汽车侧面碰撞安全结构设计与仿真研究 白中

第二届中国CAE工程分析技术年会 汽车侧面碰撞安全结构设计与仿真研究 白中浩t立波王玉琴 (湖南大学．汽车车身先进设计制造国家重点实验室， 湖南氏沙410082) ■要：由于侧面碰撞时变形空间较小，秉员损伤的危险性比其它类型的碰撞高得多．通过对汽车侧面安全性 的分析，研究了加强汽车侧面碰擅安全性结构设计的主要改进措施，运用多刚体理论对某车型侧面碰撞进行 运动学和动力学分析，建立了带有详细于结构的侧面碰撞模型，为提高该车的侧面碰撞安全性，在此模型的 车门内外扳之间安装了车门防撞杆，提出了车门防撞抒安装在三种不同位置的 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 ，通过MADYMO动 态仿真研究了三种方素对柬员损伤的黟响情况，并对结果进行比较分析，得出了一种较理想的侧面碰撞防撞 杆设计结构． 关键词：侧面碰撞；安全性：设计与仿真；秉员损伤 StudyonVehicleSideImpactSafetyStructuralDesigningand Simulation BaiZhonghaoCanLiboWangYuqin (StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandM∞ufacturingforVehicleBody,HunanUniversi吼Changsha， Hunan4|0092，China) Abstract：Duetoverysmallsidespacc．passengerSwillsuffergl'e41terriskofsevereinjuryduringsideimpact． Themaindesigningmcthodsarestudiedtoimprovevehiclesideimpactsafetybyanalysisofvehicle’5side impactsafetystructure．Avehicleareanalysedwithkinematicsanddynamicsduringsideimpactbythetheory ofmulti-body．Thesideimpactmodeisbuiltwithdetailedsub-structure．Inordertoimprovethevehicle’sside impactsafety,thepreventingimpactbeamsareinstalledb4目t'weffflinsideboardandoutsideofthevehicle’sdoors inthemodeAndthreedifferentdesigningmethodsafcproposed．Passengerinjuriesarestudiedinthethree designingmethodsbysimulationbasedonMADYMo．andanalysedtheresultsFinallyanidealsideimpact safetystructureisgalned． Keywords：sideimpact；safety；designingandsimulation；passengerinjury 1引言 我国《汽车侧面碰撞的乘员保护》强制性国家 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 已于2006年1月18曰批准发布．并丁． 2006年7月1日实籀，因此，企业和政府对于车辆侧面安全性改进研究的需要日益迫切。经 统计分析，车门和座椅之间仅隔着20．30cm的空间，侧面碰撞对汽车侧面变形空间小，所以 侧面碰撞时乘员受伤的危险性比其它类型的碰撞高得多。为了加强对乘员的保护，车门、门 槛和立柱都要设计成具有一定刚度的刚性结构，并能将碰撞力尽可能地传递到粱、柱、地板、 车顶以及其它部件，使碰撞力被分散吸收，量大限度地把可能造成的损害降低到最小程度‘1,21。 第二届中国CAE工程分析技术年会 如图1所示，侧面碰撞时侧 向力沿箭头方向传递，所经 路线即为刚度需要加强区 域，这也是提高侧面碰撞性 能的设计原则”J。 同时，可以根据零部件 的性能要求、结构位置以及 零部件间的匹配，台理选用 新材料，以提高侧面碰撞吸 能效果，加强汽车的侧面刚 陶1侧面碰撞时侧向力传递图 性。比如采用高强度钢，可 以增加部件的变形抗力，提高部件的能量吸收能力，可以用于外力作用下变形不大的场合， 以使得外力去除后部件能返回原有形状；采用铝、镁等合金材料，其单位质量吸能率高于相 应的钢质材料，重为钢质材料37％的铝质管可以吸收与钢管相同的能量：以及使用复台材料 代替金属材料，它由增强材料与基体材料组合而成，变形时能吸收大量的碰撞能量，可提高材 料的刚度和强度。但是，采用新型材料的成本较高，而且生产工艺需要有较大的改变，因此 合理进行安全性结构设计具有较好的实际应用前景。 2汽车侧面安全性结构设计 对汽车产品的改进，必须充分考虑改进可行性、改进成本等因素，特别是考虑到汽车的 侧面，如果单纯增加钢板厚度固然会加强侧面的抗撞性能，但是会缩小汽车侧门和乘员间的 有限空间，所以，目前采取的较为有效的方法是增加一些加强件，并保证不影响其相关位置 原有部件的功能。 (1)车门外部是车身表面件，中部没有焊点，以免影响外观，所以外板中部刚度较差， 必须对外板刚度加强，采用的措施有：在外板内侧粘贴磁性沥 青板：设计加强梁，加强粱下部与内板下部焊接，上部与外板 柔性粘接，如图2所示；还可以把车门装饰条设计为加强件。 (2)车门内板是车门附件主要的安装基体，铰链、限 位器、门锁等与之连接，所以常常在这些连接部位设置加强板 145]。同时常见的是在门腔内部设计纵向的管状或方形加强梁， 即下节所要讲述的车门防撞杆的设计。 (3)保证A、B、C柱与顶盖、门槛的接合怠好以及门铰 链和门锁的可靠性等”J。 (4)设计乘员约束系统的不同配置 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 ，选取优化参数来 协调安全带、安全气囊、座椅的机械特性，以尽可能提高乘员 约束系统的保护性能。 当汽车受到侧面撞击时，车门很容易受到冲击而变形，从 鳓拯 而直接伤害到车内乘员。为了提高汽车的安全性能，在汽车两 侧门夹层中间放置一两根刚性吸能粱，即车门防接杆。防撞杆 的防撞作用是；当侧门受到撞击对，坚固的防擅杆能减小车门 图2车门外板加强梁 的变形程度，从而能减少汽车撞击对车内乘员的伤害。本文在 车门内外板之间安装防撞杆，可以加强车门刚度，提高整个车身的结构完整性，从而提高汽 车的侧面安全性，使乘员得到更有效地保护。 第二届中国CAE工程分析技术年会 根据一些白车身模型的统计分析，设计出车门防撞杆的3种方案，如图3所示。防撞杆 截面半径为13ram，厚度2ram，紧贴着车门外板。方案(1)表示在高度方向上防撞杆离车门 装饰条大约17ram，方案(2)表示在高度方向上防撞杆刚好在车门装饰条位置处，方案(3) 是由车内向外看，前门的防撞杆高度同方案(1)一样，后门的防撞杆沿车门对角线安装。方 案(1)的安装高度接近门槛粱，主要作用是可以将碰撞力有效地分散给地板等其它构件；方 案(2)的安装高度，主要作用是当碰撞发生时，侧围下部结构能在座椅底座高度处发生折弯 而吸收碰撞能量，从而减少乘员的损伤：方案(3)的安装高度，主要作用是增加了整个车门 的强度，提高了车门的抗撞能力。 (2) (3) 圈3车门防撞杆的三种设计方案 3侧面碰撞仿真结构模型的建立 在侧面碰撞子结构细化模型的建立过 程中，定义了多个刚体，刚体之间定义了 很多必要的铰链(ioint)或力模型(force models)，并把实际的车体结构和碰撞过程 (包括“一次碰撞”和“二次碰撞”)通过 多刚体系统内各个刚体间的运动与接触再 现出来，并且应用数学方法表达。 由于模型的细化，除了侧碰假人外共 定义了36个刚体，附着了34个平面和47 个椭球体。同时在各剐体的几何形状之间 定义了必要的铰链，特别在A柱、B柱、 前后车门、门槛、顶盖上横架等侧围结构 处定义了多种类型的铰链，以更好的模拟 图4侧围结构多体模型的各部分铰链 侧面碰撞时被撞车辆的侧匿和可变形移动 壁障之间的复杂运蒯膏况．如鼹4所示，表示A柱、B柱、前后车门、门槛、顶盖上横粱等 侧围结构之间的铰链连接关系。 定义了剐体和铰链后，运用一定的数学方法来求解，这就涉及到铰链的剐度特性问题。 铰链的刚度特性表示为力或力矩相对于位移或转角的关系式，反映两相邻的刚体发生相对位 移时其刚体间的力的作用关系，从而体现了系统内部各刚体间的动力学关系，从本质上解析 整个系统在受到碰撞载荷冲击下，各刚体的位移，和整个系统的变形与能量的传递。但由于 碰撞的物理过程极为复杂，不同部位变形多样，为了更好模拟备刚体的运动关系，人为地定 义了多种不同类型的铰链，这些导致了铰链的刚度也被定义成多种形式，有时针对同种类型 第二届中国CAE工程分析技术年会 的不同部位的铰链，其刚度也出现了差异，所以铰链的刚度特性的获取一直是个难点问题。 在MADYMO中定义的刚体本身不变形(可定义接触特性)，定义了铰链之后就可以模 拟其变形。如果接触表面是两个都不可变形的刚体模型，节点穿透量应为无限小，其接触的 定义同有限元模型的接触定义类似，这里定义的是接触表面至少有一个可变形，必须使用 CONTACTFORCE．CHAR这种接触力类型，并且调用多刚体模型的接触特性 (CHARACTERISTIC．CONTACT)来予以表达。在CONTACTFORCE．CHAR这种接触力类 型中，接触类型主要有六种形式：主面(MAsTER)、从面(SLAVE)、组合(COMBINED)、 用户自定义主面(USERMASTER)、用户自定义中点(USERMIDPOINT)、用户自定义从 面(USER—SLAVE)。 根据不同模型之间的实际运动关系，分别定义了多种接触模式。地面和车轮之间，考虑 到某些地面的坚硬程度，把车轮定义成从面，同时接触类型定义为SLAVE；被撞车辆的侧围 和可变形移动壁障之间的接触，因为两者都会产生变形，定义成COMBINED类型：假人的骨 盆和座椅的接触，考虑到假人的重量和座椅的材料特性，定义成COMBINED类型，但假人的 双脚与车地板，由于剐度差别较大，定义成SLAVE类型。如图4所示，在侧面碰撞子结构细 化模型的基础上，定义了不同方案的车门防撞 杆结构．同时需要定义很多铰链(joint)。比 如防撞杆与A柱之间，与车门之间，与B柱 之间等，通过这些铰链的转动来实现碰撞过程 中的变形。由于移动变形壁障前部的碰撞材料 分为六个部分，每个部分有其相应的刚度特 性，在碰撞过程中，车门与移动变形壁障的前 部相接触，所以细化模型时，相应地对车门进 行一些划分，前后车门各为四个部分，受力明 显的区域定义了铰链，以模拟碰撞过程中车门 的变形。 4仿真模拟结果对比与分析 本文主要研究车辆侧面刚度改变对乘员 损伤的影响情况，因此仅考虑“一次碰撞”过 Time(ms) 图5一次碰撞MDB减速度 图6仿真模型的侧面碰撞过程(Time=0，30，60，90，]20ms) 程对乘员损伤的影响，即侧面碰撞发生后的前20ms，动态仿真MDB减速度波形如图5所示。 l佛 第二届中国CAE工程分析技术年会 图6说明了仿真模型的侧面碰撞过程。根据主观有效性 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 法和动画法，该过程和一些机构 的侧面碰撞试验的录像过程大致一样，所以可以证明本仿真模型的有效性。 表1列出了假人损伤模拟结果的对比情况，从中可以明显看出方案2模拟结果中假人损 伤参数值最小，从而说明车门防撞杆安装在不同部位，对乘员的保护会产生不同的影响。 表中，HIC是乘员头部伤害指数(HeadInjuryCriterion)、RDC是胸部变形指数(RibDeflection Criterion)及VC是粘性指数(Visc6usCriterion)、APF是腹部性能指数(AbdomenPeakForce) APF和PSPF是骨盆性能指数(PubicSymphysisPeakForce)，按照法规要求HIC<1000， RDC：92ram，VC 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 十余篇，获得省部级以上奖励两次． 170