汽车防撞梁碰撞问题的数值模拟分析Word格式文档下载.docx
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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:
毕业论文专题题目:
毕业论文主要内容和要求:
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.根据查阅的文献内容,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内发表的英文文献,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研究内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;
⑤写作的规范程度;
评阅教师签字:
年 月 日
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
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:
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,lowenergyabsorbingboxandanticollisionbeamparametersfordifferentvaluesofthefrontcrashsimulationtoextractthefinalaccelerationcurveandtheenergycurveforcomparison.Accelerationisrelativelysmallandrelativelylargenumberofcombinationsofabsorbedenergyistheoptimalcombination.
Sincethewholeprocessalotofvariableparameters,itisimpossibletoanalyzeallcombinations.Sofirstofallbeasingleparameterchangeanalysis,derivedfromasingleparameterchangelaws,andlawsofcombinationofarelativelybetterundertheanticollisionbeamandverified.
Throughtheaboveanalysisprocessisroughlythefinalresultsofthisstudy,lowenergyabsorbingboxismainlythroughthethin-walledboxbeamaxialenergyabsorbingcrumple.anticollisionbeaminstabilityoccursthroughthematerialafterbendingdeformationtoabsorbenergy.Energyabsorbinganticollisionbeamsandboxcouplingexistsbetweenthevariousparametersphenomenon.Throughseparateparameterstofindthelaw,thenunderthelawofcombinedparametersapproachcanbemoreefficientandaccurateresultsoveralloptimizationresults.
Keywords:
anticollisionbeam;
VehicleCrash;
numericalsimulation;
optimization;
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究汽车碰撞的背景和意义 1
1.2 数值模拟计算的意义 1
1.3 目前的碰撞标准 2
1.3.1 国内碰撞检测标准 2
1.3.2 国外碰撞标准 2
1.4 碰撞试验对比 2
1.5 新车碰撞测试标准(NCAP) 3
1.5.1 欧洲的新车评价规程(Euro-NCAP) 3
1.5.2 中国新车评价规程(C-NCAP) 4
1.6 碰撞试验的评分标准 5
1.6.1 C-NCAP评分 5
1.7 目前的汽车防撞梁研究现状 5
1.7.1 目前防撞梁的研究 5
1.7.2 汽车缓冲盒的研究现状 6
1.7.3 评价指标 7
1.8 本文主要研究内容 7
第二章 防撞梁撞击变形基本理论分析 8
2.1 弹塑性变形理论 8
2.1.1 金属材料拉伸时的力学性能 8
2.1.2 弹塑性模型的简化 9
2.1.3 材料的强化模型 9
2.2 用于碰撞过程的基本定理[23] 11
2.2.1 冲量定理 11
2.2.2 冲量矩定理 11
2.3 汽车防撞梁变形过程中的能量分析 12
2.3.1 能量的转化 12
2.3.2 汽车吸能装置的基本要求 13
2.4 薄壁构件变形理论 13
2.5 小结 14
第三章 有限元数值模拟理论 15
3.1 有限元算法 15
3.1.1 拉格朗日法(LAGRANGE) 15
3.1.2 欧拉法(EULER) 15
3.1.3 任意欧拉-拉格朗日法(ALE) 15
3.2 拉格朗日有限元算法介绍 15
3.2.1 运动方程[27] 16
3.2.2 三大守恒方程[28][27] 16
3.3 单元选择 17
3.4 接触问题 18
3.4.1 接触类型 18
3.4.2 接触算法 18
3.5 本次计算的相关软件介绍 19
3.6 小结 19
第四章 基于中国汽车安全法规C-NCAP的防撞梁数值模拟分析 21
4.1 模型建立 21
4.2 材料参数定义 22
4.3 网格划分 23
4.4 正面100%重叠刚性壁障碰撞模拟分析 23
4.4.1 问题简化 24
4.4.2 参数设置 24
4.4.3 计算结果分析 24
4.5 正面40%重叠刚性壁碰撞试验模拟分析 28
4.6 小结 30
第五章 防撞梁的单个参数的优化研究 31
5.1 防撞梁宽度对防撞梁缓冲效果的影响 31
5.1.1 结果对比 32
5.1.2 数据分析 33
5.2 缓冲盒边长对防撞梁缓冲效果的影响 33
5.2.1 缓冲盒变形 33
5.2.2 加速度结果对比 34
5.2.3 能量结果对比 35
5.3 缓冲盒长度对防撞梁性能好坏分析 35
5.3.1 整体加速度对比 35
5.3.2 能量对比 36
5.3.3 数据对比 37
5.4 缓冲盒厚度对防撞梁性能的影响分析 38
5.4.1 整体加速度曲线对比 38
5.4.2 吸能对比 39
5.5 防撞梁薄壁结构的厚度对整体性能的影响分析 39
5.5.1 不同厚度的防撞梁加速度对比分析 39
5.5.2 吸收能量对比 40
5.6 防撞梁截面形式对整体缓冲吸能效果的影响分析 41
5.6.1 整体加速度对比分析 41
5.6.2 数据对比分析 42
5.7 缓冲盒截面形式对整体防撞梁缓冲特性的影响分析 43
5.7.1 不同缓冲盒截面对加速度的影响变化分析 43
5.7.2 能量吸收对比 44
5.8 小结 45
第六章 防撞梁的各个参数组合优化 47
6.1 防撞梁各项参数间的相互影响验证 47
6.1.1 单个防撞梁参数变化下的最优参数组合 47
6.1.2 加速度和吸能分析 47
6.2 各个参数间的组合优化 48
6.2.1 各个参数间关系的综合分析 48
6.2.2 结果分析 49
6.2.3 数据对比 50
6.2.4 变形图和应力图分析 51
6.3 小结 51
结论和展望 53
参考文献 ……………………………………………………………………………………...55
翻译部分 ……………………………………………………………………………………...57
致谢 ……………………………………………………………………………………...73
中国矿业大学2013届本科生毕业设计(论文)第74页
第一章绪论
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。
虽然车身内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内及车身放置安全带,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,从而达到保护车内人员的目的。
汽车发生碰撞后首先是汽车发生碰撞,称为一次碰撞,其次是车内的人和车内部构件发生碰撞,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,在给予汽车内部人员一定生存空间的同时,也是保护了汽车内部重要部件,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、速度衰减以及汽车内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国内碰撞检测标准
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。
图1.1我国的汽车碰撞试验
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
图1.2各个国家的碰撞试验示意图
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,
表1.1各个国家的汽车碰撞试验要求对比
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。
随后的数年内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的主要测试内容有:
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
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