《汽车碰撞计算机仿真分析方法的研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车碰撞计算机仿真分析方法的研究.pdf（7页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第2 5 卷第3 期2 0 0 9 年9 月交通科学与工程J O U R N A LO FT R A N S P G I R TS C I E N C EA N DE N G I N E E 砒N GV 0 1 2 5N o 3S e p 2 0 0 9文章编号：1 6 7 4 5 9 9 x 2 0 0 9 0 3 0 0 6 1 0 5汽车碰撞计算机仿真分析方法的研究陈君毅，王宏雁(同济大学汽车学院，上海2 0 1 8 0 4)摘要：首先，采用分离式仿真法，将基于整车结构正面碰撞计算模型所得的B 柱减速度曲线作为碰撞加速度冲击波曲线，加载于台车试验环境中的乘员及其约束系统正面碰撞计算模型进
2、行计算其次，采用车身、乘员一体化仿真方法，计算实车碰撞环境中的包含乘员及其约柬系统的整车正面碰撞计算模型根据乘员头部和胸部的伤害值、车身耐撞性等评价指标，研究这两种计算方法结果的差异，进而探讨质量补偿法对计算成本低廉的分离算法的计算结果的优化程度关键词：汽车碰撞；仿真计算；方法中图分类号：U 4 6 1 9 l文献标识码：AR e s e a r c ho nc o m p u t e rs i m u l a t i o nm e t h o d sf o ra u t o m o t i v ec r a s hC H E NJ u n-y i，W A N GH o n g y a n(C
3、 o l l e g e0 fA u t o m o b i l eE n o n e E r l n g，T o n g j iU n i v e r s i t y，S l I a I l 西1 a i2 0 1 8 0 4，C h i n a)A b s 缸a c t：F i r s t，b ym e a n so ft h es e p a r a t e ds i m u l a t i o nm e t h o d，t h eBp i l l a rd e c e l e r a t i o nc u r v ew a se x t r a c t e df r o mt h ec
4、 a l c u l a t i o no u t c o m eo ft h ev e h i c l ef r o n t a li m p a c ts i m u l a t i O i lm o d e l，a n dW a su s e da st h ei m p a c ta c c e l e r a t i o ns h o c kw a v ec u r v ei nt h es i m u l a t i o no ft h eo c c u p a t i o na n dr e s t r a i ns y s t e m Sf r o n t a li m p a
5、 c tm o d e l i ns l e dt e s te n v i r o n m e n t S e c o n d t h ec a l c u l a t i o no ft 1 1 ev e h i c l ef r o n t a li m p a c ts i m u l a t i o nm o d e lw i t ho c c u p a t i o na n dr e s t r a i ns y s t e mW a Sc a r r i e do u ti nt h ec r a s ht e s te n v i r o n m e n tb ym e a
6、n so fv e h i c l e-o c c u p a n ti n t e g r a t i o ns i m u l a t i o nm e t h o d n ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w om e t h o d s c a l c u l a t i o nr e s u l t sa sa n a l y z e da c c o r d i n gt oh e a di n j u r yi n d e x。r e s u l t a n tc h e s ta c c e l e r a t i o na n d
7、v e h i c l es t r u c t u r ec r a s h w o r t h i n e s s A tl a s t，t l l Ce f f e c t i v e h e s so ft h eo p t i m i z a t i o no fl o wc a l c u l a t i o n-c o s ts e p a r a t e ds i m u l a t i o nm e t h o db yi n t r o d u c i n gt h em a s sc o m p e n s a t i o nm e t h o dw a sd i$c u
8、 s s e d K e yw o r d s：a u t o m o t i v ec r a s h；c o m p u t e rs i m u l a t i o n；m e t h o d s1 模拟计算的基本方法目前，在汽车计算机仿真分析中所采用的方法，最为常见的是分离式仿真法、车身与乘员一体化仿真法以及耦合仿真法在以往的碰撞仿真研究中，通常采用的都是分离式仿真法，即建立只有仪表盘、座椅、转向器、收稿日期：2 0 0 9 0 5 0 6作者简介：陈君毅(1 9 8 0-)，女，同济大学博士生方向盘、转向管柱、气囊、安全带和假人等部件的乘员及其约束系统的计算模型，通过设定碰撞加速度冲
9、击波形及其他必要参数，以模拟台车碰撞环境，单独对乘员在约束系统下的运动情况进行仿真。从而得到乘员的伤害指标并研究乘员的运动响应其碰撞加速度冲击波形或是通过实车试验获取，或是通过整车结构碰撞模型仿真计算后获得 万方数据6 2交通科学与工程第2 5 卷分离式仿真方法最典型的是借助于M A D Y-M O 软件进行计算由于M A D Y M O 与L S D Y N A 具有良好的兼容性，通常都是利用L S D Y N A 软件计算整车碰撞的结构变形，得到相应的加速度，或者通过实车试验直接获取相关数据，再利用M A D Y-M O 进行台车模拟碰撞环境下乘员和约束系统运动响应计算其优点是建模简单，应
10、用灵活，计算成本低但存在的缺点是，因为它使得乘员的运动响应分析脱离了整车环境，所以忽略了汽车构件在碰撞过程中摩擦、接触、变形及其恢复等对碰撞响应的影响，忽略了悬架系统和轮胎定位参数对车轮和地面之间相互作用的影响，忽略了座椅的变形以及座垫和靠背刚度及阻尼特性对乘员响应的影响，以及忽略了其他仅仅通过碰撞加速度冲击波形和参数设定无法表达地影响此外，如果碰撞加速度冲击波形是通过计算得到的话，所计算的整车结构模型内并没有加入假人以及乘员约束系统，因而无法体现真实情况下乘员约束系统对冲击波形的反作用所带来的影响车身、乘员一体化仿真方法即指统一车身耐撞性有限元计算分析与乘员在约束系统作用下的运动响应的多体动
11、力学分析，建立一个集车辆、假人及乘员约束系统三者于一体的碰撞计算模型，在与实车碰撞相似的环境下对乘员伤害直接进行仿真分析的方法车身、乘员一体化仿真方法最典型的是借助于P A M C R A S H 或者L S-D Y N A 软件进行计算它可以完全按照法规要求进行实车碰撞的虚拟试验，较好地模拟实车碰撞环境下的车辆结构变形和乘员运动响应，能够比较真实地反映车辆的结构变形和吸能情况，乘员与约束系统与车内部件的接触、相互作用、变形等特征情况但它的缺点则是建模过程较为复杂，需要处理大量有限元单元及有限元法所带来的相关沙漏、负体积、时间步长等计算问题，计算成本较高耦合仿真法是目前比较前沿的计算机碰撞模拟
12、方法，例如：新版本L S D Y N A9 7 0 和M A D Y M O6 1 提供了一种扩展的耦合计算方法，它通过一个包含有L S D Y N A 和M A D Y M 0 代码的二进制程序，同时运行这两个软件，计算过程中，L S-D Y N A格式的有限元车身模型和M A D Y M O 格式的多刚体动力学假人模型共同进行，并在两个程序间实时交换相应的接触和计算所需的支持信息这样一来，L S D Y N A 的整车结构分析和M A D Y M O 的乘员约束系统分析的优点就被很好地结合起来，不仅避免了一些计算和成本问题，车辆安全性能也可以快捷地在乘员伤害指标中反映出来当然，这一方法目前
13、尚处起步阶段，在工业上的应用前景有待进一步验证忙j 本研究的主要内容是分离式和一体式两种计算方法的区别2 两种仿真法的计算模型的建立以某成熟车型为例，建立一个不带假人及其乘员约束系统的整车结构有限元模型，如图1 所示整个模型共计节点6 1 32 0 3 个，单元数为5 8 44 9 1(其中：壳单元5 8 02 9 5 个，实体单元38 4 0个，粱单元3 5 6 个)图1 无乘员的整车有限元计算模型H g 1V e h i c l eF E Am o d e lw i t h o u to c c u p a n t s模拟实车正面碰撞试验环境，建立整车与刚墙的、碰撞速度为5 0k m h
14、的1 0 0 正面碰撞计算模型，计算得到B 柱减速度曲线(如图2 所示)，作为分离式仿真法中乘员约束系统运动响应计算的碰撞加速度冲击波曲线当然，该曲线也可以通过实车正面碰撞试验得到p 1 矿詈目ia m*图2 正面碰撞减速度曲线F i g 2D e c e l e r a t i o nC 1 2 I V Co ff r o n t a lc r a s h 万方数据第3 期陈君毅，等：汽车碰撞计算机仿真分析方法的研究6 3首先，建立仅反映乘员及其约束系统的台车碰撞计算模型先将地板、座椅、仪表盘和方向盘等车舱环境按照实车几何位置布置好。并采用边界条件将其固定导人假人(5 0 百分位的H y b
15、 r i d型假人有限元模型H 1)、气囊及安全带模型，调整几何位置整个模型包括9 0 个部件，8 23 6 0 个节点，6 97 3 7 个单元(其中：壳单元6 33 6 8 个，膜单元26 6 8 个，实体单元36 7 8 个梁单元1 1 4 个以及弹簧单元9 个)通过设定整个车厢环境为惯性空间，将图2 中的B 柱减速度曲线反向加到假人身上，用以模拟正面碰撞时的舱内惯性，建立的台车碰撞模拟计算模型(如图3 所示)图3台丰碰撞模拟试验计算模型F i g 3C 缸e u l a f i o nm M d0 fB l e dc r a s ht e a t其次，根据一体化仿真方法，在已有整车结构
16、耐撞性计算模型的基础上，建立一个集车辆、假人及其约束系统三者于一体的完整的车辆模型模型共计4 0 9 个部分，6 3 84 9 8 个节点，6 1 06 1 9 个单元(其中：壳单元6 0 00 5 4 个，膜单元26 6 8 个，实体单元74 1 8 个，杆单元1 1 4 个，梁单元3 5 6 个以及弹簧单元9 个)焊点及其他连接设置1 01 0 2处，普通铰链2 1 处，运动铰链1 2 处按照实车正面碰撞试验要求，建立计算模型(如图4 所示)3 分离式仿真法与一体化仿真法计算结果的分析与比较计算结果表明，两种方法下假人的运动状态相似以乘员的头部和胸部伤害指标以及车身结构耐撞性来评价两种计算
17、方法的差异3 1 头部伤害指数H I C 比较如图5，采用分离式仿真法所得到的假人头部伤害指数H I C 为7 2 0 2 5，明显要高于采用一体化仿真法所获得的H I C=6 4 8 0 8 7，两者存在1 1 1 的误差；虽然两条头部加速度曲线的走势是相近的，但是很明显，一体化仿真中，t=7 0 必时刻，在安全带的作用下头部加速度有一个明显的变化，而在分离式仿真下没有这一特征，其头部加速度峰值的出现较前者提前了近7m s，并在t=8 0m s时已完成假人与气囊的充分接触开始衰减毛曼1图4 完整的整车正碰计算模型F i g 4W h o l ev e h i c l ef r o n t a
18、 lo r a a h 珊o d d围5 两种方法下H I C 比较n g 5C o m p a r i nH I Cf r o mt w om e$o d s3 2 胸部3h i s 合成加速度比较两种仿真方法下的胸部加速度曲线趋势一致(如图6 所示)，但是分离式仿真法所获得的胸部3m s 合成加速度为4 1 1 2g，同样也是明显高于一体化仿真法所获得3 4 4 9g，两者存在1 7 8 的误差在t=5 0 7 0m 的时间段，分离式仿真法下的胸部加速度有一个明显的高峰值段，而在t=8 5 1 1 0m s 时间段则出现了急剧的减小现象，两个结果差异比较明显3 3 车身结构耐撞性比较笔者认
19、为：在分离式仿真法中，对乘员加载的由整车结构模型所获得碰撞加速度冲击波形，并不能精确反映真实情况下实车碰撞的加速度冲击波形，由此就可能造成了计算所得的乘员伤害指数产生偏差，因此需要对两种方法下的整车结构正面碰撞耐撞性进行一定的比较分析首先以油门踏板处的乘员舱前围板侵入量作 万方数据交通科学与工程第2 5 卷为评价指标，这个指标标志着正面碰撞后乘员的生存空间的大小f詈E昌1图6 胸部3 瑚合成加速度比较F i g 6C o m p a r s o no f3m sr e s u l t a n tc h e s ta e c e e m t i o n如图7 所示，两者的前围板侵人量是存在一定差
20、距的这是由于加入转向器后，发动机舱内空间余量有所减少，发动机舱部件相互接触、挤压作用也发生了一定的变化，这些变化的最终结果导致了相对于不带乘员及其约束系统的整车模型的前围板侵入量8 0m m 而言，一体化仿真模型的前围板侵入量比较小，只有6 5m m 这对乘员安全性，特别是降低大腿轴向力更加有利E点捌密图7 前围扳侵入量曲线F i g 7I n t r u s i o no ff r o n tp a n e l加速度分析是评价汽车结构被动安全性能的重要指标之一H J，可借助B 柱来测量整车的加速度因为在正面碰撞过程中。车身至B 柱以后的部分变形量较小，在B 柱处获得的减速度曲线较稳定，能综合
21、地反映出车辆在整个碰撞过程中乘员舱所受到的碰撞力的变化过程从B 柱的减速度曲线(如图8 所示)可以看出，两种仿真方法下所获得的B 柱减速度曲线趋势相同，但峰值和出现时刻还存在着比较明显的差异备昙1图8B 柱减速度曲线F i g 8D e c e l e r a t i o nc u r v eo fBp i l l a r分析结果证实，分离式仿真法与一体仿真化法相比的确存在误差综上所述，分离式算法下。在设定乘员舱环境时不能有效地还原整车的结构耐撞性特征，缺失前围板侵入量和转向器后移量的参数设定，所采用的碰撞加速度冲击波形也并不能准确描述带假人情况下整车的B 柱减速度曲线由于试验方法本身的局限性
22、，它也忽略了在加入乘员及其约束系统后，假人与座椅、假人与安全带、假人与方向盘、座椅与整车、转向管柱以及转向器之间的相互作用对于整车碰撞加速度波形的影响，因此这种方法的仿真计算是不够精确的4 分离式仿真法的误差补偿分析与研究事实上，关于分离式仿真法的简化和改进研究在国外已经进行了多年，并已做了许多尝试，诸如：以简单的质量块配以弹簧与整车连接，借以模拟乘员在碰撞过程中对与整车冲击波形的影响等等本研究采用了质量补偿方法对分离式仿真法进行优化利用一个6 0k g 重的长方形质量块，固结在地板上，从而在整车结构模型中补偿未装配的乘员及其约束系统的重量，并将此刚性块的重心以假人实际H 点位置为基准定位，借
23、以补偿假人与整车的作用对冲击波形所带来的影响，所建立的模型如图9 所示图9 补偿后的整车结构耐撞性模型9M a s sc o m p e n s a t e dv e h i c l ec r a s hm o d e l 万方数据第3 期陈君毅，等：汽车碰撞计算机仿真分析方法的研究6 5图1 0 是碰撞模拟计算所获得的B 柱减速度曲线，可见，经过补偿的整车结构模型计算结果与一体化仿真模型的结果更为接近，在f=2 0 5 0盥，f=6 5i n s 的波形都有了一定的改善，质量补偿法在一定程度上达到了预期目的，补偿了一部分假人与乘员约束系统对整车冲击波形的影响蜘0图1 0 补偿法所获得0 1
24、0 0m s B 柱减速度曲线F j g 1 0D e c e l e r a t i o nc u r v co fBp i f i a rb ym 咖c o m p e n s a t i o nm e t h o d利用优化后的正面碰撞加速度冲击波形，再次采用分离仿真法计算乘员的头部和胸部伤害指标从图1 1 发现，假人的肼C 为6 7 3 8 7 1，较原值有很大改善，与一体化方法的计算结果的误差仅为3 9 7，在波形上也更加贴近备占1图1 1H C 比较1 1C o m p a r i s o no f H I C采用一体化仿真法时的胸部3i n s 加速度降至3 9 6 5 12g(
25、如图1 2 所示)，相对原值虽然有所改善，但与一体化仿真法的计算结果之间仍然存在1 4 9 的偏差，主要是在=5 0 7 0m s 时刻的加速度高峰值段没有明显改善研究碰撞过程发现，该时刻采用分离式仿真法时，假人胸部与气囊的接触不够充分，而采用一体化仿真法时，气囊在这一时间段给与了假人胸部加速度较大的缓解e拿lit a m s图1 2 胸部31 1 1 8 加速度比较F i g 1 2C o m p a r i s o no f3mr e s u l t a n tc h e s ta c c e l e r a t i o n5 结语利用带4C P U 的U N U X 一2 6 5 7 2
26、 2 4 4 一S M Po nx 8 6 _ 6 4 系统，分离式仿真法计算两个模型的C P U 使用时间分别是2 9 2 4 1 0 4 和7 1 7 2 1 0 s；而一体化仿真法计算的C P U 使用时间为7 7 1 2 1 0 4s，很显然，在计算耗时来说，分离式仿真法远远少于一体化式仿真法，成本很低但分离式仿真法由于是脱离整车环境单独利用仅有乘员及其约束系统简易乘坐舱模型进行计算的，必须首先获得实车碰撞的加速度冲击波形等参数，这在新车型开发初期是很难得到的如果利用整车结构模型计算所得到的碰撞加速度曲线，除了本文分析的一些影响因素外，各个软件本身的误差也会带来对计算结果的影响，所获得
27、的冲击波形也值得商榷，计算所得的乘员伤害值的可信度也需要进一步分析通过一定的质量补偿，可以改善分离式仿真法的部分问题，还是不能真实描述带乘员约束系统的整车碰撞情况，在进行乘员约束系统设定时也并不能将整车结构耐撞性能完全进行参数化表述，这就使得计算模型在基础上必然与实车碰撞试验存在着不可避免的差异性所以，采用计算方法研究车辆安全性时，最佳方法是采用车身、乘员一体化仿真法，尤其是新车设计初期，它可以在样车没有制造出来的时候，就能通过计算真实地反映乘员与整车在碰撞过程中的运动关系，利用所得结果直接评价整车结构耐撞性和乘员安全性如果考虑计算成本，可以通过质量补偿方法优化分离式仿真法带来的部分误差，提高
28、结果的可信度(下转第6 9 页)万方数据第3 期阎巍，等：已知索端预张力或顸应力求索原长的求解技术6 9(上接第6 5 页)参考文献(R e f e r e n c e s)：1】王宏雁，肖凡带乘员及约束系统汽车正面碰撞的有限元法仿真研究 J 安全与环境学报，2 0 0 4。4(2)：6 8-7 0(W A N GH o n g-y a n，X I A OF a n S i m u l a t i o na n da n a l y s i so fv e h i c l e sf r o n t a lc r s s hw i t ho c c u p a n t sa n dr e s t
29、 r i c t i o ns y s t e mb yu s i n gF Em e t h o d J J o u r n a lo f鼬ya n dE n v i r o n m e n t，2 0 0 4，4(2)：6 8-7 0(i nC h i n e s e)2 李山，高卫民，沈建东，等D Y N A M A D Y M O 耦合计算方法在车辆侧面碰撞模拟分析中的应用 J 上海汽车，2 0 0 5(8)：2 5 2 8(L IS h a n，C A OW e i-m l n，S H E NJ i a n-d o n g。e ta 1 A p p l i c a t i o no
30、fD Y N A-M A D Y M Oc o u p l i n gm e t h o dt oi m p r o v ev e h i c l e s s i d es i m u l a t i o no fs i d ei m p a c t J S h a n g h a iA u t o，2 0 0 5(8)：2 5-2 8(i nC h i n e s e)3 浦登祥基于罗孚7 5 燃料电池轿车的乘员安全性分析 D 上海：同济大学，2 0 0 8(P UD e n g x i a n g T h eo c c u p a n ts d e t ya n a l y s i sm
31、e t h o d so ff u e lc e l lv e h i c l e D S h a n g h a i：T o n 6 iU n i v e r s i t y，2 0 0 8(i nC k l n e s e)【4 雷正保，付爱军，杜青云，等轻型客车车身的翻滚安全性设计方法 J 交通科学与工程，2 0 0 9，2 5(1)：6 3-7 1(L E IZ h e n g b a o，F UA i-i l】m，D i dQ i n g y u n，e ta 1 M e t h o df o rt h er o I o v e rs a f e t yd e s i s no fl
32、 i g h tb u sb o d y J J o u r n a lo f T r a n s p o r tS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g，2 0 0 9，2 5(1)：6 3-7 1(i nC h i n e s e)5 H u a n gxD，C h e nJH，X i eYC F u l l-f r o n t a lc o l l i s i o ns i m u l a t i o n sa n da n a l y s e so ft u b I|：l a rs p a c ef h m eb o d y-w o r kf o
33、rS e d a nc a t J C h i n e s eJ o u r n a lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g：E n g l l s hE d i t i o n，2 0 0 3，1 5(3)：5 7 6 2 6 B e nZ，V e s e n j a kM C o m p u t a t i o n a la n de x p e r i m e n t a lc r a s hn 由s i 8o ft h er o a ds a f e t yb a r r i e r J】E l I g i r i c e r-i n
34、gF a i l u r eA n a l y s i s，2 0 0 5，1 2(6)：9 6 3-9 7 0 万方数据汽车碰撞计算机仿真分析方法的研究汽车碰撞计算机仿真分析方法的研究作者：陈君毅，王宏雁，CHEN Jun-yi，WANG Hong-yan作者单位：同济大学,汽车学院,上海,201804刊名：交通科学与工程英文刊名：JOURNAL OF TRANSPORT SCIENCE AND ENGINEERING年，卷(期)：2009,25(3)被引用次数：1次 参考文献(6条)参考文献(6条)1.王宏雁;肖凡 带乘员及约束系统汽车正面碰撞的有限元法仿真研究期刊论文-安全与环境学报 2
35、004(02)2.李山;高卫民;沈建东 DYNA-MADYMO耦合计算方法在车辆侧面碰撞模拟分析中的应用期刊论文-上海汽车2005(08)3.浦登祥 基于罗孚75燃料电池轿车的乘员安全性分析 20084.雷正保;付爱军;杜青云 轻型客车车身的翻滚安全性设计方法期刊论文-交通科学与工程 2009(01)5.Huang X D;Chen J H;Xie Y C Full-frontal collision simulations and analyses of tubular space framebodywork for Sedan car期刊论文-Chinese Journal of Mech
36、anical Engineering(English Edition)2003(03)6.Ren Z;Vesenjak M Computational and experimental crash analysis of the road safety barrier 2005(06)本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.肖凡.王宏雁 正面碰撞中乘员及约束系统运动响应的计算期刊论文-同济大学学报(自然科学版)2004,32(9)2.陈懿佳.浦登翔.王宏雁 碰撞模拟中分离计算法与一体化仿真法的分析会议论文-20083.朱大勇.王宏雁.高卫民.徐敦舸 轿车正面碰撞的计算机模拟会议论文
37、-20014.薛量.姜正旭.林忠钦 汽车碰撞仿真中的连接失效模拟期刊论文-机械科学与技术2000,19(2)5.王宏雁.高卫民.贾宏波 轿车正面碰撞计算机数值模拟的分析期刊论文-安全与环境学报2001,1(5)6.王磊.WANG Lei 汽车正面碰撞有限元仿真模拟期刊论文-天津汽车2007(1)7.王宏雁.华蓓俊.WANG Hongyan.HUA Beijun 材料特性的模拟对碰撞仿真计算精度的影响期刊论文-同济大学学报(自然科学版)2006,34(12)8.高晖.李光耀.Gao Hui.Li Guangyao 汽车碰撞仿真中沙漏控制算法研究期刊论文-汽车工程2008,30(8)9.王强.WANG Qiang 基于显式有限元法的汽车碰撞仿真研究期刊论文-农业装备与车辆工程2010(5)10.王宏雁.肖凡 带乘员及约束系统汽车正面碰撞的有限元法仿真研究期刊论文-安全与环境学报2004,4(2)引证文献(1条)引证文献(1条)1.王宏雁.朱育民 主动式发动机罩抬升装置的性能评估期刊论文-交通科学与工程 2011(1)本文链接：http:/