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汽車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)

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湖南大學(xué)
博士學(xué)位論文
汽車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
姓名：張維剛
申請學(xué)位級別：博士
專業(yè)：車輛工程
指導(dǎo)教師：鐘志華;楊濟匡
20020101
摘要
摘要
汽車的碰撞安傘性問題是當今附界汽車工業(yè)亟需解決的一大難題，碰撞事故
不僅給人類社會帶來了【-三大的經(jīng)濟損失，更奪去了成千j：萬無竄乘員的生命，提
高汽車碰撞性能的最基術(shù)途徑是發(fā)展汽車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)。文中對汽
車碰掩安全性的設(shè)計理論和方法進行了歸類和總結(jié)，其中包括經(jīng)驗法、解析法、
多剛體動力學(xué)法、試驗法以及有限兒方法等；_蕈點介紹了碰撞有限兀法的基本理
論和有關(guān)算法，涉及到有限兒求解控制方程、單元離散、沙漏模態(tài)控制、時問積
分、材料模型和應(yīng)力修』T、薄殼單元算法以及接觸碰撞界面算法等，探討了有限
元汁算中的材料模型參數(shù)獲取技術(shù)，開發(fā)了相應(yīng)的材料試驗裝置及材料模碧參數(shù)
反求軟件，在此基礎(chǔ)上進行了基本的碰撞仿真算例和試驗對比研究；文中通過應(yīng)
用有限元方法研究了薄壁構(gòu)件的碰撞吸能特性，指出了設(shè)計薄壁吸能構(gòu)件時需要
考慮的幾個主要影響因素，即焊點、壁厚、橫截面和預(yù)變形等；在關(guān)于車輛部件
的碰撞安全性能設(shè)計中進行了吸能轉(zhuǎn)向機構(gòu)和自適應(yīng)安全氣囊的仿真研究，提出
了吸能轉(zhuǎn)向機構(gòu)和自適應(yīng)安全氣囊的仿真研究方法；文中最后探討了整車碰撞性
能的設(shè)計與改進方法，提出了以理想碰撞特性為目標，采用分段加速度或者根據(jù)
碰撞時間進行設(shè)計的反推設(shè)計法、部件吸能仿真優(yōu)化設(shè)計法等量化設(shè)計方法，并
通過綜合應(yīng)用文中所討論的相關(guān)技術(shù)進行了整車碰撞性能的設(shè)計與改進實例研
究，所選定的車型是大眾化的普通轎車和碰撞安全性基礎(chǔ)較差的微型面包車，研
究結(jié)果表明，本文所提出的設(shè)汁與改進方法是適用而有效的，具有重要的工程實
用意義和價值。
關(guān)鍵詞：汽車碰撞安全性設(shè)計技術(shù)仿真
ABSTRACT
ABSTRACT
V曲icle passiVe safety issue is a big and u唱ent problem for world-wide
automobile industry to solve as soon as possible．Not only did the crash accidents bring
great economicaI 10ss to human socie也but also killed hundreds of thousands iImocent
passengers．The basic appmach of protecting people fj．om being hurt or kiIled in a11
accident is to improVe cmshworthiness of Vehicles．This paper stans with discussing
theo“es and methods for vehicle passive safety des培n，which included experiential
methods，anaIytic methods，multi_body dyn鋤ics methods，crash test methods and the
finite eIement method．Emphasis will be paid to the baSic FEM theories and algorithms
of impact problems．Tbpics discussed incIude me goveming equation， element
discretization， hou唱lass control， time integration， materiaJ model' shell element
algorit}lms and comact-impact algorimms．For more reliable simulation results，thi8
p印er then conducts study on how to accurately get material model parameters by
combiniIlg the FEM method wim experimental method：and develops releVant material
teSt machine a11d parameter calculating soRware．BaSed on that，basic typical impact
simulation and test validation study are conducted On the basis of the aboVe work，the
papef stud．es the thin—shell stmctures’craShworthirless，Which was afrccted by the
following factors ： spot—weld features， sheU thicklless， cross·section a11d
pre—defonnation．As to vehicle parts’crashworthiness，the p印er corlducts simulation
study of designing energy—absorbing steering system and adaptiVe airbag system．A
practical energy—absorbing steering wheel is designed as an example．In舒mer depth
research，the paper suggests several inVerse quantificational methods for Vehicle
crashwonhiness des適n baSed on the ideal crash characteristics．T11e aboVe meories and
methods are applied with good results t11rou曲seVeral pmctical Vehicles’
crashworthiness design and improvement．
Key words：Vehicle Crash、vorthiness design tecllIliques compmer simuIation
第一章緒論
1．1汽車的碰撞安全性
第一章緒論
自從汽車誕生以來，人類的道路交通問題得到了前所未有的改善，但同時人
類社會電受到了汽車所帶來的巨大傷害，即汽車的碰撞事故給人類造成的生命財
產(chǎn)損失。據(jù)測算，在近lOO年中，全世界已有3200多萬人死于車禍，1億多人園
車禍傷殘?1；直到目前，全世界每年仍有70多萬人因車禍死亡，1200多萬人因車
禍受傷“7。車禍致死的人數(shù)已大大超過了同期死于戰(zhàn)爭的人數(shù)，這無疑表明了汽車
碰撞事故給人類社會造成傷害的嚴重性。
相對于發(fā)達國家來說，我國的情況則更為嚴重，從1970年到1985年的15年
中，發(fā)生的車禍導(dǎo)致132萬多人受傷，27萬多人死亡”。。1985年后，隨著我國工
業(yè)的飛速發(fā)展，車輛數(shù)量開始急劇增加，道路交通也變得更加擁擠，其結(jié)果是每
年車禍發(fā)生的頻率逐步增高，導(dǎo)致的死亡人數(shù)也呈不斷上升的趨勢，國家有關(guān)部
門對此進行了統(tǒng)計，得到的數(shù)字結(jié)果如表lI l所示。
表l-l 中國每年車禍死亡人數(shù)統(tǒng)計
年份死亡人數(shù)(下限)
1985 ≮h
1987 5萬
1992 6萬
1995 1 h
(注：表中的數(shù)據(jù)摘自參考文獻[2])
到了1998年，全國共發(fā)，卜交通事故32廳多起，造成7．3／j多人死亡：，30多
萬人受傷，直接經(jīng)濟損失18．68億元，相當于平均每天就有200多人死?。嚨?。
與世界相比，我圈的汽車總擁有肇只；々5％，而交通事故死亡人數(shù)卻占1()％，并日．
碰掩每故中的死J、：二紅也夫人高r瞅炎、H本等丁、【k發(fā)達困家，其中除了人為的閃
索外，肯i輔本身的瓶掩安全性達不劍要求足。個重要因素。
需要指H{的足，實際道路}：乍輛發(fā)，E碰掩事故的類J詛是多種多樣的，常見的
第一章緒論
碰撞形式有前部正面碰撞、成一定角度碰撞、側(cè)面碰撞、追尾碰撞以及側(cè)翻等，
但國外對大量汽車碰撞摩故的統(tǒng)計研究表明，在所有這些碰撞事故中，車輛發(fā)生
前部碰撞的比率占到50％以上【¨，參見圖1．1，并且乘員也大多是在這一類碰撞事
故中受傷或死亡，參見表l_2和表1．3中。另外，受傷乘員的比例數(shù)還與相對碰撞
速度(即△v)有很大的關(guān)聯(lián)，圖1．2的統(tǒng)計曲線顯示了這種關(guān)系，因此，從保護
大多數(shù)車輛乘員的生命意義上來說，最值得重視和研究的碰撞類型應(yīng)為中高速行
駛的車輛前碰撞。
圖1．1 80年代美國車輛碰撞發(fā)生部位統(tǒng)計”1
(括號中的數(shù)據(jù)為維多利亞卅I的統(tǒng)計)
表1．2各國車輛事故類型的統(tǒng)計——車輛事故類型的構(gòu)成率
國家正面碰撞側(cè)面碰撞后面碰撞翻車(％) 傷害程度
(％) (％) (％)
日本(1978) 49 27 9 15 死亡事故
美國(1978) 54 29 3 14 死亡事故
法國(1968) 57 31 2 10 重傷和
死亡事故
聯(lián)邦德國63 30 4 3 重傷和
死亡事故
意大利57 25 12 6 輕傷、重傷和
死亡事故
英國64 22 3 7 重傷和
死亡事故
(注：表中的數(shù)據(jù)摘自參考文獻[1】)
～2～
第一章緒論
表1 3澳大利亞的車輛碰撞事故類型及碰撞傷害統(tǒng)計(1990年)
分類前部(％) 側(cè)面(％) 尾部(％)
(a)所有碰撞類型56 27．9 16．1
(b)嚴重和致命的62 2 32．3 5．5
碰撞
(c)致命的碰撞50．8 46．3 2．9
(注：表中的數(shù)據(jù)摘自文獻[1])
80
^70
蘭60
蠢50
墓40
鐾30
$20
削lO
O
0
碰掩速度頻率分柑(km／h)
圖l 2受傷乘員的比率與相對碰撞速度的關(guān)系曲線【8】
1．2汽車碰撞損傷機理
要避免或減輕汽車碰撞事故對乘員造成的傷害，首先必須要了解汽車碰撞損
傷機理。一般來說，汽車發(fā)生碰撞時都會伴隨有兩個過程，刨“飲碰撞”和“二
次碰撞”。一次碰撞是指車輛與障礙物之間發(fā)生的碰撞，而二次碰撞是指車內(nèi)司乘
人員與乘^|壘室內(nèi)物體之問的碰掩。司乘人員在碰撞過程中受到損傷的主要原因·叮
}J_|納為以F四點：
(1) 一次碰掩過程過分劇烈，以致傳遞到司乘人員身Ij的加速度值超過了
人體的刷受極限，使人體器官受到損傷；
(2) 僦撞過槲中乘坐室外部剛硬物體(如發(fā)動機)侵入乘坐室內(nèi)部，自接
將rd乘人員擠壓傷￡：；
(3) “f卜一次碰掩的過分劇烈而引起的?撣很厲害，致使司乘人員符：午內(nèi)
～?、。
第一章緒論
遭受前后兩個方向的多次“二次碰撞”而受傷；
(4) 在碰撞過程中，乘坐室變形太大，以致司乘人員缺乏生存空間而傷亡。
在以上四點中，除了乘坐室外部剛硬物體侵入乘坐室內(nèi)部直接將司乘人員擠
壓傷亡外，其它均與一次碰撞和二次碰撞的劇烈程度有關(guān)，由此可見，減輕這兩
次碰撞的程度是提高車輛碰撞安全性的關(guān)鍵。如今，車內(nèi)安全帶、安全氣囊等的
使用主要在于避免二次碰撞或減輕二次碰撞的程度，它們在保護碰撞事故中的司
乘人員時發(fā)揮了巨大的作用；但是，由于受本身制作材料以及人體承受碰撞能力
的限制，安全帶和安全氣囊所能吸收的撞擊能量是有限的，因此，絕大部分的碰
撞能量必須由車體結(jié)構(gòu)來吸收。實際道路碰撞事故及相關(guān)試驗研究表明，在其它
條件相同的情況下，一次碰撞性能較好的汽車在發(fā)生碰撞事故時對乘員的損傷最
小[2】，這說明， 一次碰撞的特性決定了車輛最基本的碰撞安全性能。
1．3汽車碰撞安全法規(guī)
由于乘員的生命安全在很大程度上取決于車輛的碰撞性能，因此，保護乘員
的首要方法是制定強制性的汽車碰撞安全法規(guī)，使車輛的碰撞性能達到法規(guī)規(guī)定
的標準要求。
最早的汽車碰撞安全性法規(guī)誕生于60年代中期的美國，在此之前，世界上并
沒有任何對車輛的碰撞安全性能進行要求限制的法規(guī)，一些有關(guān)汽車碰撞安全性
問題的研究主要是依賴于汽車生產(chǎn)廠家的自覺性及對公眾的責任感【“。
第二次世界大戰(zhàn)之后，隨著美國汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，車輛數(shù)量的急劇增加，
由此而產(chǎn)生的汽車碰撞死亡總?cè)藬?shù)達到了驚人的數(shù)字，這引起了美國公眾對撞車
傷亡的極度恐慌和關(guān)注，公眾鼎沸并強烈要求美國政府采取緊急的行動對這一事
件進行強制性的干預(yù)。
1965年，美國汽車工業(yè)部門撥款一千萬美元給密西根大學(xué)(M幽瓣卯
跏fvP坩妙)建立公路交通安全研究所。翌年，設(shè)立了運輸部，并頒布了公路安全
法規(guī)和國家交通與汽車安全法規(guī)，其中的汽車安全法規(guī)即著名的F^彳飚S(凡虎陽f
脅，0r砣矗耙抬翰，罾加廊口竹幽耐)系列法規(guī)，它提出了包括關(guān)于事故防止、傷害保護、
傷害后的保護及其它用以幫助提高汽車碰撞安全性的規(guī)則，其中與傷害防護有關(guān)
的若干規(guī)則對汽車結(jié)構(gòu)的碰撞性能提出了直接的要求，如：
～d～
第一章緒論
·FM撼s2叭——車內(nèi)撞擊中的乘員保護
該標準要求一個人頭模型以24腸舶的速度撞擊儀表板或者座椅靠背。若在
任何時刻產(chǎn)生的加速度值超過80 g，那么其持續(xù)時間不得大于3珊J；
·F^椰1S204——轉(zhuǎn)向機構(gòu)的向后位移
該標準要求當車輛以48踟肪的速度撞擊一剛性障礙物時，其轉(zhuǎn)向柱相對于
乘坐室的向后移動量不得超過12．7 cⅢ；
·F^卯S，208——汽車乘員撞擊保護
該標準規(guī)定了車輛在正面碰撞、側(cè)面碰撞以及翻車試驗中對人體的傷害指標
及限值，其中，攝重要的一個指標是頭部傷害指標明C(脅“d塒“，y of船，fo")，
其計算公式及指標隈值如下：
刪。{l擊f一咖J㈠1，}?oo
式中，口(f)為頭部質(zhì)心的合成加速度，用重力加速度g的倍數(shù)表示；
，，，r，為碰撞過程中的任意兩個時刻，但它們的取值必須使上式的計算
結(jié)果達到最大值。
其他相關(guān)的安全標準法艦還包括Fa開s，214——側(cè)門強度；刪颶s 216——
車頂抗撞強度：刪腿，30l——燃料系統(tǒng)的完整性等。
礬拈嬲系列安全法規(guī)頒布后，實際道路上碰撞事故中的乘員傷亡總數(shù)迅速下
降，具體的實例如美國馬瞿蘭州的統(tǒng)計，參見圖1．3。
60
50
薜
譬40
量30
型
壺20
嘿
LO
O
197 L 1972 L973 1974 【975
年份
H l 3 FwF儺樂剁交1三濁州4實施雨后的統(tǒng)削。l
(炎舊r5‘H蘭州的統(tǒng)計，1972．I 975年)
l 19斛‘1。以拊術(shù)作胤定的1柏2 符合_川法挑l的乍輛
3 倚合咒㈣友傘枷、準(FMI髑)佝1嘲(1968印以J廳‘10虹l’內(nèi))
～5～
第一章緒論
安全法規(guī)在美國取得的成功給其它國家?guī)砹藛⑹?，緊隨美國之后，歐洲、
日本等汽車工業(yè)發(fā)達國家的政府部門也相繼采取了類似的行動，取得的效果同樣
也是非常顯著的，雖然車輛的數(shù)量在不斷增加，但碰撞事故中的乘員傷亡總數(shù)卻
呈下降趨勢，如圖1．4所示。
<
、，
鼎
‘<
U
U
——L—L—L 一一一一L一一J 』一，I一一，L
。1
65 66 67 68 69 70 7l 72 73 74 75 76 7了78 79
年份
圖1 4每萬輛汽車交通事故死亡人數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果?
我國汽車行業(yè)政府部門于80年代末開始引進FMVss系列汽車安全法規(guī)，并
于90年代后期開始。在這些安全法規(guī)標準中，重點是關(guān)于車輛|j{『部正面碰撞的，
如：
-GB／T 11551—89汽車乘員碰撞保護
·GB 11557—89 防止汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)對駕駛員傷害的艦定
到2002年，我國將開始強制實施汽車碰撞安全性設(shè)計法艦，即剛彳加R 294，
屆時所有的乘用車輛部必須滿足這一要求后才能生產(chǎn)和銷售，這說明，我國汽車
行、№政府部門已將車輛的碰撞安全性問題擺在了重要位置，它必將促使國內(nèi)汽車
7E產(chǎn)企業(yè)加強汽車碰撞安全性的研究，從而不斷提高我幽車輛的碰撞安全性能，
逐步改善我國的汽車道路交通事故乘員傷亡狀況。
1 4國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
汽乍的碰撞安令性問題是世界汽車工業(yè)I圭期以米面臨的’人難題，國外對這
～6～
6
4
2
O
8
6
4
2
0
第一章緒論
一問題的研究已進行了jl哿近一個世紀，30年代即開始采用簡單的實車碰撞試驗，
50年代之后發(fā)展了臺車模擬碰撞試驗，80年代以后發(fā)展了基于碰撞有限元理論的
計算機仿真技術(shù)，目前國外在這一領(lǐng)域的相關(guān)研究大多采用這一技術(shù)Ⅲ，其中，已
進行過的較為典型的整車碰撞計算實例有：
(1) 1993年，英匡l交通研究實驗室(丹冊J口DPm，f徹RPse“MA上d60，口fDrv)
對某～轎車的前撞進行了仿真計算，計算采用c刪y F腳巨型機和
洲s蹲D”“，D動態(tài)非線性有限元計算分析軟件。整車模型由25000個變形單元
組成，計算100 mJ的車輛撞擊響應(yīng)過程，耗時30印村小時。計算得到了車輛撞擊
過程中的加速度變化曲線及車輛的撞擊變形等‘"】。
(2)1995年，美國n耐公司進行了轎車與護欄前撞的仿真計算。計算采用
c列王，G90型巨型機和刪D，n婚商用非線性有限元碰撞分析軟件。整車模型由
31500個節(jié)點、30800個單元組成。單元類型包含有殼單元、實體單元、梁單元以
及非線性彈簧單元等。計算得到了撞擊時儀表板等侵入駕駛室的尺寸、車輛撞擊
變形及車輛中的乘員損傷情況等[15】。
目前，對汽車碰撞安全性的仿真研究涉及面相當廣泛，如車體結(jié)構(gòu)，碰撞保
護措施，人體生物力學(xué)等，具體的求解計算內(nèi)容大致包括兩個方面：①用有限元
方法計算汽車碰撞過程中車身、車架等的變形及動態(tài)響應(yīng)；②用有限元方法或多
剛體動力學(xué)法計算人體(即車內(nèi)乘員)在各種碰撞條件下的響應(yīng)。與這些研究相
關(guān)的最基本也是最復(fù)雜的工作是建立能真實反映實際碰撞狀況的數(shù)學(xué)模型，這些
模型呵分為集中質(zhì)量模型、多剛體系統(tǒng)模型或有限元模型等，每一類模型的建立
要根據(jù)不同的條件以及特定的分析目的，如：
·根據(jù)各種碰撞條件可建立車輛正面碰撞模型、側(cè)面碰撞模型、尾部碰撞模
型或者部件碰撞模型等；
·根據(jù)不同的乘員特征建立各類假人模型；
·根據(jù)人體局部損傷分析的需要建立人體局部結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)模型；
·研究乘員與約束系統(tǒng)碰撞時建電約束系統(tǒng)的模型等。
由_r|汽車碰撞涉及的兩個主要方面即車體和人體，因此，人們常采用如F兩
利·研究模式：即不包含乘員的整車碰掩特性研究與以乘員為卜的．次碰掩特性研
究。但乘員在碰掩過程tp的損傷既受：次m撞特性的影u阿，州時也還受到+次塒
掩性能的影響，因此，對一次眥撞性能的研究足提高汽乍碰撞安全性的璉礎(chǔ)12l。最
新的資料罹示，n木丘家大鋼鐵公卅礦在聯(lián)}進行一種乍體新材料(．干十新的合
一·1—一
第一章緒論
會鋼)的丌發(fā)研究，這種材料的特性是重量輕，但具有良好的撞擊吸能特性(與
應(yīng)變率相關(guān))，能夠適應(yīng)從低速碰撞到高速碰撞的各種撞擊吸能要求【1?。
另外，目前國外對汽車碰撞的仿真研究大多強調(diào)最后的階段，即建立大量有
限單元的整車模型(單元數(shù)從2萬到10萬或更多)，對整車結(jié)構(gòu)進行最終碰撞性
能的校核；然而，在一般車輛的初始設(shè)計階段，可能沒有制作詳細的車輛碰撞校
核模型所需要的信息和時間，因此，簡單化的碰撞仿真設(shè)計方法和手段在實際的
應(yīng)用中更受歡迎，這將是應(yīng)用計算機仿真技術(shù)進行車輛結(jié)構(gòu)碰撞性能設(shè)計的一大
趨勢㈣。
國內(nèi)開展汽車碰撞安全性的研究已是八十年代末期的事情，與國外相比，雖
然起步較晚，但由于有了國外的經(jīng)驗可供借鑒，因此，發(fā)展也相當迅速。
1989年，清華大學(xué)汽車系首先建立了國內(nèi)第一個簡易的實車碰撞試驗臺并進
行了一些探索性的車輛碰撞試驗研究，取得了較好的效果，在國內(nèi)汽車工業(yè)界造
成了一定的影響，隨后，中國汽車技術(shù)研究中心(天津)、東風汽車工程研究院(襄
樊)、交通部公路交通試驗場(北京)以及湖南大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院等單位也
先后建立了汽車碰撞試驗設(shè)施，國內(nèi)的汽車碰撞試驗研究工作蓬勃開展起來，尤
其是在政府部門制定了強制性的汽車碰撞安全法規(guī)后，各汽車生產(chǎn)廠家更是加緊
了對汽車碰撞安全性的設(shè)計與改進研究工作。
在汽車碰撞的仿真研究方面，國內(nèi)近年來也丌展了一些工作，如1997年5月，
清華大學(xué)汽車系裘新等人利用簡化的車輛模型實現(xiàn)了某輕型車的前碰撞仿真模擬
?|；1998年lO月，陡春汽車研究所賈宏波等人完成了“紅旗”牌轎車車身前碰撞
的仿真計算【【?，接著，北京理工：大學(xué)、上海同濟大學(xué)、氏沙湖南大學(xué)等都相繼完
成了轎車車身或轎車整車的碰掩仿真研究工作，這說明我國汽車碰撞的仿真研究
已進入到實用性階段。值得指出的是，湖南大學(xué)等單位關(guān)于機械系統(tǒng)碰撞的計算
機仿真理論和算法研究已達到圍際水平，并開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的汽車碰撞
并行化仿真系統(tǒng)分析軟件，這為我國川：展汽車碰撞的計算機仿真研究奠定了相當
良好的基礎(chǔ)。
總的晚束，由丁固內(nèi)在汽車碰撞安全性這‘領(lǐng)域的研究起步較晚，所做的基
礎(chǔ)研究工作還桐當有限，隨到目前，也還受到計算機軟件、硬什、試驗條件以及
資命投入的限制，岡此，仿真計算中車輛碰掩模型的建立、仿真計算參數(shù)的選擇
以及仿真方法的研究等力。面的]二作有待進一步深入，并且仿真計算的精度及其L
～R～
第一章緒論
程實用性也有待于提高‘【8】，這也是國內(nèi)在汽車碰撞安全性研究領(lǐng)域應(yīng)用計算機仿
真技術(shù)的主要趨勢。
1．5本章小結(jié)
汽車的誕生與發(fā)展在給人類社會帶來無盡的交通方便和快樂的同時，卻因碰
撞的不安全性造成了人類社會大量生命和財產(chǎn)的損失。為了保護碰撞事故中乘員
的生命安全，一方面，世界各汽車工業(yè)發(fā)達國家及我國先后頒布了嚴格的汽車碰
撞安全法規(guī)，通過采用強制手段來促進汽車碰撞安全性的提高；另一方面，從銷
售利益考慮，世界各大汽車生產(chǎn)廠家及相關(guān)的科研機構(gòu)也自覺為汽車的碰撞安全
性研究投資了大量的人力和物力。雖然經(jīng)過長期努力取得的效果是顯著的，但是
直到目前，關(guān)于汽車碰撞安全性的設(shè)計與改進技術(shù)等方面仍然存在許多問題有待
解決，這就需要我們對此作進一步的探討和研究。
～0～
第二章一汽車碰撞安全性設(shè)計理論和方法
第二章汽車碰撞安全性設(shè)計理論和方法
在對汽車的碰撞安全性進行設(shè)計研究時，由于涉及面廣，因此，需要采用的
理論和方法也是多種多樣的，這些理論和方法不僅在過去的一段時間里發(fā)揮過重
要作用，并且也將是我們目前及今后的進一步研究工作中仍需要使用和借鑒的，
因此，本章將對這些理論和方法進行一個較為系統(tǒng)的歸類和總結(jié)，并討論各自的
優(yōu)勢及應(yīng)用環(huán)境。這罩將要討論的方法包括經(jīng)驗法、解析法、多剛體動力學(xué)法、
試驗法以及有限元法等。
2．1經(jīng)驗法
在汽車誕生初期(即十九世紀末和二十世紀初)，人們關(guān)于汽車碰撞時的乘員
保護意識非常淡薄，這是由于當時的汽車數(shù)量相當少、在道路上行駛時的車速也
很低、并且也很少發(fā)生碰撞事故及乘員因此而受損傷的緣故。即使道路上偶爾發(fā)
生一兩起車輛碰撞事故，相關(guān)的汽車設(shè)計研究人員也總是希望能從主動安全的角
度去避免它。
到了二十世紀三卜年代、車輛進入到批量化生產(chǎn)階段時，道路上的車輛數(shù)量
開始急劇增加，汽車碰撞事故及乘員受傷人數(shù)迅速增長起來，這時，一些具有前
瞻性的汽車生產(chǎn)企業(yè)開始關(guān)注起撞車現(xiàn)象，并著手研究對乘員的撞擊保護。由于
初始起步研究階段缺乏相應(yīng)的理論，并且研究受到整個工業(yè)化水平及條件的限制，
因此，研究手段和方法大多只能憑借人們?nèi)粘Ｉ钪械慕?jīng)驗或想象，這種研究可
稱為“經(jīng)驗法”。
關(guān)于“經(jīng)驗法”設(shè)計研究的一個典型的例子足當時對汽車轉(zhuǎn)向柱的設(shè)計與改
進。在汽車的碰撞安全性問題受到人們重視之前的那一段時期，一旦發(fā)生汽車碰
撞事故(這罩主要指車輛面部正而碰撞事故)， ‘個最為突出的訓(xùn)題就是轉(zhuǎn)向機構(gòu)
發(fā)，k較大的向后位移，從而對駕駛員造成致命損傷。針對這一現(xiàn)象，當時的汽車
設(shè)計師們根據(jù)FI常生活的經(jīng)驗設(shè)想，如果撞擊時轉(zhuǎn)向柱能夠較為輕易地被壓縮，
比如用彈簧或鉸接桿束代替川性的直桿，邢么撞擊損傷就可能減輕或避免，這‘
設(shè)想導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向柱結(jié)構(gòu)如圖2．【所示。
第二章～汽車碰撞安全性設(shè)計理論和方法
轉(zhuǎn)向柱
(b]
向盤
圖2．1經(jīng)驗法的沒計實例——轉(zhuǎn)向柱
(a)中置彈簧式；(b)鉸接式
圖2．1(a)所示的中置彈簧式轉(zhuǎn)向柱在受到碰撞時既可被壓縮，同時又具有
一定的緩沖吸能作用，圖2．1(b)所示的鉸接式轉(zhuǎn)向柱能被壓縮，但不具備吸能
能力。
從上例可以看出，這種經(jīng)驗設(shè)計法往往并不需要很深的理淪，但卻是一種創(chuàng)
造。實踐證明，圖2．1所示的轉(zhuǎn)向柱具有比原始設(shè)計更好的碰撞性能。
在隨后的汽車發(fā)展過程中，“經(jīng)驗法”設(shè)計仍然發(fā)揮著它的重要作用，許多結(jié)
構(gòu)上的重大創(chuàng)新往往都是來自人們的“經(jīng)驗”或“靈感”。僅從碰撞安全性設(shè)計方
面來講，就有安全帶、安全氣囊等碰撞安全部件的發(fā)明是直接依據(jù)人們的經(jīng)驗而
得到的，至于現(xiàn)今一些車輛上廣泛使用的能量吸收式轉(zhuǎn)向柱則是在初始經(jīng)驗的基
礎(chǔ)上逐步發(fā)展完善起來的。
值得指出的是，雖然“經(jīng)驗法”是最直接的設(shè)計方法，但是僅僅依據(jù)經(jīng)驗而
作的設(shè)計往往是不完善的，需要再輔以其它方法加以研究，比如工程計算分析，
試驗校核或試驗驗證等，只有這樣才能把人們的直接經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為科學(xué)、實用、可
靠的產(chǎn)品。因此，要發(fā)展汽車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)，除了需要借鑒人們長
期積累的經(jīng)驗外，還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)代的科學(xué)及工程方法。
2．2解析法
一般來說，上節(jié)所討論的“經(jīng)驗法”設(shè)計往往只是一種定性的設(shè)計，在：F程
實際中，定性設(shè)計是基礎(chǔ)，定量分析是具體的實施手段，因此，到了六、七十-年
代，“解析法”丌始被應(yīng)用到汽車碰撞安全性設(shè)汁tj改進中柬，用以計算整車或某
止j車輛部什的撞擊力或撞．十J變形，因為這止j部件或于結(jié)構(gòu)的變形對整車的碰掩安
令性影H向重大。例如，駕駛窄前壁和擋風玻璃立柱的過大變形將導(dǎo)致轉(zhuǎn)向柱突入
乘坐空川；抗扭箱梁過大的掩壓變7眵將引起駕駛竄擱腳板的變形：而其他重要的
～12～
第二章一汽車碰撞安全性設(shè)計理論和方法
量還包括撞壓力，它不應(yīng)超過乘坐室的負荷極限等，這些結(jié)構(gòu)的動力負荷和變形
問題不能僅僅依靠經(jīng)驗而得出，而是需要加以定量分析計算的。
解析法的優(yōu)勢是能夠精確地求解，這是對簡單構(gòu)件而言的，但在當時的條件
下，精確計算汽車前部結(jié)構(gòu)的變形或撞擊力是困難的，可用的方法是對結(jié)構(gòu)采取
一定的簡化和假設(shè)，才能具體地求出汽車在不同條件如撞擊速度、質(zhì)量分布和幾
何形狀下的沖擊響應(yīng)，如汽車質(zhì)量的運動、零部件的撞擊變形歷程和能量吸收等，
從而為設(shè)計提供依據(jù)。
圖2．2所示是一個簡化的車輛模型，它由三個集中質(zhì)量和八個非線性抗力元
件組成，用以分析車輛以初始速度％撞擊障礙物時的車輛前部結(jié)構(gòu)響應(yīng)。
酬2．2汽車止面撞擊障礙物盼解析模型?
M。一車身質(zhì)量；M。一發(fā)動機o』變速器質(zhì)量；M廣橫粱加前懸架的質(zhì)量
R-一抗扭箱梁：R o一前梁；R s一傳幼系：R廣鈑食組件：R i一鈣駛空前壁；R s～散熱器
Ri一發(fā)動機立然鏹塊：R s一變速器殳鞋蚺塊：c-一鈑會組件問睬；c s一十g駛室前壁間隙：c s一散熱器間隙
在圖2．2中，整個車輛的質(zhì)量分成了三大部分，即車身質(zhì)量、發(fā)動機與變速器質(zhì)
量以及橫梁與前懸架的質(zhì)量，其它部分以彈簧和阻尼來代表。對于每個質(zhì)量，僅考慮
一個自由度，即縱向的移動，相應(yīng)的位移6豎標以xl、x：和x，表示。
建立浚模型可用來設(shè)計校核乘坐室|j{『部的撞擊吸能組件，以保證乘坐室在撞擊
過程中不發(fā)，E變形，建模時坩車輛結(jié)構(gòu)所作的假改是：
-1[!|：整個掩i桿過程中，乘‘匹搴始終保持結(jié)構(gòu)的完整性
·汽車對其睡直。p面對稱
第二章一汽車碰撞安全性設(shè)計理論和方法
·忽略汽車的前后顛動、左右擺動和橫向搖動
·結(jié)構(gòu)零部件在靜載荷F的變形模式和動載荷下相同(適用于零部件的慣性力
比其破壞強度小得多的情況)；
·每個抗力元件都是非彈性的，但其卸載——重新加載的路徑則是彈性的。
由于假定結(jié)構(gòu)零部件在靜載荷下的變形模式和動載荷下的相同，因此，可用汽車
結(jié)構(gòu)零部件的靜態(tài)的力一變形特性作為上述模型的輸入來進行求解。
抗力元件的變形定義如下：
△【=xl—x3， △2=x3， △3=z1一x2
△4=xl—o，△5=xI—x2一c5'△6=x2一c6
△7=x2一x3，△s=x2一工】
相應(yīng)的變形率定義為：厶，=魯，／=1，2，?8
一個零部件的動力抗力一般是變形及變形率的函數(shù)，即
‘O)=‘(△，，厶，)，／=l，2，?8 (2．1)
其中f(△，，厶，)是與靜態(tài)的力—位移廠(△，)及變形率厶，有關(guān)的函數(shù)。
對圖2-2所示系統(tǒng)的運動方程，可容易地推導(dǎo)如下：
M。量，=一只一E一‘一E十只
心：量2=E+E一圪一‘一只(2．2)
M3i3=F、一F2七F，
式中，F(xiàn)．由式(2．1)得出。
方程(2．2)的初始條件為：
x：(0)=x：(o)=x，(o)=o
j．(o)=i：(o)=i，(o)=％ (2．3)
式中，K為給定車輛的撞擊速度。
j{要函數(shù)，，為已知，則系統(tǒng)的動力響應(yīng)就IIJ通過求解式(22)和式(2．3)定義
的仞值問題來確定。但抗力元件的力——位移關(guān)系一般是卜分復(fù)雜的，需要借助數(shù)值
～14～
第二章一汽車碰撞安全性設(shè)計理論和方法
方法才能求解。
解析解對于汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計初期的碰撞性能校核是非常必要的，即使只足在一
定假發(fā)與簡化條件下的校核。這里應(yīng)當指出，若要精確預(yù)測汽車與障礙物的撞擊
性能，就需要進行精確的抗力元件撞擊試驗數(shù)據(jù)結(jié)果的收集，并且對于每個零部
件都需要特殊的試驗臺來獲得正確的破壞模式。所謂“『F確的破壞模式”，即是與
實際撞擊相同的破壞模式和順序。為了達到這一點，試驗時合理的約束十分重要。
對于某些抗力元件，如抗扭箱梁(圖2．2中的R1)和前梁(圖2．2中的R2)等，
布置約束并不困難；而對于以翼子板、發(fā)動機罩、護柵總成等組成的鈑金組件(圖
2．2中的＆)，其約束就難以模仿，如果單獨對這些飯金組件進行測試，很可能得
到與實際撞擊不相同的破壞結(jié)果，這時，可采取的辦法是將這些鈑金組件和車架
一起進行試驗，再從測量結(jié)果中扣除車架的影響。
解析法的一個優(yōu)勢是，一旦建立了某一車輛的分析模型，就會給后續(xù)的改進
研究工作帶來很大的方便。比如，通過分析需要改進車輛的某一抗力元件，則只
需重新測量該部件的抗力性能，便可在原有車輛的基礎(chǔ)上，對改進的結(jié)果進行再
評估。
2．3多剛體動力學(xué)法
在關(guān)于汽車碰撞安全性的所有研究中，研究的目的或核心對象都是基于乘
員，即所有的研究都是圍繞著對乘員的保護進行的，因此，對人體本身的碰撞損
傷研究是一個必不可少的研究課題。這類研究包括人體承受外部沖擊能力的研究、
人體的生物力學(xué)特性研究以及碰撞損傷評價指標與方法研究等。
削2 3乘員多剛體系統(tǒng)動力f分析模刑
對乘員的受撞研究始于70年代，目前
比較成熟的或廣泛使用的研究方法是多剛
體動力學(xué)法，該方法以荷蘭國家科學(xué)研究
院(簡稱刀坳)研究丌發(fā)的』糾口，翮軟件為
代表，它基寸二乘員特征、乘坐環(huán)境、約束
系統(tǒng)和碰掩：狀態(tài)建立由鉸連接的多剛體系
統(tǒng)模型，如圖2．3所示，用以進行碰掩受
害肯的運動和動力響應(yīng)計算和分析。
第二章一汽車碰撞安全性設(shè)計理論和方法
在圖2．3中，乘員與乘坐環(huán)境系統(tǒng)由多個剛體所組成，刪口塒p對多剛體系
統(tǒng)的動力學(xué)算法采用達朗伯——拉格朗日方程描述，剛體上任一點(以尸表示)
的位置、速度和加速度分別為(參見圖2．4)：
蓋。=i+i，
蓋，=i+西×i，
賈，=i+畝×i：+面@×i，)
式中，腳為剛體相對于慣性坐標系的轉(zhuǎn)
動角速度。
多剛體動力學(xué)方法以剛體來代表地板、
儀表板、座椅、轉(zhuǎn)向系和假人等，各剛體之
問的相互作用通過接觸來定義，作用力的大
幽2．4多剛體坐標系
小依據(jù)貫穿量和接觸特性來計算。多剛體系統(tǒng)模型的輸入為車輛所承受的撞擊加速度
曲線，輸出結(jié)果為假人各部分的受力、減速度歷程曲線以及傷害指標等。
由于多剛體動力學(xué)方法以剛體來代表分析和受力的對象，因此，它不能直接用來
計算分析車體結(jié)構(gòu)的受撞變形，而只能用來評價乘員在特定碰撞狀態(tài)下的響應(yīng)等，因
此，在車輛碰撞安全陛的設(shè)計與研究中，多剛體動力學(xué)方法僅限于乘員碰撞研究。
2．4試驗法
在關(guān)于汽車碰撞安全性的研究中，最早采用且應(yīng)用時間最長的研究方法當屬
試驗法。試驗法是一種最直接、最客觀的設(shè)計與驗證方法。試驗的目的是為了能
夠再現(xiàn)實際道路上的車輛碰撞事故并對其進行研究，因此，一般都需要建立特定
的碰掩試驗設(shè)施，比如牽引機構(gòu)、障礙壁、電測量系統(tǒng)、高速攝影測量系統(tǒng)以及
專用的測試用假人等，另一方面，從町能發(fā)生的碰撞事故考慮，必須研究各種不
同形式的碰撞，也即碰撞試驗的撞擊形式以及測試內(nèi)容也是多種多樣的，儀實車
一類的碰撞試驗就有實車lF面碰撞(如圖2．5所示)、偏置碰撞、側(cè)面碰撞、追尾
碰掩以及車對車的碰撞等，除此之外，還有零部件的碰撞試驗，如安全帶、安全
氣囊的動態(tài)碰掩試驗(如圖2．6j折示)、座椅、儀表板、轉(zhuǎn)向機構(gòu)以及車輛其它子
結(jié)構(gòu)的動態(tài)試驗等；如果從碰掩試驗的性質(zhì)來分，義可分為法規(guī)碰撞試驗、部件
匹配試驗以及自行丌發(fā)研究試驗等，r可以蛻，試驗法在汽車碰撞安全性的研究領(lǐng)
域內(nèi)應(yīng)用得相當廣泛。
～f6～
第二章一汽車碰撞安全性設(shè)計理論和方法
蚓2 5實車碰撞試驗
(a) (b)
圖2．6部件碰撞試驗
(a)安全帶試驗
(b)新型安全氣囊試驗
總結(jié)起來，碰撞試驗法的作用大致可分為如下三個方而：
(1)對比優(yōu)選
當需要從同一部件的幾種不同設(shè)計方案中選擇‘種設(shè)計方案，或者是對某一設(shè)
計方案進行改進研究時，通過試驗結(jié)果的對比能夠直接達到優(yōu)選方案的目的。因此，
試驗對比法是常用的設(shè)計方法。比如，安全帶或安全氣囊等安全零部件與整車結(jié)構(gòu)的
性能匹配設(shè)計，通常即可由試驗對比法來完成。
(2)安全性評t々
碰撞試驗?zāi)軌蛑苯訙y量出各種撞擊結(jié)果，如人體各部位的加速度值、人體胸
部壓縮變形以及腿部受力等，根據(jù)這些結(jié)果可直接評估某一特定的設(shè)計或修改是
“行”或者“不行”，這塒丁設(shè)計初期的方案確定往往非常重要。試驗評估的內(nèi)容
～17～
第二章一汽車碰撞安全性設(shè)計理論和方法
也可以是多方面的，如結(jié)構(gòu)碰撞變形模式的好或壞，車體撞擊減速度值的高或低
以及人體撞擊傷害指標值的大或小等。
(3)輔助設(shè)計與改進
任何零部件的設(shè)計，都不太可能一次就達到最佳狀態(tài)，對碰撞性能而言更是
如此，設(shè)計的中間過程需要反復(fù)，需要一步步的改進。通過多次的試驗及對試驗
結(jié)果的觀察，可找出設(shè)計中存在的不足或缺陷，從而確定改進的目標或方向，因
此，試驗法是輔助設(shè)計與改進的?種十分有效的方法和手段。
這罩特別需要指出的是，與其它研究領(lǐng)域中的試驗方法不同，汽車碰撞安
全性試驗是一種破壞性的試驗，每一個產(chǎn)品只能試驗一次，不論是車輛零部件、
車身結(jié)構(gòu)還是整車，試驗一次即失去了再利用的價值，所以說，碰撞試驗是一種
昂貴的試錯過程，盡管試驗法具有以上所述的諸多優(yōu)越性，但如果在整個車輛的
碰撞安全性設(shè)計與改進研究過程中都完全依賴于試驗方法的話，則不僅需要花費
大量的時間，更要付出高昂的代價。
2．5有限元法
汽車耐撞性分析
的有限元法是=十世
紀八十年代以后才逐
步發(fā)展和完善起來的
先進技術(shù)，如今已在汽
車工業(yè)發(fā)達國家得到
廣泛的應(yīng)用，并已取得
了巨大的成就。碰撞有
限元方法用于工程實
際分析的‘殷過程如
圖2．7所示。
’j碰掩試驗方法
的不同足，仃限元法是
種數(shù)值方法，分析與
汁算部是矗!計算機L
第二章一汽車碰撞安全性設(shè)計理論和方法
完成，它所具有的優(yōu)勢是方便、快捷并且花費相對低廉，因此在當今的汽車碰撞
安全性研究中占有特殊重要的地位。
與碰撞試驗一樣，碰撞有限元法的應(yīng)用也是一卜分廣泛，如進行整車的碰撞分
析(如圖2．8所示)，部件或結(jié)構(gòu)的碰撞分析、或者是安全帶、安全氣囊與假人的
碰撞作用分析(如圖2．9所示)等，其求解的內(nèi)容可包括車身、車架等的撞擊變
形及動態(tài)響應(yīng)以及人體的碰撞響應(yīng)等多種未知量：求解的結(jié)果可直接用來評價車
輛或部件碰撞安全性能的好壞，以幫助改進結(jié)構(gòu)設(shè)計中的缺陷等。
圖2．8整車碰撞的有限元分析幽2．9安全帶作用分析
由于碰撞有限元分析的工作通過計算機來完成，不會像實際碰撞試驗?zāi)菢訐p
壞任何的實體，并且能夠?qū)Τ跏荚O(shè)計進行快速的評估等，因此，該方法得到的應(yīng)
用越來越廣泛，并且正在逐步取代部分試驗室的工作。
歸納起來，碰撞有限元法所具有的巨大優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)花費低廉，即‘個模型可用來進行無數(shù)次的碰撞而不損壞；
(2)如果結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，只需改動模型中的相關(guān)參數(shù)即叮進行再次的碰撞
分析，這比實體修改后再試驗的過程更方便、快捷，利于多種方案的快速分析和
比較；
(3)不需要任何的測量儀器，就可輸出所需要的撞擊結(jié)果，如某?。結(jié)構(gòu)部位
的撞擊加速度、結(jié)構(gòu)上某一點的位移、結(jié)構(gòu)的變形能以及人體的撞出受力等等，
并}{、有些結(jié)果足試驗無法測至0的；
(4)能夠任意多次地重復(fù)再現(xiàn)各個部件的中問變形過程，方便設(shè)計人員對結(jié)
～1日～
第二章～汽車碰撞安全性設(shè)計理論和方法
構(gòu)的觀察、分析和改進。
需要說明的是，盡管有限元法具有強大的優(yōu)勢和功能，但它并不能脫離試驗
而單獨存在，這是因為一方面，碰撞計算所需要的眾多參數(shù)，如材料特性、部件
連接特性等，都必須由試驗來提供；另一方面，有限元分析受人為因素的影響較
大，如模型的建立，仿真參數(shù)的選擇等可隨分析人員的不同而不同，因此，仿真
計算的結(jié)果一般需要通過試驗加以驗證，只有經(jīng)過驗證的模型才是正確和可用的
模型。
在實際工作中，為了最大限度地發(fā)揮出有限元法的能力與潛力，必須使之與
試驗有機地結(jié)合起來。
2．6本章小結(jié)
本章將汽車碰撞安全性設(shè)計理論和方法進行了簡單分類，目的在于總結(jié)出各
種方法的特點、優(yōu)勢及應(yīng)用環(huán)境。對于一個實際問鼷的研究來說，這些理論和方
法并不是相互獨立的，而是有著不可分割的聯(lián)系，因此，需要根據(jù)具體的情況和
要求靈活與綜合應(yīng)用這些理論和方法，?個完整的設(shè)計過程往往可能是由經(jīng)驗法
提出設(shè)計思想，再由有限元法進行分析計算，最后試制出的產(chǎn)品由試驗進行驗證
或評估，而試驗結(jié)果反過來又可作為多剛體系統(tǒng)模型或解析模型的輸入等，如何
使上述方法有機地結(jié)合起來，同樣也是需要進一步研究和發(fā)展的技術(shù)問題。
～20～
第三章一碰撞有限元基本理論和算法
第三章碰撞有限元基本理論和算法
80年代之前，當有限元法應(yīng)用于汽車的碰撞分析時還只能計算非常簡化的車
輛模型，不僅單元數(shù)量少，而且模型與實體之間差別巨大；80年代之后，隨著有
限元理論和方法的不斷完善和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車碰撞的精確數(shù)值分析
與計算己成了現(xiàn)實，并且正在逐步取代部分試驗室的工作【4]。
汽車碰撞分析的有限元法本身也是一個復(fù)雜的課題，它涉及到眾多的學(xué)科和
領(lǐng)域，尤其足有限元理論、計算數(shù)學(xué)、計算力學(xué)、彈塑性力學(xué)、計算機圖形學(xué)等，
并且這些理論本身也在不斷發(fā)展和完善，本章將從應(yīng)用的角度簡要介紹其中一些
基本理論和有關(guān)算法。
3．1基本理論
3．1．1非線性動態(tài)有限元求解控制方程
汽車碰撞是一個典型的非線性動態(tài)問題，接觸和沖擊載荷毫無例外地影響著
碰撞的整個過程，因此，碰撞仿真計算實際上是涉及一個含未知邊界條件的偏微
分方程的求解，整個運動系統(tǒng)包含了以下各項條件：
(1)運動方程
如圖3．1所示，取初始時刻的質(zhì)點坐標為x庳=1，2，3)，在任意時刻f。，該質(zhì)點的
坐標變化到x，(扣1，2，3)，那么這個質(zhì)點的運動方程是：
x，=z，(Ⅳ，，f) f_1，2，3
在戶O時，仞始條件為：
x，(x，，0)=Ⅳ，
i艄，，0)：F(x。．O) 南㈣
式中，曠為質(zhì)點的初始速度。
～21～
x，0M)
幽3
p ∥ p 啪墮鈣
動日芏】=
第三章一碰撞有限元基本理論和算法
式中，叮Ⅳ為c她喲，應(yīng)力；，為單位質(zhì)量體積力：膏，為質(zhì)點加速度。
(3)質(zhì)量守恒方程
D=jp)
式中，戶為當前質(zhì)量密度，po為初始質(zhì)量密度，t，為密度變化系數(shù)。
(4)邊界條件(參見圖3．2)：
“：面力邊界條件
仃F門』=正(f) 在s1面力邊界上
式中，n，(／=1，2，3)為現(xiàn)時構(gòu)形邊界s1的外法線方向余弦，
F(f_1，2，3)為面力載荷。
6：位移邊界條件
X，(置，f)=K，(})在s2位移邊界上
式中，K，(f)，扛1，2，3是給定位移函數(shù)。
c：滑動接觸面間斷處的跳躍條件
(仃；一盯i)‘，zJ=o當xj=xi，接觸時沿接觸邊界J。
幽3．2
由上述各方程及邊界條件得伽遼會法弱形式的、F衡療’程為
工∽。置一。赫一p‘z眵再d弭J：。(《一丐)·哆萬毛擗上。(％哆一巧矽誓摭o(3．1)
其中，J置在s!邊界上滿足位移邊界條件。
～22～
第三章一碰撞有限元基本理論和算法
蘊黽散霞定理：lyb q61 dy=ls。，n J6 xldS+lpbi一百。一1ni6 x?ds
并注意到分部積分：bF蘇，l，=盯射疵，+盯F反f√
則式(3．1)可改寫成：
6兀=l，p-i16 xldy十0。q6 x√dy—Lp·f16 xtdy—lSITl6 x?dS=o(32)
此即虛功原理的變分列式，其物理意義是：作用在物體上的外力和內(nèi)力的虛
助夕和為零。
3．1．2空間有限元離散
有限元法的基本思想是分塊近似，因此，有限元計算的第一步是必須采用適
當?shù)膯卧獙ξ矬w進行空間離散，從幾何形狀來分，離散單元有實體單元、殼單元
等，本節(jié)以實體單元為例來泌明碰撞有限元分析中物體空間的離散方法，采用其
它類型單元的離散方法可參見相關(guān)文獻。
在用所選擇的單元來離散分析對象時，還要面臨單元階次的選擇問題：即究
竟是采用高階單元還是采用低階單元?一般來說，高階單元具有較高的計算精度，
故早期的有限元分析就曾采用過20節(jié)點的2×2×2高斯積分實體單元，但在工程
實際運算中發(fā)現(xiàn)，高階單元雖能準確計算低頻動力響應(yīng)，但在用于高速碰撞、計
及應(yīng)力波傳遞的動力分析問題時，它的運算速度過低而不能實用。所以現(xiàn)今一般
采用低階單元。實際應(yīng)用研究表明，低階堆元不僅運算速度快，而且其計算精度
也能達到工程實用的要求。
單元內(nèi)任意點的坐標用節(jié)點坐標插值表示為(參見圖3．3)：
8
x，(善，玎，f，f)=Σ中，(孝，町，f)x拋) f_l，2，3(3．3)
J=l
式巾，善，，7，f為自然坐標，xj(f)為f時刻第／商點的坐標值，巾，(掌，玎，f)為單元
的插值形函數(shù)，其表達式為：
1
中，(亭，仉f)=÷(1+亭’善，)(1+印‘卵，)(1十f’f，) u，2l，2，?8
式中，(善，，叩，，f，)為單／i第，常點的自然坐標。
將(3．3)式用矩陣形式表示為：
{x(孝，，7，f，f))=[Jv]{工)8 (3．4)
第三章—碰撞有限元基本理論和算法
上式中，單元內(nèi)任意點坐標矢量缸(掌，77，f，f))7=[x。，x：，屯]
單元節(jié)點坐桐飫量缸)er=防11，硯1，均1，·-∞8，娩8，功8]
插值矩陣為
[Ⅳ(喜臻D】=
巾l O O?呶O 0
o西1 O?o哦0
0 0巾1?0 o呶
node 1 2 3 4 5 6 7 8
f 一1 1 1—1一l 1 1—1
Jr7 —1—1 l l一1—1 l l
f —l一1～1—1 1 1 1 1
圖3_3 8市點實體單元
將(3．4)式代入(3．2)式，則得到以矩陣形式表達的系統(tǒng)運動有限元求解控
制方程：
新=Σ新。=
騫疵8『[t∥7刪蹦8+艫7耐礦一L∥7∥礦一kⅣ7嘲：。?！?’
式中，cb。砂應(yīng)力矢量盯7=b。，仃，，仃=，仃可，％，盯。】
B為應(yīng)變位移矩陣
體力矢量廠7=M，^，六]， 面力矢量，。=[，f，疋，E】，月為單元數(shù)目。
如果將單元質(zhì)最魁!陣m=I，，pⅣ’^w礦的同～行矩陣元素都合并到對危
元素項，則形成集中質(zhì)量矩陣，經(jīng)單元計算并組集后，(3．5)式“，寫成：
出7[朧(，)+F(x，文)一尸(x，f)】_o
或A符(f)=_P(x，f)一F(x，文) (3．6)
第三章一碰撞有限元基本理論和算法
上式中，M為總體質(zhì)量矩陣；i(f)為總體節(jié)點加速度矢量；JP為總體載荷矢量，
由節(jié)點載荷、面力、體力等形成；F為單元應(yīng)力場的等效節(jié)點力矢量(或稱應(yīng)力散度)
組集而成，即：
，=薹。船7 d棚@，，
3．1．3單元計算的單點高斯積分和沙漏控制
在大型工程問題的計算分析中應(yīng)用非線性動態(tài)有限元法時，最大的困難是耗
費機時過多。顯示積分的每一步，單元計算的機時占總耗費機時的主要部分。采
用單點高斯積分的單元計算可以極大地節(jié)省數(shù)據(jù)存儲量和運算次數(shù)。但是單點積
分可能引起零能模式，或稱沙漏模態(tài)(脅“t鮒儺s mD如)。沙漏模態(tài)會引起計算結(jié)
果嚴重失真，使方程求解困難甚至失敗，因此，沙漏模念需要加以人為地控制。
·沙漏模態(tài)的產(chǎn)生
為什么采用單點高斯積分進行單元計算會出現(xiàn)沙漏模態(tài)呢?這是因為：
在顯示有限元算法中，是按時步r=O，出I，△^+△，2，?f，f+出求解運動方
程的：
懈(f)=P(x，f)一F(x，j)
式中，F(xiàn)=ΣL口7口‘d礦
m=I “
單元計算L，7a’d礦時，應(yīng)力增量方·心由應(yīng)變率舌根據(jù)材料本構(gòu)關(guān)系求出，
而應(yīng)變率占與單元速度場i．，i：，量，有關(guān)，即：
÷ ai。． ai， ． ai、
毛2意’ 如。茅’ 吒2意
％=；(魯十魯]， 屯=；(籌+象]，氏=圭(謄+魯]
對r 8節(jié)點六面體單元，其瞥／i內(nèi)任意點的速度分量為：
膏，(善，叩，f，f)=Σm☆(舌，，7，f)量?(，) (3．8)
式巾，形函數(shù)
第三章一碰撞有限元基本理論和算法
o々(f，叩，f)=去(1+善月喜)(1+叩月玎)(1+fkf)
o (3．9)
=；q七號k號七n kq+0，則表示材料處于塑性加載，此時應(yīng)修正有效塑陛應(yīng)變：
一一l
f：p；一口；№；一a；)l 2一仃； s盯”“=￡∥”+△占夠9=s咿”+上三—————i百j1歹_—L
縮小偏應(yīng)力，使之按比例回到新的屈服面上：
s∥=s：一
3G△占易
黔叫№；叫小
并修正屈服面的中心位置：
口；¨=口；+
(1一∥)Ep△5務(wù)
@：一a：)
∽一a；)
黔叫艦叫)]2
(4) 計算，。時刻的應(yīng)力盯：“
盯；“=s；“+0”‘+g聲，
p?“tn㈣
式中，七為體積模囂，礦州和％分別為f。時刻和初始時刻的單元體積，g為人工
體積柚性阻尼。
以L以兩種材料為例討論了材料模型和應(yīng)力修幣的療法，當然，_[程實際中
的材料還有其它很多種類型，在戽i輛碰撞有限冗的計算分析研究中較常用的材料
模型除了【_述兩種以外，還有分段線性塑性模型、粘塑性模型、剛體模型、橡膠
第三章一碰撞有限元基本理論和算法
模型、泡沫模型等，關(guān)于這些材料模型的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及動力問題分析時的應(yīng)力
修『F方法可參考有關(guān)文獻，此處不再贅述。
3．2仿真算法
3 2．1薄殼單元算法
由于汽車結(jié)構(gòu)件大多為薄壁金屬件，需要用薄殼單元來進行空間離散，因此，
薄殼單元的算法尤為重要。在非線性動力問題的研究發(fā)展中，產(chǎn)生了多種薄殼單
元算法，其中以脅侶位s一上拙4節(jié)點四邊形薄殼單元算法和占P帆，c^勛一乃緲4節(jié)點四
邊形薄殼單元算法最為著名，以下對這兩種殼算法分別作一個簡單介紹。
·朊曾曲es七婦薄殼單元
脅砌甜一三脅薄殼單元是由8節(jié)點六面體實體單元退化得到的四節(jié)點四邊形薄
殼單元，適用于大位移、大轉(zhuǎn)動和大應(yīng)變的情況。它滿足薄殼單元的二個基本假
沒：
(1)垂直于中面的線應(yīng)變可以忽略；
(2)與中面平行的截面上法向應(yīng)力可以忽略。
殼單元的自然坐標為善，仉f，如圖3，9(a)所示。f不變的曲面稱為層面，善和
Ⅳ不變的線稱為纖維。
蚓3．9殼咀兀的【：：_I然一＆標’J參考I斫示意H
(a)先單元自然坐標；(b)參考面
(b)
第三章—碰撞有限元基本理論和算法
8節(jié)點六面體實體單元退化成4節(jié)點四邊形殼單元時，每個殼單元節(jié)點對應(yīng)2
個實體單元的節(jié)點，由一根不伸長的纖維連接。這個約束條件使得實體單元2個
節(jié)點的6個自由度退化成殼單元1個節(jié)點5個自由度。在每一時步計算過程中，
該纖維的長度保持不變，但在每一時步計算完成后，又須按節(jié)點橫向纖維方向的
應(yīng)變修改殼單元的厚度。
薄殼單元節(jié)點所在的面稱為參考面，為了接觸界面或加筋殼計算，層面的位
置f：f可以有如下三種選擇，參見圖3，8(b)。
(1)節(jié)點位于殼單元中面(即f=o)；
(2)節(jié)點位于殼單元頂面(即f=1)；
(3)節(jié)點位于殼單元底面(即孑=一1)。
考慮薄殼單元的初始幾何構(gòu)形，任意點位置矢量x偕，叮，f)為：
x(考，77，f)=冤(善，卵)+x(孝，叩，≤)
式中，膏(≠，77)為參考面上對應(yīng)點的位置矢量，i(善，刁)2蚤Ⅳa(善，叩)瓦
x(￡仉f)為過i點且沿纖維方向到x的矢量，x(亭，77，f)2薈Ⅳa(善，叩)Ⅳ。(f)
肖。(f)=z。(f)衛(wèi)。
其中，i。是節(jié)點“的位置矢量；
^v。足與節(jié)點d有關(guān)的二維形狀函數(shù)
z。(f)=Ⅳ+(f)z：+Ⅳ一(f)z：
Ⅳ+(f)=；(1+f)，Ⅳ一(f)2；(1一f)
Ⅳ“2寺(1十善一亭)(1+，7a町)
膏。是_節(jié)點“處沿橫向纖維方向的單位矢量
z。(f)是與節(jié)點a有關(guān)的厚度函數(shù)。
毆Ⅳj和x。，為節(jié)點a f：、F表面的位置矢鞋，則：
瓦：；(1一f)以+；(1+f)彤x“=i Ll一‘，A“十i L11 b J。1。
戈。=(x：一Ⅳ：)“x：一x劉
～36～
第三章—碰撞有限元基本理論和算法
z：=；(1一酬群一桿l|
1 一
z：2寺(1+刮【E一巧
由等參單元的性質(zhì)可知，上述各式中位置矢量用位移矢量代替，可以得到殼
單元運動學(xué)方程：
“(孝，叩，f)=面(舌，77)+U(孝，叩，f)
訂(善，卵)=ΣⅣ。(善，叩)瓦
“=i
4
u(孝，吁，f)=ΣⅣ。(善，叩)u。(f)
式中，“是任意點位移矢量；
西是參考面上對應(yīng)點的位移矢量；
u是“纖維位移矢量”，參見圖3．IO。
薄殼單元的變形構(gòu)形(與坐標y對應(yīng))表示為：
y=p÷Y
y。=x。+甜。
Y=X七U
匕=z。+U。
^ ^ ^
F．=x。+[，。
變彤構(gòu)形參考向
剴3．10變形構(gòu)形位移和位置欠量
溥殼單元的應(yīng)力狀態(tài)是在層面內(nèi)的平面應(yīng)力狀態(tài)，在本構(gòu)關(guān)系運算時必須滿足單
元層面f日J fF應(yīng)力等于零。但是存儲數(shù)據(jù)是在總體坐標系的應(yīng)力值。為此，要建立薄殼
單元層面局部舉標系與總體坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。薄殼單元層面局部坐標系用基矢量
巨，；：，；，表示，其中，j，是唾卣j二薄殼幣元層【麗的法向單f證矢量，見圖3．1l，其算式為：
色=(yf×y。)川J，f×y。
～37～
第三章一碰撞有限元基本理論和算法
§．與a：基矢量與殼單元層面相切，其算式為
毒。=贍州托
82=已3×Pl
幽3．11層面局部坐標系的單位矢量反，5，和；。
層面局部坐標系矢量j到總體坐標系矢量爿的變換為：
量=陋。，占：，邑]爿
用數(shù)值積分計算單元應(yīng)力散度f口7盯．d礦時，在層面內(nèi)(‘=常數(shù))采用單點
JP“
積分(層面形心為積分點位置)，但在殼元厚度方向，可采用2至5個積分點的高
斯積分，或者等距積分點的梯形法則等。
為了保證與層面垂直的法向應(yīng)力值為零，即口，，=0，單元積分點應(yīng)力修正應(yīng)在
局部坐標系統(tǒng)，但存儲數(shù)據(jù)足總體坐標系的應(yīng)力值。
應(yīng)力修正采用婦“mdnH應(yīng)力率％，c白“c砂應(yīng)力對時間的導(dǎo)數(shù)為：
V
6q 20u+olpq+6ioh
任廈力修IFz前，先將f。時刻的應(yīng)力盯?旋轉(zhuǎn)到r一時刻構(gòu)形：
嘭“l(fā)=％”+(％”Q。H：+％～，|。：)出一
再將這個結(jié)果和應(yīng)變率變換到f。時刻的層面局部坐標系：
Zf；1“=R。kRl?艿≯+、
U
2
KlkRi{o kf
蛩j：R焉j臺kt
式‘}7，尺。是總體坐標系和局部坐標系之間的『卜交變換矩陣。
在局RB^坦標系的應(yīng)力修『F為：
第三章碰撞有限元基本理論和算法
∥=乞州+c扯，如“珧一
式中，c。是在局部坐標系的平面應(yīng)力本構(gòu)矩陣。
將在局部坐標系修正后的應(yīng)力轉(zhuǎn)換到總體坐標系，得：
盯“”+1=R時R，，r蒯“+1
由于殼單元在層面內(nèi)采用單點高斯積分，為防止零能模態(tài)，也應(yīng)采用沙漏粘
性阻尼。其算法是：首先計算殼單元上下表面各4個角點的速度分量，再按8節(jié)
點六面體固體單元計算8個角點的沙漏粘性阻尼力分量，最后將這些分量合成為
殼單元4個節(jié)點的阻尼力和阻尼力矩，組集到總體載荷矢量尸里。
·8eiytsch。一jsay薄殼單元
BF咖舾c^D。Bdy薄殼單元是基于薄殼經(jīng)典理論，算法上適合于大位移和大轉(zhuǎn)動，
采用非線性材料模型，多層單點積分和沙漏粘性阻尼的四節(jié)點四邊形非線性薄殼
單元。
(1)幾何形狀和單元局部坐標基矢量
薄殼單元形狀用薄殼中面上單元4個節(jié)點和薄殼厚度r來定義，中面為參考面，
其面上任意點的總體坐標為x4，y”，z“，單元上4個節(jié)點的坐標分別用
(x1，y1，zI??x4，y4，白)來表示。
在中面上任意點的速度為：
H H
礦“={巧?}-礦}
I屹?J PJ
定義單元局部坐標系基矢量：；．和§：為參考面的切向矢量，色為參考面的法
向矢量，即：
占1=毒1×謄2
f為纖維方向，認為它在初始時與；，矢量重合，矢量；．，0：和毛隨單元變形而旋
轉(zhuǎn)，變形時毛與，矢量的夾角小于O．叭。
關(guān)于該局部啦標系璉矢璧；、，§：和j，的求法，此處不存贅述。
(2) 眈舾c肋一7：}緲薄殼雎元的算法
根據(jù)薄殼理論的蝴月講咖假設(shè)，睢元內(nèi)部任意點的速度矢麓礦町以根據(jù)浚點在參考
第三章—碰撞有限元基本理論和算法
礦=礦”一弘×臼
式中，{為該點到參考面的距離。
應(yīng)變速率的旋轉(zhuǎn)分量為：
玩：攀+三孽，ci，：豢一凄似∞ 州W
2小爭等+三》蕓] @m
z缸=警一氳“。：警也
由于單元節(jié)點的位移速度矢量巧、角速度矢量p，和坐標矢量-在求解運動方
程后即可得到，因此，根據(jù)4節(jié)點四邊形單元的雙線性節(jié)點插值，即可求得單元
參考面上任意點的速度矢量礦“、角速度矢量護“和坐標矢量x”，其算式為：
礦?=Ⅳ，(掌，叩)■
p”=Ⅳ，(掌，玎)目， 盧』．2Ji4 (3．18)
x8=Nft{，q)xf
式中，Ⅳ，(孝，77)盧1，2，3，4為雙線性函數(shù)，其列式為：
Ⅳ，(f，叩)2云(1一期一77)
Ⅳ2(孝，77)2i(1+踟一叩)
Ⅳ，(亭，叩)2云(1+踟+77)
Ⅳ4(善，呷)=÷(1一善)(1+叩)
Be≯，Jc^幻一而緲薄殼單元采用分層單點積分，即積分存單元形心沿壁厚積分
點處進行，該處掌=O，玎=O，將(3．18)式代入(3．17)式，經(jīng)過代數(shù)運算得：
護：p。，o，，豺，，2文，嬲?！?
j9}『，0。=B。，曠，，+蘭口l，占。
0。=B：，礦。，一三B：，∥，，
副。=B：，吱，+Bl成+j掃!，舀r B；成) (3．19)
第三章碰撞有限元基本理論和算法
2a。：=Bli審。}+Nfa。!
確v：=B2f驢。i—Ni0。i
和H曙☆eJ一上m薄殼單元‘樣，按照單元材料性質(zhì)的本構(gòu)方程，求得單元局部
坐標系積分點處的應(yīng)力矢量盯。
，=【霞，或，％，吒，屯】
沿板厚方向的應(yīng)力色=0(平面應(yīng)力)。
沿殼元壁厚積分可以求得內(nèi)力和內(nèi)力矩，其算式為：
強=p嬸出
扁?。卵8：2一一fJ}2子d，印。出毖
根據(jù)虛功原理，單元節(jié)點力的虛功等于單元應(yīng)力的虛應(yīng)變能：
硼，“m，“+彤盯^。=L。(躪盯盯7+K躪盯子”V礦(3．20)
熱盯制
。制
障]
盯’={子，}，盯”
kJ
舊1
o’={o，}，o”
【2五掣J
此處K在經(jīng)典Mindlin扳理論中是剪切因子，但Belytscllko—Tsay薄殼單元中
是罰因子，以強制滿足Kirchhoff假設(shè)。
將(3．19)式代入(3．20)式，采用符號巨，=B，，謝，考慮到虛速率和虛角速
度的任意性，可以從等式兩端對應(yīng)項相等得到節(jié)點力和節(jié)點力矩的算式：
f。?=BIi)。+Btlf。v
f。?=B2 7f v+8Iif xv
}zl=K④、?}n+百：l疋1
虬=百必v+百、吼y一會對。
‰={f俞。一吾曲一會醑。：
旃二，=O
～4l～
、●l，J
1l，J
F“
F
；：：
^d．d 鬣陋№
第三章碰撞有限元基本理論和算法
3．2 2接觸—碰撞界面算法
接觸一碰撞計算問題是結(jié)構(gòu)非線性動力分析中的一個重點和難點，而當用于
汽車碰撞問題的計算分析時則更為復(fù)雜，因為汽車碰撞過程中可能存在著多種不
確定的接觸類型，如部件與部件的接觸、部件自身的單面接觸，易變形部件與剛
硬物體的接觸等。另外，接觸過程中還可能會出現(xiàn)穿透、滑動、接觸與分離等等
復(fù)雜情況。關(guān)于接觸一碰撞問題的計算和處理方法有多種多樣，以下以較為常用
的“對稱罰函數(shù)法”為例作一簡單介紹。
·對稱罰函數(shù)法
定義不同結(jié)構(gòu)可能相互接觸的二個表面分別稱為主表面和從表面，主表面上
的單元表面和節(jié)點分別稱為主塊和主節(jié)點，從表面上的單元表面和節(jié)點分別稱為
從塊和從節(jié)點。
對稱罰函數(shù)的原理是：每一時步先檢查各從節(jié)點是否穿透主表面，沒有穿透
則對該從節(jié)點不作任何處理。如果穿透，則在浚從節(jié)點與被穿透主表面之間引入
一個較大的界面接觸力，其大小與穿透深度、主塊剛度成正比，它的物理意義相
當于在從節(jié)點和被穿透主表面之間放置一個法向彈簧，以限制從節(jié)點對主表面的
穿透。對各主節(jié)點的處理與從節(jié)點～樣，因此，稱為對稱罰函數(shù)法。由于該算法
具有對稱性，動量守恒準確、不需要碰撞和釋放條件，因此，很少激起網(wǎng)格沙漏
變形效應(yīng)。下面以對從節(jié)點的處理為例來說明對稱罰函數(shù)法的工作原理。
對任一個從節(jié)點噬的計
算步驟如下：
(1)從節(jié)點肝。搜索，確
定與它最靠近的主節(jié)點
豫(如圖3．12所示)。
t節(jié)點，札周圍的主塊是
S1，S2，S3，S4。
圖3．12從17點1，靠近的土塊
(2)檢查與}三節(jié)點％何關(guān)的所有主塊，確定從釘點忙穿透乒表面時t叮能接觸的
t塊，如圖3．13所示。
第三章碰撞有限元基本理論和算法
若主節(jié)點
塒，與從節(jié)點臻瑪
不重合，那么滿
足下列二個不等
式時，從節(jié)點嚏
可能與主塊S．
接觸，即：
(C，×S)·(S×C。)>O
圖3．13檢查從節(jié)點可能接觸的主塊
式中，c，和C+．矢量是主塊S的兩條邊，從主節(jié)點％向外。
矢量s是矢量g在主表面上的投影矢量，而g是從主節(jié)點佩到從節(jié)點饞的矢量。
S=g一(g·m)m
式中，m=i；妄禹是主塊s的外法線單位矢量。
如果致接近或位于兩個主塊的交線上，上述不等式可能不確定。在這種情況
下，若繡位于兩個主塊的交線c。上，則下述量為極大值：
等凈l，2?
Icf| ^’一
(3)確定從節(jié)點■在主塊s．上可能接觸點c的位置
主塊s．t：任一點的位置矢量，的參數(shù)表示法(參見圖3．14)：
，=／：(f，77)j【+^(孝，叩)f2+六(孝，叩)f3
式中， ，(孝，口)=Σ巾，(亭．可)x，7
o，(亭，叩)=i(1+孝，虧)(1+叩，，7)
～43～
第三章碰撞有限元基本理論和算法
Ⅳ．。是單元第／節(jié)點的薯坐標值
0f。和f3是一、x：和屯坐標軸的單位矢量
圖3．14確定從節(jié)點與主塊接觸點的位置
接觸點c(靠，叩。)的位置必須滿足下列二個方程
罷(靠，玎。)．p—r(昴，％)】_o
d亡
當(品，％)．[f—r(靠，v，)]_o
d玎
上兩式聯(lián)解，可以求得接觸點c的坐標(繭，，％)。
(4)檢查從節(jié)點n。是否穿透主塊
若，=胛，．p—r(古c，叩c)】O，表明從節(jié)點n。沒有穿透卡表斷，則／1i用作任何處理，對從節(jié)點n。的
搜索結(jié)束。
(5)如果從節(jié)點n穿透t塊s，，即，‘
同樣根搠作用與反作用原理，計算對應(yīng)主塊s，卜4個}I，點的摩擦力。
～45～
第三章碰撞有限元基本理論和算法
(7)將接觸力矢量和摩擦力矢量投影到總體坐標軸方向，得到節(jié)點力總體坐標方
向分量，組集到總體載荷矢量P罩。
-剛性墻的設(shè)置
在關(guān)于汽車碰撞安全I生的研究中，實車與障礙墻的碰撞是必須要加以重點研究的
一種碰撞類型。由于障礙墻的剛性遠大于一般車輛的剛性，在碰撞時的變形可忽略不
計(相對于車輛變形來說)，因此，用有限元方法分析碰撞問題時可將障礙墻當作剛性
來對待，稱為“剛性墻”。
在數(shù)學(xué)上，剛性墻可以用一個平面來代表，它的面積可以是有限尺寸或無限擴展
的，如圖315所示。
剛性墻平
閣3 15剛性墻平面與變形物體
車輛與障礙墻的碰撞足一個比較簡單的接觸問題，所有與剛性墻發(fā)生碰撞的
從節(jié)點都不能穿透剛性墻，具體的算法如下：
如圖3．15所示，設(shè)t是任意一個從節(jié)點，唯”“是在局部修改女節(jié)點坐標后的
由矢量H，的起點p到節(jié)點女的位冒矢黽，按下式檢奄從節(jié)點☆是否會穿透剛性墻：
唯腫。·盯Ⅳy8
惰性區(qū)：y 8≥％々>y。
盲點區(qū)： ∥?！?，。
落在相應(yīng)各個區(qū)域的點分別被稱為活性點、惰性點和盲點。
特別需要指出的是一個點的活度對于某一個材料參數(shù)在不同方向上是不同
的，必須要加以區(qū)分。比如有些點在x方向上可能是惰性點但在y方向上卻是活
性點，因此活性區(qū)的劃分要按三個坐標軸分別進行。
4．4材料模型參數(shù)反求實例
實例1：各向同性彈性材料模型
在各向同性彈性材料模型中，經(jīng)常用到的材料模型參數(shù)即彈性模量E和泊松比
u。表4．1給出了在給定初值范圍內(nèi)，不同反求初值下的反求計算結(jié)果，其中彈性
模量E的反求區(qū)f可是(10．00，looO．oo)，單位是GP“，而泊松比u的反求區(qū)間是(0．1，
0．6)。
表4．1不同初值F的反求計算結(jié)果(彈性模量單位為GP口)
序號初值[￡J，E] 反求估計值[u，E]
l [O．1，lO．oo】[0．33000，210．000】
2 [O．5，10．00] [O．33000，2lO．ooO]
3 [O．1，900．00】【0．33003，209．999]
4 [O．5，900．oo】[O．33002，210．ooOJ
從表4．1 IIJ。以看出，在一定的反求區(qū)間內(nèi)，給定的初值對于反求得到的最后結(jié)
果，L乎沒有影響，但反求所消耗的時問足有差異的。對于以L給定的四種不同的
初值，反求過程如圖4 6所示。
第四章一材料模型參數(shù)獲取技術(shù)
迭代步數(shù)
(1a)泊松比反求值變化曲線
迭代步數(shù)
彈
性
模
n目
反
求
估
計
值
彈2
性
模
齲1
反
求
估。
計
值
迭代步數(shù)
迭代步數(shù)
(2a)泊松比反求值變化曲線(2b)彈性模鼙反求值變化曲線
迭代步數(shù)
(3a)泊松比反求值變化曲線
彈
性
模
上土
目
反
求
估
汁
值
～54～
迭代步數(shù)
(3b)撣性模齄反求倩變化曲線
第四章一材料模型參數(shù)獲取技術(shù)
泊
松
比
反
求
估
計
值
迭代步數(shù)
(4a)泊松比反求值變化畸線
彈
性
模
FT 帚
反
求
估
計
值
迭代步數(shù)
(4b)彈性模量反求值變化曲線
幽4．6材料模型參數(shù)反求迭代曲線
對于雙線性材料模型，其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4．7所示
幽4．7烈線性彈塑性席力應(yīng)變曲線
而von Mises屈服準則的屈服應(yīng)力計算如下式
b，一盯，)2+p，～盯二)2+(巴一盯。)2+6r五十6r≥+6r三=2盯，2 (4．Io)
此時主要的材料特性參數(shù)存四個，即彈性模量E、泊松比u、屈服應(yīng)力盯，和
剴向模照E。試驗采I}_}』1018鋼。
為簡化反求過程，提高反求速度和反求結(jié)果的穩(wěn)定性，通常將彈性部分的參
數(shù)和塑性部分的參數(shù)分，I：反求。例如，可先求出彈性部分的參數(shù)，然后rf：}求解塑
一一‘‘～
∞ 屬眼準則一一雙線炷彈塑陛材料模型魄∞ 時∞
盼刪一玉”
第四章一材料模型參數(shù)獲取技術(shù)
性部分的參數(shù)。彈性部分的參數(shù)反求與上面的實例類似，塑性部分的參數(shù)，即屈
服應(yīng)力q和切向模量E，的反求計算結(jié)果如表4-2所示。
表4．2塑性部分參數(shù)的反求計算結(jié)果(單位為A勿d)
序號參數(shù)名初值反求區(qū)問反求估計值
屈服應(yīng)力10．00 [10．oo，450．00] 309．91
1 切向模量50．OO [50．oo，1000．0] 763．68
屈服應(yīng)力10．00 [1 O．00，450．oo] 310．02
2 切向模量l000 OO [50．00，1000．00】762．45
屈
服
極
限
反
求
估
計
值
屈
服
極
限
反
求
估
計
值
材料模型塑性部分的參數(shù)反求迭代過程曲線如圖4．8所示。
迭代步數(shù)
(1a)屈服極限反求值變化曲線
迭代步數(shù)
(2a)刪服十殷限反求值變化曲線
切
向
模
量
反
求
估
計
值
切
向
模
昔
反
求
估
計
倩
迭代步數(shù)
(1b) 切向模量反求值變化曲線
迭代步數(shù)
(2b)切向模吐反求值變化曲線
蚓4 8材料塑性部分的模刪參數(shù)反求過樣曲線
～56～
第四章一材料模型參數(shù)獲取技術(shù)
4．5本章小結(jié)
本章探討了一種與有限元仿真計算相配套的重要技術(shù)，即材料模型參數(shù)的獲
取技術(shù)，該技術(shù)通過利用實測的板料點位移為依據(jù)，綜合運用有限元方法和優(yōu)化
技術(shù)進行反算，從而得到精確的材料模型參數(shù)，為有限元計算結(jié)果的精度和可靠
性提供重要保證。
～57～
爿{丑早一仳俚鎣傘畀拶q厭砜粒越恥
第五章碰撞基本算例及試驗驗證
上一章討論了材料模型參數(shù)的獲耿技術(shù)，它為有限幾計算分析結(jié)果的準確性
和lU‘靠性提供了重要保證。除材料模型參數(shù)之外，I：程問題的碰撞有限元分析還
會涉及到其它一些應(yīng)用中的難點，比如結(jié)構(gòu)焊接的模型化處理、接觸摩擦的處理、
沙漏控制技術(shù)、單元網(wǎng)格尺0以及材料模型的選用等，因此，本章將通過一些基
本的算例來從各個方面對上述問題加以研究和探討。
5．1基本算例與驗證
·算例1——方形截面梁與固定障礙壁的低速碰撞
選擇方形截面梁對固定障礙壁的碰撞進行仿真計算與試驗驗證，該算例主
要用來探討網(wǎng)格尺寸、焊點模型對計算結(jié)果的影響，另外，為了考察建模及計
算方法對不同試件的適用性，文中選用了兩種壁厚的材料同時進行了計算與試
驗驗證。
方形截面梁的截而尺寸為120Ⅲm×1 20 M”，壁厚分別為1卅m和1．5珊m，
梁的長度為450 mm。
方形截面粱所用的材料為低碳鋼，材料參數(shù)為：質(zhì)量密度
p=7．85x103幻／歷3：彈性模量E=2．O×lO“pa；泊松比，=0．3；初始屈
服極限盯。。=3-366×108pa；切線模量巨=1．o×l 06p訂：硬化系數(shù)∥=1．0。
在制作方形截面梁的試驗樣品時，是將薄板彎折并焊接而成的，因此，建
模及計算時考慮了焊邊及焊點，從研究的角度出發(fā)，對模型進行試算的過程中
分別采用了兩種焊接模型，即采用桿單元聯(lián)接法或公用節(jié)』_法，另外，也采用
r／fi同的網(wǎng)格尺寸進行試算。
圖5．1顯示了方形截面的式樣和初始有限元模型及試驗樣品的安裝。
～59～
(b)
第五章碰撞基本算例及試驗驗證
圖5．1方形截面梁的碰撞仿真與試驗驗證
(a)方形截面：(b)定義焊點：
(c)初始模型：(d)樣品安裝
(d)
試算的結(jié)果表明，對于網(wǎng)格參數(shù)，其密度分布及尺寸大小等對結(jié)構(gòu)的變形模
式、節(jié)點速度和加速度等都有直接的影響，較差的計算結(jié)果如圖5．2所示，只有當
網(wǎng)格尺寸與方形截面邊長之比小于一定值時，才能得到較好的計算結(jié)果；對于焊
接的處理，本文用桿單元模擬點焊，用公用節(jié)點法模擬氬弧焊，得到的計算結(jié)果
較好。
圖5．2不準確的計算變形結(jié)果
對碰撞速度為20加砌的情況，較為理想的碰撞仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對
比如圖5．3和圖5．4所示。
～60～
第五章一碰撞基本算例及試驗驗證
(a) (b)
幽5_3 1 0 M"壁厚方形梁的碰撞仿真與試驗對比
(a)仿真計算變形結(jié)果：
(b)碰撞試驗變形結(jié)果
(a) (b)
圖5．4 1．5 mm壁厚方形截面梁的碰撞仿真與試驗對比
(a)仿真計算變形結(jié)果：
(b)碰撞試驗變形結(jié)果
表5．1方形截面梁仿真汁算變形量與試驗變形量的比較
原長變形后長度變形量計算誤差
產(chǎn)1．O 計算模型450朋m 133朋腳317mm 8％
(m用) 試件450卅Ⅲ 105州刪345聊m
戶1．5 計算模型450塒珊338mⅢ 112棚坍9％
(川m) 試件450mm 327m聊123肌m
～6l～
第五章一碰撞基本算例及試驗驗證
從以上的研究得出的結(jié)論是，同靜態(tài)有限元分析不同，碰撞有限元分析中網(wǎng)
格尺U‘及網(wǎng)格的劃分密度分布不只是會對計算結(jié)果精度造成。定的影響，而是有
可能造成整個計算結(jié)果的失真，因此，在實際的應(yīng)用中，必須根據(jù)物體的幾何尺
寸以及可能的變形模式選擇好網(wǎng)格尺寸及網(wǎng)格密度。一般網(wǎng)格的尺寸應(yīng)小于構(gòu)件
最小邊的血分之“，同時，在變形較大的部位，網(wǎng)格應(yīng)相對細密，而剛性較大或
變形較小的部位，網(wǎng)格可相對稀疏。另外，對于不同的焊接形式，需要采用相應(yīng)
的模擬方法，如考慮焊點的失效與不失效等。
·算例2——球體與氣囊的碰撞
本算例描述的是一剛性球(模擬人體頭部)與一預(yù)先已充氣氣囊的碰撞，算例主
要在于檢驗?zāi)卧夹g(shù)和與之相關(guān)的接觸碰撞算法對仿真計算結(jié)果的影響。如今，安
全氣囊是汽車碰撞中的一種重要保護措施，因此，關(guān)于其碰撞過程仿真的研究非常必
要。本算例中的碰撞分兩種形式，即軸對稱自由落體碰撞和擺錘沖擊斜碰撞，氣囊不
設(shè)泄氣孔。用以比較計算與試驗結(jié)果的指標為球體在碰撞過程中的加速度、速度和氣
囊內(nèi)的氣壓變化情況，球體與氣囊的碰撞試驗裝置如圖5．5所示。
矧5 5氣囊碰撞試驗驗證裝置
(a)軸對稱碰撞
(b)擺錘撞擊
～62～
(b)
第五章一碰撞基本算例及試驗驗證
球體與7 i囊的軸對稱碰撞過程仿真如圖j．6所示，計算結(jié)果如圖5．7所示。
‰
Ei
型捌
層
(a)
(d)
(b) (c)
(e) (f)
圖5．6軸對稱碰撞仿真過程
(a)t=600ms (b)t=630ms (c)t=650ms
(d)l_670ms(e)t=690ms (f)t=700ms
(a)
～6j～
第五章一碰撞基本算例及試驗驗證
cP
E
Z
五
—R
出
(b)
(c)
圖5．7球體與氣囊軸對稱碰撞仿真計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果
(a)球體加速度；(b)球體速度：(c)氣囊?guī)讃力
擺錘沖擊碰撞氣囊的仿真過程如圖5．8所示，汁算結(jié)果與試驗測試結(jié)果如圖
～64～
一∞『Ⅲ)^瑙贈
第五章碰撞基本算例及試驗驗證
r迎
Ei
劃心
量
(a)
(d)
(b)
(e)
圖5 8擺錘沖擊碰撞仿真過程
(a)t=1570ms (b)t=1 590ms (c)t=1600ms
(d)t：1610ms (e)t=1620ms (f)t=1630ms
(c)
(f)
時間t(ms)
(a)
～65～
第五章一碰撞基本算例及試驗驗證
岔
E￥
刨剝
pE
Z
琶
式
爛
時間“ms)
(b)
時問t(ms)
(c)
圖5．9擺錘碰撞仿真結(jié)糶‘o試驗測試結(jié)果比較圖
(a)加速度曲線；(b)速度曲線：(c)氣囊樂力曲線
以L研究表H月，氣囊碰掩仿真計算結(jié)果的準確性與氣囊模型建立的車肯度，如
氣建所使用的材料模型、對泄7 L特性描述的準確性等密|；『]相關(guān)。
～66～
第五章～碰撞基本算例及試驗驗證
。算例3——汽車吸麓梁的高速碰撞
本算例描述的是‘個剛性體以15用居的速度撞擊吸能梁，計算和試驗測試指
標為剛性體的撞擊力變化過程。算例主要在于檢驗材料在高速沖擊變形下的應(yīng)變
率效應(yīng)，有限元計算變形結(jié)果如圖5．1 O所示，剛性體撞擊力的計算結(jié)果與試驗測
試結(jié)果如圖5．11所示。
牙剮
iE
o
寫
魯
鼉
鋤
E
圖5．10汽車吸能梁的高速碰撞仿真變形
圖5 1l剛性體撞擊力的仿真計算與試驗測試曲線
——計算曲線；一一一試驗測試曲線
～67～
第五章一碰撞基本算例及試驗驗證
該算例研究表明，對于如低碳鋼一類的材料，其變形抗力是隨著應(yīng)變率的增
加而增加的，尤其是在高速變形的情況下，只有計及應(yīng)變率效應(yīng)才能得到較為精
確的計算結(jié)果。因此，在用有限元法研究該類問題時，必須對此加以重視。
5．2本章小結(jié)
有限元仿真計算分析技術(shù)是目前用來解決關(guān)于碰撞問題的強有力的方法和手
段，但是仿真分析可能存在的缺陷是會產(chǎn)生誤差，甚至結(jié)果錯誤，為了提高仿真
計算的精度及避免仿真計算錯誤的出現(xiàn)，基本算例與試驗驗證的研究相當重要。
本章從碰撞有限元方法應(yīng)用中的幾個難點進行了算例研究，這些難點包括：
材料模型，即如何選擇與實體本身相對應(yīng)的材料模型以及隨碰撞情況而變化的材
料模型；焊點模型，即不僅能夠反映實際的靜態(tài)焊接特性，還要能夠反映動態(tài)的
碰撞脫開、或斷裂、撕裂等特性的焊接模型；沙漏控制技術(shù)，即如何防止不正確
變形模式的出現(xiàn)；接觸碰撞問題的處理，包括不同接觸類型的定義、各種接觸狀
況下的摩擦處理等，這些問題都是實際應(yīng)用中需要加以仔細考慮和注意的。
～68～
第六章一薄壁構(gòu)件的碰撞吸能特性研究
第六章薄壁構(gòu)件的碰撞吸能特性研究
汽車車身結(jié)構(gòu)幾乎都是由薄壁金屬件構(gòu)成的，在發(fā)生碰撞時，受到強烈撞擊
的薄壁構(gòu)件會發(fā)生塑性變形，這種塑性變形本身伴隨著撞擊能量的吸收，因此，
要想使車輛具有較好的碰撞吸能特性，首先必須對薄壁構(gòu)件的碰撞變形吸能進行
研究，即通過合理的設(shè)計，使得汽車結(jié)構(gòu)本身成為在碰撞中幫助保護乘員的經(jīng)濟
而有效的撞擊吸能裝置。
薄壁構(gòu)件的碰撞吸能特性同許多因素有關(guān)，本章將從焊點、壁厚、橫截面及
預(yù)變形等幾個主要的方面進行討論。
6．1焊點與吸能
薄壁構(gòu)件的形成是通過對金屬薄板進行沖壓、彎折等冷加工變形后，再通過
焊點(點焊)連接而構(gòu)成的，雖然焊點本身并不具備吸收撞擊能量的能力，但在
碰撞過程中，焊點有可能會脫開(即焊點失效)，從而影響薄壁構(gòu)件對撞擊能量的
吸收。
考察如圖6．1所示的兩根薄壁梁，它們唯一的區(qū)別是焊點不同，給定臺車同
樣的碰撞初速度(v=25t彬A)，兩者碰撞變形的結(jié)果如圖6．2所示，其中圖a所示
的薄壁梁在碰撞過程中出現(xiàn)了焊點開裂，梁發(fā)生彎折變形，臺車撞擊加速度峰值
較高(圖6．3a所示)；圖b所示的薄壁梁在碰撞時未出現(xiàn)焊點開裂，變形模式為皺
褶變形，故臺車撞擊加速度峰值較低(圖6．3b所示)。
(b)
幽6．1焊接構(gòu)成的薄壁梁
(a)焊點較弱的薄壁粱；(b)焊點較強的薄壁粱
～69～
第六章一薄壁構(gòu)件的碰撞吸能特性研究
(a)焊點開裂，彎折變形
9
倒
刑
寰佰
剿
(b)焊點未開裂，壓縮變形
圖6．2薄壁梁的碰撞變形結(jié)果
10 20
時間／(ms)
對應(yīng)于焊點開裂梁的撞擊加速度曲線
30
O 10 20
時間／(m由
(b)對應(yīng)于焊點朱開裂梁的撞擊加速度曲線
圖6．3臺車撞擊加速度曲線
～70～
30
∞
如
m
O
如
^蜀)＼毯煅器怕輟
㈨
0
∞
∞
m
O
加
第六章一薄壁構(gòu)件的碰撞吸能特性研究
在設(shè)計碰撞吸能用的薄壁構(gòu)件時，為了不影響其撞擊吸能特性，應(yīng)盡量避免焊點
在碰撞的過程中脫丌。一般情況下，焊點的開裂與以下因素有關(guān)：
(1) 焊接強度：它包括法向拉脫力J。與切向拉脫力黑，如圖6．4所示，當焊點
實際的受力與s。及足滿足一定的關(guān)系時，焊點就會開裂；
(2) 焊接型式：焊接型式主要是指焊沿的型式，不同的焊沿將導(dǎo)致截面承受碰撞
的能力各不相同，例如圖6．5所示一司一種方形截面可以有六種(或更多)的焊接型式，假定
型式(a)承受碰撞的能力(指碰撞力值)為1，則型式(b)將為1．35，而型式(f)
為1．05f81
(3) 焊點的疏密程摩．
．互歲“
(b)
‘8’
圖6．4
(a)焊點法向拉脫力
(b)焊點切向拉脫力
口
(&amp;amp;)
丑-口口
《d) (蔣) 《f)
圖6．5不同焊接形式的方形截面
碰撞有限元分析可以較為精確地預(yù)測焊點在碰撞時的開裂狀態(tài)，對于點焊
采用如下的失效判據(jù)準則：
㈣+科≥， 缸t，
式中，S。，s。分別為焊點失效的法向力和切向力，其數(shù)值由實驗測得；"，m為指
數(shù)值，六，六為焊點實際承受的法向力與切向力。
對于對焊，分為以下兩種情況：
(1)對于塑|生失效，失效時的有效塑性應(yīng)變占向，，’=c(c為給定值)
(2)對于脆性失效，失效條件為：
∥√仃。2+3(“2+02)≥口，
～71～
(6_2)
9 口
爭
第六章一薄壁構(gòu)件的碰撞吸能特性研究
式中，盯。為法向應(yīng)力，f。為沿焊縫方向的剪切應(yīng)力，f，為垂直于焊縫方向的剪切
應(yīng)力，聽為給定失效應(yīng)力，盧為經(jīng)驗系數(shù)。
對于一些實際中的特定情況，比如焊接型式、焊點的疏密程度以及焊接強度本身
都不可能朝更有利的方向改進時，還可從焊點的布置上加以考慮，即盡可能地將焊點
布置在構(gòu)件變形時的拉應(yīng)力與剪切力較小的位置，如對于直梁件的皺褶壓縮變形來說，
焊點的理想布置位置是變形皺褶的波峰與波谷之問的平衡處，而直梁件的變形波長則
可通過仿真計算進行預(yù)測。
6．2壁厚與吸能
薄壁構(gòu)件的壁厚與碰撞吸能是直接相關(guān)的，對于同樣程度的變形，變形所吸
收的能量與壁厚之間是指數(shù)增長的關(guān)系，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，壁厚的選擇必須與實際
情況相適應(yīng)，壁厚太薄容易變形，但可能不具備足夠的吸能能力，而壁厚過厚又
不易變形吸能。
圖6．6所示是通過壁厚優(yōu)化達到理想撞擊吸能的一個實例，它描述的物理意
義是：利用豎直放置的一塊平板吸收臺車的撞擊動能，其中平板厚度是影響撞擊
吸能特性的主要因素。通過碰撞有限元仿真計算，可得到較為理想的平板厚度。
圖6．7顯示了對應(yīng)于兩種不同厚度平板時的臺車撞擊加速度曲線，其中20 mm厚
平板的碰撞吸能持續(xù)時間為48 ms，相應(yīng)的撞擊加速度值較高；而15 mm厚平板
的碰撞持續(xù)時問為68 ms，相應(yīng)的撞擊加速度值較低。
(a)平板的受撞仿真(b)甲板的受撞變形
幽6．6平板的受撞仿真與實際碰撞變形
～72～
第六章一薄壁構(gòu)件的碰撞吸能特性研究
包￥
削刪星
啊
趔
0 4 8 12 16∞烈勰笠鲞40 44 48立
時間／(越審
(a)對應(yīng)于2 0 mm厚平板的撞擊加速度
時間／(ms)
(b)對應(yīng)于17nm厚平板的撞擊加速度
圖6．7臺車撞擊加速度曲線
從上例可以看出，壁厚對碰撞變形吸能特性的影響有兩個方面：一是碰撞所產(chǎn)生
的最大阻力不同；二是緩沖吸能時問的長短不同。這兩點造成了不同壁厚薄壁構(gòu)件的
碰撞吸能特性差異。在汽車薄壁構(gòu)件的碰撞性能設(shè)計中，可充分利用上述特點來優(yōu)化
選擇合適的壁厚。當然，汽車薄壁構(gòu)件的壁厚還要受到其它方面的要求限制，比如重
量限制、制造工藝限制等，設(shè)計的方法是在規(guī)定的壁厚范圍之內(nèi)進行優(yōu)化選擇。
～73～
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第六章一薄壁構(gòu)件的碰撞吸能特性研究
6．3橫截面與吸能
汽車結(jié)構(gòu)中包含的薄壁構(gòu)件除了如發(fā)動機罩、翼子板等板件外，還包含有重
要的承載及碰撞吸能用直梁件，比如前縱梁。直梁件可以有各種不同形狀的橫截
面，對于汽車碰撞安全性的設(shè)計來說，橫截面是需要考慮的另一個熏要因素，因
為不同的橫截面將可能導(dǎo)致直梁件的碰撞吸能水平不同。
以規(guī)則形狀的橫截面為例，同是直梁件就可以有如圖6．8所示的5種橫截面，雖然
這些橫截面具有相同的周邊長，但它們所導(dǎo)致的碰撞特性不同。文獻[8]對這些橫截
面梁的碰撞力進行了對比研究，研究結(jié)果如表6．1所示。
百長蕁3 o◇o
圖6．8不同形狀的橫截面
表6．1各種橫截面梁的碰撞力(相對于截面型式a的比值)
}截面形式a b C d e
l碰撞力值100％ 69％ 107％ 114％ 115％
從上表的數(shù)據(jù)可以看出，不同的截面型式導(dǎo)致梁承受碰
撞的能力各不相同，最大與最小的差別達到了1．7倍。因此，
在設(shè)計薄壁直梁件的碰撞性能時，可以根據(jù)需要從橫截面的
形狀加以考慮，即如果需要提高直梁件的碰撞力，可以采用
圖6．8(e)所示的橫截面，而如果需要降低碰撞力的話，則
可采用圖6．8(b)所示的橫截面。
當然，實際車輛結(jié)構(gòu)之中的直梁件，其橫截面的形狀幽6．9前縱粱橫截面實例
可能比圖6．8所示的各種形狀要復(fù)雜得多，圖6．9所示就是
一個車輛前縱梁的橫截面實例，對該前縱梁的碰撞研究表明，改變圖中所示的各個尺
寸參數(shù)，梁的碰撞變形及吸能水平都會發(fā)生一定的變化，因此可以說，橫截面是與碰
撞吸能緊密相關(guān)的又一個重要參量。
～74～
第六章一薄壁構(gòu)件的碰撞吸能特性研究
6．4預(yù)變形與吸能
一般來講，薄壁構(gòu)件在受到碰撞時的變形模式往往根據(jù)邊界條件、載荷條件
以及約束條件的不同而不同，變形的模式可表現(xiàn)為彎折變形、翹曲變形或者皺褶
壓縮變形等，其示意圖如圖6．10所示。?碰撞前
——碰撞后
劊一爿刊
(c)
圖6．10直梁件碰撞變形模式
(a)中部彎折；(b)根部彎折；(c)皺褶壓縮
很明顯，在以上的幾種變
形模式當中，只有皺褶壓縮的
變形量最大，最利于吸收碰撞
能量，因此，皺褶壓縮是薄壁
構(gòu)件(尤其是薄壁直梁件)碰
撞吸能設(shè)計時的一個設(shè)計目標
和方向。
如何使薄壁構(gòu)件(尤其是
薄壁直梁件)在碰撞時自動地
發(fā)生皺褶變形是一個值得研
究的課題。經(jīng)驗表明，當結(jié)構(gòu)
的某些部位相對于其它部位明顯
較弱時，結(jié)構(gòu)就會首先在弱化部
位發(fā)生皺褶屈曲，從而導(dǎo)致整體
發(fā)生皺褶變形。根據(jù)該原理發(fā)展
(b) (c)
圈6．11結(jié)構(gòu)弱化示意
(a)原始粱；(b)腹板弱化；(c)腹板弱化剖面
(d)邊緣弱化；(e)邊緣弱化剖面
了一種所謂的“預(yù)變形技術(shù)”，即通過人工的方法預(yù)先使結(jié)構(gòu)的某些部位弱化或強
～75～
第六章一薄壁構(gòu)件的碰撞吸能特性研究
化，從而引導(dǎo)結(jié)構(gòu)在碰撞時朝著皺褶壓縮的方向發(fā)展。
圖6．1l顯示了對一根薄壁梁的兩種弱化方式。
從以上的討論可以看出，影響薄壁構(gòu)件碰撞性能的因素是多方面的，為了達到理
想的碰撞吸能目的，除了需要考慮預(yù)變形的部位及預(yù)變形的方式外，I司時還需綜合考
慮其它的因素，比如壁厚與橫截面的形狀、局部部位的加強等。文獻[21]通過碰撞
仿真分析方法，以圖6．12所示的s形梁為研究對象，對各種因素的影響進行了較為綜
合的研究，得到的結(jié)果如表6．2所示。
圖6．12 S形梁
表6．2各種弱化與加強方式下的碰撞能量吸收對比＼ 邊緣弱化腹板弱化加強板厚能量吸收
原始狀態(tài)1．oo
1 0．75 1．02
2 1．50 1．52
3 ?？?．88
4 。_7r爿1．60 1．1
5 。_7r一[===丁]
O．9
6 ?？痆===丁] 0．7 1．00
7 ?？痆二==]] 1．00 1．51
8 。剝[==二丁] 1．6 1．7l
9 n；魯1．04
～76～
第六章一薄壁構(gòu)件的碰撞吸能特性研究
從上表的數(shù)據(jù)可以看出，預(yù)變形既能提高部件的撞擊能量吸收水平，同時也可能
起到相反的作用，因此，設(shè)計時需要對結(jié)構(gòu)進行認真的觀察和細致的分析，并在可行
的基礎(chǔ)上，同時采取其它相應(yīng)的措施。當然，對構(gòu)件采取預(yù)變形技術(shù)時，一個前提條
件是不能影響構(gòu)件發(fā)揮正常的作用或功能，如支撐或承載作用，關(guān)于這一點，可通過
一般的有限元分析方法進行校核。
6．5本章小結(jié)
薄壁構(gòu)件是汽車車身的主要組成部分，它們除了作為外覆蓋件及承載構(gòu)件外，
還可在車輛發(fā)生碰撞時作為一種有效的撞擊吸能衰減裝置，因此，汽車上薄壁構(gòu)
件的設(shè)計必須從多個方面進行優(yōu)化。本章討論了與薄壁構(gòu)件碰撞特性密切相關(guān)的
幾個因素，即焊點、壁厚、橫截面及預(yù)變形等。對于汽車的碰撞安全性來說，為
了使薄壁構(gòu)件在承受碰撞時具有較好的碰撞吸能水平，首先必須保證焊點不丌裂，
這可從焊點密度、焊接強度以及焊點的位置布置等方面進行考慮；其次，對于薄
壁構(gòu)件的壁厚或者直梁件的橫截面等應(yīng)根據(jù)具體情況進行優(yōu)化，因為，對于同等
程度的變形，變形能與壁厚之間呈指數(shù)增長的關(guān)系，或者隨橫截面的不同而存在
較大差別，橫截面不同，變形抗力也不同；最終一項關(guān)鍵的技術(shù)是預(yù)變形技術(shù)，
對構(gòu)件采用預(yù)變形是為了得到較好的碰撞變形模式，降低碰撞力峰值，并提高構(gòu)
件的吸能水平，但預(yù)變形的方式以及預(yù)變形部位等也是需要加于考慮的，否則也
可能起到相反的效果。
在實際的車輛設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)具體情況，對這些因素加以綜合考慮和靈活運
用。當然，薄壁構(gòu)件本身所使用的材料也是與構(gòu)件的碰撞吸能特性緊密相關(guān)的，
關(guān)于車身結(jié)構(gòu)碰撞吸能用材料的研究也是汽車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)中的一
個重要方面。
第七章一汽車安全部件的碰撞性能設(shè)計
第七章汽車安全部件的碰撞性能設(shè)計
當汽車發(fā)生強烈的碰撞時，確保司乘人員生命安全的兩個必要條件是：車輛
既具有較好的一次撞擊特性，同時又具有較好的車內(nèi)二次撞擊特性。其中，一次
撞擊性能的好壞主要取決于車身薄壁構(gòu)件的碰撞變形吸能情況，而車內(nèi)二次撞擊
性能的好壞則主要取決于乘坐室內(nèi)的相關(guān)部件。一般情況下，二次撞擊發(fā)生最普
遍同時也是最嚴重的情況當屬駕駛員與轉(zhuǎn)向機構(gòu)的碰撞，因此，本章將討論與二
次碰撞密切相關(guān)的汽車安全部件的設(shè)計技術(shù)，主要涉及轉(zhuǎn)向機構(gòu)、安全氣囊等。
7．1轉(zhuǎn)向機構(gòu)的碰撞性能設(shè)計
7．1．1轉(zhuǎn)向機構(gòu)與碰撞安全l陛
當車輛發(fā)生前部碰撞時，駕駛員極易與轉(zhuǎn)向機構(gòu)發(fā)生二次碰撞。長期以來，
關(guān)于汽車碰撞事故的調(diào)查統(tǒng)計表明，轉(zhuǎn)向機構(gòu)是一個致傷率極高的部件。文獻[42]
調(diào)查了美國80年代中期發(fā)生的汽車碰撞事故，得出了致傷駕駛員的車輛部件、駕
駛員受傷部位咀及由于不同乘坐位置而引起傷害的統(tǒng)計分布比例圖(參見圖7．1)，
圖中數(shù)據(jù)清楚地表明了轉(zhuǎn)向機構(gòu)是一個嚴重的碰撞傷害源。
風
其
側(cè)門8％
駕駛員損傷由不同乘坐位置引起的損傷
致傷源不同部何受傷兒率
圖7 1致傷駕駛員部什、{g駛員受傷部位以及由不同乘坐位置而受傷的統(tǒng)計分布比例圖[“
～79～
6％
第七章一汽車安全部件的碰撞性能設(shè)計
7．1．2轉(zhuǎn)向機構(gòu)與碰撞吸能
(1)轉(zhuǎn)向柱及套管的撞擊吸能
從汽車誕生直至60年代，汽車工程師們對轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計只是著眼于其完成
轉(zhuǎn)向駕駛的功能，早期(30年代)也曾出現(xiàn)過可壓縮式的轉(zhuǎn)向柱專利，但并未引
起人們的注意，因為當時還缺乏碰撞保護的意識。
當60年代在美國發(fā)生的汽車交通事故造成了大量乘員傷亡的時候，撞車傷亡
現(xiàn)象引起了美國公眾的恐慌，“汽車碰撞乘員保護”意識開始受到重視，此時誕生
了安全帶等碰撞約束部件，并且轉(zhuǎn)向柱的受撞特性也受到關(guān)注。人們開始設(shè)計吸
能式轉(zhuǎn)向柱，初始的設(shè)計方法是將轉(zhuǎn)向柱的局部區(qū)域進行弱化，以使其在撞擊時
發(fā)生塑性變形，達到減輕撞擊的目的，但是綜合試驗表明，這種弱化設(shè)計不能滿
足轉(zhuǎn)向疲勞壽命的要求H”。
對轉(zhuǎn)向柱的撞擊吸能研究經(jīng)過了一段時間之后，汽車設(shè)計工程師們把目光轉(zhuǎn)
向了轉(zhuǎn)向柱套管，這是考慮到轉(zhuǎn)向柱本身的作用是動態(tài)操縱轉(zhuǎn)向，而套管卻僅僅
只起著靜態(tài)支撐的作用，因此，讓套管在碰撞時變形吸能是一個合理的任務(wù)分配
和選擇。這種設(shè)計思想導(dǎo)致了許多種類型的可壓潰式吸能套管結(jié)構(gòu)，但是壓潰吸
能方式同樣又會引起其。彥方面不可克服的缺陷04“。
既然壓潰吸能方式在轉(zhuǎn)向柱及轉(zhuǎn)向柱套管上的應(yīng)用被證明是不可行的，那么，
進一步的設(shè)計研究是必須從吸能原理上對其進行改變。
圖7．2所示
是一種從吸能
原理上進行了
改進的套管結(jié)
構(gòu)，它采用的是
摩擦阻尼吸能
上套筒連接鋼球塑料支架
的方式。其咔‘，套筒被分成
幽7．2采剛岸擦阻尼ft能的轉(zhuǎn)向托套管
了E、F兩個部分，世即f：
F套筒，它們由嵌在塑料支撐架上的鋼球連接，鋼球通過過盈配合被擠入到I二、
Ii套筒之問。山于塑料支撐架有‘定的寬度，并LL在f倚后同一軸線方向有兩個鋼
～80～
第七章一汽車安全部件的碰撞性能設(shè)計
球，因此，上、下套筒總成有一定的抗彎剛度。
在套筒受到碰撞時，上、F套筒被壓縮，鋼球的作用是使筒壁表面被擠壓變
形，產(chǎn)生運動摩擦而吸能。
(2)方向盤的撞擊吸能
相對于轉(zhuǎn)向柱來說，方向盤的受撞特性對駕駛員的保護意義更為重要，因為
發(fā)生碰撞時，駕駛員直接撞擊到的是方向箍，駕駛員受傷害的危險性與接觸方向
盤時撞擊力的位置、分布及大小都有關(guān)。
同轉(zhuǎn)向柱及轉(zhuǎn)向套管一樣，對方向盤的撞擊吸能設(shè)計也是經(jīng)歷了一個從無到
有的發(fā)展過程。早期車輛的方向盤未作吸能設(shè)計考慮，采用的是很硬的輻條和輪
緣，結(jié)果在碰撞時對駕駛員的傷害很大。
在隨后的設(shè)計中采用了較軟的輪緣，以使其在駕駛員的撞擊下發(fā)生彎曲變形，
達到減輕撞擊的目的，但實際使用情況以及相關(guān)的試驗研究表明，撞擊時部分輪
緣的彎曲反而使得駕駛員接觸受力面積變小，駕駛員受傷害的危險性變得更大。
由于方向盤骨架本身具備的吸能潛力較低，因此，需要通過附加吸能元件來
提高吸能水平，考慮到駕駛員與方向盤可能發(fā)生撞擊的多種形式，附加吸能元件
的理想撞擊變形應(yīng)如圖7．3所示。
(a)初始狀態(tài)(b)軸向壓縮變形(c)偏置壓縮變形(d)切向受力變形
圖7．3帶吸能塊方向盤的理想受力作_}=}j變形示意圖
7．1．3轉(zhuǎn)向機構(gòu)的碰撞仿真設(shè)計
(1)轉(zhuǎn)向柱套管的受撞仿真
在采用有限元方法對圖7．2所示的轉(zhuǎn)向柱套管進行碰撞仿真分析時，如何處理鋼
球的作用是一個關(guān)鍵。如果同其它部分‘樣，由細密單元來描述鋼球的形狀，并且定
第七章一汽車安全部件的碰撞性能設(shè)計
義接觸，是可以準確地模擬鋼球與筒壁的相互作用的。但是，這種處理方法必須采用
局部細分網(wǎng)格，一方面會使計算極限時步長大大降低；另一方面，由于鋼球較硬，在
接觸處理時一般作為主面，網(wǎng)格尺寸太小會使計算發(fā)生困難。因此，本文采用“波紋
約束力”方法。所謂“波紋約束力”方法，即是將鋼球當作運動約束來處理。這與實
際的物理性質(zhì)是相當?shù)?，因為當套管受到撞擊而滑動時，將會在鋼球處產(chǎn)生運動阻力F，
它包括微小彎曲引起的阻力R刪豫和摩擦引起的阻力易?？В矗?
F2F嚏。m—FFkh。n
上式中，j％砌。=ⅣE。耐
∥一摩擦系數(shù)，
B。刪—正壓力。
為檢驗上述方法的可行性，本文進行了模擬計算，算例描述的是一塊剛性平板(質(zhì)
量約為30括)，以一定的初速度撞擊圖7．2所示結(jié)構(gòu)的套管，有限元模型的初始狀態(tài)及
8椰時刻的變形結(jié)果如圖7．4所示。
當仿真計算用于實際的設(shè)計中時，需要注意的一個問題是，考慮到保護撞擊
物體(即駕駛員)，套管的最大軸向碰撞力必須進行限制，設(shè)為心。，同時套管能
移動的距離也受一個空間尺寸的限制，設(shè)為k，，這兩個參數(shù)決定了套管能吸收的
最大能量為，o·厶。。在實際的碰撞過程中，套管吸收的能量大約等于尸·S(，為
鋼球產(chǎn)生的運動阻力，占為套管移動的距離)，影響，和占的結(jié)構(gòu)參數(shù)有：套管材
料、直徑、鋼球的大小及數(shù)量等，通過仿真計算，能夠得到這些所需的結(jié)構(gòu)設(shè)計
參數(shù)。
(a)模型初始狀態(tài)(b)8ms時刻的變形位移
圖7．4平板撞擊吸能套管的仿真計算
～82～
第七章—汽車安全部件的碰撞性能設(shè)計
(2)方向盤的受撞仿真
在實際的車輛碰撞事故中，駕駛員與方向盤發(fā)生接觸碰撞的身體部位大多為頭部
或胸部，其中，頭部一般會撞擊到方向盤的中心或輪緣，而胸部只可能與輪緣發(fā)生接
觸。本文在對圖7．3所示的方向盤進行受撞仿真時，模擬頭部撞擊的情形采用了近似
人體頭部的半球作為撞擊物體；而模擬胸部的撞擊則采用了平板作為撞擊物體。
方向盤與撞擊物體的模型以及受撞變形如下圖(圖7．5)所示，研究表明，吸能元
件的結(jié)構(gòu)型式與材料是決定方向盤受撞特性的關(guān)鍵，通過仿真分析可快速評價各種結(jié)
構(gòu)型式與材料的吸能效果。
(a) (b)
i、、_、_、7、、＼
黲_。、_～’≥
(d)
圖7．5 吸能方向盤模型的撞擊模擬
(a)初始狀態(tài)； (b)正碰壓縮；
(c)偏置碰撞樂縮；(d)切向碰撞
7．1．4吸能方向盤的設(shè)計實例
本節(jié)結(jié)合‘個具體的生產(chǎn)實際，進行了方向盤的撞擊吸能設(shè)計研究。
～83～
第七章一汽車安全部件的碰撞性能設(shè)計
考慮到人體與方向盤發(fā)生撞擊時的耐受性，本文根據(jù)前文所述的碰撞性能設(shè)計方
法，提出了一種在基本方框架結(jié)構(gòu)上進行弱化的設(shè)計方案，圖7．6顯示了基本框架和
其中的兩種弱化方案示意圖，仿真分析后制作出的樣品實物如圖7．7所示。
(a)摹本框架(b)設(shè)計方案之(c)設(shè)計方案
圈7 6框架吸能塊結(jié)構(gòu)示意幽
幽7．7方向盤內(nèi)吸能塊結(jié)構(gòu)實物樣品
實物方向盤的撞擊陛能檢驗試驗方法是：采用內(nèi)裝加速度傳感器的球體作為撞擊
物體，方向盤【鴦f定于臺面上，球體由某一高處自由落下，通過調(diào)節(jié)球體的下落高度來
給定不同的撞擊速度，試驗情況如圖7．8所示。
試驗?zāi)M了兩種撞擊隋況，即頭部撞擊劍方向盤的中心和頭部撞擊到方向盤的輪
緣，試驗t要測量球體的撞擊加速度，測試結(jié)果如圖7．9所示。
～84～
第七章一汽車安全部件的碰撞陛能設(shè)計
(a)球體r落(b)撞擊方向盤中心
(c)球體回彈(d)球體撞擊輪緣
圖7．8 吸能方向盤的撞擊試驗
1#試件(v=8m／s)
3#試件(v=8f11，s)
垂燧鏟r————————————一
遵弒。尹三
戮弘} 一n一?／
淤＼∥＼ ，
i；{：孰磚魄#斗I～÷一j．一j!～j：蕊≤＼：1：／：：。。i?j“，jj?
量蓐萼毫_ *∽。_ “》，柚i=一m一
蠢疊．璺貶童．^．__塾魎譬：愛她墼三．塑墜j。．理：塑___．_
2#試件(v=8耐s)
～85～
4#試什(v=8m／s)
第七章—汽車安全部件的碰撞性能設(shè)計
!，磐!：堂!：喲．!一瞪．j艘
5#試件(v=8m／s) 6#試件(v=8州s)
圖7．9對應(yīng)于不同試件的球體撞擊加速度曲線
試驗結(jié)果表明，經(jīng)過吸能優(yōu)化設(shè)計后，方向盤的碰撞性能比原始情況有了大
幅度提高。
7．2自適應(yīng)安全氣囊研究
車內(nèi)乘員撞擊保護除了使用吸能轉(zhuǎn)向機構(gòu)外，另一個重要措施是使用安全氣囊，
一般情況下，安全氣囊的體積、起爆時間、充氣壓力等是【司定不變的，但由于實際道
路上的碰撞事故多種多樣，固定模式的安全氣囊可能并不能較好地滿足各種狀況下的
碰撞保護需要，因此，有必要進行安全氣囊作用的自適應(yīng)研究。
所謂安全氣囊的自適應(yīng)，即是指通過控制一些氣囊參數(shù)，使得安全氣囊的作用能
夠根據(jù)不同的碰撞條件而發(fā)生相應(yīng)的變化
內(nèi)獲得最好的保護。不同的碰撞條件包括
員佩帶安全帶與否以及乘員的尺寸大小等
保護系統(tǒng)成為可能。
從而使得乘員在一個較大的碰撞條件范圍
碰撞速度、碰撞程度以及碰撞的形式、乘
現(xiàn)代先進的傳感器技術(shù)將使得這種自適應(yīng)
7．2．1仿真模型的建立與驗證
本文用MADYMO 3D軟件束模擬氣囊系統(tǒng)與混III假人的碰撞，氣囊模型通過有限單
元來建立，『面試驗裝置、乘員室以及駕駛員(或乘員)則采用多剛體系統(tǒng)模型。
·模型建立
整個系統(tǒng)有限元模型如圖7．10所示，其中氣囊的各項性能參數(shù)如F：
楊氏模最F=2．0 E8 Pa
泊松比v=O．3
纖維質(zhì)量密度p=85()kg／m。
～86～
第七章一汽車安全部件的碰撞性能設(shè)計
滲透系數(shù)
厚度
n=O
t=O．0005m
圖7 10安全氣囊系統(tǒng)仿真模型
在氣囊模型中，必須定義充氣機的氣流特性變化曲線，本文通過一個箱體試
驗裝置進行測試，得到的充氣機氣流壓力變化曲線及箱體內(nèi)的氣壓變化曲線如圖
7．11所示。
箱體
f 、}
， l ， ，，一
／
、＼／／
／ }?！?、
／ } ＼ 殼氣機
， ／
，
．|／ 、( 、＼
0 20 40 60 80 100
時間，0撐曲
圖7．11充氣機及箱體l』=|的氣流壓力曲線
·模型驗證
通過靜態(tài)展開試驗和跌落試驗對氣囊模型進行初步的驗證，再通過臺車碰撞試驗
進行最終的驗證。
靜態(tài)展開試驗測試得到的氣囊壓力變化曲線與仿真計算得到的氣囊充氣壓力變化
曲線如圖7．12所示。
～87～
一遣翌、只出囊曠懈
眥
眥
Ⅺ
m
Ⅺ
Ⅺ
一
一洲㈣
舢
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瑚
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加
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第七章一汽車安全部件的碰撞性能設(shè)計
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口20 4口60 80 100 120 140 16口
時間／@s)
圖7．12 氣囊靜態(tài)展開壓力變化曲線
進一步的驗證是采用跌落試驗，跌落試驗是通過一個人體胸部形狀的物體撞擊正
在展開的氣囊，物體跌落的速度為6．5 m／s。
跌落試驗測試的是人體胸部形狀物體的撞擊加速度，試驗測試曲線及仿真計算結(jié)
果曲線如圖7．13所示，從圖中可以看出，兩者具有很好的一致性。
干。膏咐t具
試驗
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口20 4口6口80 1口0 l 20 140 160
時問，(m s)
幽7．13 歧落試驗及仿真汁算結(jié)果一撼，計加速度曲線
經(jīng)過了靜念展丌試驗驗證及物體跌落試驗驗證之后，再通過實際的碰掩試驗進行
～88～
卸
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如
加
加
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如
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∞
如
m
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@＼越蚓畏柑百{
第七章一汽車安全部件的碰撞性能設(shè)計
驗證，碰撞試驗采用臺車撞擊的方式，測試參數(shù)為假人頭部、胸部及骨盆部位的撞擊
加速度，圖7．14和圖7．1j所示的分別是臺車碰撞試驗測試結(jié)果和仿真計算結(jié)果。
75
叻
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饕25
佑
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0 20 40 60 露O 100 120 140 160
時間／(糟)
圖7．14臺車碰撞試驗測得的人體部位撞擊加速度
頭部
r、，
f、
爭岔n L、f
f
L f
＼
-
Y 、
＼
＼ 胸部
J●。一
／、一≮ ＼ ， ＼
。
—√_，一J： )＼，t 。／、／、、、
O 20 40 60 80 100 120 140
時間／似日)
剴7．15仿真計算得到的人體部位撞擊加速度
～89～
伽
i2
∞
"
0
第七章一汽車安全部件的碰撞性能設(shè)計
圖7．16顯示了碰撞發(fā)生5()IIls時駕駛員與氣囊發(fā)生接觸的情況，其中(a)為試驗
狀態(tài)，(b)為仿真狀態(tài)，各個具體的傷害指標峰值對比情況如表7．1所示。
(a)試驗狀態(tài)(b)仿真狀態(tài)
圖7 16碰撞發(fā)生50ms時駕駛員與氣袋的接觸情況對比
表7．1仿真計算與試驗測得的傷害指標峰值對比
傷害指數(shù)試驗結(jié)果仿真結(jié)果
H配36 824 629
a3。s(n1／s‘) 566 678
CheslvC O．28 O．34
Fl烈1 2670 800
、R七懋m1 33 34．2
MY—心玳1 35 32
FXfN) 429 200
Fz懋1 1623 2001
從以上對比的結(jié)果可以看出，無論是靜態(tài)展開，還是動態(tài)跌落或碰撞試驗，仿真
計算得到的各項結(jié)果均與試驗具有較好的一致性，因此，可以說本文所建立的氣囊系
統(tǒng)模型達到了較高的精度，仿真模型可以獨立地用來做進一步的分析研究。
7．2．2氣囊參數(shù)研究
本文所選定的氣囊參數(shù)包括氣囊體積、氣囊壓力、卸荷孔直釋等。
碰撞試驗條件包括：使用不同的假人，即5“的女性，50“的男性以及9j“的男性；
安全帶的使用狀況(采用普通的3點式安全帶，考慮系與未系兩種情況)；不同的
碰撞速度(25砌砌，48勛砌，56勛砌)。
～90～
第七章一汽車安全部件的碰撞性能設(shè)計
·氣囊性能的評價方法
為了評價氣囊的作用效果，需要采用一定的評價方法，本文采用綜合傷害指標f冊
評價法，其計算公式如下： ∞=(南)2∞×[器+磊+志+南n
((淵尚+南))2+(熹≥)2
式中各符號的物理意義如下：
肌r=頭部傷害標準值，
船t勱=頭部傷害極限值，
擔船=分別為彎曲力矩和拉伸力矩，
膨Z艟一勱=分別為兩力矩的極限值，
如忍=分別為頸部的剪切和軸向力，
懇；睫勱=頸部力傷害極限值，
剛，凡=分別為左右大腿力，
用，睫7忙大腿傷害極限值，
a3。。=：{ms一胸部加速度，
a3。。勱=3m8一胸部加速度傷害極限值。
·氣囊參數(shù)優(yōu)化研究
為了比較，首先確定一個參考氣囊，其體積為150升，泄荷孔直徑為55 mm，參
數(shù)優(yōu)化時改變氣囊的體積和泄荷孔直徑，進行6組不同條件下的計算(如表7．2所示)，
圖7．17顯示了計算得到的假人頭部HIc峰值和胸部加速度峰值。
表7．2 6組不同的r：況
組1 2 3 4 5 6
體積150 120 150 120 150 120 150 120 150 120 150 120
泄倚孔55 40 70 55 40 70 55 40 70 55 40 70 55 40 70 55 40 70
假人5th 50th 95{h 5th 50th 95th
安全帶使』fj 末使_Lfj
～91~一
第七章一汽車安全部件的碰撞性能設(shè)計
8口
60
4口
20
0
日參考氣囊口120升一d4口氣囊曰12a升一d7口氣室
燃辯悶蘸熏蓬溺霎蘸?一‘憊“薹蓬國羽
(a)
目參考氣囊口12口升一曲。氣囊囹12Ⅱ升一dT0氣囊
(b)
圖7．17 56^砌碰撞時的仿真計算結(jié)果
(a)頭部mF峰值；(b)胸部加速度峰值
設(shè)參考氣囊在56砌砌的碰撞條件下，計算得到的c豫值為l，那么，給定氣囊參
數(shù)的變化范隔，在不同的碰撞條件下，計算得出的最低(研值如表7．3所示。
表7．3計算得出的最低c職值
5chHIII 50‘h HIII 95‘“HIII
碰撞速度(kmm) 25 48 56 25 48 56 25 48 56
泄荷孔直徑(mm) 50 40 50 50
氣體發(fā)生器(％) 120 80 80 160 120 160
：奠全帶載荷極限3 3 5
r肘v1
乘坐位骨F常『F常n：．‘穩(wěn)
CfR O．22 O．4 0 4l 0．14 0．62 O．64 0 13 O．63 O．68
辰的數(shù)據(jù)顯示，在／fi俐的碰掩條件卜，如果安全‘i囊的參數(shù)町以發(fā)生變化，則
～92～
鋤
嘲
鋤
。
望工
一丘)[口一】且矗面ua麗∞cu
第七章一汽車安全部件的碰撞性能設(shè)計
都可以達到較好的保護效果。從本文目前的研究情況來看，氣囊的作用性能主要受泄
荷孔直徑以及充氣壓力的影響較大，因此，安全氣囊的自適應(yīng)保護可通過采用不同的
泄荷孔直徑或不同的充氣壓力來實現(xiàn)。
7．3本章小結(jié)
本章對汽車部件的碰撞安全性沒計研究主要涉及了兩個較為重要的車內(nèi)安全部
件，即轉(zhuǎn)向機構(gòu)和安全氣囊。從乘員碰撞保護的角度出發(fā)，對于方向盤上不配備安全
氣囊的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)本身的碰撞|生能設(shè)計是必須的。本章在討論了各種類型吸能
轉(zhuǎn)向機構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了通過摩擦阻尼來吸收撞擊能量的轉(zhuǎn)向柱套管結(jié)構(gòu)以及附加
撞擊吸能塊的方向盤結(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計方法。因為不論是轉(zhuǎn)向柱套管，還是吸能方向盤
結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部能夠影響碰撞性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，如剛球的直徑大小、剛球的數(shù)量、
吸能塊本身所使用的材料、以及吸能塊上孔徑的大小、丌口的方式及位置等的細微變
化都可能對碰撞性能造成較大的影響，因此，參數(shù)優(yōu)化設(shè)計相當重要，這也是吸能轉(zhuǎn)
向機構(gòu)宜于采用仿真設(shè)計方法的原因，文中的設(shè)計實例說明了這一點；對于車輛上使
用安全氣囊的情況，其碰撞安全性的真正保證是安全氣囊在發(fā)生碰撞時起到正面的保
護作用，即必須根據(jù)不同的碰撞條件而選擇合適的起爆時間、理想的氣體壓力以及泄
荷的速度等，這樣／l‘能最有效地減輕車輛乘員在各種碰撞條件下所受到的損傷，本章
對安全氣囊的模型化參數(shù)研究證明了這一點，研究同時得出了影響效果最明顯的參數(shù)，
即充氣壓力以及泄荷孑L的直徑大小等，即自適應(yīng)安全氣囊司’由此而實現(xiàn)。
～93～
第八章一整車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
第八章整車碰撞安全I生設(shè)計與改進技術(shù)
前文探討了薄壁構(gòu)件的碰撞性能設(shè)計、轉(zhuǎn)向機構(gòu)的碰撞性能設(shè)計以及安全氣囊的
白適應(yīng)保護等，這些都只著重于車輛結(jié)構(gòu)局部的碰撞性能，對于發(fā)生碰撞事故的車輛
來況，這種局部的碰撞幽斃固然重要，但乘員的生命安全最終取決于所有部件的綜合
作用，也即整車碰撞安全性的好壞。
在現(xiàn)實生活中，車輛的種類多種多樣，并且發(fā)生碰撞事故的形式也于差萬別，為
了普遍提高車輛的碰撞性能，迫切需要發(fā)展適用的整車碰撞安全『生設(shè)計與改進技術(shù)，
本章將進行這一問題的討論和研究。
8．1整車理想碰撞特·I生
要對整車的碰撞安全性進行設(shè)計，首先必須了解理想的車輛碰撞特性是什么，
此處以車輛發(fā)生縱向碰撞時的情況為例進行說明。
當車輛發(fā)生碰撞時，為保護車內(nèi)乘員的安全，根據(jù)汽車碰撞損傷機理可知車
輛需要具備的基本條件足：(1)要保證乘員足夠的生存空慪J，即乘坐室不應(yīng)發(fā)生
碰撞變形(包括車輪、發(fā)動機、變速箱等剛性部件不得侵入駕駛室)；(2)除乘坐
室以外的車體結(jié)構(gòu)部分(前碰撞時為前部結(jié)構(gòu)、后碰撞時則為后部結(jié)構(gòu))則應(yīng)盡
可能多地變形，以合理地吸收撞擊能量，使得作用于乘員身體上的力和加速度值
不超過人體的耐受極限等，所以，車輛縱向碰撞時理想的變形與不變形區(qū)域應(yīng)如
圖8．1所示。
蚓8 l乍輛縱向碰撞時理想的變形’』不變形R域示意
(幽巾陰影郫分足撞乍呵變形Ⅸ域)
為了滿足上述璉本要求，設(shè)計的第一步是要使乘坐室的結(jié)構(gòu)剛度大r}訂部變
形區(qū)域的剛度，并要達到一定的指標限值，這【|J通過整乍結(jié)構(gòu)的剛?cè)崞ヅ湟约安?
～95～
第八章一整車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
用特殊的傳力路徑等來實現(xiàn)；對于碰撞變形區(qū)域，設(shè)計起來較為復(fù)雜，因為除了
要盡可能多地吸收撞擊能量外，其變形形式以及變形特性等還要滿足一定的要求，
即低速碰撞時，車輛的變形以及變形力值都較小，以保護行人或車輛自身；當發(fā)
生中等速度的碰撞時，變形力值應(yīng)盡量均勻，以最大限度地降低撞擊加速度峰值；
而當發(fā)生高速碰撞時，為了阻止變形擴展到乘坐室，從懸架到車身前圍板之間的
變形力值應(yīng)急劇上升，這種特性即是理想的車輛前碰撞變形特性，其示意圖如圖
8．2所示。
f
趔
藿制
8．2反推設(shè)計法
幽8 2乍輛前碰撞理想特性曲線
從車輛理想碰撞特性著手，一步步反過來設(shè)計車輛碰撞安全部件的結(jié)構(gòu)，
其為“反推設(shè)計法”。
8．2．1加速度反推設(shè)計原理
·碰撞加速度設(shè)定
考慮中等速度的碰撞，如法艦艦定的50k州h對固定障礙壁的碰撞，
8．2所示的曲線，對于前兩個階段恒定的碰撞加速度值，有：
Vo—Vl=日l’fl
Vt=“1‘f，
～96～
本文稱
根據(jù)圖
(8．1)
(8．2)
第八章一整車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
式中，Vo——車輛的撞擊初速度；v．——保險杠階段終了時的速度
口．，口：——分別為第一、第二階段的撞擊加速度
fI，屯——分別為第一、第二階段的碰撞時間。
蹬第一、第二階段碰撞時均勻變形的長度分別為△，l和△，：，則有：
(8．3)
v；=2以2△，2 (8．4)
通過給定碰撞性能參數(shù)，再聯(lián)立求解(8．1)～(8．4)式，可確定車輛相關(guān)的結(jié)
構(gòu)參數(shù)。
為了保證上述運動學(xué)的關(guān)系式得到滿足，需要從動力學(xué)方面進行考慮。
即：
丘=mal (8．5)
最=m口2 (8．6)
(8．5)、(8．6)式給出了兩段結(jié)構(gòu)的碰撞反作用力限值。
·設(shè)計步驟
按上述方法進行整車的碰撞|生能設(shè)計時，其設(shè)計步驟如下：
1) 根據(jù)車輛總體配置的情況確定兩個階段的撞擊加速度值；
2) 確定主要承載件的碰撞吸能變形長度；
3) 確定碰撞變形力值；
4) 通過仿真計算或相應(yīng)的試驗確定主要承載件的壁厚、橫截面等
5) 進行整車的碰撞仿真計算。
8．2．2碰撞時間反推設(shè)計原理
當車輛發(fā)生碰撞時，影響幫車碰掩安全性能的除了車：體掩擊加速度之外，車內(nèi)安
全部件如安仝帶、安全氣囊等與車體撞擊特性的匹配也至關(guān)熏要，其中一‘個重要的方
阿就是碰掩作用時間的匹配，lF因為如此，E{前L日際上在天j二安全，。i囊與整車的匹配
L形成，‘個l?。篔℃的沒汁準則，即“5 m：{()fns”準則，其所指的含義li『脂圖H．：{
柬描述。
～07～
第八章一整車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
幽8 3“5inch一30ms準則”示意圖
“5 in 30 ms準則”艦定了氣囊從碰撞開始到充滿氣體的時問(30毫秒)以及
與駕駛員(或乘員)頭部發(fā)生接觸時駕駛員(或乘員)頭部向前移動的距離(5英寸)，
這是對應(yīng)于駕駛員頭部離方向盤的初始距離約為12英寸，氣囊充滿氣體時的厚度約為
7英寸的情況，因此，人的頭部向前移動j英寸后正好與充滿氣體的氣囊發(fā)生接觸，
從而達到最佳的保護效果。
但是，對于眾多類型的車輛來說，駕駛員頭部離方向盤的距離以及安令氣囊的體
積大小或者充。i時間等都存在各種各樣的差異，因此，嚴格晚來，并不是所有的氣囊
匹配都能依照“j in_：3()rns”準則，而且，除了氣囊之外，其它部件(如安全帶、碰
撞承載構(gòu)件等)本身也存在著碰撞作用時M的問題。作用時間得當，就會使乘員避免
受到嚴覃的碰撞損傷：反之，則可能起不到應(yīng)有的碰撞保護作用，使車輛的碰撞安全
性變差。
按照理想的碰掩特性對各蘑要的安全部件進行碰撞作用時間的分配與協(xié)調(diào)，反過
束發(fā)計部t}的性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文稱這種方法為“碰撞時間反推沒計法”。
“碰撞時間反推改計法”包含了兩方而的含義：一是指對各部件的碰掩作用時州
K矩進行分配發(fā)汁；一是指對各個部件們l掩作』}J時刻點的匹配設(shè)計。
塒』實際1二輛的碰攢rE能毆汁，rtJl將“加速度反推毆汁”與“碰撞作J}】¨十問反推
啦∥’訂機地結(jié)合起束，使部件滿足歷個方面的要求，從Ifj了最好地保證欄●j的礬掩安
個性、，
～98～
第八章一整車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
’漩計實例
本實例研究的車輛之一如圖8．4所示，該車輛屬微型乘用車系列，其具備的碰撞
安全性基礎(chǔ)較差。原實車碰撞試驗的結(jié)果表明，該車在碰撞安全性方面存在的主要問
題是：由于碰撞塑性變形區(qū)結(jié)構(gòu)沒計不理想從而導(dǎo)致了車輛在碰撞時轉(zhuǎn)向盤后移量太
大、乘員損傷指標超標、前門開啟等諸多問題，碰撞試驗結(jié)果如圖8．5所示。
對車輛進行設(shè)計與改進需根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)奉身的特點，由于該車采用了前輪后置的
沒計』)(1格，前懸長度較大，因此，可采用加速度反推設(shè)計法來設(shè)計6U部變形區(qū)的碰撞
特性，采用碰撞時間反推設(shè)計法對各相關(guān)部件進行碰撞作用時間的曲調(diào)和分配。
圖8．4研究實例車輛圖8．5原始車輛碰撞結(jié)栗
將車輛前部區(qū)段劃分為保險杠區(qū)段和前縱梁區(qū)段，分別設(shè)定碰撞加速度限值。
1)保險杠區(qū)段仿真設(shè)計
首先根據(jù)車輛前部可利用的空間設(shè)計了特定形狀的保險杠，并建立其數(shù)值模型，
如圖8．6(a)所示，按反推設(shè)計法中碰撞動力學(xué)要求對其進行仿真計算分析，圖8．6
(b)顯示了保險杠模型的碰掩仿真變形結(jié)果。
幽8．6保險杠的數(shù)值模l埽l碰撞仿真計算
(a)保險杠數(shù)值模型
(b)jf寸剛性墻的碰撞仿真變形
～99～
(h)
第八章一整車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
撞擊力的計算結(jié)果如圖8．7的曲線所示。
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2 4 6 8 10
時間(Ⅲs)
圖8．7保險杠撞擊剛性墻的反作用力曲線
f婦仿真分析的結(jié)果試制出的保險杠實物如圖8．8所示。
圖8．8保險杠實物
2)前縱梁區(qū)段仿真設(shè)計
第二區(qū)段的碰撞性能主要由車架前端的撞擊特性來決定，為了簡化分析，可以首
先采用直梁模型進行計算，以得到碰撞力的估計值。圖8．9和圖8．10分別顯示了兩種
直梁件的碰撞變形及碰撞力計算結(jié)果。
(b)
啪
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稍
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第八章一整車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
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O S 1D 15 20
時間(m)
(c)
幽8 9基本直梁件分析
(a)直梁件模型；(b)碰撞仿真變形；(c)碰撞力計算曲線
(a) (b)
^ }。
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0 5 iO 15 20 2S
時間(口s)
(cj
圖8，10加強粱分析
(a)有限兀模犁；(b)碰撞仿真變形；(c)碰撞力計算曲線
第八章一整車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
在簡化梁的碰撞力滿足了設(shè)定的要求之后，為了保證實際的結(jié)構(gòu)在碰撞時按均勻
壓縮的模式進行變形，本文進行了完整前端結(jié)構(gòu)的碰撞仿真分析，如圖8．¨所示。
幽8．11乍架前端碰撞仿真分析
(a)下架前端有限元模型
(b)碰撞仿真變形
分析結(jié)果表明，左、右梁變形不刈稱，并曰．變形模式不是理想的模式。改進的方
式足保證前端粱的均勻性，左右粱的一致性，比如去掉一些結(jié)構(gòu)孔等影響岡素：除此
之外，另外一個重要的方面是必須從整體上束保證自U端梁碰撞時的充分變形，但初始
碰掩變肜的結(jié)果及靜力分析結(jié)果表明，橫粱前端縱梁的變形強度高于橫梁后端，這種
設(shè)汁|f|‘J小合恥陡在Jj，碰掩時后端會先發(fā)生變形從而會影響到自耐*的碰掩特性，測此，
需堅從設(shè)汁卜進行改進，即讓后端的變肜剛度遠遠大于自Ⅱ端。
劁8．12(h)娩示了橫梁后端加f：斜史撐的改進方案。
第八章一整車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
(a) (b)
圖8．12車架結(jié)構(gòu)
(a)原始車架
(b)改進車架
3)部件碰撞試驗
對部件進行碰撞試驗以檢驗撞擊加速度和碰撞作用時間，圖8．13和8．14顯示了
|j{『縱梁和安全帶的試驗情況。
(a)
圖8．13前縱粱碰撞試驗
(a)碰撞前狀態(tài)；(b)碰撞后變形
圖8．14安會帶的作用特性測試
～103～
(b)
第八章一整車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
4)整車碰撞仿真
在完成以上工作的基礎(chǔ)上，進行整車的碰撞仿真分析，考察部件的綜合作用效果，
整車模型及碰撞仿真變形如圖8．15所示。
(a) (b)
幽8．15改進設(shè)計后整葉：模腰及碰撞仿真變形
(a)禚乍模型；(b)碰撞仿真變形
5)整車碰撞試驗
仿真分析顯示出改進設(shè)計的效果是理想的，因此，對樣車最后進行法艦規(guī)定
的碰撞試驗，撞擊試驗結(jié)果如圖8．16所示。
蚓8 16法枷碰撞試驗變形結(jié)果
L叟進id后t體捕rR加速度的測試結(jié)果曲線如陶8．17所示。
～104～
第八章一整車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
@
茴
刪
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0 2 4 6 8 10
時間／陋)
60
5。
，、40
3
越∞
蚓
[1 20
lO
0
—10
(a)改進前車體撞擊加速度曲線
口10 20 ]0 40 5口60 7a 8口
時間／∞曲
(b)改進后車體撞擊加速度曲線
圖8．17改進前后車體撞擊加速度測試衄線
從圖8．16中的車輛撞擊變形和圖8．17中的車體撞擊加速度曲線可以看出，改進
后的整車碰撞變形全部集中在車體前部，而乘員室基本未發(fā)生變形，這完全符合車體
理想碰撞變形特性；另一方面，車體撞擊加速度峰值比改進6口大大降低，并且緩沖吸
～105～
羽
弼
∞
蛐
如
孤
∞
m
o
呱
第八章一整車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
能時間也大大延長，因此，車輛的碰撞安全性無疑比改進前大大提高了。表8．1顯示
了人體損傷指標的測試結(jié)果，從表中可以看出，各項指標大大優(yōu)于法規(guī)規(guī)定的損傷值。
表8．1
檢驗項目標準要求測試結(jié)果
碰撞速度48～52 kmm 48．4 kmm
頭部性能指標腳嘭≤L000 司機側(cè)546
乘員側(cè)564
胸部性能指標勱咒1≤75 nlm 司機側(cè)42．4 rm
乘員側(cè)45．2 rm
左腿1318N
司機側(cè)
右腿4361 N
大腿性能指標月嘭≤lOl礬
左腿2732 N
乘員側(cè)
右腿1635N
本實例研究的車輛之二是另一微型乘用車，其設(shè)計原理、方法和步驟與第一例大
致相同，區(qū)別之處是該車未在方向盤上配備安全氣囊，因此，對浚車除了進行車體碰
撞特性的設(shè)計之外，還按自口文所述的方法對方向盤進行了撞擊吸能設(shè)計。該車同樣以
優(yōu)良的指標通過了嚴格的法規(guī)碰撞試驗，碰撞試驗結(jié)果如圖8．18所示。
幽8．18法規(guī)碰撞試驗變形}．{果
對上述兩例午的研究表明，反推改ir法的應(yīng)用效果是明鼴的，并且具有較好
的l一程適用性。
～106～
第八章一整車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
8．2部件吸能優(yōu)化設(shè)計法
上節(jié)所討論的反推設(shè)計法適用于碰撞吸能承載構(gòu)件較為單一車輛的情況。對
于大多數(shù)轎車來浼，車輛在碰撞時參與碰撞吸能的零部件較多，無法單一以某一
主要的部件來確定車體的碰撞性能，而是須綜合考慮各個部件的作用，因此，可
通過優(yōu)化各個部件的碰撞吸能水平，從而提高整車的碰撞性能。
8．2．1吸能部件的碰撞仿真
國外相關(guān)的研究指出：把部件從車體上分離出來和將部件保留在車體上，兩
種情況下部件的碰撞特性并不完全相同，但是二者的趨勢仍是一致的【12I。相對于
整車碰撞仿真來說，部件碰撞仿真計算時間短，且易于對結(jié)果進行觀察、分析和
對比。圖8，19所示是本文選定所研究車輛前端部分的鈑金組件有限元模型，在前
碰撞時，這些部件都會參與變形吸能。因此，可對各部件獨立地進行碰撞仿真分
析，圖8．20顯示了前縱梁和發(fā)動機罩內(nèi)板的碰撞仿真變形結(jié)果。
圖8．19前端部分吸能部件的有限元模型
蚓8．20前縱梁及發(fā)動機罩內(nèi)板的碰撞仿真變形
～107～
第八章～整車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
仿真計算可以輸出部件的變形內(nèi)能，圖8．21顯示了某一部件碰撞時的內(nèi)能隨
時問變化的結(jié)果曲線。
／
—，一一
，一
，一
}
／
，
}
，
0 2D 4Ⅱ 6口
tim自(ms)
圖8．2l 部件撞擊變形的內(nèi)能一時間曲線
8．2．2部件吸能優(yōu)化
部件的碰撞吸能水平同許多因素有關(guān)，比如前文所討論的焊點、壁厚、橫截
面以及預(yù)變形等，并且這些因素往往又受到整車其它方面要求的限制，因此，部
件碰撞吸能優(yōu)化的方法是在約束條件內(nèi)進行，比如局部弱化或局部加強以及壁厚
變化等方面進行考慮，圖8．22顯示了前縱粱的幾種優(yōu)化方案。
(b)腹板弱化示意
弱化點剖面
(c)粱邊緣弱化示意弱化點剖面
蚓8 22 i1{『縱梁吸能優(yōu)化力案示意蚓
～108～
第八章一整車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
在進行部件吸能的結(jié)構(gòu)及參數(shù)優(yōu)化時，首先通過單一因素變化法可以看出各
變化點對吸能水平影響的顯著性；然后再通過循環(huán)迭代法找出最佳吸能方案。
表8．2列出的是對前縱梁進行吸能優(yōu)化過程中的內(nèi)能汁算變化情況(表中的內(nèi)
容與圖8．22相對應(yīng))。
表8．2部件變形內(nèi)能隨細節(jié)變動的變化情況
＼＼ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
局部邊緣腹板邊緣腹板邊緣腹板
弱化
局部△ △ △ △ △ △
加強
板厚1．5 l_5 1．5 1．5
fmm)
內(nèi)能
(103J) 2．32 2．28 2．48 2．43 2．57 2．60 2．74 2．96 2．79 2．81
表中“一”表示部件的原始設(shè)計狀態(tài)，“△”表示對部件進行了局部加強(見
圖8．22e)，“邊緣”表示圖8．22c所示的情況，“腹板”表示圖8．22 b所示的情況，
“內(nèi)能”表示計算得到的變形能。
分析表8．2中的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，對于所研究的該車輛部件，其板厚變化對吸
能性的影響并不十分明顯，對吸能性影響較大的是梁的折彎處是否進行了加強或
者加強的程度是否足以承受梁的軸向壓縮變形；另外，梁的邊緣處弱化和腹板處
弱化的相互搭配能夠較好地誘導(dǎo)梁發(fā)生軸向壓縮變形，從而使梁的碰撞吸能水平
最大限度地提高。
圖8．23顯示了部件經(jīng)優(yōu)化后的碰撞變形結(jié)果。
圖8．23部什優(yōu)化后的碰撞變形
～109～
第八章一整車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
8．2．3整車碰撞仿真
完成了部件的碰撞仿真吸能優(yōu)化設(shè)計后，需要進行整車的碰撞仿真計算，以
確定總體的碰撞性能。
圖8．24所示為整車碰撞有限元模型，由大約lo萬個單元組成，材料模型分
別選用了彈塑性材料、剛性材料、分段線性塑性材料、橡膠等。
對原始設(shè)計的碰撞仿真計算變形結(jié)果如圖8．25所示，實車碰撞試驗的變形結(jié)
果如圖8．26所示，車體撞擊加速度的仿真計算結(jié)果和試驗測試結(jié)果如圖8．27所示。
蚓8 24整車前碰撞有限元模型
圖8．25 整車前碰撞仿真計算變形結(jié)果
圖8．26整車碰撞試驗變形結(jié)果
～110～
第八章一整車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
盤
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型
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20 40 60 80 100
圖8．27車體撞擊加速度的仿真計算曲線與試驗曲線
對部件進行吸能優(yōu)化設(shè)計改進后整車的碰撞仿真變形結(jié)果如圖8．28所示，車
體撞擊加速度的計算結(jié)果曲線如圖8．29所示(為了對比，圖中保留了原始設(shè)計計
算曲線)。
圖8．28部件優(yōu)化后整車的碰撞仿真變形
幽8．29優(yōu)化前后的車體撞擊加速度計算曲線
由仿真計算結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的整車撞擊加速度曲線更接近理想的碰撞
特性。
第八章一整車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
8．2．4優(yōu)化結(jié)果
按cMvDR 294法規(guī)標準對優(yōu)化后的實車進行碰撞試驗，圖8．30顯示了優(yōu)化后
的碰撞變形結(jié)果，圖8．3l顯示了車體撞擊加速度的測試結(jié)果，最重要的人體損傷
指標，如駕駛員頭部的HIc值由改進前的892降為630，其它損傷指標，如假人胸
部合成加速度以及假人胸部壓縮量的測試結(jié)果如圖8．32～圖8．33所示(為了對
比，圖中同時顯示了改進前的測試結(jié)果)。
圖8．30優(yōu)化后的實車碰撞變形結(jié)果
時間(ms)
圖8_3 1 優(yōu)化前后車體撞擊加速度試驗曲線
～112～
∞
如
∞
加
m
0
m
一暑)越螋景怕鞲輜世四抖
第八章一整車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)
70
60
50
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0
Acc(g)
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O 5 10 15 0
Displacement(cm)
(a)
5 10 15
time(10ms)
(b)
圖8．32假人胸部合成加速度測試結(jié)果曲線
(a)部件優(yōu)化前；(b)部件優(yōu)化后
i／＼
， 、、，，
／： ＼0
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0
Displacement(cm)
：，，_7_、
J ＼i i
／j k一：
4／i i＼÷～
5 lO 15 O
time(1 0ms)
5 10 15
time(10ms)
圖8．33假人胸部壓縮量測試結(jié)果曲線
(a)部件優(yōu)化前：(b)部件優(yōu)化后
從以上結(jié)果可以看出，通過優(yōu)化部件吸能，整車的碰撞性能得到了很大提高。
8．3本章小結(jié)
本章從整車的理想碰撞特性出發(fā)，根據(jù)車輛運動學(xué)、動力學(xué)原理以及碰撞能量轉(zhuǎn)
換原理提出了具有重要工程適用意義的整車碰撞安仝性設(shè)計與改進方法，即加速度反
推設(shè)計法、碰撞時間反推設(shè)計法以及部件吸能優(yōu)化法等，并將上述方法結(jié)合幾個車輛
實例進行了應(yīng)用研究，取得了十分明顯的效果，從而為解決整車的碰撞安全性設(shè)計‘與
改進問題提供了新的途徑。
全文總結(jié)
全文總結(jié)
汽車碰撞安全性問題是汽車工業(yè)界的一大難題，為了提高汽車的碰撞安全性
能，迫切需要發(fā)展相關(guān)的設(shè)計與改進技術(shù)。傳統(tǒng)的設(shè)計與改進方法一般是通過反
復(fù)的碰撞試驗，發(fā)現(xiàn)問題、再修改、再試驗，直至車輛滿足有關(guān)要求，這樣不僅
浪費時間，延長開發(fā)周期，同時會使開發(fā)成本巨額增加。近年來雖然計算機仿真
技術(shù)已應(yīng)用到汽車碰撞安全性研究領(lǐng)域，能夠取代部分試驗室的工作，但是仿真
技術(shù)僅僅是輔助分析的一種手段，如何有效地運用仿真技術(shù)以及試驗技術(shù)來快速、
方便地完成汽車碰撞安全性的設(shè)計與改進是本文研究的目標，圍繞該項目標，本
論文主要進行了以下工作：
(1)對汽車碰撞安全性的設(shè)計理論和方法進行了歸類和總結(jié)，其中包括經(jīng)驗法、
解析法、多剛體動力學(xué)法、試驗法以及有限元計算仿真方法等，指出了各種方法的優(yōu)
勢及應(yīng)用環(huán)境。
(2)簡略介紹了碰撞有限元法的基本理論和唷關(guān)算法，指出了實際應(yīng)用中需要考
慮的一些關(guān)鍵因素，如單元和算法的選擇、時問步長控制、以及單點積分時的沙漏控
制等，并通過一些基本的算例和試驗驗證說明了碰撞有限元法的應(yīng)用特點以及其應(yīng)用
能力和潛力。
(3)為提高仿真計算的精度及可靠性進行了仿真用材料模型參數(shù)的獲取研究，開
發(fā)了一套在線測量裝置以及材料模型參數(shù)反求軟件，從而可精確地提供仿真用的材料
模型參數(shù)，如彈性模量、屈服極限、塑性硬化模量等，為解決由于材料參數(shù)不精確而
引起的仿真計算誤差過大的閻題提供了新途徑。
(4)進行了汽車結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)件一薄壁構(gòu)件的碰撞特性研究，重點討論了焊點、壁
厚、橫截面及預(yù)變形等影響因素，提出了通過仿真計算分析對這些到素的作用效果進
行預(yù)測的設(shè)計方法，這對實際車輛的碰撞吸能構(gòu)件設(shè)計具有重要的指導(dǎo)作用。
(5)進行了轉(zhuǎn)向機構(gòu)的碰撞吸能研究，討論了理想的碰撞吸能結(jié)構(gòu)形式及仿真砹
計研究方法，并開發(fā)了相應(yīng)的輔助試驗裝置，成功地完成了?個吸能方向盤的設(shè)計實
例研究。
(6)為改變實際碰撞時，車內(nèi)安令氣囊可能產(chǎn)，|i負面作Jflfj的狀況，進行了r1適應(yīng)
安全氣囊約束系統(tǒng)的研究，其r"包括建立安仝氣囊的仿真模型并對其驗_i_『J：，通過參數(shù)
優(yōu)化及自適應(yīng)保護效果評價，得到了相關(guān)的自適應(yīng)氣囊控制參數(shù)，從而為丌發(fā)自適應(yīng)
安傘。e囊產(chǎn)品打下重要基礎(chǔ)。
～¨5～
全文總結(jié)
(7)進行了整車碰撞安全性的設(shè)計與改進技術(shù)研究，提出了以整車理想碰撞特性
為依據(jù)的加速度反推設(shè)計法、碰撞時問反推設(shè)計法以及部件吸能優(yōu)化設(shè)計法等設(shè)計與
改進方法，并就每一種方法結(jié)合具體的實例進行了研究，結(jié)果表明了上述方法對整車
碰撞安全性的設(shè)計與改進是十分有效的。
本文進行的上述研究對于目前國內(nèi)汽車碰撞安全性的設(shè)計與開發(fā)具有較好的適用
和指導(dǎo)作用。當然，相對于整個汽車碰撞安全性研究領(lǐng)域來說，本文的工作仍是相當
有限的，因此，在本文基礎(chǔ)上的后續(xù)工作研究應(yīng)朝著更深、更廣的范圍發(fā)展。
～116～
致謝
致謝
本論文的全部工作是在導(dǎo)師鐘志華教授的精心指導(dǎo)F完成的，導(dǎo)師淵博的學(xué)識、
嚴謹求實的治學(xué)態(tài)度以及忘我的工作精神是我完成論文的巨大動力和支柱，并且一部
分論文內(nèi)容包含了導(dǎo)師的心血和智慧，在此，謹向?qū)熤乱晕易钪孕牡木匆夂椭x意!
在論文的最初開展過程中，我得到了東風汽車公司科技開發(fā)部黃佳騰部長的大力
支持和幫助，以及東』xL汽車工程研究院侯宇明院長的關(guān)心和指導(dǎo)，在此謹向兩位領(lǐng)導(dǎo)
表示我崇高的敬意和謝意!
同時，我還要感謝東風汽車工程研究院cAE室的全體工作人員，以及國家汽車
質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(襄樊)安全試驗室的全體試驗工作人員，這是因為前者在整車有
限元模型的建立工作中給予了我大量的協(xié)助，而后者則為我完成了設(shè)定的試驗工作。
我的論文還得到了以下老師和同學(xué)的幫助：瑞典查爾摩斯工業(yè)技術(shù)大學(xué)的楊濟匡
教授、湖南大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院的李光耀教授、長沙交通學(xué)院的雷正保教授、湖
南大學(xué)汽車新技術(shù)研究與開發(fā)中心的曹立波副教授、楊慧莊老師，以及博士生成艾國、
周軍、謝暉、曹銀鋒、何文等，在此一并表示我的謝意!
～117～
張維剛
2002年10月
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～126～
附錄A
附錄A
(作者在攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄)
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仿真．2002．3．第19卷，第2期。85-88
[2]張維剛，鐘志華．應(yīng)用數(shù)值模擬方法對汽車的碰撞性能進行優(yōu)化設(shè)計．湖南
大學(xué)學(xué)報．2001．6．第28卷，第3期，117—12l
[3]張維剛，鐘志華，汽車吸能轉(zhuǎn)向機構(gòu)受撞的計算機仿真研究．湖南大學(xué)學(xué)報．
2001_6t第28卷，第3期、122．127
[4]張維剛，鐘志華．汽車正撞吸能部件改進的計算機仿真．汽車工程．2002．2
第24卷，第1期．6—9
[5]張維剛，鐘志華．計算機仿真技術(shù)在汽車正碰安全性能改進中的應(yīng)用研究．
機械工程學(xué)報．2002．6．第38卷，第3期，135—138
[6]謝暉，張維剛，李光耀，鐘志華．cAE技術(shù)在板料沖壓成型中的拉裂預(yù)測應(yīng)
用研究．機械工程學(xué)報(2003，待發(fā)表)
[7] Zhj土lua Zhon舀Weigang Zhan舀Zhenbao Lei．Challenges in Crashwort圭liness
Analysis Using CAE Techniques ． 111e Second ImemationaI FoMn of
Automotive Th齲c Safety Changsha，Hunan U商Versi饑Dec／12，2002
[8]張維剛，鐘志華．基于碰撞性能的汽車車架反推設(shè)計．湖南大學(xué)學(xué)報．2003．3
(待發(fā)表)
～127～
附錄B
4、
5、
6、
附錄B
(作者在攻讀博士學(xué)位期問參與完成的科研項目)
類菱形新概念汽車技術(shù)，第3完成人，獲2000年中國高校技術(shù)發(fā)明二等獎。
汽車碰撞安全性設(shè)計與改進技術(shù)(機械工業(yè)“九．五”重點攻關(guān)課題)，第3
完成人，2002年12月獲“教育部提名國家科技進步獎”一等獎。
機械儲能式汽車碰撞試驗系統(tǒng)研制，第5完成人，2002年1月通過國內(nèi)汽
車行業(yè)專家組的鑒定， 2002年獲湖南省科技進步二等獎。
N1車型碰撞安全性設(shè)計與改進(橫向課題，已完成)，第2完成人，項目經(jīng)
費1 70萬元。
x477車型碰撞安全性設(shè)計與改進(橫向課題，已完成)，第2完成人，項目
經(jīng)費80萬元。
汽車安全氣囊防護效率評估的生物力學(xué)理論和方法研究，國家白然科學(xué)基
金項目。

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