汽车防撞梁碰撞问题的数值模拟分析.docx
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汽车防撞梁碰撞问题的数值模拟分析.docx
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汽车防撞梁碰撞问题的数值模拟分析
编号:
()字号
本科生毕业设计(论文)
汽车防撞梁碰撞问题的数值模拟分析
题目:
___________________________________
:
___________学号:
_______________
班级:
__________________________________
中国矿业大学
本科生毕业论文
XX:
学号:
学院:
力学与建筑工程学院
专业:
工
论文题目:
汽车防撞梁碰撞问题的数值模拟分析
指导教师:
职称:
讲师
二○一三年六月
中国矿业大学毕业论文任务书
学院力学与建筑工程学院专业年级学生
任务下达日期:
2013年1月7日
毕业论文日期:
2013年2月25日至2013年6月16日
毕业论文题目:
汽车防撞梁碰撞问题的数值模拟分析
毕业论文专题题目:
毕业论文主要容和要求:
1.通过图书馆及网络查阅和整理汽车防撞梁分析相关文献资料,了解国能外研究现状及研究方法。
2.根据查阅的文献容,建立符合实际的汽车防撞梁模型。
3.掌握ANSYS/LS-DYNA软件的使用,并对建立的模型进行合理网格划分、材料设定及加载。
4.考虑不同设计方案下防撞梁的防冲击特性,比较各个参数变化对碰撞的影响,得出相关规律。
5.根据对防撞梁壁厚、截面形状等参数的分析,制定优化方案,按照中国新车评价规程(C-NCAP)的要求,进行分析,得出相关结论。
6.翻译1篇与课题相关的近三年发表的英文文献,字数3000左右。
院长签字:
指导教师签字:
中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书
指导教师评语(①基础理论及基本技能的掌握;②独立解决实际问题的能力;③研究容的理论依据和技术方法;④取得的主要成果及创新点;⑤工作态度及工作量;⑥总体评价及建议成绩;⑦存在问题;⑧是否同意答辩等):
成绩:
指导教师签字:
年月日
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书
评阅教师评语(①选题的意义;②基础理论及基本技能的掌握;③综合运用所学知识解决实际问题的能力;③工作量的大小;④取得的主要成果及创新点;⑤写作的规程度;⑥总体评价及建议成绩;⑦存在问题;⑧是否同意答辩等):
成绩:
评阅教师签字:
年月日
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书
评阅教师评语(①选题的意义;②基础理论及基本技能的掌握;③综合运用所学知识解决实际问题的能力;③工作量的大小;④取得的主要成果及创新点;⑤写作的规程度;⑥总体评价及建议成绩;⑦存在问题;⑧是否同意答辩等):
成绩:
评阅教师签字:
年月日
中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩
答辩情况
提出问题
回答问题
正确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩:
答辩委员会主任签字:
年月日
学院领导小组综合评定成绩:
学院领导小组负责人:
年月日
摘要
汽车防撞梁是发生碰撞时起到主要缓冲作用的构件。
主要由防撞横梁和低速吸能盒两个部分构成,影响缓冲效果的因素有:
吸能盒和防撞梁的截面、厚度、截面大小、长度等。
通过调整上述这些参数可以得到缓冲性能最好的防撞梁结构。
本文使用数值模拟的方法,分别对防撞梁和低速吸能盒的参数取不同值进行正面的碰撞模拟,提取最终的加速度变化曲线和能量变化曲线进行对比。
加速度相对小而吸收能量相对多的组合即为最优组合。
由于整个过程中可变的参数很多,不可能将所有的组合都进行分析。
所以首先进行单个参数的变化分析,从单个参数变化中得出规律,然后根据规律组合出相对较优的防撞梁结构并进行验证。
通过上述的分析过程中最终得到研究结果大致为,低速吸能盒主要是通过薄壁梁的轴向溃缩吸能。
防撞梁是通过材料发生失稳弯曲后的塑性变形来吸收能量。
防撞梁和吸能盒的各个参数之间存在着耦合现象。
通过单独参数变化来寻找规律,然后再根据规律进行组合参数的方法,能够较为高效准确的得出整体优化结果。
关键字:
防撞梁;汽车碰撞;数值模拟;优化;
ABSTRACT
Vehiclecrashbeamisacollisionplayamajorroleincushioningmember.Mainlybylow-speedanticollisionbeamsandenergy-absorbingboxesoftwoparts,theimpactcushioningeffectoffactors:
energyabsorptioncrosssectionofboxandbumperbeams,thickness,cross-sectionalsize,lengthandsoon.Byadjustingtheseparameterscangetthebestperformancecushioninganticollisionbeamstructure.Thisarticleusesthenumericalsimulationmethod,respectively,lowenergyabsorbingboxandanticollisionbeamparametersfordifferentvaluesofthefrontcrashsimulationtoextractthefinalaccelerationcurveandtheenergycurveforparison.Accelerationisrelativelysmallandrelativelylargenumberofbinationsofabsorbedenergyistheoptimalbination.
Sincethewholeprocessalotofvariableparameters,itisimpossibletoanalyzeallbinations.Sofirstofallbeasingleparameterchangeanalysis,derivedfromasingleparameterchangelaws,andlawsofbinationofarelativelybetterundertheanticollisionbeamandverified.
Throughtheaboveanalysisprocessisroughlythefinalresultsofthisstudy,lowenergyabsorbingboxismainlythroughthethin-walledboxbeamaxialenergyabsorbingcrumple.anticollisionbeaminstabilityoccursthroughthematerialafterbendingdeformationtoabsorbenergy.Energyabsorbinganticollisionbeamsandboxcouplingexistsbetweenthevariousparametersphenomenon.Throughseparateparameterstofindthelaw,thenunderthelawofbinedparametersapproachcanbemoreefficientandaccurateresultsoveralloptimizationresults.
Keywords:
anticollisionbeam;VehicleCrash;numericalsimulation;optimization;
汽车防撞梁碰撞问题的数值模拟分析
绪论
汽车作为当今最流行的交通工具之一,在日常生活中也是越来越多的出现。
而且随着汽车产业的快速发展和人民生活水平的提高,汽车的数量和种类也开始大大提升。
我国汽车产量从1992年的年产22万量车,到2008年时已经增长到了年产935万量[1]。
而且由于汽车生产流水线的产生,汽车的行驶速度也大大的提高。
但是由于汽车数量的增多和车速的提高,车祸的发生概率自然就大大的提高,所以必须通过改善车的质量、结构来增强车辆的安全性。
为了能够更快的计算出提高安全性的方法,采用软件模拟的方式来进行计算是具有使用意义的。
1.1研究汽车碰撞的背景和意义
在汽车越来越多的情况下,发生车祸是不可避免的。
虽然车身存在很多的保护措施,例如安全带,安全气囊等。
但是由于车祸而产生的生命和财产损失仍然是十分巨大的。
每年因为车祸导致的财产损失高达数十亿元[2]。
据统计,仅2002年中国一共发生了773137次交通事故,导致118131人死亡,财产损失巨大。
其他国家交通事故发生的次数同样十分庞大,美国共发生1967000起交通事故,死亡人数42825人,日本发生936721次交通事故,死亡9575人,欧盟国家共发生123294起交通事故,死亡人数38824人[3],并且以上数字每年都在增长。
如此庞大的数字让人们不得不在购买车辆时对车辆的安全性能进行考核。
车辆的安全性可以通过技术改进来提高,通常的汽车安全技术主要分为两类:
第一类是主动安全技术,第二类是被动安全技术。
主动安全技术是指通过利用控制技术或传感器等提前的预知危险,从而达到躲避危险的目的。
被动安全技术是指通过在车及车身放置安全带,安全气囊,防撞梁等保护措施,在车辆碰撞后,起缓冲保护作用,从而达到保护车人员的目的。
汽车发生碰撞后首先是汽车发生碰撞,称为一次碰撞,其次是车的人和车部构件发生碰撞,称为二次碰撞[4]。
由于二次碰撞是由一次碰撞引起的,所以控制好一次碰撞对提高汽车安全性有着巨大的意义。
汽车的一次碰撞的控制,是指在发生碰撞的时候通过对采用缓冲装置,吸能装置,阻尼装置或者是各种装置的组合,吸收碰撞时候产生的巨大能量。
通过以上这些操作也可大大的减缓一次碰撞后二次碰撞所产生的巨大损害,同时也是增加了碰撞的时间,为安全气囊等装置争取时间[4][5],以便能够最大效果的发挥保护作用。
吸收一次碰撞所产生的巨大能量,最常用的吸能构件是采用汽车防撞梁。
汽车的正前防撞梁能够在汽车发生正面碰撞或者斜碰的时候,有效的吸收能量、增大碰撞时间,从简单的根据冲量定理可以得出,在以一定的速度发生碰撞的时候,作用时间越长,那么作用于汽车的反作用力就越小。
同时防撞梁的强度也一定程度上减少了汽车的变形,在给予汽车部人员一定生存空间的同时,也是保护了汽车部重要部件,如发动机、变速箱等不被损坏,给汽车的再次维修降低了费用,减少了财产损失。
1.2数值模拟计算的意义
由于车祸的高发性,导致各国对汽车的安全性逐渐形成了法规,如美国的FMVSS208(美国联邦车辆标准安全法规),还有我国的汽车正面碰撞标准GB1155l-2003《乘用车正面碰撞的乘员保护》规定[6]。
这些试验都是需要做汽车实体试验的。
只有符合该试验标准的车辆才能继续生产。
但是直接使用实体碰撞的试验可重复性太弱,而且每次试验都需要耗费巨大的资金。
所以如果做生产之前的设计,采用这种方法是不行的。
随着计算机技术的快速发展。
计算机模拟是一种进行大型计算非常适合的工具。
通过在计算机中建模、求解、改进等方法,可以模拟真实的碰撞过程,虽然不能和实际的碰撞完全相同,但是也能大致的得到改进汽车安全性能的可行方法,而且由于计算机的计算速度极快,可以很快的重复多次计算而取得最优值。
显然,这通过汽车实体实验是无法实现的,并且由于有限元的快速发展,使得计算机能够计算出很多通过理论无法计算出来的东西。
例如汽车碰撞过程是十分复杂的,如果单纯的通过理论计算来得出结果显然是不现实的,只能是用理论来辅助模拟计算。
1.3目前的碰撞标准
汽车的碰撞标准是,采用汽车实体碰撞的方法,通过碰撞后汽车的变形、汽车发生碰撞时候的加速度、速度衰减以及汽车部假人模型的受损情况而综合考虑后制定的一套测试汽车安全性的指标。
各个国家的标准均不相同,但是目的都是测试汽车的安全性能。
1.3.1国碰撞检测标准
我国的碰撞法规建立的比较晚,主要是参照外国的法规、结合我国的实情而制定的。
我国于1999年由原国家机械工业局发布了汽车碰撞法规CMVDR294《汽车正面碰撞乘员保护的设计规则》。
经过后来的完善和发展至2004年,我国参照欧洲ECER94法规制定了国家强制性标准GB11551-2003《乘用车正面碰撞的乘员保护》正式实施,成为了我国第一个自己的汽车正面碰撞标准[7]随后的几年里又相继制定了侧面碰撞标准和后碰撞标准。
汽车碰撞检测标准都建立了相应的碰撞试验作为依据,分别有正面碰撞,侧面碰撞等。
正面碰撞一般分为主动是碰撞和被动碰撞。
主动碰撞是指由汽车以一定的速度,来撞击静止的刚性或者非刚性的墙壁。
被动碰撞是指将汽车通过铁索固定,使用钢块进行撞击。
我国的汽车正面碰撞标准GB11551-2003就是主动碰撞。
如图1.1所示为我国的汽车做碰撞试验时候的照片。
1.3.2国外碰撞标准
国外的碰撞标准主要是由美国的FMVSS和欧盟的ECE两个检测标准,其他国家的安全法规,大部分是参考这两个法规制定的,针对这两个安全法规的出发点是不相同的。
美国认为“汽车是任何人都可以做的软垫”,而欧洲人则认为“汽车是驾车技术熟练者使用的工具”,所以美国的安全法规比较注重于汽车的被动安全性,其技术要求普遍严格,而欧洲的安全法规偏重于汽车的主动安全性。
1.4碰撞试验对比
虽然碰撞试验的目的都是为提高汽车的安全性,但是由于各国的侧重点不同,所以导致各国的碰撞试验的具体细节也不尽相同。
如图1.2所示,是各个国家的正面碰撞试验示意图。
每个国家碰撞试验的具体要求也不相同,但整体都是结合了自己的实际情况,
而制定的符合自己国家的标准。
如表1.1[8]中列举了各个国家的汽车碰撞具体要求。
1.5新车碰撞测试标准(NCAP)
NCAP(NewCarAssessmentProgram)即新车评价规程。
是由政府机关或者具有权威性的机构,对市场上销售的车型进行碰撞安全性能测试、评分划分等级,并向社会公开评价结果的规程。
NCAP是由1987年由美国公路交通安全管理局提出,并且组建了最早的NCAP体系。
随后的数年其他各国也相继的结合自己国家的公路情况、汽车保有量等建立适合自己国家的NCAP,分别有美国的NHTSA-NCAP,欧洲的Euro-NCAP,日本的J-NCAP,澳大利亚的A-NCAP以及我国的C-NCAP。
通过多年的试验,总结和验证,欧洲的EuroNCAP被公认为是世界上最严格和最具有权威性的汽车安全法规[9]。
下面主要介绍欧洲的Euro-NCAP和我国的C-NCAP。
1.5.1欧洲的新车评价规程(Euro-NCAP)
欧洲的汽车安全法规,是由英国交通部的交通研究实验室研究成立的。
该法规测试所需的经费全部是由欧盟提供。
不定期的对已上市的新车和进口车进行测试。
由于该法规的严格性和权威性,使得该法规得到了各国的广泛支持和认可,在全球影响力巨大。
Euro-NCAP的主要测试容有:
1)64km/h时40%正面偏置碰撞
2)50km/h时可变形移动壁障的侧面碰撞。
3)40km/h时的行人保护碰撞。
4)29km/h时的撞柱子试验。
1.5.2中国新车评价规程(C-NCAP)
中国的汽车安全法规主要是参照美国的NHTSA-NCAP和欧洲的Euro-NCAP,再结合我国的汽车标准法规以及我国的路况等各种因素,最终形成的检测汽车安全性能的法规。
如下表1.2中国新车评价规程(C-NCAP)[10]
表1.2中国新车评价规程(C-NCAP)[10]
试验项目
碰撞形式
假人安放位置
正面100%重叠刚性壁障碰撞试验
车辆以50km/h的速度与刚性固定壁障进行100重叠率的正面碰撞
在前排驾驶员和乘员位置分别放置Hybird型第50百分位男性假人,在第2排最右侧座位放置Hybird型第5百分位女性假人,试验时假人应佩戴安全带,用以考核安全带性能
正面40%重叠可变形壁障
碰撞试验
车辆以56km/h的速度对可变形壁障进行40重叠率的正面偏置碰撞
在前排驾驶员和乘员位置分别放置Hybird型第50百分位男性假人,在第2排最右侧座位放置Hybird型第5百分位女性假人,应佩戴安全带
可变形移动壁障侧面碰撞
可变形移动壁障以50km/h的速度与车辆侧面(驾驶员侧)进行碰撞
在驾驶员位置放置EuroSID型假人,用以测量驾驶员位置受伤害情况
如下面三幅图所示,分别表示了C-NCAP三个实验的碰撞试验图
1.6碰撞试验的评分标准
碰撞试验的评分标准主要是通过,在实车碰撞试验中,通过加速度传感器,速度传感器,力传感器等,全程的检测汽车碰撞过程中假人受到的力,加速度。
碰撞后还可以查看假人的变形受损情况。
通过这些因素的综合比重考虑,制定出的评分标准。
能够简单的通过分数的高低来判断汽车的安全性能。
下面主要介绍C-NCAP的评分。
1.6.1C-NCAP评分
C-NCAP评分的高低是,变相的反映了汽车安全性能的高低。
评测的时候通过对汽车部假人的头部、颈部、胸部、大腿部、小腿部、膝盖、大腿、骨盆部位和小腿、脚及脚踝部位所受到的压力的大小来设定不同部位的得分数。
对于每个假人,基本的评分原则是:
(1)设定高性能指标限值和低性能指标限值,分别对应每个部位的最高得分和0分,处于两者之间的测量值分别采用线性插值的方法得出相应分数;
(2)若同一部位存在多个评价指标,则采用其中的最低得分来代表该部位的得分;
(3)所有单项得分保留到小数点后两位。
C-NCAP的评测分数是目前人们渐渐开始关心的容。
所以评测分数也会成为影响汽车销量的重要因素。
提高分数的方法很多,其过优化汽车防撞梁、缓冲装置等方法是很有效的手段。
好的防撞梁能够有效的减小汽车在碰撞过程中的加速度,从而减小汽车假人所受的加速度,当然相应的假人受到的力和破坏也会减小,这样就能提高评测分数。
所以说防撞梁的优劣决定着汽车碰撞试验评分的高低。
1.7目前的汽车防撞梁研究现状
防撞梁作为汽车碰撞时候的第一道防线,主要起到缓冲和防止过分变形的作用。
其中缓冲的效果能够降低加速度、增加碰撞时间;这两个缓冲效果可以在碰撞发生时有效的减小车的人受到的力,防止过分变形,尤其是在发生撞击柱子等事故时。
目的有两个方面,第一,给车的人员充分的生存空间;第二,保护车体重要部件,例如发动机变速箱等。
这样可以降低汽车的维修费用。
碰撞的时候起缓冲作用的主要部件是缓冲盒,通过缓冲盒的轴向溃缩,来吸收能量。
同时防撞梁也会发生塑性变形,这也是起到缓冲作用的重要部分。
还有就是通过在防撞梁前段加入一些缓冲材料,或者特殊的结构,来起到缓冲作用。
防止大变形主要是通过防撞梁来实现,防撞梁和车架之间具有一定的距离,该距离是缓冲距离,防撞梁被碰撞后发生塑性变形,向凹进去,而在防撞梁中间的撞击力,会由于防撞梁的存在将力间接的传递到车架上,由此车会发生反弹,从而有力的保护了车的重要部件。
1.7.1目前防撞梁的研究
防撞梁的研究主要是从下几点入手:
截面形状,防撞梁的厚度,梁的材料,梁的轴向弯曲曲线。
需要达到的目的有两个:
第一,具有良好的抗撞击性能;第二,具有良好的吸能性质。
下面分别讨论一下:
1)截面形状
图1.6梁的各种截面
梁截面可以采用单元胞,两元胞,三元胞,四元胞等。
分别如下图1.6
在2007年,大学侯淑娟等人,曾经对上面的四种结构进行了抗撞性能和缓冲性能的分析[11]。
通过研究计算机建模分析,对不同厚度和不同截面进行压力碰撞后发现,元胞数的增加会影响结构的吸能增加,多元胞结构的吸能效果要远好于单元胞结构。
四元胞结构的吸能特性最好。
而且同时发现,轴向的吸能性能要远好于横向的吸能特性。
从而得到结论材料,在发生褶皱叠缩变形的时候,能够提高结构的吸能特性和抗撞特性,同时也能让材料的利用率提高。
同时截面形式也不仅限于矩形的截面,也可以有多种多样的形式,例如梯形[12],不规则形状[13]等。
2)防撞梁的厚度
对于防撞梁厚度的研究,前人也总结了很多的经验,也是使用数值模拟的方式,通过在一定厚度围等间距取值然后使用软件模拟撞击过程。
最后对防撞梁的变形,撞击后的速度、加速度的变化,做曲线分析。
然后根据具体能够允许的最大加速度和最大位移来确定防撞梁厚度[14][19]。
3)梁的材料
梁的材料通常使用的是吸能性质很好的材料。
吸能材料通常指薄壁管材、泡沫铝、复合材料、聚氨酯泡沫等[15][14]。
考虑价格等方面因素后,使用薄壁铝合金或者其他合金材料作为防撞梁的材料。
随着科技的不断发展和创新,新的金属泡沫材料又被人们发现,其中具有代表性的材料是泡沫铝材料。
泡沫铝是一种以铝金属为骨架,具有较大孔径及较高孔隙率的新型结构功能材料,兼有泡沫和金属的特性。
有较高的强度以及制备工艺相对简单的特点[16]。
这种金属材料的吸能特性非常好,而且强度也很高,可以满足吸收能量和防止大变形的双重要求。
4)梁的轴向曲线
梁的轴向曲线通常是根据汽车的外形和车构件的形状决定的。
在这两点已经确定的情况下考虑防撞梁碰撞,如果采用外弧形的曲线,可以增大碰撞时候的接触时间。
所以通常情况下,汽车防撞梁的轴向曲线通常是采用外凸形状的。
具体的形状会根据车型的不同而改变,比如,利用三段直线够成外凸状或者采用圆弧外凸曲线,甚至会结合使用两种模型。
1.7.2汽车缓冲盒的研究现状
缓冲盒的吸能缓冲效果,主要是由缓冲盒的厚度,材料,截面形状,诱导槽等因素决定。
同样的厚度和材料对吸能效果的研究和防撞梁是相同的,但截面形状则不同。
主要原因是缓冲盒是轴向压缩变形,而防撞梁则是横向变形,所以两者的吸能性不能一概而论。
1)缓冲盒的截面形状
在2012年,理工大学夏铭等人,对吸能盒的截面形状进行拓扑优化[17]。
通过数值模拟的方法,得出六边形截面形状的缓冲盒吸能效果最好。
优化结果如图1.7所示
同样在2012年,中国汽车工程研究院的万鑫铭[18]等人又通过对正方形,正六边形,正八边形,圆形的铝制吸能盒和钢制的吸能盒做数值模拟分析,结果如图1.8所示。
得出正八边形铝管的吸能性质十分突出,但是碰撞时候引起的碰撞力峰值太大,而正六变形的各项指标相对均衡。
2)诱导槽
在缓冲盒上开诱导槽对缓冲效果有着十分明显的提高。
工业大学的曲明[19]等人曾对诱导槽的研究及分析发现,薄壁梁在撞击的时候会发生溃缩变形。
变形的过程中缓冲盒上有些部位会发生凹,有些部位会发生外凸。
根据这种现象,如果在缓冲盒的表面本身设置向凹或者向外凸的槽,在发生碰撞的时候可以有效的减小撞击力的峰值。
通过研究发现,设置双层的诱导槽薄壁梁的缓冲效果要远远好于不设置诱导槽的缓冲效果,如图1.9所示,如此可以大大提高碰撞性能。
图1.9双层诱导槽缓冲盒
缓冲盒的优化还可以通过在缓冲盒部填充橡胶材料,使用变截面梁作为缓冲盒,并且考虑缓冲盒的焊接方式等[20]。
这些方法都是有待研究,并且值得研究的容。
其次除了采用缓冲盒的方式,也可以使用机械阻尼缓冲装置来做缓冲器,虽然这样的方
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