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車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與碰撞安全技術(shù)分享

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車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與碰撞安全分析技術(shù)

安全性法規(guī)（NCAP)
有限元方法的理論基礎(chǔ)
仿真工具
工程應(yīng)用實(shí)例
安全性法規(guī)（NCAP)
U.S. - FMVSS (Federal Motor Vehicle Safety 
                Standard, )
Canada - CMVSS (Canada Motor Vehicle Safety
                  Standard)
Europe - European Regulation (European Economic  
           Commission)
Japan - Safety Regulation For Road Vehicles    
Australia - ADR (Australian Design Rule)                 
China – CMVDR 294 (China Motor Vehicle Design 
                    Regulation,GB)
各地區(qū)安全法規(guī)
汽車安全標(biāo)準(zhǔn) (NCAP)
NCAP
星級評價(jià)組織或新車評價(jià)體系 ,是轎車（尤指新上市車型）碰撞安全的一種標(biāo)準(zhǔn)。
它是行業(yè)性標(biāo)準(zhǔn)，不同于政府強(qiáng)制性法規(guī); 
主要有美國US-NCAP、歐洲EURO-NCAP、日本JNCAP、澳大利亞ANCAP等;
這些國家的星級評價(jià)，主要以美國星級評價(jià)為基礎(chǔ)，因而內(nèi)容基本相同.

NCAP標(biāo)準(zhǔn)與政府法規(guī)的區(qū)別
政府性法規(guī)	NCAP標(biāo)準(zhǔn)
強(qiáng)制性法規(guī)要求	非強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)
碰撞速度相對較低	碰撞速度要求高于法規(guī)
是新車上市的最低要求	是對車輛安全性的更高要求
結(jié)果為：“通過”或者“不通過” 	結(jié)果為：星級評價(jià) 
安全性法規(guī)（NCAP)
NCAP（新車評價(jià)體系）的試驗(yàn)內(nèi)容以及與相對應(yīng)法規(guī)的比較
安全性法規(guī)（NCAP)
Phase One 
正常駕駛shijiebei.xdzdjx.com lll 
Phase Two 
發(fā)生危險(xiǎn)
Phase Three 
不可避免
Phase Four
事故發(fā)生
Phase Five
事故后處理
主動(dòng)安全與被動(dòng)安全
安全性法規(guī)（NCAP)
安全性法規(guī)（NCAP)
NCAP(新車評價(jià)體系)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
安全性法規(guī)（NCAP)
前碰撞試驗(yàn)法規(guī)比較
試驗(yàn)形態(tài)	FMVSS
208	US-NCAP	IIHS	ECE94	Euro-NCAP	CMVR  294	NCAP CHINA
完全壁障
	48km/h 完全剛性固定壁障，完全正碰或30度傾角, 前排座椅都有假人，且需安全帶	56km/h完全剛性固定壁障，完全正碰，前排座椅都有假人，且需安全帶	-	-		48km/h
完全剛性固定壁障，完全正碰，前排座椅都有假人，且需安全帶	剛剛引入
40％偏置
	-	-	64km/h 40% 偏置裝固定壁障，完全正碰	56km/h 40% 偏置裝固定壁障，完全正碰，前排座椅都有假人，且需安全帶	64km/h 40% 偏置裝固定壁障，完全正碰前排座椅都有假人，且需安全帶		剛剛引入
安全性法規(guī)（NCAP)
歐洲NCAP前碰撞方法
試驗(yàn)前車的準(zhǔn)備
若有氣囊檢查安全氣囊一切正常；
放掉油箱中所有的汽油并且發(fā)動(dòng)汽車把油耗干；
在油箱中灌滿水，水的質(zhì)量為滿箱油質(zhì)量的90%；
把前排座椅放在導(dǎo)槽的中間，并且放置兩個(gè)假人；
測試車的重量：包括燃料，冷卻液，潤滑油，備用胎，測試設(shè)備等。
離合器，剎車板以及加速板的中心點(diǎn)；
方向盤中心點(diǎn)；
測量碰撞前門的距離

安全性法規(guī)（NCAP)
歐洲NCAP前碰撞方法
測試參數(shù)
碰撞前：
車的測試速度：測試點(diǎn)離壁障盡量近，目標(biāo)速度＝64km/h(+/-1km/h);
碰撞區(qū)域：碰撞區(qū)域＝40％(+/-20mm)車的寬度（不包括后視鏡）;
試驗(yàn)前門需關(guān)閉，但不鎖，測試中也不能打開；
碰撞后：
試驗(yàn)后記錄下打開門所需的力，打開角度為45度；
記錄下假人的位置；
記錄下從車?yán)锶〕黾偃说姆椒ǎ蟛豁氄{(diào)整椅背即可將假人移出車外；
測取需要記錄侵入點(diǎn)的侵入量；
燃料泄漏要小于30g/min；

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安全性法規(guī)（NCAP)
前碰撞評價(jià)指標(biāo)
安全性法規(guī)（NCAP)
正面碰撞實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法（美國NCAP)
         
安全性法規(guī)（NCAP)
正面碰撞實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法（歐洲NCAP)
安全性法規(guī)（NCAP)
	測量指標(biāo)	點(diǎn)數(shù)
頭部	HIC值
頭部加速度	0～4分
頸部	剪力
軸向張力
向后彎矩	0～4分
胸部	胸部壓縮量
胸部粘性指標(biāo)	0～4分
下肢	大腿負(fù)荷
膝蓋壓縮量
脛骨指數(shù)	0～4分
假人損傷值換算得分
安全性法規(guī)（NCAP)
側(cè)面碰撞試驗(yàn)法規(guī)比較
試驗(yàn)形態(tài)	FMVSS
214	US-SINCAP	IIHS	ECE95	Euro-SINCAP	CMVDR  295	NCAP CHINA
直角
	-	-	51km/h可變形的運(yùn)動(dòng)壁障（0.95噸），垂直正碰，手剎車釋放，燃料為滿載的92～94％，放兩個(gè)假人	50km/h可變形的運(yùn)動(dòng)壁障（0.95噸），垂直正碰，燃料為滿載的90％，放一個(gè)假人	50km/h可變形的運(yùn)動(dòng)壁障（0.95噸），垂直正碰，燃料為滿載的90％，放一個(gè)假人	50km/h
與ECE95基本相似，今年7月開始實(shí)施?？勺冃蔚倪\(yùn)動(dòng)壁障（0.95噸），垂直正碰，燃料為滿載的90％，放一個(gè)假人	剛剛引入
傾斜
	54km/h 可變形的運(yùn)動(dòng)壁障（1.368噸），與Y成27度，手剎車?yán)?，燃料為滿載的92～94％，放兩個(gè)假人	62km/h可變形的運(yùn)動(dòng)壁障（1.368噸），與Y成27度，手剎車?yán)?，燃料為滿載的92～94％，放兩個(gè)假人	-	-	-	-	剛剛引入
安全性法規(guī)（NCAP)
側(cè)面碰撞實(shí)驗(yàn)方法（歐洲NCAP）
試驗(yàn)前車的準(zhǔn)備
車輛狀態(tài)是靜止；
放掉油箱中所有的汽油并且發(fā)動(dòng)汽車把油耗干；
在油箱中灌滿水，水的質(zhì)量為滿箱油質(zhì)量的90%；
駕駛員座椅放置在導(dǎo)槽的中間位置；
在駕駛員位置放置ES-2假人；
測量車的重量：無負(fù)載情況＋100kg（包括假人及其相關(guān)測試設(shè)備）
標(biāo)注出座椅的R點(diǎn)；

安全性法規(guī)（NCAP)
測試參數(shù)
碰撞前：
運(yùn)動(dòng)壁障車的測試速度：測試點(diǎn)離碰撞區(qū)盡量近，目標(biāo)速度＝50km/h(+/-1km/h);
避免運(yùn)動(dòng)壁障車與試驗(yàn)車發(fā)生二次碰撞；
運(yùn)動(dòng)壁障車與試驗(yàn)車的碰撞放置：
目標(biāo)對齊的位置：運(yùn)動(dòng)壁障車的中心線與R點(diǎn)一致（± 25mm）
測試期間車門不能打開；
碰撞后：
試驗(yàn)后記錄下打開門所需的力，打開角度為45度；
記錄下假人的位置；
記錄下從車?yán)锶〕黾偃说姆椒?，要求不試用工具能將假人模型移出?
燃料泄漏要小于30g/min；
側(cè)面碰撞實(shí)驗(yàn)方法（歐洲NCAP）
安全性法規(guī)（NCAP)
側(cè)面碰撞評價(jià)指標(biāo)
法規(guī)	頭部	頸部	胸部	腹部	腰部	車體變形
美國
FMVSS214
US-SINCAP	    HIC	－	TTI	－	腰加速度	不評價(jià)
美國
IIHS	HIC	張力
壓縮力	胸部位移
VC
肩位移	－	骼骨負(fù)荷
大腿負(fù)荷	評價(jià)
歐洲
ECE-R95
Euro-NCAP	HIC
加速度	－	胸部位移
VC	腹部負(fù)荷	恥骨負(fù)荷	評價(jià)
中國
CMVDR295
NCAP-China	－	－	－	－	－	－
安全性法規(guī)（NCAP)
側(cè)面碰撞實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法（美國NCAP)

安全性法規(guī)（NCAP)
側(cè)面碰撞實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法（歐洲NCAP)
安全性法規(guī)（NCAP)
	測量指標(biāo)	點(diǎn)數(shù)
頭部	HIC值
頭部加速度	0～4分
胸部	胸部位移
胸部粘性指標(biāo)	0～4分
腹部部	腹部負(fù)荷	0～4分
腰部	恥骨負(fù)荷	0～4分
假人損傷值換算得分
安全性法規(guī)（NCAP)
側(cè)面柱撞試驗(yàn)方法（歐洲NCAP）
安全性法規(guī)（NCAP)
試驗(yàn)前準(zhǔn)備
放掉油箱中所有的汽油并且發(fā)動(dòng)汽車把油耗干；
在油箱中灌滿水，水的質(zhì)量為滿箱油質(zhì)量；
駕駛員座椅放置在導(dǎo)槽的中間位置；
在駕駛員位置放置假人；
測量車的總重量；
碰撞位置：在側(cè)邊門的參考線上，過該參考線的橫向垂直平面通過假人頭部重心位置；
在車的位置上標(biāo)上標(biāo)記。
側(cè)面柱撞試驗(yàn)方法（歐洲NCAP）
安全性法規(guī)（NCAP)
測試參數(shù)
碰撞前：
使剛性柱與參考線對齊；
剛性柱：離地高度不低于102mm，需高于車頂100mm，剛性柱的直徑為245mm（＋/-3mm）；
碰撞速度：臺車的加速度不能超過1.5m/s2,目標(biāo)速度＝29km/h(+/-0.5km/h)
碰撞角度：90度（+/-3度）
碰撞后：
試驗(yàn)后記錄下打開門所需的力，打開角度為45度；
記錄下假人的位置；
記錄下從車?yán)锶〕黾偃说姆椒ǎ?
測取侵入點(diǎn)的侵入量；
側(cè)面柱撞試驗(yàn)方法（歐洲NCAP）
安全性法規(guī)（NCAP)
碰撞綜合評價(jià)方法（歐洲NCAP)
安全性法規(guī)（NCAP)
美國和歐洲碰撞法規(guī)試驗(yàn)方法的差別：
1、移動(dòng)障礙壁的質(zhì)量、尺寸及形狀不同
2、碰撞形式不同
3、碰撞速度不同
4、碰撞點(diǎn)位置不同
5、乘員損傷評價(jià)方法不同
有限元方法基礎(chǔ)
適用領(lǐng)域
        有限元法幾乎適用于所有的工程領(lǐng)域，應(yīng)用最為廣泛的是結(jié)構(gòu)工程、材料科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)力、應(yīng)變和位移的分析計(jì)算。
        在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要用于車身結(jié)構(gòu)分析、模態(tài)分析、碰撞模擬
有限元方法基礎(chǔ)
基本思想

拉伸筋
凹槽圓角
凹槽
凹模模腔
壓邊圈
壓料面
沖 頭
“以直代曲”，以離散體代替連續(xù)體

拉伸筋
凹槽圓角
凹槽
凹模模腔
壓邊圈
壓料面
沖 頭
有限元方法基礎(chǔ)
有限元方法的基本步驟
1、結(jié)構(gòu)離散化
2、位移模式的選擇
3、單元力學(xué)特性分析
4、等效節(jié)點(diǎn)力計(jì)算
5、建立整體結(jié)構(gòu)的平衡方程
6、求解未知節(jié)點(diǎn)的位移及單元應(yīng)力
有限元方法基礎(chǔ)
有限元方法的基本步驟
1、結(jié)構(gòu)離散化
         把無限變量處理成有限變量的過程稱為離散化。有限元法的結(jié)構(gòu)離散化過程，就是將被分析的連續(xù)的對象劃分成由有限個(gè)單元組成的離散體的集合，并在單元上選取一定數(shù)量的點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)。各個(gè)單元體之間僅在節(jié)點(diǎn)處相連接。有限單元法的整個(gè)分析過程就是針對這種單元集合體進(jìn)行的。 
有限元方法基礎(chǔ)
有限元方法的基本步驟
2、位移模式的選擇
        位移模式是指對單元中各點(diǎn)處位移的分布狀況所作的一種假設(shè)，即選擇一種比較簡單的函數(shù)用以近似表示單元中各點(diǎn)位移的分量隨坐標(biāo)變化的分布規(guī)律。 
         由于多項(xiàng)式的數(shù)學(xué)運(yùn)算比較簡單，易于處理，因此通常選用多項(xiàng)式作為位移模式，多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)和階數(shù)通常根據(jù)單元的自由度和求解的收斂性要求等來選取。一般情況下，應(yīng)等于單元的自由度數(shù)，同時(shí)廣義坐標(biāo)應(yīng)取為節(jié)點(diǎn)位移。
有限元方法基礎(chǔ)
有限元方法的基本步驟
3、單元的力學(xué)特性分析
         根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、位置等，找出單元節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系，并用幾何方程和物理方程建立力與位移之間的方程式。即對單元的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣進(jìn)行分析求解。 
有限元方法基礎(chǔ)
有限元方法的基本步驟
4、單元受力等效轉(zhuǎn)換
   當(dāng)結(jié)構(gòu)被分離成多個(gè)單元后，結(jié)構(gòu)所承受的載荷在單元之間僅通過節(jié)點(diǎn)來傳遞。但實(shí)際上，力是從單元的公共邊界上傳遞的，因此必須把作用在單元邊界上的面力，以及作用在單元體內(nèi)的體積力、集中力等按照靜力等效的原則，處理成只作用在節(jié)點(diǎn)上的力。
有限元方法基礎(chǔ)
有限元方法的基本步驟
5、建立整體結(jié)構(gòu)的平衡方程
   即結(jié)構(gòu)的整體分析，也就是將單元?jiǎng)偠染仃嚭铣蔀檎w剛度矩陣，同時(shí)，將作用于各節(jié)點(diǎn)的載荷合成為整體結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)載荷向量。
有限元方法基礎(chǔ)
有限元方法的基本步驟
6、求解未知節(jié)點(diǎn)的位移及單元應(yīng)力
        在求得單元節(jié)點(diǎn)解的基礎(chǔ)上，根據(jù)單元位移插值函數(shù)，求得單元內(nèi)任一點(diǎn)的位移和應(yīng)力。 
有限元方法基礎(chǔ)
有限元法的求解流程
有限元方法基礎(chǔ)
雙燃料車氣瓶支架計(jì)算
有限元方法基礎(chǔ)
利用CAE技術(shù)進(jìn)行仿真分析的局限性
1、由于材料特性描述與實(shí)際材料差異等多方面的原因，      模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果存在偏差；
2、金屬材料的塑性特性理論尚不完備；
3、材料冷作硬化特性難以掌握；
4、材料的初始內(nèi)應(yīng)力不易掌握；
5、材料斷裂難以預(yù)測。
仿真工具
碰撞仿真分析的進(jìn)展及發(fā)展趨勢
碰撞仿真分析的進(jìn)展及發(fā)展趨勢
應(yīng)用領(lǐng)域
1. Plasticity
2. Contact-impact treatment
3. Airbag, seat belt model
4. Barrier model
5. Welding
6. Material failure modes development
7. Joint development 
8. Foam material
9. Dummy model
仿真工具
汽車碰撞仿真分析工具
CAD
Data
Mesh Generation
Part Assembly
Solver

Post Process
CATIA
IDEAS

Hypermesh 
ANSAFEMB
EasiCrash
Hypework
FEMB
Mode-Edit
Pam-Safe
LS-DYNA
RADIOSS
Pam-Crash
ABAQUS
MADYMO
MSC-DYTRAN
ADINA
Hypermesh
FEMB
Mod-Anim
Pam-Safe
Dyna-Post
仿真工具
仿真模型

目前趨勢是創(chuàng)建同一個(gè)模型用于3個(gè)主要的碰撞模擬分析（前碰、側(cè)碰和后碰）；
有限元網(wǎng)格是用自動(dòng)網(wǎng)格劃分工具生成的，并且把各個(gè)部件裝配起來；
車身大約包括20～25平方米的鈑金覆蓋件；
	Mesh Size	Number of shell Elements
Normal Size	10 * 10	200,000
Weld nugget size	5 * 5	800, 000
average thickness	1 * 1	20,000,000
仿真工具
仿真模型
       CAD數(shù)據(jù)：
 數(shù)據(jù)類型有：CATIA、 UG、 PRO-E、 IGES 等等；
 提供厚度信息和材料列表；
 幾何處理；
仿真工具
仿真模型
仿真工具
結(jié)構(gòu)簡化
1、孔類特征

D
      D<6	Ignore
  6

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