3 车头骨架结构 本科生毕业设计（论文） 13 3.2 车头骨架设计要求 3.2.1空间要求 要有足够的空间安装汽车悬架，动力总成以及其他附件。 3.2.2变形控制要求 1)最大变形量的控制，这一许可变形区的实现是密切相关的。车体结构侵 入乘员空间造成的接触伤害是主要的伤害成因之一，在汽车碰撞中应尽量避免 对乘员的接触伤害，绝对保证乘员舱结构的整体刚度，避免自身塌陷或其

25、他结 构的侵入造成乘员伤害。因此，必须控制最大变形量，将碰撞变形限制在一定 区域之内。 2)控制结构变形模式，不同结构的碰撞变形模式主要包括以下几种，褶皱， 弯曲，断裂，其中断裂包括焊点等连接 的破坏失效和结构本身的破坏失效。不 同的变形形式，能量吸收能力有很大的差异，对于汽车碰撞安全往往有决定意 义，前纵梁在弯曲失效的情况下吸能能力将降低约 40%。汽车前部耐碰撞结构 应尽可能针对多种碰撞边界条件设计，使得耐撞结构在碰撞中发生稳定的变形， 充分发挥变形吸能作用。 3)结构变形次序的控制。合理的变形次序不仅能够使结构有效发挥变形吸 能作用，同时也能够在一定程度上引导结构的稳定变形模式。汽车前纵

26、梁的后 端在碰撞时先发生屈曲变形，则很容易引导整个前纵梁未变形区域相对转动， 形成弯曲失效，而如果按照由前向后的次序变形，则不会发生这种不利于乘员 保护的危险情况。 4) 汽车结构大都是由冲压件连接构成承载结构，结构连接有效、可靠是 保证汽车结构发挥作用的关键。在正面碰撞中，前纵梁是具有一定截面形状的 承载管件，它的变形过程具有较强的吸能能力，而当前纵梁失去截面形状时， 就无法发挥原有的吸能能力。 3.3 碰撞过程中吸能区的划分 为了在碰撞过程中能够充分缓冲吸收由加速度剧变产生的巨大能量，车头 骨架在设计时做了如个几个吸能区： 1） 本科生毕业设计（论文） 14 图 3.4 前防撞梁 前防撞梁

27、，其中三根横梁中的中梁为主要的吸能梁，在碰撞第一时间产生 变形，下梁为辅助吸能梁，上梁的吸能作用最小。 2） 图 3.5 主吸能梁 中防撞梁连接梁，在车头碰撞过程中伴随着前防撞梁一同变形，为主要的 吸能区域。 3） 图 3.6 辅助吸能梁 本科生毕业设计（论文） 15 辅助吸能区，主要起二次吸能的作用。 3.4 各吸能区的作用 1)前防撞梁。在正面碰撞的过程中，汽车的受力部位可能是汽车正面的任 何部位，多数情况下不是吸能纵梁的所在位置，所以需要前横梁将受到的力传 递给吸能纵梁，同时自身吸收一定的能量。 2)主吸能纵梁。根据GB 17354-1998 汽车前、后端保护装置中的规定。 基准高度为

28、445mm，所以主吸能纵梁的高度设计在这一高度，吸收大部分能量。 对车辆的缓冲减速起关键作用，同时保证车辆在减速的过程中的减速度要在合 理范围内，保证车内乘员的安全。 3)辅助吸能纵梁。除了在基准高度上要设置主吸能纵梁外，还要在其他高 度设置辅助吸能纵梁，来分担主吸能纵梁的冲击，分担主吸能纵梁的能量，辅 助控制碰撞过程中的减速度，降低主吸能纵梁的设计刚度，从而降低设计制造 成本。 本科生毕业设计（论文） 16 第四章 各吸能区断面结构的分析计算 4.1 各吸能区的断面结构 在截面位置处获得断面结构： 1)前防撞横梁上梁： 图 4.1 前防撞横梁上梁 断面结构： 图 4.2 断面图 截面面积 4

29、.32e-004m2 抗拉强度 6061 T6:310 弹性模量 70GPa 惯性矩 IX=8.58210-8 m4 IY=1.79710-7 m4 WX=IX/YMax=IX/0.03=2.8610-6 m3 WY=IY/XMax=IY/0.018=9.9810-6 m3 2)前防撞横梁中梁 本科生毕业设计（论文） 17 图 4.3 前防撞横梁中梁 断面结构： 图 4.4 断面图 截面面积 7.375e-004m2 抗拉强度 6061 T6:310 弹性模量 70GPa 惯性矩 IX=2.28210-7 m4 IY=5.51410-7 m4 WX=IX/YMax=IX/0.04=5.710-

30、6 m3 WY=IY/XMax=IY/0.025=2.210-5 m3 截面图形 3)前防撞横梁下梁 图 4.5 前防撞横梁下梁 本科生毕业设计（论文） 18 断面结构： 图 4.6 断面图 截面面积 7.735e-004m2 抗拉强度 6061T6:310 弹性模量 70GPa 惯性矩 IX=2.82810-7 m4 IY=5.51410-7 m4 WX=IX/YMax=IX/0.04=5.710-6 m3 WY=IY/XMax=IY/0.025=2.210-5 m3 4)防撞纵梁上梁 图 4.7 防撞纵梁上梁 断面结构 图 4.8 断面图 截面面积 7.447e-004m2 抗拉强度 60

31、63 T6:241 本科生毕业设计（论文） 19 弹性模量 70GPa 惯性矩 IX=8.42210-6 m4 IY=2.96410-6 m4 WX=IX/YMax=IX/0.04=2.110-4 m3 WY=IY/XMax=IY/0.025=1.1810-4 m3 5)防撞纵梁中梁 图 4.9 防撞纵梁中梁 断面结构 图 4.10 断面图 截面面积 7.44e-004 m2 抗拉强度 6063 T6:241 弹性模量 70GPa 惯性矩 IX=9.55510-6 m4 IY=6.47510-6 m4 WX=IX/YMax=IX/0.025=3.0810-6 m3 WY=IY/XMax=IY/

32、0.04= 6.47510-6 m3 6)防撞纵梁下梁 本科生毕业设计（论文） 20 图 4.11 防撞纵梁下梁 断面结构 图 4.12 断面图 截面面积 7.44e-004m2 抗拉强度 6063 T6:241 弹性模量 70GPa 惯性矩 IX=9.55510-6 m4 IY=6.47510-6 m4 WX=IX/YMax=IX/0.025=3.0810-6 m3 WY=IY/XMax=IY/0.04= 6.47510-6 m3 4.2 断面结构的分析计算 我们以 1001002.0 的截面为例，例举以下几种截面形状方案来比较： 本科生毕业设计（论文） 21 我们以改变截面尺寸，例举以下几

33、种截面形状方案来比较： 分析结果：加大截面尺寸是最直接，效果最好的，尺寸增加 1.5 倍，重量 增加约 1.5 倍，惯性矩可以增加 3.4 倍有多，即抗弯刚度可提高 3.4 倍。考虑 到实际情况，管梁尺寸的增加幅度有限制，那么可以综合两种方案在增加截面 尺寸的同时优化截面形状来满足使用要求。 本科生毕业设计（论文） 22 第五章 电动汽车车头结构仿真分析及优化设计 5.1 汽车碰撞 汽车碰撞是个瞬态的大位移和大变形的过程，系统具有几何非线性、材料 非线性和接触非线性等多重非线性特征，它涉及在动载下的本构关系、非线性 问题算法等问题。目前，动态非线性有限元方法成为了汽车碰撞模拟计算的主 要研究手

34、段。 5.1.1 概要 本流程为乘用车整车正面 100%重叠冲击刚性壁障试验的通用仿真分析流 程。在试验条件下，首先给定车辆向前方向上的初速度，然后撞向前部固定的 刚性壁障。壁障面垂直于车辆行进方向，并与车辆前部 100%重叠。仿真按照以 下标准执行： 1)正面 48km/h 壁障冲击仿真是执行美国联邦机动车安全标准 FMVSS 208：乘员碰撞保护标准。 2)正面 56km/h 壁障冲击仿真是执行美国高速公路安全协会（NHTSA）新车 评价体系（NCAP 试验标准） 。 3)低速仿真一般用在具有安全气囊的碰撞测试中。分析主要用于评价整车 在正面碰撞试验中的结构性能，同时通过加入乘员系统来计算

35、乘员伤害值。 5.1.2流程应用工具软件 在整个仿真分析流程中使用到的软件如下： 1)前处理软件： HyperMesh 2)求解程序： LS_DYNA 3)后处理软件： LS_Post 5.1.3汽车碰撞过程的特点 汽车碰撞过程是一个动态的大位移和大变形过程，接触和高速冲击载荷影 响着碰撞全过程，系统具有几何非线性和材料非线性等多重非线性。汽车上的 各零部件所发生的变形可以是线性弹性变形、非线性弹性变形、塑性变形、粘 塑性变形及其组合等。 碰撞速度与撞压变形：汽车碰撞前方障碍物后，车体撞压变形量随碰撞速 本科生毕业设计（论文） 23 度的增大而增加，当碰撞速度小于 65Km/h 时，二者成线性

36、关系，其相对误差小 于 2% ；当碰撞速度大于 65Km/h 时，二者成非线性，且随碰撞速度的增大非线 性也在增加。 时间变化：汽车碰撞持续变形时间：4080ms；随碰撞相对速度增加，碰 撞持续时间逐渐减少. 汽车与汽车碰撞持续时间略长于汽车碰撞刚性障碍壁的 持续时间. 汽车与汽车碰撞时，碰撞持续时间随汽车刚度不同而略有差别。 汽车碰撞刚性障碍壁中速度损耗： 经过大量的计算，我们发现汽车碰撞刚性障碍壁时，速度损耗量为碰撞前 的 30%左右，当汽车与汽车碰撞时，碰撞过程中速度的损耗量低于汽车碰撞刚 性障碍壁的损耗量，为 20%25%。 能量变化：汽车碰撞刚性障碍壁时，碰撞过程中损失的能量为总能量

37、的 55%左右，当汽车与汽车发生碰撞时，碰撞过程中损失的能量低于汽车碰撞刚性 障碍壁时损失的能量。 5.2 HyperMesh 软件介绍及功能 Hypermesh 软件是美国 Altair 公司的产品，是世界领先的、功能强大的 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。 在 CAE 领域, Hypermesh 最著名的特点是它所具有的强大的有限元网格前 处理功能和后处理功能。一般来说，CAE 分析工程师 80的时间都花费在了有 限元模型的建立和修改上，而真正的分析求解时间是消耗

38、在计算机工组站上的， 所以采用一个功能强大，使用方便灵活，并能够与众多 CAD 系统和有限元求解 器进行方便的数据交换的有限元前后处理工具，对于提高有限元分析工作的质 量和效率具有十分重要的意义。 HyperMesh 是一个高性能的有限元前后处理器，它能让 CAE 分析工程师在 高度交互及可视化的环境下进行仿真分析工作。与其他的有限元前后处理器比 较，HyperMesh 的图形用户界面易于学习，特别是它支持直接输入已有的三维 CAD 几何模型(UG,Pro/E,CATIA 等)已有的有限元模型，并且导入的效率和模型 质量都很高，可以大大减少很多重复性的工作，使得 CAE 分析工程师能够投入 更

39、多的精力和时间到分析计算工作上去。同样，Hypermesh 也具有先进的后处 理功能，可以保证形象地表现各种各样的复杂的仿真结果，如云图，曲线标和 本科生毕业设计（论文） 24 动画等。 在处理几何模型和有限元网格的效率和质量方面，HyperMesh 具有很好的 速度，适应性和可定制性，并且模型规模没有软件限制。其他很多有限元前处 理软件对于一些复杂的，大规模的模型在读取数据时候，需要很长时间，而且 很多情况下并不能够成功导入模型，这样后续的 CAE 分析工作就无法进行；而 如果采用 Hypermesh，其强大的几何处理能力使得 Hypermesh 可以很快的读取 那些结构非常复杂，规模非常大

40、的模型数据，从而大大提高了 CAE 分析工程师 的工作效率，也使得很多应用其他前后处理软件很难或者不能解决的问题变得 迎刃而解。 5.3 LS-Dyna 软件介绍及功能 LS.DYNA 是一个以显式为主，隐式为辅的通用非线性动力分析有限元程序， 可以求解各种二维、三维非线性的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性问题。 5.3.1LS-Dyna 概况 DYNA 程序系列最初是 1976 年在美国 Lawrence Livermore National Laboratory 由 J0HaUquist 主持开发完成的，主要目的是为武器设计提供 分析工具，后经 1979、1981、1982、1986、19

41、87、1988 年版的功能扩充和改进， 成为国际著名的非线性动力分析软件。 LSDYNA 程序 950 版是功能齐全的几何非线性(大位移、大转动和大应变)、 材料非线性(100 多种材料模型)和接触非线性(30 多种)程序。它以 Lagrange 算 法为主，兼有 ALE 和 Euler 算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能：以结 构分析为主，兼有热分析等功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能 (如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算)的通用结构分析非 线性有限元程序。 ANSYSLSDYNAS.6 版是采用 ANSYSS.6 版前处理生成 LS.DYNA 显式积分 部分的

42、输入数据文件，ALS-DYNA950 版求解器求解，生成图形文件和时间历程 文件，在用 ANSYSS.6 版后处理显示和分析计算结果。需要隐式积分法求解时可 采用 ANSYSS.6 版隐式求解器。它与 LS.DYNA950 版显式求解器之间配有数据接 口。 5.3.2LS-DYNA 程序功能 1）单元类型 本科生毕业设计（论文） 25 LS.DYNA 程序的单元类型众多，有二维、三维单元，薄壳、厚壳、体、梁 单元，ALE、Eulorian、Lagrangiall 单元等。各类单元又有多种理论算法可供 选择，具有大位移、大变形和大转动性能，单元积分采用沙漏粘性阻尼以克服 零能模式，单元计算速度快

43、、节省存储量，可以满足各种实体结构、薄壁结构 和流体-固体藕合结构的有限元网格划分的需要。每种单元都有多种算法可供用 户选择，实体单元是单点积分，薄壳单元是面内单点积分、沿壳厚多点积分。 线性唯一函数和单积分点的显式单元能够很好地用于大变形和材料失效等非线 性问题。 2）材料模型 ANSYSLSDYAN 程序目前有 100 余种金属和非金属材料模型可供选择， 如弹性、弹塑性、超弹性、泡沫、玻璃、地质、土壤、混凝土、流体、符合材 料、炸药及起爆燃烧、刚性及用户自定义材料，并可考虑材料失效、损伤、粘 性、蠕变、与温度相关、与应变率相关等性质。 3）接触分析功能 LSDYNA 程序的全自动接触分析功

44、能易于使用，功能强大，非常有效。 有二十多种选择可以求解下列接触问题：变形体对变形体的接触、变形体对刚 体的接触、板壳结构的单面接触(屈曲分析)、与刚性墙接触、表面与表面的固 连、节点与表面的固连、壳边与壳面的固连、流体与固体的连接等，并可考虑 接触表面的静动力摩擦和固连失效。这种技术成功地用于整车碰撞研究、乘员 与柔性气囊或安全带接触的安全性分析、薄板与冲头和模具的金属成型、水下 爆炸对结构的影响等。此外程序采用材料失效和侵蚀接触，可以进行高速弹丸 对靶板的穿甲模拟计算。 4）汽车安全性分析 LSDYNA 的发展一直与汽车碰撞模拟密不可分，用 LSDYNA 的壳单元、 实体单元构造完整的汽车

45、模型，可以选用金属、塑料、橡胶等各种材料模型。 程序的 Automatic-Single-Surface 接触功能可以保证汽车全部构件内外表面， 与假人、气囊、安全带之间，以及外部障碍物表面相互接触时不穿透，可以相 对滑动，考虑摩擦，实现汽车高速碰撞时全过程的数值模拟和有关数据的输出， 可以说 LSDYNA 是汽车碰撞模拟用的“标准”软件。 5.4 正面碰撞试验条件 5.4.1试验场地 试验场地应足够大，以容纳跑道、壁障和试验必需的技术设施。在壁障前 至少 5m 的跑道应水平、平坦和光滑。 本科生毕业设计（论文） 26 5.4.2壁障 壁障由钢筋混凝土制成的刚性墙,前部宽度不小于 3 m,高度

46、不小于 1.5m。 壁障厚度应保证其质量不低于 7104kg。壁障前表面应铅垂,其法线应与车辆 直线行驶方向成 00 夹角,且壁障表面应覆以 2cm 厚状态良好的胶合板(见图 1)。 如果有必要,应使用辅助定位装置将壁障固定在地面上，以限制其位移。壁障的 方位应使碰撞角为 00。 图 5.1 壁障碰撞 5.4.3车辆要求 试验车辆应能反映出该系列产品的特征，应包括正常安装的所有装备，并 应处于能够正常运行状态。一些零部件可以被等质量代替物代替，但要求这种 替换确实不会对以后的测量结果造成明显的影响 。 5.4.4正碰目标设定 1）车身 B 柱加速度对正碰的影响： 乘用车碰撞现状： 根据国内外对

47、市场在售车型试验统计： Euro-NCAP 4 星轿车正碰加速度 一般为 40g；5 星轿车正碰加速度一般为 36g。 安全气囊供应商的经验： 正碰时车身 B 柱加速度峰值超过 70g，那么该车型即使安装气囊也很难通 过 GB11551-2003（中国正碰国标）法规。 2）碰撞的压溃量对正碰的影响： 一般轿车车头压溃量为 550mm 左右，国外 5 星轿车正碰车头压溃量一般为 本科生毕业设计（论文） 27 650mm 左右，这样压溃区才能吸收更多的能量。 一般希望车头压溃区吸收的能 量达到整车动能的 70%-80%。 3）碰撞的时间对正碰的影响： 一般轿车的正碰总过程有 100ms，整车速度从

48、 50km/h 减为 0km/h 的时间 为 80ms，80ms-100ms 为回弹的时间。加速度峰值一般发生在 45-60ms 之间。 4）安全气囊的展开时间： 一般安全气囊的起爆时间为正碰发生后 15ms，全部展开需要 30ms。从起 爆到展开的总时间为 15+30=45ms。 5）电动车正碰安全性设计难点： （1）车头短，压溃吸能区少，碰撞时间短 （2）车身加速度高，严重影响人体伤害指数 5.5 原模型仿真分析 5.5.1有限元模型的建立 碰撞模拟中使用刚性墙，整车以 50km/h 的速度进行正面碰撞。模型节点 数为 204504，单元数为 21984，骨架重量 122kg,模型总重量

49、740kg,整车质心位 置(966mm,6.5mm,232mm),整车转动惯量（lxx:409.4kg*m2,lyy:965.5 kg*m2,lzz:931.9 kg*m2） 。 图 5.2 整车 Hypermesh 网格模型 本科生毕业设计（论文） 28 图 5.3 车头骨架 5.5.2材料强度 图 5.4 各吸能区的使用材料 以下分别为 5052 H32、6063T6、6061T6 三种铝材的应力-应变曲线图： 本科生毕业设计（论文） 29 图 5.5 应力-应变曲线图一 图 5.6 应力-应变曲线图二 图 5.7 应力-应变曲线图三 本科生毕业设计（论文） 30 通过三个材料属性的曲线图的比较，在主要的变形区我们选用 66063T6， 它有较高的屈服强度和抗弯强度，能够吸收大部分的冲击能量。在辅助吸能区 选用 6061T6，它的抗弯强度低，但屈服强度高，相比 5052H32 性能更优。 5.5.3模拟碰撞局部变形图 图 5.8 变形图一