車身結(jié)構(gòu)強度與碰撞安全分析技術(shù)

1、1,車身結(jié)構(gòu)強度與碰撞安全分析技術(shù),2,安全性法規(guī)（NCAP) 有限元方法的理論基礎(chǔ) 仿真工具 工程應(yīng)用實例,內(nèi)容提要,3,安全性法規(guī)（NCAP,U.S. - FMVSS (Federal Motor Vehicle Safety Standard, ) Canada - CMVSS (Canada Motor Vehicle Safety Standard) Europe - European Regulation (European Economic Commission) Japan - Safety Regulation For Road Vehicles Australia - AD

2、R (Australian Design Rule) China CMVDR 294 (China Motor Vehicle Design Regulation,GB,各地區(qū)安全法規(guī),4,汽車安全標(biāo)準(zhǔn) (NCAP) NCAP 星級評價組織或新車評價體系 ,是轎車（尤指新上市車型）碰撞安全的一種標(biāo)準(zhǔn)。 它是行業(yè)性標(biāo)準(zhǔn)，不同于政府強制性法規(guī); 主要有美國US-NCAP、歐洲EURO-NCAP、日本JNCAP、澳大利亞ANCAP等; 這些國家的星級評價，主要以美國星級評價為基礎(chǔ)，因而內(nèi)容基本相同,NCAP標(biāo)準(zhǔn)與政府法規(guī)的區(qū)別,安全性法規(guī)（NCAP,5,NCAP（新車評價體系）的試驗內(nèi)容以及與相對應(yīng)

3、法規(guī)的比較,安全性法規(guī)（NCAP,6,Phase One 正常駕駛,Phase Two 發(fā)生危險,Phase Three 不可避免,Phase Four 事故發(fā)生,Phase Five 事故后處理,主動安全與被動安全,安全性法規(guī)（NCAP,7,安全性法規(guī)（NCAP,NCAP(新車評價體系)的實驗內(nèi)容,8,安全性法規(guī)（NCAP,前碰撞試驗法規(guī)比較,9,安全性法規(guī)（NCAP,歐洲NCAP前碰撞方法,試驗前車的準(zhǔn)備 若有氣囊檢查安全氣囊一切正常； 放掉油箱中所有的汽油并且發(fā)動汽車把油耗干； 在油箱中灌滿水，水的質(zhì)量為滿箱油質(zhì)量的90%； 把前排座椅放在導(dǎo)槽的中間，并且放置兩個假人； 測試車的重量：包

4、括燃料，冷卻液，潤滑油，備用胎，測試設(shè)備等。 離合器，剎車板以及加速板的中心點； 方向盤中心點； 測量碰撞前門的距離,10,安全性法規(guī)（NCAP,歐洲NCAP前碰撞方法,測試參數(shù) 碰撞前： 車的測試速度：測試點離壁障盡量近，目標(biāo)速度64km/h(+/-1km/h); 碰撞區(qū)域：碰撞區(qū)域40(+/-20mm)車的寬度（不包括后視鏡）; 試驗前門需關(guān)閉，但不鎖，測試中也不能打開； 碰撞后： 試驗后記錄下打開門所需的力，打開角度為45度； 記錄下假人的位置； 記錄下從車?yán)锶〕黾偃说姆椒ǎ蟛豁氄{(diào)整椅背即可將假人移出車外； 測取需要記錄侵入點的侵入量； 燃料泄漏要小于30g/min,11,安全性法規(guī)

5、（NCAP,前碰撞評價指標(biāo),12,安全性法規(guī)（NCAP,正面碰撞實驗評價方法（美國NCAP,13,安全性法規(guī)（NCAP,正面碰撞實驗評價方法（歐洲NCAP,14,安全性法規(guī)（NCAP,假人損傷值換算得分,15,安全性法規(guī)（NCAP,側(cè)面碰撞試驗法規(guī)比較,16,安全性法規(guī)（NCAP,側(cè)面碰撞實驗方法（歐洲NCAP,試驗前車的準(zhǔn)備 車輛狀態(tài)是靜止； 放掉油箱中所有的汽油并且發(fā)動汽車把油耗干； 在油箱中灌滿水，水的質(zhì)量為滿箱油質(zhì)量的90%； 駕駛員座椅放置在導(dǎo)槽的中間位置； 在駕駛員位置放置ES-2假人； 測量車的重量：無負(fù)載情況100kg（包括假人及其相關(guān)測試設(shè)備） 標(biāo)注出座椅的R點,17,安全性

6、法規(guī)（NCAP,測試參數(shù) 碰撞前： 運動壁障車的測試速度：測試點離碰撞區(qū)盡量近，目標(biāo)速度50km/h(+/-1km/h); 避免運動壁障車與試驗車發(fā)生二次碰撞； 運動壁障車與試驗車的碰撞放置： 目標(biāo)對齊的位置：運動壁障車的中心線與R點一致（ 25mm） 測試期間車門不能打開； 碰撞后： 試驗后記錄下打開門所需的力，打開角度為45度； 記錄下假人的位置； 記錄下從車?yán)锶〕黾偃说姆椒ǎ蟛辉囉霉ぞ吣軐⒓偃四Ｐ鸵瞥觯?燃料泄漏要小于30g/min,側(cè)面碰撞實驗方法（歐洲NCAP,18,安全性法規(guī)（NCAP,側(cè)面碰撞評價指標(biāo),19,安全性法規(guī)（NCAP,側(cè)面碰撞實驗評價方法（美國NCAP,20,安全

7、性法規(guī)（NCAP,側(cè)面碰撞實驗評價方法（歐洲NCAP,21,安全性法規(guī)（NCAP,假人損傷值換算得分,22,安全性法規(guī)（NCAP,側(cè)面柱撞試驗方法（歐洲NCAP,23,安全性法規(guī)（NCAP,試驗前準(zhǔn)備 放掉油箱中所有的汽油并且發(fā)動汽車把油耗干； 在油箱中灌滿水，水的質(zhì)量為滿箱油質(zhì)量； 駕駛員座椅放置在導(dǎo)槽的中間位置； 在駕駛員位置放置假人； 測量車的總重量； 碰撞位置：在側(cè)邊門的參考線上，過該參考線的橫向垂直平面通過假人頭部重心位置； 在車的位置上標(biāo)上標(biāo)記,側(cè)面柱撞試驗方法（歐洲NCAP,24,安全性法規(guī)（NCAP,測試參數(shù) 碰撞前： 使剛性柱與參考線對齊； 剛性柱：離地高度不低于102mm，

8、需高于車頂100mm，剛性柱的直徑為245mm（/-3mm）； 碰撞速度：臺車的加速度不能超過1.5m/s2,目標(biāo)速度29km/h(+/-0.5km/h) 碰撞角度：90度（+/-3度） 碰撞后： 試驗后記錄下打開門所需的力，打開角度為45度； 記錄下假人的位置； 記錄下從車?yán)锶〕黾偃说姆椒ǎ?測取侵入點的侵入量,側(cè)面柱撞試驗方法（歐洲NCAP,25,安全性法規(guī)（NCAP,碰撞綜合評價方法（歐洲NCAP,26,安全性法規(guī)（NCAP,美國和歐洲碰撞法規(guī)試驗方法的差別： 1、移動障礙壁的質(zhì)量、尺寸及形狀不同 2、碰撞形式不同 3、碰撞速度不同 4、碰撞點位置不同 5、乘員損傷評價方法不同,27,有

9、限元方法基礎(chǔ),適用領(lǐng)域,有限元法幾乎適用于所有的工程領(lǐng)域，應(yīng)用最為廣泛的是結(jié)構(gòu)工程、材料科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)力、應(yīng)變和位移的分析計算,在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主要用于車身結(jié)構(gòu)分析、模態(tài)分析、碰撞模擬,28,有限元方法基礎(chǔ),基本思想,以直代曲”，以離散體代替連續(xù)體,29,有限元方法基礎(chǔ),有限元方法的基本步驟,1、結(jié)構(gòu)離散化 2、位移模式的選擇 3、單元力學(xué)特性分析 4、等效節(jié)點力計算 5、建立整體結(jié)構(gòu)的平衡方程 6、求解未知節(jié)點的位移及單元應(yīng)力,30,有限元方法基礎(chǔ),有限元方法的基本步驟,1、結(jié)構(gòu)離散化 把無限變量處理成有限變量的過程稱為離散化。有限元法的結(jié)構(gòu)離散化過程，就是將被分析的連續(xù)的對象劃分成由有限

10、個單元組成的離散體的集合，并在單元上選取一定數(shù)量的點作為節(jié)點。各個單元體之間僅在節(jié)點處相連接。有限單元法的整個分析過程就是針對這種單元集合體進行的,31,有限元方法基礎(chǔ),有限元方法的基本步驟,2、位移模式的選擇 位移模式是指對單元中各點處位移的分布狀況所作的一種假設(shè)，即選擇一種比較簡單的函數(shù)用以近似表示單元中各點位移的分量隨坐標(biāo)變化的分布規(guī)律。 由于多項式的數(shù)學(xué)運算比較簡單，易于處理，因此通常選用多項式作為位移模式，多項式的項數(shù)和階數(shù)通常根據(jù)單元的自由度和求解的收斂性要求等來選取。一般情況下，應(yīng)等于單元的自由度數(shù)，同時廣義坐標(biāo)應(yīng)取為節(jié)點位移,32,有限元方法基礎(chǔ),有限元方法的基本步驟,3、單元

11、的力學(xué)特性分析 根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點數(shù)量、位置等，找出單元節(jié)點力與節(jié)點位移的關(guān)系，并用幾何方程和物理方程建立力與位移之間的方程式。即對單元的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣進行分析求解,33,有限元方法基礎(chǔ),有限元方法的基本步驟,4、單元受力等效轉(zhuǎn)換 當(dāng)結(jié)構(gòu)被分離成多個單元后，結(jié)構(gòu)所承受的載荷在單元之間僅通過節(jié)點來傳遞。但實際上，力是從單元的公共邊界上傳遞的，因此必須把作用在單元邊界上的面力，以及作用在單元體內(nèi)的體積力、集中力等按照靜力等效的原則，處理成只作用在節(jié)點上的力,34,有限元方法基礎(chǔ),有限元方法的基本步驟,5、建立整體結(jié)構(gòu)的平衡方程 即結(jié)構(gòu)的整體分析，也就是將單元剛度矩陣合成為整體

12、剛度矩陣，同時，將作用于各節(jié)點的載荷合成為整體結(jié)構(gòu)的節(jié)點載荷向量,35,有限元方法基礎(chǔ),有限元方法的基本步驟,6、求解未知節(jié)點的位移及單元應(yīng)力 在求得單元節(jié)點解的基礎(chǔ)上，根據(jù)單元位移插值函數(shù)，求得單元內(nèi)任一點的位移和應(yīng)力,36,有限元方法基礎(chǔ),有限元法的求解流程,37,有限元方法基礎(chǔ),雙燃料車氣瓶支架計算,38,有限元方法基礎(chǔ),利用CAE技術(shù)進行仿真分析的局限性,1、由于材料特性描述與實際材料差異等多方面的原因， 模擬計算結(jié)果與實際試驗結(jié)果存在偏差； 2、金屬材料的塑性特性理論尚不完備； 3、材料冷作硬化特性難以掌握； 4、材料的初始內(nèi)應(yīng)力不易掌握； 5、材料斷裂難以預(yù)測,39,仿真工具,碰撞

13、仿真分析的進展及發(fā)展趨勢,40,碰撞仿真分析的進展及發(fā)展趨勢,應(yīng)用領(lǐng)域 1. Plasticity 2. Contact-impact treatment 3. Airbag, seat belt model 4. Barrier model 5. Welding 6. Material failure modes development 7. Joint development 8. Foam material 9. Dummy model,仿真工具,41,汽車碰撞仿真分析工具,CAD Data,Mesh Generation,Part Assembly,Solver,Post Proces

14、s,CATIA IDEAS,Hypermesh ANSAFEMB,EasiCrash Hypework FEMB Mode-Edit Pam-Safe,LS-DYNA RADIOSS Pam-Crash ABAQUS MADYMO MSC-DYTRAN ADINA,Hypermesh FEMB Mod-Anim Pam-Safe Dyna-Post,仿真工具,42,仿真模型,目前趨勢是創(chuàng)建同一個模型用于3個主要的碰撞模擬分析（前碰、側(cè)碰和后碰）； 有限元網(wǎng)格是用自動網(wǎng)格劃分工具生成的，并且把各個部件裝配起來； 車身大約包括2025平方米的鈑金覆蓋件,仿真工具,43,仿真模型,CAD數(shù)據(jù)： 數(shù)據(jù)

15、類型有：CATIA、 UG、 PRO-E、 IGES 等等； 提供厚度信息和材料列表； 幾何處理,仿真工具,44,仿真模型,仿真工具,結(jié)構(gòu)簡化,1、孔類特征,2、筋類特征,45,仿真模型,基于翻邊的網(wǎng)格劃分方法： 在汽車結(jié)構(gòu)中，焊點基本上都是分布在翻邊上； 焊點數(shù)據(jù)的提供通常是晚于部件數(shù)據(jù)； 在翻邊上劃分網(wǎng)格的方法可以解決這個問題： 這種方法可以在所有的翻邊生成相同的網(wǎng)格； 在翻邊的寬度方向上有2或3個單元； 這種方法可以讓我們在預(yù)先不知道焊點位置的時候就開始劃分網(wǎng)格,仿真工具,46,仿真模型,碰撞區(qū)域的網(wǎng)格劃分,仿真工具,47,碰撞模擬分析中車身上一些重要部件： 車身骨架 保險杠 防撞泡沫

16、副車架 發(fā)動機 變速箱 發(fā)動機安裝座 儀表板 發(fā)動機罩 行李箱蓋 車門 翼子板 風(fēng)窗,仿真模型,仿真工具,48,創(chuàng)建車身的材料以及車身的單元特性： 材料的參數(shù)和部件的厚度由用戶提供； LS-DYNA擁有豐富的材料模型庫； 不同的材料（鋼材，塑料，泡沫，膠，焊點，玻璃等等）選用LS-DYNA中不同的材料模型；(材料方向） 不同的單元類型（殼單元，立體單元，梁單元，彈簧單元等等）選用LS-DYNA中不同的積分方式,仿真模型,仿真工具,49,創(chuàng)建質(zhì)量塊單元以配重 質(zhì)量塊單元可以用于代替非結(jié)構(gòu)質(zhì)量； 質(zhì)量塊單元所在的位置位于所代替部件的質(zhì)心位置； 質(zhì)量塊代替的部件一般有： 電池 備用胎 內(nèi)飾件 儀表板

17、上的部件 油箱等等,仿真模型,仿真工具,50,仿真模型,仿真工具,整車建模的質(zhì)量分配,51,障礙物模型： 前碰撞模擬分析用的剛性墻： 物理車試驗時法規(guī)規(guī)定的剛性墻要求： 壁障由鋼筋混凝土制成； 壁障前部寬度不小于3m，高度不小于1.5m，厚度應(yīng)保證其質(zhì)量不低于70000kg； 壁障前表面應(yīng)鉛垂，其法線應(yīng)與車輛直線行駛方向成00或300夾角； 壁障表面應(yīng)覆以2cm厚狀態(tài)良好的膠合板； 壁障固定在地面上，以限制其位移,仿真模型,仿真工具,52,歐洲40偏置前碰撞模擬分析用的障礙物： 物理車試驗時法規(guī)規(guī)定的障礙物要求,仿真模型,仿真工具,53,物理車試驗時法規(guī)規(guī)定的障礙物上蜂窩鋁特性要求,仿真模型,

18、仿真工具,54,歐洲側(cè)碰撞模擬分析用的運動壁障(MDB): 歐洲側(cè)碰撞運動壁障車上蜂窩鋁的幾何尺寸,仿真模型,仿真工具,55,歐洲側(cè)碰撞模擬分析用的運動壁障(MDB): 物理車試驗時法規(guī)規(guī)定的運動壁障車要求： 歐洲側(cè)碰撞運動壁障車整車的幾何特性： 總質(zhì)量為950（/- 20）kg； 運載車的前、后輪距為1500（/10）mm； 運載車的軸距為3000（/10）mm； 重心在縱向中垂面10mm內(nèi)，距前軸1000（/30）mm，距地面500（/30）mm； 碰撞壁前表面距壁障重心為2000（/30）mm； 在靜止?fàn)顟B(tài)下，蜂窩鋁最底面離地間隙為300（/5）mm,仿真模型,仿真工具,56,仿真模型,

19、仿真工具,歐洲側(cè)碰撞模擬分析用的運動壁障有限元模型 材料為*MAT_HONEYCOMB,57,仿真模型,仿真工具,美國側(cè)碰撞模擬分析用的運動壁障(MDB): 物理車試驗時法規(guī)規(guī)定的運動壁障車要求： 美國側(cè)碰撞運動壁障車整車的幾何特性： 總質(zhì)量為1368（/- 5）kg； 運載車的前、后輪距為1880mm； 運載車的軸距為2590mm； 重心在縱向中垂面左側(cè)7.6mm內(nèi)，距前軸1123mm，距地面500mm； 在靜止?fàn)顟B(tài)下，蜂窩鋁最底面離地間隙為279mm,58,仿真模型,仿真工具,美國側(cè)碰撞模擬分析用的運動壁障有限元模型： 蜂窩鋁所用的材料模型為：*MAT_MODIFIED_HONEYCOMB

20、,59,仿真模型,仿真工具,汽車碰撞仿真的假人模型： VPG中的假人庫模型: 6個前碰撞假人 2個側(cè)碰撞假人,可變形50百分位前碰撞假人,剛性50百分位前碰撞假人,歐標(biāo)側(cè)碰撞假人,美標(biāo)側(cè)碰撞假人,60,汽車碰撞仿真的假人模型： VPG假人庫中的假人模型的標(biāo)定: 根據(jù)FMVSS法規(guī)572規(guī)定： 頭部跌落試驗； 頸部彎曲試驗； 頸部拉伸試驗； 胸部碰撞試驗； 下肢大腿骨碰撞試驗； 大腿骨髖關(guān)節(jié)彎曲試驗,仿真模型,仿真工具,61,頭部跌落試驗,The peak acceleration of VPG simulation result is 239.158g and it meets the FMV

21、SS 572 Regulation (225g to 275g), see the right figure,仿真模型,仿真工具,62,仿真模型,仿真工具,頸部彎曲試驗： 試驗要求：頸部做擺錘運動，在擺錘與蜂窩鋁接觸瞬間，切向速度為19.9ft/sec（6.1m/s)。彎矩最大值范圍：53N*m 80N*m,The peak moment of VPG simulation result is 112606 N-mm from this simulation and it is slightly higher than requirement (88223 N-mm to 108582 N-m

22、m,63,仿真模型,仿真工具,頸部拉伸試驗 試驗要求：頸部做擺錘運動，在擺錘與蜂窩鋁接觸瞬間，切向速度為19.9ft/sec（6.1m/s)。彎矩最大值范圍：53N*m 80N*m,The peak moment of VPG simulation result is 89850.7 N-mm from this simulation and it is slightly higher than requirement (-52934 N-mm to -80079Nmm,64,仿真模型,仿真工具,胸部碰撞試驗,The peak force of VPG simulation result is

23、 5558.17 N from this simulation and it meets requirement (5165 N to 5900 N,65,仿真模型,仿真工具,下肢大腿骨碰撞試驗,The peak force of VPG simulation result is 5641.72 N from this simulation and it meets requirement (4720 N to 5789 N,66,仿真模型,仿真工具,下肢大腿骨髖關(guān)節(jié)彎曲試驗,The femur torque at 30 deg. rotation from its initial horiz

24、ontal orientation is 94981 N-mm and this meets the requirement (not more than 95009 N-mm,67,仿真模型,仿真工具,假人模型損傷值的測量: 假人模型上的測量點在有限元模型中都已自動設(shè)置 HIC值 測點是頭部重心，測的量是頭部重心的加速度； 頸部的損傷值（Nij，F(xiàn)，M） 測點是頸部的上端點和下端點的鉸接點，測的量是鉸接的力和彎矩； 胸部損傷值（a，d，VC值） 測點是胸部的加速度計或扭簧，測的量是加速度或扭簧的扭矩； 腹部的損傷值（a） 測點是腹部的加速度計，測的量是加速度； 大腿骨的力（F） 測點是大腿骨

25、上的彈簧單元，測的量是彈簧力,68,Half Vehicle Model 6,000 Elements Demo the Frontal Crash Phenomena,前碰撞模擬實例,仿真模型,仿真工具,69,仿真模型,仿真工具,前碰撞仿真結(jié)果分析,70,仿真模型,仿真工具,71,工程應(yīng)用,汽車碰撞安全進展,汽車安全設(shè)計,72,工程應(yīng)用,汽車碰撞安全進展,美國前碰撞評估試驗,歐洲前碰撞評估試驗,側(cè)撞評估試驗（歐、澳洲、日,側(cè)面碰撞評估試驗,73,工程應(yīng)用,汽車碰撞安全進展,74,工程應(yīng)用,汽車碰撞安全進展,車身結(jié)構(gòu)安全設(shè)計的基本概念 、吸收分配汽車碰撞能量（結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形） 、降低對乘客的沖擊力到可容度以內(nèi) 、保持乘客一定的生存空間,75,工程應(yīng)用,汽車碰撞安全進展,車身結(jié)構(gòu)安全分析 、汽車安全性能評估 、提供提高安全性能的修改方案及費用估算 、給出最佳方案 、提供優(yōu)化組合及可靠性設(shè)計,76,工程應(yīng)用,汽車碰撞安全進展,77,工程應(yīng)用,汽車碰撞安全進展,中國汽車碰撞安全前景 目標(biāo)： 降低交通事故死亡率 減少財產(chǎn)損失（億美元年，.5年總產(chǎn)值） 前景