轿车前部低速碰撞的耐撞性研究（可编辑）

轿车前部低速碰撞的耐撞性研究（可编辑） 轿车前部低速碰撞的耐撞性研究 湖南大学 硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 轿车前部低速碰撞的耐撞性研究 姓名:孙晓强 申请学位级别:硕士 专业:车辆工程 指导教师:杨济匡 20110328轿车前部低速碰撞的耐撞性研究 摘 要 低速碰撞一般是指速度低于 /的障碍碰撞事故。低速碰撞的 事故中很少引起乘员的伤亡,但车辆的相关部件会受到破坏,需要更换 或维修,这给消费者和保险公司造成了很大的经济损失。目前世界上许 多国家都制定了低速碰撞评价 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,保险公司根据车辆低速碰撞的成绩 来评价车辆保险等级,进而影响消费者的购买意向。因此,提高车辆的 低速碰撞的安全性能,减少车辆维修费用有重要的社会经济意义。 本文旨在研究各国低速碰撞法规的国家标准和保险公司行业标 准的差别,并且探讨将优化方法应用到汽车部件的设计中。 为了研究轿车的低速碰撞安全性能,本文首先建立并验证了某款轿 车的整车有限元模型,并且详细介绍了美国保险杠 . 标准、我国汽车前、后端保护装置评价标准 和汽车修理研究协会: 和. 的法规和试验程序,根据前三 个法规的要求考察这款轿车的低速碰撞性能。比较了摆捶碰撞高度对保 险杠的影响,低速碰撞的能量和碰撞中损坏的部件以及高速碰撞与低速 碰撞设计目的的不同,并就提高车辆的低速碰撞性能提出了一些建议。 本文又验证了一个台车正面碰撞的有限元模型,按照的试验 要求建立台车模型的低速碰撞模型。采用正交试验设计方法采取样本点, 在这些样本点的基础上构建代理模型,以碰撞时吸能盒吸收的 最大能量、吸能盒的截面力峰值为优化目标,对吸能盒的开口大小、吸 能盒的厚度、诱导槽的宽度和深度进行优化。 通过对以上研究得出的结果和结论有:摆捶试验中摆捶碰撞的速度 和能量较低,车辆的前保蒙皮和保险杠吸收了主要的能量,不会对车辆 的其它部件造成损坏。摆捶碰撞时保险杠吸收摆捶动能转化为弹性势能 碰撞能量,因此需要增加保险杠的纵向宽度和横向宽度来提高车辆低速 碰撞性能。在试验中,吸能盒是最主要的吸能部件,可以通过优 化吸能盒的结构尺寸来来提高其低速碰撞性能,保护车辆的其它主要部 件在事故中不受损坏或只有轻微的损坏,节约车辆的维修成本。通过比 较碰撞法规,摆捶试验对车辆的低速碰撞性能要求较低,和 对车辆的要求较高,并且与现实中的低速碰撞状况相近。目前我国保险 协会还没有没有制定符合我国国情的低速碰撞试验标准,因此需要根据 硕士学位论文 和 的试验规定制定符合我国车辆和道路情况的低速碰撞试验 标准。优化部件时使用代理模型可以节约大量的时间和费用。 关键词:低速碰撞;仿真分析:优化;吸能盒;保险杠 ?轿车前部低速碰撞的耐掩性研究 /, . . . ... . .. . ?, . , ,’ ., ? . ,. . ’ .? ? ., ,. ?. . . . . . ? . . ,. . 硕士学位论文 .,... . , . . . ... : ; ;;; ’ 硕士学位论文 第章绪论 .课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 研究的背景和意义 我国汽车工业快速发展,汽车的产量和保有量的逐年增加,中国汽车工业协 会月日发布最新统计显示,年前个月的汽车产销分别是.万 辆和和.万辆,并且预计年我国汽车产销将超过万辆。在城市 道路交通没有明显改善和汽车数量持续增加的情况下,道路交通事故频发。 交通 伤亡和车辆维修成本给家庭和国家带来了很大的负担。表.是我国. 年间的交通事故概况【。 表. .年道路交通事故概况 从表.可以看出,近几年来我国交通的次数、受伤人数和直接财产损失呈 下降趋势,但是总量很大与发达国家相比我国的交通压力依日很大。 据美国安全协会估计每年交通事故的数量大约为万。由于一些 轻微的交通事故没有在交警和保险公司备案,低速碰撞事故的确切数量也无法统 计出来。但是美国汽车保险公司估计,低速碰撞事故占交通事故的大部分【】。由 于我国事故统计数据的不完备,无法得知在我国低速碰撞的数量,参考美国的数 据和现在城市交通情况可知,我国低速碰撞事故总量很高,车辆维修的费用会给 个人和保险公司带来很大的负担。 汽车的耐撞性是评价车辆性能的重要指标。汽车安全分为主动安全和被动安 全。主动安全是指车辆避免发生交通事故的能力,主要体现在车辆的动力分配、 操控性能等,相关配置包括防止刹车时车轮抱死的、均匀分配刹车力度的 和帮助车辆实现动态平衡的等,被动安全是指事故发生时能够保护乘员 的安全,包括车身结构强度、吸能结构和乘员约束系统。无论是主动安全还是被 动安全,都要求在车祸发生时能够保护乘员避免死亡和减少伤害,这就是汽车安 全性研究的意义。 城市中车辆碰撞的速度一般低于 /,事故中乘员一般不会受到很大的 伤害,因此消费者更加关注车辆的损伤程度以及车辆维修所需要的费用。高性能轿车前部低速碰撞的耐撞性研究 的保险杠系统可以在低速碰撞中更多的吸收碰撞能量保护车辆的其它主要部件。 。 因此研究保险杠系统对降低维修费用,减少维修时间有重要意义 目前,大多数的科研人员研究的是车辆的高速碰撞,高速碰撞时车辆损坏程 度很大,几乎不能修复。高速碰撞威胁的是车内乘员的生命安全。因此,在研究 车辆的高速碰撞时,主要研究碰撞中所吸收的总能量、乘员舱的侵入量和假人的 损伤,这三项内容是考察车辆安全性的重要指标。现代车辆大部分的吸能结构是 由不同截面的金属部件构成的,碰撞时这些金属主要发生塑性变形来吸收碰撞能 量】,在实际过程中许多变形形式和损坏形式会同时发生。同时碰撞后车辆可 能存在许多未检查出来的隐伤,这会大大降低汽车以后的安全性能。 随着现在新材料的出现,科研人员越来越多的将这些新材料应用到汽车结构 上来提高汽车安全性能。泡沫铝具有密度小,吸能多,易于在车上布置的优势, 把它应用于汽车上可以在碰撞中吸收更多的能量,减少乘员舱的侵入量【】。 另外,‘ 复合材料在汽车上的应用也提高了汽车的许多性能【引。复合材料可以减轻车身的 重量,降低油耗,并且吸收能量的能力强,可以很好的改善汽车的安全性能, 上大量使用碳纤维就是一个很好的证明,另外碳纤维具有抗疲劳、耐腐蚀性好, 可以延长车身的寿命,这一点已经在航空领域得到证实。 车辆与车辆的碰撞和车辆与行人的碰撞称为“一次碰撞”,乘员在车内与车的 内饰发生的碰撞称为“二次碰撞”。车内乘员的伤害多是由“二次碰撞”引起的,车 内保护乘员安全的安全带和安全气囊尤其重要。因此,在提高汽车安全性的时候 不仅要改进车身结构的安全性性能,提高其耐撞性,更要提高安全带的性能,协 调好安全气囊的起爆时间和气压,注重内饰的设计,尽量避免内饰中出现突出点 和硬点,减少乘员在“二次碰撞”中所受到的伤害。 为了提高汽车的安全性能美国于 年月提出了“开发安全试验车计 划”,日本和欧洲也相继推出了各自的 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ,在汽车的设计中体现了各自 的概念和风格。美国地广人稀,交通道路条件好,美国的汽车生产厂家在汽车的 设计中主要注重车辆的耐撞性和动力性,道路上的发生行人碰撞的事故少,在车 辆设计时对行人保护的重视不够。欧洲的道路狭窄并且行人密度大,其车辆在设 计时除了注重车辆耐撞性研究外,还考虑对乘员和行人保护。日本汽车的汽车设 计开辟了另一个思路??刚柔相济,降低前舱的结构强度,加强乘员舱的强度, 碰撞时前舱能够很好变形吸收碰撞能量而乘员舱保持大的刚性减少变形给乘员留 出足够的生存空间,碰撞时做到“车毁人不亡”。 .汽车耐撞性研究方法 汽车耐撞性研究主要分为试验研究和计算机仿真研究。早期汽车的碰撞研究 几乎完全依赖试验方法,刚开始时采用实车碰撞试验方法,对碰撞试验的结果进 硕::学位论文 行分析研究,改进设计,但是成本高,开发周期长。随后采用台车碰撞模拟试验 方法来进行汽车部件的试验,这种试验方法是参照实车的约束条件来确定试验条 件。优点是试验成本低,可重复操作,研究周期较短。随着计算机技术的发展, 数学模型和仿真软件的开发,出现了计算机仿真技术。 ..实车碰撞试验方法 实车碰撞是用真实的汽车按照法规的要求进行碰撞试验,检验新开发的车型 是否达到法规要求的标准。汽车实车碰撞试验的程序十分复杂,试制样车的成本 高,而且作为破坏性试验,它的花费是十分巨大的,每次试验的条件不能完全相 同,因此得到的结果也可能是不准确的。但是实车碰撞与发生事故的环境最相近, 是衡量车身变形对乘员生存空间的影响和评价汽车综合安全性能的最直接、最有 效的方法。我国参考美国、欧洲、日本等国的安全法规建立其自己的新车评价标 准,包括 /的前面碰撞, /的%偏置碰撞, /的侧面碰撞和 /的追尾碰撞。我国新车评价标准的建立对提高我国自主汽车产业的安全 性能有重要意义。 除了上面列举的高速碰撞试验,各个国家和地区的汽车行业协会还制定了低 于 /的低速碰撞试验标准来评价汽车的维修成本。如欧洲法规. 和汽车修理研究协会: 。我国 的前后端保险杠评价标准是参照欧洲摆捶法规制定的。 ..台车碰撞试验方法 台车碰撞试验是对整车碰撞试验的模拟,用一台坚固的台车来代替汽车,将 部件装在台车上,对台车施加整车碰撞过程中的速度和加速度环境,来评估 汽车 零部件或乘员约束系统的性能。台车碰撞试验无需破坏真实的汽车,节约成本, 可重复使用。另一种台车碰撞试验是用台车上的冲击头有头型冲击头、膝部冲 击头和胸块等对某些零部件施加冲击力,测量各部件的响应,以评价其保护乘 员的程度。 ..计算机仿真研究 最初的汽车耐撞性研究是采用实车碰撞试验,试制实车的时间长和成本高, 不可能对所有的试验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 一一尝试。试验中一些随机因素的影响,往往使试验结 果不稳定,可重复性差。因此,通过实车试验方法来研究汽车的耐撞性能有很大 的局限性。 随着计算机技术的发展以及有限元仿真软件的成熟,计算机仿真分析逐渐应 用到汽车被动安全研究中。 与实验方法相比,计算机仿真具有以下的优点:轿车前部低速碰撞的耐掩性研究 所需周期短。计算机仿真与/相结合,使得新产品的被动安 全性能在产品的开发过程中就可以得到控制,减少产品的开发研制周期。 所需费用低廉。试验中需要大量的传感器、高速摄像机、强光源、功力 驱动装置等硬件设备,费用昂贵。在进行整车被动安全性仿真时,不需要进行破 坏性试验,因此可以节约大量的人力和物力。 具有可重复性。试验过程受很多随机因素的影响,很难得到某一具体因 素对试验结果的影响。而计算机仿真依赖计算机硬件本身。所以,当改变某一参 数时,可以很容易地得到该参数对系统性能的影响。 可以获得任意所需数据。试验中要获得较多的数据,就必须增加传感器 和高速摄像机的数量,而且,由于传感器的安装位置要求以及不可摄像点的存在, 有些数据是不可获得的。而计算机仿真在数据获得方面是不受限制的,只要在所 关心的点上建立一个描述坐标即可。 不受时间、空间、气候等条件的限制,可以随时进行。 与实车碰撞试验相比,计算机仿真研究具有很大的优越性。但是由于计算机 仿真方法建立的汽车整车模型和假人模型还有一定的局限性,对一些碰撞中出现 的问题还不能很好的模拟。由于仿真精度的影响使得现在的汽车耐撞性研究不能 完全依靠计算机仿真脱离试验。目前,汽车厂家采用试验与计算机研究相结合的 方法进行新产品的开发。 .汽车保险杠系统低速碰撞的耐撞?生研究 保险杠系统是车辆的重要组成部分,在轻微事故中能发生弹性变形吸收碰撞 能量,碰撞后能够恢复原来的形状。在速度较高的碰撞中能损坏自身结构来保护 翼子板、散热器、发动机罩和纵梁等部件。保险杠系统在高速碰撞时能够合理的 分配载荷,引导汽车变形吸收碰撞能量保护乘员与行人。低速碰撞试验标准是由 汽车保险协会、维修协会或政府制定。汽车的生产厂家通过的星级来宣传 汽车的安全性,而保险公司则通过低速碰撞的试验结果来评定汽车的保险费用, 这样就鼓励消费者选择安全性能高并且维修费用低的汽车。 ..保险杠系统的结构形式 常见的轿车保险杠系统由横杠保险杠、内衬、支架吸能盒及缓冲吸能 元件等组成。横杠和支架通常由金属材料制成,少量轿车上采用了金属铝材。 保险杠按其功能主要分为非吸能式保险杠和吸能式保险杠。非吸能式保险杠 通常是塑料制品,是一种最简单的结构形式,这种保险杠只起装饰作用,不起保 护作用,对行人的危害也很大。按照当前国内外汽车安全法规的要求,保险杠应 具备一定的耐撞性能。随着人们对汽车安全性能的认识,今后一段时期世界各国 硕上学位论文 将研究和开发吸能型保险杠汽车保险杠。国外许多汽车公司已经开发了很多吸能 形式的保险杠系统,其耐撞性能日益得到体现。具体的吸能式保险杠系统主要有 以下几种类型: 自身吸能式保险杠? 这类保险杠系统由横杠、内衬和支架构成。碰撞时内衬和支架发生塑性变形 来吸收碰撞能量,也有一些保险杠与车架之间也采用波纹管吸能组件。内衬的材 料和结构是多种多样的,材料包括各种塑料、金属材料、泡沫状金属材料、蜂窝 状材料、树脂复合材料等,其结构也是各不相同。吸能盒的材料为金属,截面有 圆形、四边形或六边形等。此类保险杠的缓冲吸能性能和耐撞性能是由其支架和 内衬的结构和材料所决定的。通过合理设计支架结构的截面形状和内衬的填充物 可以有效的提高汽车保险杠的耐撞性,从而提高汽车低速碰撞性能。 液压缓冲型保险杠 这种类型的保险杠如图.所示。横杠内侧、橡胶垫与活杆塞通过螺栓连接。 活塞杆是空心的,内部的左右两个腔由一个活动活塞分开,左腔装有氮气,右 腔 装有机械油,活塞杆的外圆柱面与缓冲缸的内圆柱面是滑动配合,缓冲缸中的机 械油与活塞杆右腔相通。缓冲缸固定在车架或车身加强件上。当汽车与障碍物碰 撞时,保险杠横杠的碰撞冲击力由其横杠内侧传到活塞杆上,活塞杆端部向右移 动,推动机械油按图示箭头方向流过节流孔,压向活塞杆右腔,推动活塞向左移 动,压缩氮气。这样,利用机械油通过节流孔时的粘性阻力吸收撞击能量,吸收 能量的效率高,工作性能比较稳定。撞击后靠氮气产生复原动力,使保险杠复位。 图.液压缓冲型保险杠 带气腔式保险杠带气腔式保险杠与普通式保险杠如图.【所示。气腔通常作为内衬安装在外 盖板和横杠之间,气腔可做成一个或多个形式。当碰撞发生时,气腔被压缩吸收 碰撞能量,进而影响其外面包裹部件的变形方式,从而改善吸能效果。轿车前部低速碰撞的耐撞性研究 外盖板 外盖板 曾通式 带气腔式 图.普通式保险杠与带气腔式保险杠 带安全气囊型保险杠碰撞过程中,这种保险杠的气囊会迅速张开保护行人和碰撞的车辆。保险杠 内装有传感器、充气泵和气囊等部件组成,驾驶员在看到障碍物刹车,车辆在撞 到障碍的速度仍高于 /时,触发气囊展开吸收碰撞能量来保护碰撞车辆和行 人。 .各国保险杠的法规和实验方法 欧洲和美国制定了低速碰撞的法规和试验规范后,研究人员和各个汽车生产 厂对汽车低速碰撞特性做了深入的研究。目前,低速碰撞的法规和试验要求有: 欧洲的.,美国的 、和. ,德国的?,加拿大的 ,汽车修理研究协会的 , 我国参照欧洲.法规要求,也颁布了汽车前、后端保护装置标准 .。世界各国对保险杠系统检测的方法和法规各不相同,但是他们都 是以事故统计为基础,提高汽车的低速碰撞安全性能。低速碰撞法规和试验要求 的对比如表.所示。 美国法规 和加拿大法规是强制性法规,所有进入美 国和加拿大市场的轿车都必须满足这两个法规。美国另外的两个保险杠系统 安全 试验规范和.是非强制性的。 . 试验规程是消费者组织制定的,其摆锤撞击的试验条件同加拿 大法规相同,试验测试的结果在公开出版物上发表。.是保险公 司制定的试验条例,试验结果同样公布于众。虽然这两个试验条例是非强制 性的, 但它明显能够影响消费者的购买意向,所以也引起了汽车制造厂商的足够重 视。 汽车修理研究协会的试验标准是参考德国的.. 试验标准制定的,我国的汽车前、后端保护装置标准 是参照欧洲的 ?制定的,各个低速碰撞法规对试验车辆的要求如表.【】所示。 硕上学位论文 质量不超过 车辆类型 轿车 类车辆 .吨的车辆 试验的车辆不能 车辆状态 车辆未损坏 有过损坏 整备质量加 整备质量加 空载质量、加载试 车辆质量 空载质量 . 沙袋, 简单假人驾驶员 验车质量 . 的仪器 位置 除保险杠系统, 试验 结果作为参考,并 除保险杠系统,其 其它部分正常 结果要求 公布于众 它部分正常工作 工作 表.中,类车辆是指包括驾驶员在内,座位数不超过个的载客车辆;整 备质量指处于运行状态的车辆质量,没有驾驶员、乘客和货物,但装有燃料不 少于油箱容量的%、冷却液、润滑油、并带有随车工具和备胎;加载试验车质 轿车前部低速碰撞的耐撞性研究 量指整车空载质量再加上规定的成员的质量按每人 计算;空载质量指车 辆在空载并规范地行驶状态下的质量,但包括全部的燃油、冷却液、润滑剂 以及 随车工具和一个备胎如果车辆制造厂将其作为标准装备已提供的话。 ..国内外研究现状 国外的汽车安全专家很早就低速碰撞问题进行研究,也推动了低速碰撞标准 的制定。目前汽车上普遍采用不同截面形状的薄壁吸能管产生折叠式塑性变形来 消耗大量的碰撞动能,达到缓冲吸能的目的。其它转化能量的方式包括将碰撞能 量转换为弹簧势能,在汽车纵梁与保险杠之间安装液压、气压装置等,或利用碰 撞能量将发动机连接件松脱以分解部分碰撞能量等。 ..研究了液压成型保险杠支架的碰撞吸能效果。作者考虑到应变率对 吸能效果的影响,对保险杠支架进行不同速率的静态压溃试验,然后根据 法规的要求对液压成型保险杠支架在碰撞中吸收的能量做研究。这种 保险杠的优点是成型步骤简单,液压成型和折叠;静态压溃试验中,液压成型保 险杠支架容易折叠,且吸收的能量成线性增长【。, 法规要求对保险杠系统连续四次摆捶叠加碰撞试验,但是这种叠 加试验在仿真中比较困难,. 】在.平台上开发出一种 新的方法来模拟 的法规要求。 使用.对汽车吸能盒进行的形状改进,使用神经网络 方法来优化吸能盒的几何形状,在减少保险杠横梁的侵入量、刚性墙侵入量 和降 低纵梁应变的约束条件下来提高车辆的低速碰撞性能,改进后的模型降低了系统 的质量,减少了侵入量,改善了低速碰撞性能。 .与.等人采用遗传算法对车辆前保险杠系统进行了耐撞性能 研究与改进,并将该方法应用到白车身的设计中【。 ..等人对汽车保险杠低速碰撞特性所做的较为全面的试验研究, 共有例车对车及车对障碍物低速碰撞的试验数据。并且得出对固定壁障低速碰 撞车速变化值是研究中的一个重要参数【”】。 .和 对年型的 轿车进行了 低速碰撞试验。对装有吸能型保险杠的汽车在保险杠对保险杠碰撞时的动力响应 / /、. / 进行评估。在. / /和. /种碰 撞速度下各进行了两次试验。给出了保险杠的位移、汽车加速度和汽车速度的时 间响应历程【】。 我国在低速碰撞的领域中也有一定的研究,顾力强根据 的标准建 立了评估轿车保险杠低速碰撞性能的摆锤式碰撞试验装置和相应的数据采 集系 统。采用一种新的摆锤对固定保险杠碰撞的简化试验方法。文章运用等效能量法硕士学位论文 分析和推导了对固定安装保险杠碰撞试验的摆锤初始碰撞速度等效转换关系,并 且验证了摆捶低速碰撞试验的有效性【。 章正伟按照欧洲.法规要求,建立保险杠有限元仿真模型,并对其进 行非线性模拟分析,得出增强保险杆耐撞性的规律【。 在研究中针对试验的研究比较少,陈现岭【】介绍了低速碰撞的正面碰 撞和后面碰撞的试验要求,并以长城某轿车为例,根据后面碰撞试验要求,利用 仿真方法,从碰撞能量计算、吸能弹簧单元和吸能盒结构设计等方面具体阐述了 车辆低速碰撞性能设计过程。 杨永生将整车模型简化为台车模型,根据经验值和仿真结果,设计某一款进 口车吸能盒诱导槽的位置和数量,降低了碰撞力的峰值,增加了吸能盒吸收的能 量【。 王群山设计了一种缓冲吸能式保险杠,在正面柱碰试验中,缓冲式保险杠展 现了良好的性能。另外建立了保险杠摆锤碰撞有限元模型,采用正交优化设计方 法,找出了影响保险杠缓冲吸能结构耐撞性最重要的因素,最终得到了具有 较好 的耐撞性能的缓冲吸能式保险杠?。 张金虎建立了保险杠、摆锤、支架的有限元模型,根据美国保险杠标准 及我国汽车前、后端保护装置评价标准对保险杠的性能做研 究,对以后保险杠的设计与开发提供有效的参考价值【。 .本课题的研究工作和重点内容 随着城市道路事故的频发,事故车辆的维修成本成了消费者很重的负担,因 此汽车的低速碰撞性能在很大程度上左右消费者的购车意向。本文研究的主要内 容如下: 研读了大量的国内外关于低速碰撞的文章,对国内外对低速碰撞的研究 现状做了总结。 阅读了各国的低速碰撞法规,对各国法规的试验要求和试验结果做了介 绍。 分别介绍了美国的 、中国的 、和 详细的试验要求,并且根据前三个法规的规定对同一款车的前部结构进行低速碰 撞性能研究。 根据试验车辆在不同试验条件下的性能,为我国保险公司划分车辆的保 险等级提供参考,督促汽车生产厂家提高我国汽车的低速碰撞的性能,为消费者 节约时间和维修成本。 在台车模型的基础上,根据前碰撞试验的要求,优化吸能盒的 截面形状,提高了吸能盒的低速碰撞性能。 轿车前部低速碰撞的耐撞性研究 第章汽车碰撞仿真有限元分析理论 .有限元理论简介 有限元法是一种将应用数学、现代力学和计算机科学相互综合的现代计算方 法,是目前在工程技术领域中实用性最强、应用最广泛的数值模拟方法。它的基 本思想是将连续体分割成有限个数和有限大小的多边形或多面体,这些多边形或 多面体称为单元,单元之问是通过节点相连。线性有限元分析中的加载条件和边 界条件是不变的,大多数的碰撞问题中会出现很大的结构变形,模型的加载条件 和边界条件都有很大的变化,碰撞的速度变化很快,因此惯性力就非常大,这样 就不能线性的静止的分析碰撞问题。 汽车碰撞问题是典型的非线性、大变形和大位移问题【”,它涉及到众多的学 科和领域,尤其是有限元理论、计算数学、计算力学、弹塑性力学、计算机图形 学等,并且这些理论本身也在不断发展和完善,本节将从应用的角度简要介 绍其 中一些基本理论【”。 .显式非线性有限元理论 ..运动方程 南涵 俩 图.运动构形 物体的变形或运动的过程是从一个位置变换到另一种位置的过程。物体 】 是由质点构成的,其位置的变化可以用质点的位置的变化来表征。如图. 所示,取初始时刻的质点坐标为,,,,在任意时刻,该质点的坐标变 化到雕,,那么这个质点的运动方程是: . ,, 在时,初始条件为: 一置,置 硕士学位论文 毫置,杉置, 式中,为质点的初始速度。 ..质量守恒方程 质量是物体的一个基本特征。一个物体的质量不随着时间.、地点和场变化 而 变化。 设岛为物体初始时的密度,户是物体后的密度,它们都是变形坐标的函数。 . 岛咒 . 尸薯 物体变形过程中,质量守恒定律表达式的积分形式为: . ‘幽如如肚以蝎鹕码 把上式转化成体积积分的坐标关系为: . .薯幽如屯以等如呶如 这个关系式对物体的所有部分都有效,对比.式和.式,得到 七 比以刮 ..动量守恒方程 . ‘薯‘%, 式.中,%为应力;为单位质量体积力;茸为质点加速度。 ..边界条件 如图.【所示 图.边界条件 面力边界条件 . %月,轿车前部低速碰撞的耐撞性研究 在‘面力边界上,式.中,/,为现时构形边界的外法线方向余 弦,正,为面力载荷。 位移边界条件 . 置置,,墨 在位移边界上,式.中墨,,,是给定位移函数。 滑动接触面间断处的跳跃条件 . 瞄一啄‘乃 当工,接触时沿接触边界 由上述各方程及边界条件得伽辽金法弱形式的平衡方程为: . ??霉一%一户?彳比弭一丐?吩眠擗%一石比拙 其中,万而在边界上满足位移边界条件。 应用散度定理:扩,,,上。扩一%一疗/ 并注意到分部积分:也土,%?如%融,, 则式.可改写成: . 勐:,?鼍艿薯%万薯,,?万薯一 。 此即虚功原理的变分列式,其物理意义是:作用在物体上的外力和内力的虚 功之和为零。 ..中心差分法 目前最常用的显示积分方法为中心差分法,其中速度与位移计算如下: ”/”/口”址刀 . 肿/”肿/?,肿 . 址一/:?? . 上式中:,盼别代表节点的速度和位移矢量,址表示时间步长。出按稳 定性条件计算如下: ??兰 . 式.中:厶表示单元中两个节点间的最短距离,计算中常取单元的最短边长 或最短对角线长度。 硕士学位论文 是波在单元中的传播速度,其计算如下: 厂? 铲?丽磊 式.中:见为单元的材料密度;为材料的杨氏弹性模量;厂为泊松比。 ..时间积分和时间步长控制 在显式有限元算法中,假设当前时步为第步有如下运动方程为: . 旅? 式. 中,膨为总体质量矩阵;碧,为总体节点加速度矢量;为总体载荷 矢量,由节点载荷、面力、体力等形成;,为单元应力场的等效节点矢量。日 为 总体结构沙漏粘性阻尼力。 对于各种不同的单元类型其极限时间步长?乙的算法是不同,例如: 对于杆单元和梁单元: . 式. 中,口为时步因子; 为材料的应力波, 对于弹煅?居。 丝. ,: 一 . ,厶,厶,厶 三丝 . ,厶,厶 其中,为单个有限元网格的面积,厶为单个有限元网格的边长。 厂?矿一 . 仁?瓦而 . 妒蓐卸 式 乏三吕; 。是单元的特征长度:和为 .,中,甜气 无量纲常数;为材料的应力波。 由此可见,时间步长与单元的尺寸和材料的密度有关。轿车前部低速碰掩的 耐掩性研究 通常情况下,梁单元也可以由上式确定,但当梁弯曲模式使对应 时间步长变得很短时,所以其时间步计算应采用公式: . 。 其中,和彳分别为截面最大惯性矩和截面面积。 ..材料本构关系模型 材料的本构关系模型是决定碰撞仿真结果准确性的关键因素之一,也成为近 年来碰撞仿真研究的一个热点。常见的材料模型有线弹性模型、非线性弹性 模型、 弹塑性模型、泡沫模型、复合材料模型、混凝土模型等。像汽车碰撞中车身 上的 薄钢板材可以在碰撞仿真弹塑性模型来描述。 .与应变率无关的弹塑性材料模型 与应变率无关的弹塑性材料模型主要有双线性随动 硬化模 型和双线性各向同性 硬化模型。 .与应变率相关的弹塑性材料模型 各向同性材料模型:?随动塑性与应变率相关 ;?与应 变率相关的幂指数硬化塑性 ;?分段线性塑性 ;?与应 。 变率相关的塑性 ;?与应变率相关的幂指数塑性 各向异性材料模型:?横向正交各向异性弹塑性 模 型;?参数和的平面应力状态各向异性弹塑性 模 型;?、和的各向异性弹塑性 模型。 在对塑性材料的研究中,应变率是一个很重要的理论问题。当对塑性材料施 加动力载荷时,由于载荷作用时间短,传递到材料上的能量少,虽然有时最大 载 荷是材料静态极限载荷的数倍,材料不会马上被破坏,冲击能量被材料的塑 性变 形吸收。材料动力加载下的性能和静力加载下的性能是不同的,材料会发生 屈服 极限的提高、屈服滞后效应、强化效应、应变率效应等。为了提高模型的准 确性, 高速碰撞时要考虑材料的应变率问题。 ..接触算法 界面的接触受力是有限元仿真分析的难题。如何处理接触界面是有限元计算 中最耗时的一个环节。?软件中处理碰撞界面的接触主要采用三种不同 的算法,即:节点约束法、对称罚函数法和分配参数法。其中对称罚函数为最常 用的算法。 动力约束法是最早的接触算法。它的原理是:在进行每一个时间步长的构型 前,检查从节点是否穿过主表面,如果穿过则调整时间步长,使那些从节点不穿 硕上学位论文 过主表面,对于已经在主表面上的节点,施加约束条件,使从节点在主表面上不 动。另外检查锁在主表面上从节点相连的单元是否受到界面拉力,如果有界面拉 力就从主表面上释放从节点。 分配参数法仅用于界面滑动没有分离时的处理。其原理是:将正在与主表面 接触从单元的一半质量分配到被接触的主表面上,同时由每个从单元的内应力确 定作用在接收质量的主表面面积上的分布压力。在完成质量和压力分配后,再修 正主表面的加速度,然后对从节点的加速度和速度约束,保证从节点沿主表面运 动。 对称罚函数法是一种新的算法,其原理比较简单。每一时间步先检查所有从 节点是否穿透主表面,没有穿透则对该从节点不作任何处理。如果从节点穿透主 表面,则在该从节点与被穿透主表面之间引入一个较大的界面接触力,力的大小 与穿透深度、主面刚度成正比,称对称罚函数。它的物理意义相当于在从节点和 被穿透主表面之间放置一个刚度很大的法向弹簧,以限制从节点对主表面的穿透。 对称罚函数法是同时对所有的主节点处理一遍,其算法与从节点一样。对称罚函 数法编程简单,很少激起网格沙漏效应。没有噪音,这是由于算法具有对称性、 动量守恒准确,不需要碰撞和释放条件。罚函数数值大小受到稳定性限制。若计 算中发生明显穿透,可以放大罚函数数值或缩小时间步长来调节。 ..沙漏控制 在汽车碰撞等大位移大变形的计算分析中,采用单点积分可以大幅度的提高 计算速度,缩短计算时间。由于在单点积分过程中单元的中心点要代替单元 的顶 点进行积分运算,这样会造成计算过程不稳,产生零能模式,即沙漏现象。沙漏 现象具有振动特性,但其振动周期比结构的振动周期要小得多,沙漏是数值计算 造成的结果,而不是结构本身的固有特征。沙漏比较直观的现象是网格成锯齿状。 如果沙漏能量过大的话,会使计算结果不可信【引。 沙漏现象只影响四边形和六面体实体的计算结果,而对三角形单元和四面体 单元没有影响。一个好的有限元模型可以很好的抑制沙漏现象的产生,因此在建 立有限元模型的时候要尽量是单元网格的大小均一,避免加载集中载荷,要是载 荷分散到相邻的节点上。 ?在程序内部提供了一系列的沙漏控制方法,这些方法的基本思想 包括两个方面:增加系统刚度;减少沙漏的生长速度。控制沙漏时要合理的控制, 不能过大的增加系统的刚度。 .本章小结 本章主要阐述了有限元的基本理论。有限元理论涉及的主要内容有:求解控轿车前部低速碰撞的耐撞性研究 制方程、中心差分法、时间积分和时间步长控制、弹塑性材料模型的本构关 系、 接触算法和沙漏控制等。现代汽车的设计和开发都是在有限元的基础上的。对有 限元理论的理解和掌握,是进行汽车碰撞有限元分析的基础。 硕士学位论文 第章碰撞仿真模型的建立及有效性验证 计算机仿真技术应用于汽车的耐撞性研究中可以节省大量的人力、物力和时 间,是汽车耐撞性设计与改进的重要方法和手段。计算机仿真中需要建立仿真模 型,仿真模型的有效性和精度对试验结果至关重要。所以在进行仿真分析前,要 保证要研究的有限元模型的有效性和精度,这样才能得到正确的仿真结果,基于 验证后的模型进行的改进结果才有效。本章主要是对有限元模型进行正面碰撞的 验证。 .整车有限元模型的建立及相关参数的选择 ..整车有限元模型的建立 整车有限元模型的建立的过程包括模型的建立和有限元模型的划分。 其中有限元模型的建立要尽量表现出原车的结构特征,但是对于一些不影响结果 分析的部件可以简化处理,以减少建模和计算中的工作量。从整车的建模 到有限元模型的划分,以及部件的连接需要耗费大量的时间,所以本课题在时间 及经费等多方面的制约下,只能在已有的整车模型基础上进行深入研究。本文采 用某公司一款整车模型进行研究。整车有限元模型共有个节点, 个单元,如图.所示。 图.整车有限元模型 整车模型中白车身、车身覆盖件等用壳单元网格模拟,采用分段线性塑性材 料;在汽车前舱中将发动机、变速箱设置为刚体,对其进行刚性部件的相应定义, 并且根据发动机和变速箱的试验结果定义其转动惯量等参数;悬架系统、车门铰 链和轮胎等按其运动关系和自身材料特性做了与实际车辆相同的定义,主要包括: 球铰、旋转铰、柱铰以及弹簧阻尼单元的定义;部件之间的联接关系也参考真实 车身制造工艺并进行相应的有限元模拟,焊接的连接方式选用较常用的焊点约束 轿车前部低速碰撞的耐撞性研究 等方法来模拟汽车上大量的点焊单元,螺栓联接采用不失效的刚性联接模拟;其 余对正面碰撞影响不大的整车线束、管路、密封条等部件由质量单元代替或 省略 不计。 ..计算中相关参数的选择 ...网格划分的原则 网格尺寸对计算结果的精度和计算时间有很大的影响,网格尺寸大计算时间 快,但是不能很好的模拟部件在碰撞中的溃缩变形。网格尺寸小计算时间长,但 是能够比较好的模拟部件在碰撞中的溃缩变形。因此在整车建模时,对于在碰撞 中的碰撞变形区域以及重要吸能部件要网格细化处理,在变形不大的区域可以用 大的网格尺寸。在正面碰撞模型中变形的关键部件有纵梁和吸能盒。其中纵梁的 单元网格边长为 ,吸能盒的单元尺寸为 。整车中其他部件的网格尺寸 。 平均为 ,模型中最小单元边长不小于 ...内部摩擦系数的确定 现代汽车主要是有钢铁材料构成的,整车碰撞时部件与部件之间,部件内部 都会有摩擦。对于普通碳素钢在无润滑的情况下,静态摩擦系数和动态摩擦系数 均为.,平滑过渡后的摩擦系数为.,所以本文用.作为碰撞计算中车身 结构件的内部摩擦系数【。 ...应变率参数的选择 汽车上所选用的低碳钢钢板的材料特性随应变率的变化而变化,碰撞过程中 材料的应变变化快,而高应变率会导致弹塑性材料的动力硬化行为,即在高应变 率下材料的弹性模量更高,所以高速碰撞中必须考虑应变率对材料特性的影响, ,.、 可以采用公式处理’, ?引%鹏咯,其中,仃。和%分别是动态、静态屈服应力。,为参数,其取值根据车辆部件的变形 速度有不同的取法。在研究汽车碰撞仿真中吸能盒和纵梁折叠变形吸能,所以采 用. ,.,车身中其它低碳钢部件的采用. ,。 ...时间步长的确定 ?采用的显示中心差分法积分,中心差分法能够稳定计算是有条件 的,即它的每一个时间步长不能超过临界时间步长,有式.可以看出临界时 间步长又取决于该系统的最高频率:硕十学位论文 ?三 . 就 其中,为最大自然角频率。 杆件的自然频率为: . ‰×手 其中,?吾波在介质中传播速度 杆件的临界时间步长为: ?,:一 ‘. 其中的特征长度,和波速取决于单元类型。 临界时间步长由.自动计算,它计算时间步长时会检查所有单元, 为达到稳定,采用一个比例系数来减小时间步长,即:.三。 ...沙漏控制法的选择 .在进行计算时采用单点高斯积分,但是单点积分会产生沙漏模式。 ?沙漏模式是一种零能模式,表现在物体的变形上则会出现变形的锯齿形【。 在控制沙漏时,一方面采用沙漏控制系数,应保证沙漏能不能超过总能量的 %。另一方面,沙漏控制系数不能过大,当沙漏控制系数大于. 时,可能 导致计算的结果发散。因此建议在汽车的碰撞计算中,采用控制系数在 .~. 之间【。 在.中采用以下两种方法控制沙漏: 在关键字??中实现总体调整模型的体积 粘度。 由关键字 实现总体附加刚度或粘性阻尼来控 制。 .整车有限元模型有效性确认 有限元模型的有效性是进行有限元模型分析的基础。整车的前部和后部碰撞 试验中车辆的柱位置几乎是不变形的且转动比较小,所以通常会采用柱加速 度曲线来验证整车有限元模型的有效性。碰撞试验结束后试验车辆与仿真模型前 舱变形图的对比结果如图.所示,试验与仿真中的柱加速度曲线如图.所 示。 研牛刖鄙低愿娅于董明灯瑾任针艽 图.试验与仿真整车响应 璎翠曩 璎剃其 图. 柱上左右两侧加速度时间曲线对比 从图.可看出碰撞结束后试验车辆和仿真模型前舱的变形基本一致,发动 机罩翘起,前舱变形压溃程度相同,柱均未变形,车门没有受到明显损坏,整 个乘员舱没有明显的变形。 加速度一时间曲线是碰撞过程中试验物体整体受力的真实反映,工程中经常用 加速度.时间曲线来判定有限元模型的有效性。由图.可以看出仿真模型和整车 模型的加速度曲线的时间历程、曲线的趋势和加速度峰值是相似的,加速度峰值 的误差在%以内,所以认为仿真模型是正确的【,可以近似的代替整车模型做 安全性仿真分析。 硕士学位论文 .本章小结 用有限元仿真的方法来代替整车碰撞试验是一种有效的、省时省力的方法。 但是建立的有限元模型毕竟与实车有一定的差距,在利用有限元模型之前,必须 要验证模型的有效性。本文对整车有限元模型进行正面碰撞的验证,通过对比有 限元模型和实车模型的正面碰撞结果可知,有限元模型能够很好的模拟整车的性 能。本文在后续的研究中主要研究车辆的前部结构,考察模型的低速碰撞性能。轿乍前部低速碰撞的耐撞性研究 第章低速碰撞法规比较 我国制定的高速碰撞的法规已经促进了汽车高速碰撞安全性的研究,并且取 得了很大的成就,国内的整车厂已经可以设计并且生产出达到.五星级的 车辆。我国在低速碰撞的领域研究很少,我国只制定的汽车前、后端保护装置评 价标准,没有就减少碰撞中损失的部件减低维修费用制定相应的试验标准。城市 道路中发生的交通事故一般是低于 /的低速碰撞,研究低速碰撞提高车辆 的低速碰撞性能能够为整个社会减轻经济负担。 .低速碰撞的试验要求 ..美国保险杠标准主要技术内容 ...试验车辆的条件 试验车辆没有装载货物。 试验车辆前轮应该处于直行位置。 试验车辆轮胎气压达到车辆生产厂家的要求。 试验车辆制动系统未制动,变速器处于空挡位置。 把拖车挂钩、牌照和前照灯垫圈从试验车辆上拆下来,牌照灯,雾灯和 其它装在保险杠上的可拆装置要拆下来。 ...碰撞器 摆捶的悬挂系统要保证摆捶从释放到反弹的过程中摆捶的面始终垂 直,摆捶的摆动半径不小于.米。 在一个碰撞试验中面始终垂直,撞击线在相同的高度。 摆捶的有效碰撞质量要等于试验车辆的质量。 碰撞试验时,车辆要停放在硬的混凝土的上面。 ...障碍物碰撞试验 碰撞时,试验车辆的发动机要处于怠速状态。 . 关闭与试验车辆移动无关的其它装置。 ...纵向试验试验程序 . 碰撞器撞击汽车前面和后面各两次,垂直高度在. 之 间。硕士学位论文 进行碰撞器撞击线高度为 的试验时,试验装置如图.所示, 三维图如.所示。碰撞器面与地面垂直,撞击线在固定的水平高度撞击。 . 进行碰撞器撞击线碰撞高度在. 之间的试验时,试验 装置如图.所示,三维图如.所示。碰撞器面与地面垂直,撞击线在固 定的水平高度撞击。 对于每次碰撞,应当使撞击线的中点距离上次撞击线的中心点至少 ,否则应该从新布置试验装置,使撞击线中点至少离上次撞击线中点 . 。 每次碰撞前,使车辆与试验装置对正、接触,但是不移动碰撞器的位置, 车辆的纵平面与平面及其延伸面垂直。 摆动试验装置使之撞击车辆。 每次撞击时间间隔不少于分钟。 ??.匹习 图. 碰撞器二维图 图. 碰撞器三维图 ...“车角”碰撞试验程序 碰撞器的撞击线在 高度时对试验车辆的前后两个车角各碰撞一 . 次;碰撞器的撞击线高度在. 之间时再碰撞试验车辆的前后另外轿车前部低 速碰撞的耐撞性研究 一个车角。 进行碰撞器撞击线高度为 的试验时,试验装置如图.、. 所示,碰撞器面与地面垂直,撞击线在固定的水平高度撞击。 . 进行碰撞器撞击线碰撞高度在. 之间的试验时,试验 装置如图.、.所示,碰撞器面与地面垂直,撞击线在固定的水平高度 撞击。 调整试验车辆的位置,使试验车辆与碰撞器接触但不改变碰撞的位置, 碰撞器面的延伸面与车辆的纵向面成夹角。 摆动试验装置使之撞击车辆。 每次撞击时间间隔不少于分钟。 ...车辆耐撞性要求 除了牌照灯的其它灯以及反光装置能够正常使用。 发动机罩、后备箱和车门能够正常打开关闭。 车辆的燃油和冷却系统没有泄漏,液体管道和密封装置能够正常工作。 车辆的排气系统没有泄漏或撞瘪。 车辆的动力、悬架、转向和刹车系统能够正常使用。 车辆外部的气压或液压吸能装置没有泄漏。 在试验装置的平面和组合平面上施加不小于 的力时,除了 规定的撞击刃口外,车辆不得接触试验装置。 除了前保险杠和直接将保险杠安装到车架上的安装件和紧固件外,其它 部件的表面无脱落、无变形撞击 后检查。 除了试验车辆相关表面外,其他紧固件或连接件无断裂或松动。 ..我国汽车前后端保护装置的评价标准 我国汽车前后端保护装置的评价标准是参考欧洲车辆前部防护装置法规 制定的。纵向碰撞试验包括对车辆正前方和正后方各两次碰撞。每 一方向碰撞两次,一次是在“整车整备质量”下进行的,另一次是在“加载试 验车质 量”时进行的。碰撞器的二维图和三维图如图.所示。我国汽车前后端保护 装置 的评价标准如下所示】。 ...试验车辆状态 试验车辆应该处于停止状态。 试验车辆前轮应处在直行位置。 试验车辆的轮胎气压应该达到生产厂家的要求。 试验车辆制动器未制动,变速器位于空档位置。硕士学位论文 对装备油一气悬挂、液力或空气悬挂的车辆以及装有自动调平悬架能 根据载荷自动对车辆进行调平的车辆,应在制造商规定的正常行驶条件下进 行 试验。 瓣潮 豳 图.中国标准碰撞器 ...碰撞器 碰撞试验中碰撞器可以固定在台车可移动壁障上,也可固定在摆锤 上,作为摆锤的一部分。 如果碰撞器固定在台车上,则台车上的止动件应有足够的刚度,在碰撞 中不得变形。碰撞时小车应能自由运动而不得再受驱动机构的作用。 摆锤的转动轴与撞击中心问的距离不得小于. 。碰撞器的基准线应 与摆锤的撞击中心在同一高度上。 试验时,平面应始终与摆锤的转动轴线保持平行。 若摆锤采用平行四边形悬吊,则基准线上任何一点的运动轨迹的半径不 。 得小于. 碰撞器质量等于整车整备质量。 ...纵向碰撞试验 本试验包括对车辆正前方的两次碰撞和正后方的两次碰撞。在每一方向 的两次碰撞中,一次是在车辆质量为“整车整备质量”时进行的,另一次是在 其质 量为“加载试验车质量”时进行的。 在车辆每一方向的两次碰撞中,第一次碰撞时,对碰撞器的位置没有限 制,而第二次碰撞时,碰撞器的中垂面位置应与第一次碰撞时的位置相距不 小于 ,并应保证这两次碰撞时,碰撞器的外廓不超越由通过“车角”并平行于车轿 车前部低速碰撞的耐撞性研究 辆纵向对称面的两个平面所限定的区域。 如图.所示的碰撞器,安置时应使平面与地面保持垂直,基准线保 。 持水平且基准高度达到 车辆的摆放位置应进行调整,使位于“车角”间的点接触碰撞器但又不致 引起碰撞器晃动,同时,车辆的纵向对称面应与碰撞器的平面保持垂直。 车辆的碰撞速度应控制在:一/。 ...“车角”的碰撞试验 本试验包括在车辆质量为“整车整备质量”时对一个前“车角”和一个后 “车角”的各一次碰撞,以及在车辆质量为“加载试验车质量”时对另一前 “车角”和 另一后“车角”的各一次碰撞。 如图.所示的碰撞器,安置时应使平面与地面保持垂直,基准线保 。 持水平且基准高度达到 车辆的摆放位置应进行调整,使位于“车角”间的点接触碰撞器但又不致 引起碰撞器晃动,此外还应满足以下条件:?碰撞器的平面应与车辆的纵向 对 称面构成士夹角;?碰撞时最先接触的点应在碰撞器的中垂面上允许误差 。 车辆的碰撞速度应控制在.竺一/。 ...碰撞后车辆应该满足以下的要求 照明和信号装置应能继续正常工作并清晰可见。如果出厂时安装好的照 明装置失调,允许进行调整以符合规定要求,但只限于采用常规的调整方法。 如 果灯丝折断,应允许更换灯泡。 发动机罩、行李箱盖和车门应能正常开闭。车辆的车门在碰撞的作用下 不得自行开启。 车辆的燃料和冷却系统应无泄漏,不发生油、水路堵塞,其密封装置与 油、水箱盖亦应能正常工作。 车辆的排气系统不应有妨碍其正常工作的损坏或错位。 车辆的传动系统、悬架系统包括轮胎、转向和制动系统应保持良好 的调整状态并能正常工作。 , .. 的试验要求 ...试验车辆要求 要求试验车辆没有维修史,试验的车辆配有此类车的常用配置,允许试 验厂家采用相同质量的沙袋代替车载设各。 转向盘如果可调应调到中间位置。硕士学位论文 车窗玻璃可以打开也可以关闭。 变速箱的变速杆在空档位置。 手刹松开。 踏板处在正常位置,如果踏板间隙可调,应处在中间位置。 车门关闭但是不锁止。如果车上装有行车时发生事故时锁止车门自动打 开的装置,可以把车门锁止。 车顶天窗