汽車防撞梁碰撞問題的數值模擬分析

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1、 編號：（ ）字 號 本科生畢業(yè)設計（論文） 汽車防撞梁碰撞問題的數值模擬分析 題目:___________________________________ 姓名：___________ 學號： _______________ 班級：__________________________________  中 國 礦 業(yè) 大 學 本科生畢業(yè)論文 姓 名： 學 號： 學 院： 力

2、學與建筑工程學院 專 業(yè)： 工 論文題目： 汽車防撞梁碰撞問題的數值模擬分析 指導教師： 職 稱： 講師 二○一三年六月 徐州  中國礦業(yè)大學畢業(yè)論文任務書 學院 力學與建筑工程學院 專業(yè)年級 學生姓名 任務下達日期： 2013年 1 月 7 日 畢業(yè)論文日期： 2013 年 2 月 25 日至 2013 年 6 月 16 日 畢業(yè)論文題目：汽車防撞梁碰撞問題的數值模擬分析 畢業(yè)論文專題題目： 畢業(yè)論文主要內容和要求： 1. 通過圖書館及網絡查閱和整理汽車防撞梁分析相

3、關文獻資料，了解國能外研究現狀及研究方法。 2. 根據查閱的文獻內容，建立符合實際的汽車防撞梁模型。 3. 掌握ANSYS/LS-DYNA軟件的使用，并對建立的模型進行合理網格劃分、材料設定及加載。 4. 考慮不同設計方案下防撞梁的防沖擊特性，比較各個參數變化對碰撞的影響，得出相關規(guī)律。 5. 根據對防撞梁壁厚、截面形狀等參數的分析，制定優(yōu)化方案，按照中國新車評價規(guī)程（C-NCAP）的要求，進行分析，得出相關結論。 6. 翻譯1篇與課題相關的近三年內發(fā)表的英文文獻，字數3000左右。 院長簽字：

4、 指導教師簽字：  中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計指導教師評閱書 指導教師評語（①基礎理論及基本技能的掌握；②獨立解決實際問題的能力；③研究內容的理論依據和技術方法；④取得的主要成果及創(chuàng)新點；⑤工作態(tài)度及工作量；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）： 成 績： 指導教師簽字：

5、 年 月 日  中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計評閱教師評閱書 評閱教師評語（①選題的意義；②基礎理論及基本技能的掌握；③綜合運用所學知識解決實際問題的能力；③工作量的大??；④取得的主要成果及創(chuàng)新點；⑤寫作的規(guī)范程度；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）： 成 績： 評閱教師簽字：

6、 年 月 日  中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計評閱教師評閱書 評閱教師評語（①選題的意義；②基礎理論及基本技能的掌握；③綜合運用所學知識解決實際問題的能力；③工作量的大??；④取得的主要成果及創(chuàng)新點；⑤寫作的規(guī)范程度；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）： 成 績： 評閱教師簽字：

7、 年 月 日  中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計答辯及綜合成績 答 辯 情 況 提 出 問 題 回 答 問 題 正確 基本 正確 有一般性錯誤 有原則性錯誤 沒有 回答 答辯委員會評語及建議成績： 答辯委員會主任簽字：

8、 年 月 日 學院領導小組綜合評定成績： 學院領導小組負責人： 年 月 日 摘 要 汽車防撞梁是發(fā)生碰撞時起到主要緩沖作用的構件。主要由防撞橫梁和低速吸能盒兩個部分構成，影響緩沖效果的因素有 ：吸能盒和防撞梁的截面、厚度 、截面大小、長度等。通過調整上述這些參數可以得到緩沖性能最好的防撞梁結構。本文使用數值模擬的方法，

9、分別對防撞梁和低速吸能盒的參數取不同值進行正面的碰撞模擬，提取最終的加速度變化曲線和能量變化曲線進行對比。加速度相對小而吸收能量相對多的組合即為最優(yōu)組合。 由于整個過程中可變的參數很多，不可能將所有的組合都進行分析。所以首先進行單個參數的變化分析，從單個參數變化中得出規(guī)律，然后根據規(guī)律組合出相對較優(yōu)的防撞梁結構并進行驗證。 通過上述的分析過程中最終得到研究結果大致為，低速吸能盒主要是通過薄壁梁的軸向潰縮吸能。防撞梁是通過材料發(fā)生失穩(wěn)彎曲后的塑性變形來吸收能量。防撞梁和吸能盒的各個參數之間存在著耦合現象。通過單獨參數變化來尋找規(guī)律，然后再根據規(guī)律進行組合參數的方法，能夠較為高效準確的得出整體

10、優(yōu)化結果。 關鍵字：防撞梁；汽車碰撞；數值模擬；優(yōu)化；  ABSTRACT Vehicle crash beam is a collision play a major role in cushioning member. Mainly by low-speed anticollision beams and energy-absorbing boxes of two parts, the impact cushioning effect of factors: energy absorption cross section of box and bumper beams,

11、thickness, cross-sectional size, length and so on. By adjusting these parameters can get the best performance cushioning anticollision beam structure. This article uses the numerical simulation method, respectively, low energy absorbing box and anticollision beam parameters for different values ??of

12、 the front crash simulation to extract the final acceleration curve and the energy curve for comparison. Acceleration is relatively small and relatively large number of combinations of absorbed energy is the optimal combination. Since the whole process a lot of variable parameters, it is impossible

13、 to analyze all combinations. So first of all be a single parameter change analysis, derived from a single parameter change laws, and laws of combination of a relatively better under the anticollision beam and verified. Through the above analysis process is roughly the final results of this study,

14、low energy absorbing box is mainly through the thin-walled box beam axial energy absorbing crumple. anticollision beam instability occurs through the material after bending deformation to absorb energy. Energy absorbing anticollision beams and box coupling exists between the various parameters pheno

15、menon. Through separate parameters to find the law, then under the law of combined parameters approach can be more efficient and accurate results overall optimization results. Keywords: anticollision beam; Vehicle Crash; numerical simulation; optimization;  目 錄 第一章 緒 論 1 1.1 研究汽車碰撞的背景和意義 1

16、 1.2 數值模擬計算的意義 1 1.3 目前的碰撞標準 2 1.3.1 國內碰撞檢測標準 2 1.3.2 國外碰撞標準 2 1.4 碰撞試驗對比 2 1.5 新車碰撞測試標準(NCAP) 3 1.5.1 歐洲的新車評價規(guī)程（Euro-NCAP） 3 1.5.2 中國新車評價規(guī)程（C-NCAP） 4 1.6 碰撞試驗的評分標準 5 1.6.1 C-NCAP評分 5 1.7 目前的汽車防撞梁研究現狀 5 1.7.1 目前防撞梁的研究 5 1.7.2 汽車緩沖盒的研究現狀 6 1.7.3 評價指標 7 1.8 本文主要研究內容 7 第二章 防撞梁撞擊變形基本理論分析

17、8 2.1 彈塑性變形理論 8 2.1.1 金屬材料拉伸時的力學性能 8 2.1.2 彈塑性模型的簡化 9 2.1.3 材料的強化模型 9 2.2 用于碰撞過程的基本定理[23] 11 2.2.1 沖量定理 11 2.2.2 沖量矩定理 11 2.3 汽車防撞梁變形過程中的能量分析 12 2.3.1 能量的轉化 12 2.3.2 汽車吸能裝置的基本要求 13 2.4 薄壁構件變形理論 13 2.5 小結 14 第三章 有限元數值模擬理論 15 3.1 有限元算法 15 3.1.1 拉格朗日法(LAGRANGE) 15 3.1.2 歐拉法（EULER） 15 3

18、.1.3 任意歐拉-拉格朗日法（ALE） 15 3.2 拉格朗日有限元算法介紹 15 3.2.1 運動方程[27] 16 3.2.2 三大守恒方程[28] [27] 16 3.3 單元選擇 17 3.4 接觸問題 18 3.4.1 接觸類型 18 3.4.2 接觸算法 18 3.5 本次計算的相關軟件介紹 19 3.6 小結 19 第四章 基于中國汽車安全法規(guī)C-NCAP的防撞梁數值模擬分析 21 4.1 模型建立 21 4.2 材料參數定義 22 4.3 網格劃分 23 4.4 正面 100% 重疊剛性壁障碰撞模擬分析 23 4.4.1 問題簡化 24 4.4

19、.2 參數設置 24 4.4.3 計算結果分析 24 4.5 正面40%重疊剛性壁碰撞試驗模擬分析 28 4.6 小結 30 第五章 防撞梁的單個參數的優(yōu)化研究 31 5.1 防撞梁寬度對防撞梁緩沖效果的影響 31 5.1.1 結果對比 32 5.1.2 數據分析 33 5.2 緩沖盒邊長對防撞梁緩沖效果的影響 33 5.2.1 緩沖盒變形 33 5.2.2 加速度結果對比 34 5.2.3 能量結果對比 35 5.3 緩沖盒長度對防撞梁性能好壞分析 35 5.3.1 整體加速度對比 35 5.3.2 能量對比 36 5.3.3 數據對比 37 5.4 緩沖盒厚

20、度對防撞梁性能的影響分析 38 5.4.1 整體加速度曲線對比 38 5.4.2 吸能對比 39 5.5 防撞梁薄壁結構的厚度對整體性能的影響分析 39 5.5.1 不同厚度的防撞梁加速度對比分析 39 5.5.2 吸收能量對比 40 5.6 防撞梁截面形式對整體緩沖吸能效果的影響分析 41 5.6.1 整體加速度對比分析 41 5.6.2 數據對比分析 42 5.7 緩沖盒截面形式對整體防撞梁緩沖特性的影響分析 43 5.7.1 不同緩沖盒截面對加速度的影響變化分析 43 5.7.2 能量吸收對比 44 5.8 小結 45 第六章 防撞梁的各個參數組合優(yōu)化 47

21、6.1 防撞梁各項參數間的相互影響驗證 47 6.1.1 單個防撞梁參數變化下的最優(yōu)參數組合 47 6.1.2 加速度和吸能分析 47 6.2 各個參數間的組合優(yōu)化 48 6.2.1 各個參數間關系的綜合分析 48 6.2.2 結果分析 49 6.2.3 數據對比 50 6.2.4 變形圖和應力圖分析 51 6.3 小結 51 結論和展望 53 參考文獻 ……………………………………………………………………………………...55 翻譯部分 ……………………………………………………………………………………...57 致 謝 ……………………………………………………………

22、………………………...73  汽車防撞梁碰撞問題的數值模擬分析 中國礦業(yè)大學2013屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第75頁 第一章 緒 論 汽車作為當今最流行的交通工具之一，在日常生活中也是越來越多的出現。而且隨著汽車產業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車的數量和種類也開始大大提升。我國汽車產量從1992年的年產22萬量車，到2008年時已經增長到了年產935萬量[1] 。而且由于汽車生產流水線的產生，汽車

23、的行駛速度也大大的提高。但是由于汽車數量的增多和車速的提高，車禍的發(fā)生概率自然就大大的提高，所以必須通過改善車的質量、結構來增強車輛的安全性。為了能夠更快的計算出提高安全性的方法，采用軟件模擬的方式來進行計算是具有使用意義的。 1.1 研究汽車碰撞的背景和意義 在汽車越來越多的情況下，發(fā)生車禍是不可避免的。雖然車身內存在很多的保護措施，例如安全帶，安全氣囊等。但是由于車禍而產生的生命和財產損失仍然是十分巨大的。每年因為車禍導致的財產損失高達數十億元[2] 。據統(tǒng)計，僅2002年中國一共發(fā)生了773137次交通事故，導致118131人死亡，財產損失巨大。其他國家交通事故發(fā)生的次數同樣十分龐大

24、，美國共發(fā)生1967000起交通事故，死亡人數42825人，日本發(fā)生936721次交通事故，死亡9575人，歐盟國家共發(fā)生123294起交通事故，死亡人數38824人[3] ，并且以上數字每年都在增長。如此龐大的數字讓人們不得不在購買車輛時對車輛的安全性能進行考核。 車輛的安全性可以通過技術改進來提高，通常的汽車安全技術主要分為兩類：第一類是主動安全技術，第二類是被動安全技術。主動安全技術是指通過利用控制技術或傳感器等提前的預知危險，從而達到躲避危險的目的。被動安全技術是指通過在車內及車身放置安全帶，安全氣囊，防撞梁等保護措施，在車輛碰撞后，起緩沖保護作用，從而達到保護車內人員的目的。汽車發(fā)

25、生碰撞后首先是汽車發(fā)生碰撞，稱為一次碰撞，其次是車內的人和車內部構件發(fā)生碰撞，稱為二次碰撞[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對提高汽車安全性有著巨大的意義。 汽車的一次碰撞的控制，是指在發(fā)生碰撞的時候通過對采用緩沖裝置，吸能裝置，阻尼裝置或者是各種裝置的組合，吸收碰撞時候產生的巨大能量。通過以上這些操作也可大大的減緩一次碰撞后二次碰撞所產生的巨大損害，同時也是增加了碰撞的時間，為安全氣囊等裝置爭取時間[4] [5] ，以便能夠最大效果的發(fā)揮保護作用。吸收一次碰撞所產生的巨大能量，最常用的吸能構件是采用汽車防撞梁。汽車的正前防撞梁能夠在汽車發(fā)生正面碰撞或者斜碰的時候，

26、有效的吸收能量、增大碰撞時間，從簡單的根據沖量定理可以得出，在以一定的速度發(fā)生碰撞的時候，作用時間越長，那么作用于汽車的反作用力就越小。同時防撞梁的強度也一定程度上減少了汽車的變形，在給予汽車內部人員一定生存空間的同時，也是保護了汽車內部重要部件，如發(fā)動機、變速箱等不被損壞，給汽車的再次維修降低了費用，減少了財產損失。 1.2 數值模擬計算的意義 由于車禍的高發(fā)性，導致各國對汽車的安全性逐漸形成了法規(guī)，如美國的 FMVSS 208 ( 美國聯邦車輛標準安全法規(guī)) ，還有我國的汽車正面碰撞標準 GB1155l-2003《乘用車正面碰撞的乘員保護》 規(guī)定[6] 。這些試驗都是需要做汽車實體試驗

27、的。只有符合該試驗標準的車輛才能繼續(xù)生產。但是直接使用實體碰撞的試驗可重復性太弱，而且每次試驗都需要耗費巨大的資金。所以如果做生產之前的設計，采用這種方法是不行的。隨著計算機技術的快速發(fā)展。計算機模擬是一種進行大型計算非常適合的工具。通過在計算機中建模、求解、改進等方法，可以模擬真實的碰撞過程，雖然不能和實際的碰撞完全相同，但是也能大致的得到改進汽車安全性能的可行方法，而且由于計算機的計算速度極快，可以很快的重復多次計算而取得最優(yōu)值。顯然，這通過汽車實體實驗是無法實現的，并且由于有限元的快速發(fā)展，使得計算機能夠計算出很多通過理論無法計算出來的東西。例如汽車碰撞過程是十分復雜的，如果單純的通過理

28、論計算來得出結果顯然是不現實的，只能是用理論來輔助模擬計算。 1.3 目前的碰撞標準 汽車的碰撞標準是，采用汽車實體碰撞的方法，通過碰撞后汽車的變形、汽車發(fā)生碰撞時候的加速度、速度衰減以及汽車內部假人模型的受損情況而綜合考慮后制定的一套測試汽車安全性的指標。各個國家的標準均不相同，但是目的都是測試汽車的安全性能。 1.3.1 國內碰撞檢測標準 我國的碰撞法規(guī)建立的比較晚，主要是參照外國的法規(guī)、結合我國的實情而制定的。我國于1999年由原國家機械工業(yè)局發(fā)布了汽車碰撞法規(guī)CMVDR 294《汽車正面碰撞乘員保護的設計規(guī)則》。經過后來的完善和發(fā)展至2004年，我國參照歐洲ECE R94法規(guī)制

29、定了國家強制性標準GB11551-2003《乘用車正面碰撞的乘員保護》正式實施，成為了我國第一個自己的汽車正面碰撞標準[7] 隨后的幾年里又相繼制定了側面碰撞標準和后碰撞標準。 圖 1. 1 我國的汽車碰撞試驗 汽車碰撞檢測標準都建立了相應的碰撞試驗作為依據，分別有正面碰撞，側面碰撞等。正面碰撞一般分為主動是碰撞和被動碰撞。主動碰撞是指由汽車以一定的速度，來撞擊靜止的剛性或者非剛性的墻壁。被動碰撞是指將汽車通過鐵索固定，使用鋼塊進行撞擊。我國的汽車正面碰撞標準GB11551-2003就是主動碰撞。如圖 1. 1所示為我國的汽車做碰撞試驗時候的照片。 1.3.2 國外碰撞標準 國外的碰撞

30、標準主要是由美國的FMVSS和歐盟的ECE兩個檢測標準，其他國家的安全法規(guī)，大部分是參考這兩個法規(guī)制定的，針對這兩個安全法規(guī)的出發(fā)點是不相同的。美國認為“汽車是任何人都可以做的軟墊”，而歐洲人則認為“汽車是駕車技術熟練者使用的工具”，所以美國的安全法規(guī)比較注重于汽車的被動安全性，其技術要求普遍嚴格，而歐洲的安全法規(guī)偏重于汽車的主動安全性。 1.4 碰撞試驗對比 圖 1. 2 各個國家的碰撞試驗示意圖 雖然碰撞試驗的目的都是為提高汽車的安全性，但是由于各國的側重點不同，所以導致各國的碰撞試驗的具體細節(jié)也不盡相同。如圖 1. 2所示，是各個國家的正面碰撞試驗示意圖。每個國家碰撞試驗的具體要求

31、也不相同，但整體都是結合了自己的實際情況， 表 1. 1各個國家的汽車碰撞試驗要求對比 而制定的符合自己國家的標準。如表 1. 1[8] 中列舉了各個國家的汽車碰撞具體要求。 1.5 新車碰撞測試標準(NCAP) NCAP ( New Car Assessment Program ) 即新車評價規(guī)程。是由政府機關或者具有權威性的機構，對市場上銷售的車型進行碰撞安全性能測試、評分劃分等級，并向社會公開評價結果的規(guī)程。NCAP是由1987年由美國公路交通安全管理局提出，并且組建了最早的NCAP體系。隨后的數年內其他各國也相繼的結合自己國家的公路情況、汽車保有量等建立適合自己國家的NCAP,

32、分別有美國的NHTSA-NCAP,歐洲的Euro-NCAP,日本的J-NCAP,澳大利亞的A-NCAP以及我國的C-NCAP。通過多年的試驗，總結和驗證，歐洲的Euro NCAP被公認為是世界上最嚴格和最具有權威性的汽車安全法規(guī)[9] 。下面主要介紹歐洲的Euro-NCAP和我國的C-NCAP。 1.5.1 歐洲的新車評價規(guī)程（Euro-NCAP） 歐洲的汽車安全法規(guī)，是由英國交通部的交通研究實驗室研究成立的。該法規(guī)測試所需的經費全部是由歐盟提供。不定期的對已上市的新車和進口車進行測試。由于該法規(guī)的嚴格性和權威性，使得該法規(guī)得到了各國的廣泛支持和認可，在全球影響力巨大。 Euro-NCA

33、P的主要測試內容有： 1) 64km/h時40%正面偏置碰撞 2) 50km/h時可變形移動壁障的側面碰撞。 3) 40km/h時的行人保護碰撞。 4) 29km/h時的撞柱子試驗。 1.5.2 中國新車評價規(guī)程（C-NCAP） 中國的汽車安全法規(guī)主要是參照美國的NHTSA-NCAP和歐洲的 Euro-NCAP，再結合我國的汽車標準法規(guī)以及我國的路況等各種因素，最終形成的檢測汽車安全性能的法規(guī)。 如下表 1. 2 中國新車評價規(guī)程（C-NCAP）[10] 表 1. 2 中國新車評價規(guī)程（C-NCAP）[10] 試驗項目 碰撞形式 假人安放位置 正面 100% 重疊剛性壁

34、障碰撞試驗 車輛以 50 km/h 的速度與剛性固定壁障進行100 重疊率的正面碰撞 在前排駕駛員和乘員位置分別放置 Hybird 型第 50 百分位男性假人，在第 2 排最右側座位放置 Hybird 型第 5 百分位女性假人，試驗時假人應佩戴安全帶，用以考核安全帶性能 正面 40% 重疊可變形壁障 碰撞試驗 車輛以 56 km/h 的速度對可變形壁障進行40 重疊率的正面偏置碰撞 在前排駕駛員和乘員位置分別放置 Hybird 型第 50 百分位男性假人，在第 2 排最右側座位放置 Hybird 型第 5 百分位女性假人，應佩戴安全帶 可變形移動壁障側面碰撞 可變形移動壁障

35、以 50 km/h 的速度與車輛側面 （ 駕駛員側）進行碰撞 在駕駛員位置放置Euro SID 型假人， 用以測量駕駛員位置受傷害情況 如下面三幅圖所示，分別表示了C-NCAP三個實驗的碰撞試驗圖 圖 1. 3正面 100% 重疊剛性壁障碰撞試驗 圖 1. 4可變形移動壁障側面碰撞 圖 1. 5正面 40% 重疊可變形壁障碰撞試驗 1.6 碰撞試驗的評分標準 碰撞試驗的評分標準主要是通過，在實車碰撞試驗中，通過加速度傳感器，速度傳感器，力傳感器等，全程的檢測汽車碰撞過程中假人受到的力，加速度。碰撞后還可以查看假人的變形受損情況。通過這些因素的綜合比重考慮，制定出的評分標準。能

36、夠簡單的通過分數的高低來判斷汽車的安全性能。下面主要介紹C-NCAP的評分。 1.6.1 C-NCAP評分 C-NCAP評分的高低是，變相的反映了汽車安全性能的高低。評測的時候通過對汽車內部假人的頭部、頸部、胸部、大腿部、小腿部、膝蓋、大腿、骨盆部位和小腿、腳及腳踝部位所受到的壓力的大小來設定不同部位的得分數。 對于每個假人，基本的評分原則是： （1）設定高性能指標限值和低性能指標限值，分別對應每個部位的最高得分和 0 分，處于兩者之間的測量值分別采用線性插值的方法得出相應分數； （2）若同一部位存在多個評價指標，則采用其中的最低得分來代表該部位的得分； （3）所有單項得分保

37、留到小數點后兩位。 C-NCAP的評測分數是目前人們漸漸開始關心的內容。所以評測分數也會成為影響汽車銷量的重要因素。提高分數的方法很多，其中通過優(yōu)化汽車防撞梁、緩沖裝置等方法是很有效的手段。好的防撞梁能夠有效的減小汽車在碰撞過程中的加速度，從而減小汽車內假人所受的加速度，當然相應的假人受到的力和破壞也會減小，這樣就能提高評測分數。所以說防撞梁的優(yōu)劣決定著汽車碰撞試驗評分的高低。 1.7 目前的汽車防撞梁研究現狀 防撞梁作為汽車碰撞時候的第一道防線，主要起到緩沖和防止過分變形的作用。其中緩沖的效果能夠降低加速度、增加碰撞時間；這兩個緩沖效果可以在碰撞發(fā)生時有效的減小車內的人受到的力，防止

38、過分變形，尤其是在發(fā)生撞擊柱子等事故時。目的有兩個方面，第一，給車內的人員充分的生存空間；第二，保護車體內重要部件，例如發(fā)動機變速箱等。這樣可以降低汽車的維修費用。碰撞的時候起緩沖作用的主要部件是緩沖盒，通過緩沖盒的軸向潰縮，來吸收能量。同時防撞梁也會發(fā)生塑性變形，這也是起到緩沖作用的重要部分。還有就是通過在防撞梁前段加入一些緩沖材料，或者特殊的結構，來起到緩沖作用。防止大變形主要是通過防撞梁來實現，防撞梁和車架之間具有一定的距離，該距離是緩沖距離，防撞梁被碰撞后發(fā)生塑性變形，向內凹進去，而在防撞梁中間的撞擊力，會由于防撞梁的存在將力間接的傳遞到車架上，由此車會發(fā)生反彈，從而有力的保護了車的重

39、要部件。 1.7.1 目前防撞梁的研究 防撞梁的研究主要是從下幾點入手：截面形狀，防撞梁的厚度，梁的材料，梁的軸向彎曲曲線。需要達到的目的有兩個：第一，具有良好的抗撞擊性能；第二，具有良好的吸能性質。下面分別討論一下： 1) 截面形狀 圖 1. 6 梁的各種截面 梁截面可以采用單元胞，兩元胞，三元胞，四元胞等。分別如下圖 1. 6 在2007年，湖南大學侯淑娟等人，曾經對上面的四種結構進行了抗撞性能和緩沖性能的分析[11] 。通過研究計算機建模分析，對不同厚度和不同截面進行壓力碰撞后發(fā)現，元胞數的增加會影響結構的吸能增加，多元胞結構的吸能效果要遠好于單元胞結構。四元胞結構的吸能特性

40、最好。而且同時發(fā)現，軸向的吸能性能要遠好于橫向的吸能特性。從而得到結論材料，在發(fā)生褶皺疊縮變形的時候，能夠提高結構的吸能特性和抗撞特性，同時也能讓材料的利用率提高。同時截面形式也不僅限于矩形的截面，也可以有多種多樣的形式，例如梯形[12] ，不規(guī)則形狀[13] 等。 2) 防撞梁的厚度 對于防撞梁厚度的研究，前人也總結了很多的經驗，也是使用數值模擬的方式，通過在一定厚度范圍內等間距取值然后使用軟件模擬撞擊過程。最后對防撞梁的變形，撞擊后的速度、加速度的變化，做曲線分析。然后根據具體能夠允許的最大加速度和最大位移來確定防撞梁厚度[14] [19] 。 3) 梁的材料 梁的材料通常使用的是

41、吸能性質很好的材料。吸能材料通常指薄壁管材、 泡沫鋁、 復合材料、聚氨酯泡沫等[15] [14] ?？紤]價格等方面因素后，使用薄壁鋁合金或者其他合金材料作為防撞梁的材料。隨著科技的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，新的金屬泡沫材料又被人們發(fā)現，其中具有代表性的材料是泡沫鋁材料。泡沫鋁是一種以鋁金屬為骨架,具有較大孔徑及較高孔隙率的新型結構功能材料,兼有泡沫和金屬的特性。有較高的強度以及制備工藝相對簡單的特點[16] 。這種金屬材料的吸能特性非常好，而且強度也很高，可以滿足吸收能量和防止大變形的雙重要求。 4) 梁的軸向曲線 梁的軸向曲線通常是根據汽車的外形和車內構件的形狀決定的。在這兩點已經確定的情況下考慮

42、防撞梁碰撞，如果采用外弧形的曲線，可以增大碰撞時候的接觸時間。所以通常情況下，汽車防撞梁的軸向曲線通常是采用外凸形狀的。具體的形狀會根據車型的不同而改變，比如，利用三段直線夠成外凸狀或者采用圓弧外凸曲線，甚至會結合使用兩種模型。 1.7.2 汽車緩沖盒的研究現狀 緩沖盒的吸能緩沖效果，主要是由緩沖盒的厚度，材料，截面形狀，誘導槽等因素決定。同樣的厚度和材料對吸能效果的研究和防撞梁是相同的，但截面形狀則不同。主要原因是緩沖盒是軸向壓縮變形，而防撞梁則是橫向變形，所以兩者的吸能性不能一概而論。 1) 緩沖盒的截面形狀 在2012年，重慶理工大學夏銘等人，對吸能盒的截面形狀進行拓撲優(yōu)化[17

43、] 。通過數值模擬的方法，得出六邊形截面形狀的緩沖盒吸能效果最好。優(yōu)化結果如圖 1. 7所示 圖 1. 7　緩沖盒截面優(yōu)化效果 圖 1. 8　各種截面形狀的緩沖和數值模擬結果 同樣在2012年，中國汽車工程研究院的萬鑫銘[18] 等人又通過對正方形，正六邊形，正八邊形，圓形的鋁制吸能盒和鋼制的吸能盒做數值模擬分析，結果如圖 1. 8所示。得出正八邊形鋁管的吸能性質十分突出，但是碰撞時候引起的碰撞力峰值太大，而正六變形的各項指標相對均衡。 2) 誘導槽 在緩沖盒上開誘導槽對緩沖效果有著十分明顯的提高。哈爾濱工業(yè)大學的曲明[19] 等人曾對誘導槽的研究及分

44、析發(fā)現，薄壁梁在撞擊的時候會發(fā)生潰縮變形。變形的過程中緩沖盒上有些部位會發(fā)生內凹，有些部位會發(fā)生外凸。根據這種現象，如果在緩沖盒的表面本身設置向內凹或者向外凸的槽，在發(fā)生碰撞的時候可以有效的減小撞擊力的峰值。通過研究發(fā)現，設置雙層的誘導槽薄壁梁的緩沖效果要遠遠好于不設置誘導槽的緩沖效果，如圖 1. 9所示，如此可以大大提高碰撞性能。 圖 1. 9 雙層誘導槽緩沖盒 緩沖盒的優(yōu)化還可以通過在緩沖盒內部填充橡膠材料，使用變截面梁作為緩沖盒，并且考慮緩沖盒的焊接方式等[20] 。這些方法都是有待研究，并且值得研究的內容。其次除了采用緩沖盒的方式，也可以使用機械阻尼緩沖裝置來做緩沖器，雖然這樣的方

45、法可能會提高緩沖效果。但是可以想象得到，制作成本也肯定會遠遠高于鋁制薄壁梁。 1.7.3 評價指標 在碰撞過程中大多數碰撞試驗采用加速度，能量吸收等指標來評價。這些參數都是碰撞過程中體現碰撞激烈程度的因素，同時也是體現防撞梁結構吸能緩沖效果的標準，且也可以使用更為直觀的撞擊力[21] ，位移等因素作為標準進行對比分析。 1.8 本文主要研究內容 本文主要利用LS-DYNA做實驗的數值模擬計算。利用車架連接防撞梁的模型進行碰撞，采用不同厚度，不同截面，不同材料的防撞梁進行碰撞分析，通過碰撞后車架所受的力的峰值，加速度的大小，能量的剩余情況來衡量防撞梁的緩沖效果。通過對碰撞后的整個防撞梁的

46、變形情況，來判定防撞梁是否符合碰撞最大位移要求。整個碰撞過程是為了給汽車防撞梁的實驗做理論依據。同時也是給實驗做有力驗證。 第二章 防撞梁撞擊變形基本理論分析 汽車防撞梁的好壞主要是通過汽車發(fā)生碰撞時防撞梁吸收能量的多少來判定，而防撞梁吸收的能量主要是由梁和緩沖盒的塑性變形引起的。既然提到塑性變形，那么首先需要確定材料的性質，所以需要利用彈塑性理論分析。其次，吸收能量的主要部分是塑性變形能，所以需要考慮變形過程中的能量問題。再次，由于汽車發(fā)生碰撞是一個碰撞過程，則需要動力學分析。最后防撞梁的力學模型可以用薄壁梁來進行模擬，所以薄壁梁理論也是理論分析中不可缺少的一部分。下面依次介紹這些理

47、論。 2. 2.1 彈塑性變形理論 金屬材料在發(fā)生壓縮或者拉伸變形的時候，都是先發(fā)生彈性變形，然后進入屈服階段，最后進入強化階段。每個階段的應力應變規(guī)律均不相同，有的階段吸收能量多，有的少，有些能量會再次反彈，而有些能量則被永遠的吸收。了解簡單材料的變形才能了解復雜變形情況中能量的吸收情況。 2.1.1 金屬材料拉伸時的力學性能 圖2. 1 力和伸長量的關系圖 材料拉伸時的應力應變曲線能夠反映材料在受到拉力的作用下變形與力的關系。以簡單的低碳鋼拉伸為例子[22] ，對低碳鋼做緩慢增加拉力作用。將拉力P和伸長量DL的關系作圖，如圖2. 1 所示。為了消除尺寸對力學規(guī)律的影響，將拉力p

48、除以試樣橫截面積A0，得出正應力： σ=P/A0；同時，把伸長量DL除以總長L0，可以得到應變：ε=DL/L0。因為各點的應變是均勻的，所以該應變是平均應變。然后再以σ為縱坐標，以ε為橫坐標，作圖表示σ和ε的關系，該關系為應力應變關系，該圖為應力應變曲線圖。如圖2. 2圖2. 2所示。 圖2. 2應力應變曲線  根據上圖的結果，可以將變形分為幾個階段。 1) 彈性階段 在材料拉伸的初始階段，σ和ε是線性關系即上圖中的OA段。該段中應力與應變成正比關系。即σ∝ε 將該式子寫為等式則有 σ=Eε

49、 (2. 1) 該式即為拉伸壓縮的胡克定律。式子中的E即為彈性模量通常情況下使用的是彈性模量 2) 屈服階段 當應力增加超過B'時應力有明顯的下降。然后在應力應變曲線上開始形成像鋸齒一樣的變化情況。這種情況下，應力基本保持不變，而應變卻有顯著增加。在這個階段內的最低應力值為下屈服極限，該屈服極限比較穩(wěn)定，能夠反映材料的性能，所以用下屈服極限來做計算。用σs表示。該參數在后面的有限元計算中，作為一個參數輸入。 3) 強化階段 金屬材料在屈服一段時間后，又恢復了抵抗變形的能力，能夠使應力繼續(xù)增加。該種現象即為強化

50、。 2.1.2 彈塑性模型的簡化 圖2. 3 多線性和雙線性的材料應力應變曲線 上面介紹了彈塑性材料變形特性。該變形特性曲線可以作為大多數材料，發(fā)生變形的時候力與變形的關系。但是如果每次計算都使用該曲線進行計算太過于繁瑣，所以可以將其簡化為多線性，雙線性的特性。則應力應變曲線可簡化為如下所示，這樣可以大大的簡化計算。 該圖中的σs是材料的屈服強度。在有限元計算中該參數是雙線性材料的斜率轉折點。 在有限元計算中即采用上圖中的雙線性材料模型，作為防撞梁的材料模型。 2.1.3 材料的強化模型 金屬材料在屈服一段時間后，能夠繼續(xù)恢復部分承載能力，這種現象稱之為強化，強化有很多種形式，比

51、如在拉伸強化的時候，反向的壓縮也進行強化?；蛘哒f拉伸強化后反向壓縮弱化。還有兩個合并起來的強化形式。使用塑性力學中的強化模型即：等向強化，隨動強化，組合強化。材料的強化模型的確定是在有限元計算時，材料模型確定的必要選項。 1) 等向強化 等向硬化彈塑性模型符合了大多數金屬材料在加載過程中的變形特性，它表示當金屬材料受到反向加載，即壓迫時，其屈服極限與拉伸過程中的屈服極限相同，即他們的絕對值是始終相同的，表達式為： σ=ψ（ξ） (2. 2) 其中ξ

52、是刻畫塑性變形歷史的參數，例如可以取ξ=dεp 為塑性應變增量的對決積累值，或取 ξ=wp=σdεp為塑性功。該模型不論是拉伸還是壓縮都使屈服應力的絕對值提高。如圖2. 4 所示 圖2. 4 等向強化 圖2. 5 隨動強化 2) 隨動強化 等向硬化彈塑性模型雖然計算相對簡單，但不能反映材料反向加載過程中存在的包氏效應。因此，在較復雜地變形模式中，材料的特性通常選用隨動硬化彈塑性模型。該模型表示，拉伸屈服應力和壓縮屈服應力的帶數值之差，始終不變。表達式可以寫為： σ-φ(εp)=σs

53、 (2. 3) 其中ψ(εp)是塑性應變εp的單調遞增函數。在線性強化的情況也可以寫成： σ-hεp=σs (2. 4) 式中h=dφ/dε是一個常數。 3) 組合強化 圖2. 6 三種強化模型Mises屈服圓 將等向強化模型和隨動強化模型組合起來，就構成更為一般的組合強化模型。把上面的三種強化模型，使用mises屈服圓的方法，畫到π平面上。這樣可以更為直觀的看出三種強化模型的特性，如圖2. 6

54、所示。強化模型的確定是在有限元計算中材料模型選擇的基礎，本文中計算所使用的材料為鋁合金材料，該材料的強化模型和金屬的等向強化模型相似，所以有限元計算中選用等向強化模型。 2.2 用于碰撞過程的基本定理[23] 汽車碰撞的整個過程是在極短的時間內完成的，因此不適合直接使用力來度量碰撞的作用，也不宜用運動微分方程描述每一瞬時運動和力的變化關系，經常使用的分析方式是分析碰撞前、后運動的變化。 在碰撞過程中會發(fā)生變形、發(fā)聲、發(fā)熱，甚至發(fā)光。因此在碰撞過程中會出現機械能的損失。機械能損失的程度取決于碰撞物體的材料性質以及其他因素。所以在碰撞過程中一般不便于應用動能定理，所以經常采用動量定理和動量

55、矩定理的積分形式來確定力的作用與運動變化的關系。 2.2.1 沖量定理 假設有一質點的質量為m，碰撞過程開始瞬時的速度為υ，碰撞結束時的速度為υ'，則該質點的動量定理為： mυ'-mυ=0tFdt=I (2. 5) 式子中I為碰撞梁，普通力的沖量可以忽略不計。 對于整個汽車，是無法簡化為一個質點來計算的。但是可以簡化為很多質點的一個組合。所以可以看作一個質點系，對于碰撞的質點系，作用在第i個質點上的碰撞沖量可分為外碰撞沖量Ii(e)和內碰撞沖量Ii(i)，按照上面的式子有：

56、 miυi'-miυi=Ii(e)+Ii(i) (2. 6) 設質點系有n個質點，對于每個質點都可以列出如上的方程，將n個方程相加，就可以得到整體的質點系的沖量定理： i=1nmiυ'-i=1nmiυi=i=1nIie+i=1nIii (2. 7) 又因為內碰撞沖量總是大小相等，方向相反，一對一對的存在。所以Ii(i)=0,所以上式可以簡化為： i=1nmiυ'-i=1nmiυi=i=1nIie (2. 8

57、) 該式即為整個汽車碰撞過程中質點系的動量定理。此式可以表示整個車體在碰撞前后速度變化與車體所受到的力的關系。沖量是力和時間的乘積，由此可以簡單的得出，在汽車車速一定的情況下。碰撞所經歷的時間越長，從而車體受到的撞擊力越小，緩沖效果越好。 2.2.2 沖量矩定理 質點系動量矩定理的一般表達式為導數形式，即： ddxLo=i=1nMiFie=i=1nri×Fie (2. 9) 式中Lo為質點系對定點O的動量矩矢，i=1nri×Fi(e)為作用與質點系的外力對點O的住矩。 對上式進行變形簡化，可以得到：

58、 dLo=i=1nri×Fi(e)dt=i=1nr×dIi(e) (2. 10) 對上式進行積分，則可以得到： Lo1Lo2dLo=i=1n0tri×dIi(e) (2. 11) 進一步簡化上式得： Lo2-Lo1=i=1n0tri×dIi(e) (2. 12) 如果將整個車身看成一個整體，那么在碰撞過程中，各個質點的位置都是不變的。因此可以將ri看作為一個整體即： Lo2-Lo

59、1=i=1nri0tdIi(e)=i=1nri×Ii(e)=i=0nMo(Ii(e)) (2. 13) 式中Lo2和Lo1分別為碰撞前后質點系對點O的動量矩，Ii(e)是外碰撞沖量。ri×Ii(e)為沖量矩。 上式可以簡單的用來計算汽車碰撞時力矩的關系。比如在汽車偏置碰撞中，汽車發(fā)生的并不是完全的正碰，所以在碰撞過程中會有力矩產生，這種力矩大小的計算，便可以通過該式子進行簡單計算而得到。由此同樣可以得出，碰撞時間越長所產生的碰撞沖量就越大，在碰撞前后動量矩差值一定的情況下，所產生的碰撞力就越大。但是汽車碰撞過程是復雜的變化過程。不能將其看作整體對待。所以簡化的

60、式子只能是用于進行大概計算，更為精確的值，還需要通過數值模擬計算得到。 2.3 汽車防撞梁變形過程中的能量分析 圖2. 7 實車碰撞圖片 汽車碰撞過程是在很快速的過程中發(fā)生大變形的過程，其能量交換的過程也十分的短暫。僅僅在百分之一秒到百分之十秒的時間內，就需要將汽車的動能完全的轉化為塑性變形能，熱能等其他能量的形式進行釋放。這些能量大部分都是由汽車內部的緩沖裝置吸收的，這樣就保護了汽車內部人員的安全。 由于汽車發(fā)生碰撞多半為汽車前部發(fā)生碰撞，所以經常采用汽車前部防撞梁和緩沖裝置的塑性變形進行能量的吸收，所以在進行汽車正面碰撞試驗時，可以看到，大部分的車的前部會在汽車碰撞時發(fā)生大變形，正

61、是由于這些變形的存在，吸收了車體的大部分的動能，才能保證汽車內的人員，盡可能少的受到汽車碰撞的破壞。 2.3.1 能量的轉化 汽車在碰撞前有動能T=1/2mv2，在發(fā)生碰撞時會發(fā)生彈性變形，則產生彈性勢能Ve；發(fā)生塑性變形，則有塑性變形能Vp用同樣高速碰撞時會產生熱量，即有熱能Q。還有因為汽車輪胎和地面的摩擦力作的功Qf。所以汽車發(fā)生碰撞前的總能量E=T。在汽車發(fā)生碰撞的過程中能量的轉換可以分為兩個階段分析，分別為碰撞到汽車第一次速度為0的形態(tài)和汽車最終形態(tài)。 第一階段，當汽車發(fā)生碰撞后，汽車的動能第一次減為零，這時動能T=0。彈性勢能最大。塑性變形能Vp同樣最大，并且已經成為定值。這個

62、過程中有熱能的產生。摩擦力也做功?？偰芰縀=Vp+Q+Qf 第二階段，由于彈性變形是可以恢復的，所以因擠壓發(fā)生的彈性變形會繼續(xù)回彈回來。對應于汽車碰撞，即彈性勢能會再次轉化為動能。所以汽車在碰撞過程中造成的反彈現象全部都是由彈性變形造成的。而塑性變形是不可恢復的，所以在第一階段發(fā)生變形時，塑性變形能的轉化已經結束了，產生的熱量在空氣中擴散，最后消失。所以Q=0當汽車反彈時。由于地面的摩擦力和汽車的動能抵消，汽車最終停止下來。所以最后剩余的總能量只有塑性應變能Vp。 整個過程中，為了能夠讓能量快速的被吸收，通常采用防撞梁，吸能器的形式。目的就是為了在更短的時間內，更多的吸收汽車的動能。 這樣

63、做之后塑性變形能要遠遠大于彈性變形能，所以更多的時候看到的是汽車發(fā)生了大變形，而不是大范圍的反彈。另外，碰撞時雖然有熱能產生，但是跟塑性能和彈性能相比，還是太小了，所以通常情況下忽略不計。 2.3.2 汽車吸能裝置的基本要求 汽車行業(yè)發(fā)展到現在，已經有各種各樣的用于吸收能量的裝置。雖然形態(tài)各異，但是功能是一樣的，就是起吸收能量的作用。通常最簡單的吸能裝置即為防撞梁形式的。這種吸能裝置通常制作簡單，同時又能取得良好的吸能效果，所以在現在汽車工業(yè)中運用也最廣泛，但是其形態(tài)卻是各式各樣的?？v觀很多防撞梁的形式，可以得出好的防撞梁一般是滿足以下幾個條件的： 1) 能夠更多的產生塑性變形來存儲汽車

64、發(fā)生碰撞時候的動能，因為這種存儲形式不會產生回彈等效應。 2) 碰撞的變形模式，應該很穩(wěn)定[24] 。即每次變形的情況趨近于相同。這樣才能在真實發(fā)生碰撞時保證一定的吸能效果。 3) 碰撞過程中能夠控制加速度和撞擊力，保護車體內部人員和車內的重要結構不受到嚴重破壞。 4) 結構應該輕巧，簡便，利于生產，能夠提高單位質量的比吸能效率，同時也是降低了成本。 滿足上述條件的防撞梁能夠在汽車發(fā)生碰撞時最大程度的吸收能量，也能在汽車生產和制造中得到廣泛的應用。 2.4 薄壁構件變形理論 由于本文所采用的防撞梁模型和緩沖盒模型均采用的是薄壁管的形式，所以使用薄壁理論對其進行理論研究。本文中對

65、薄壁的研究主要是針對其塑性變形吸收能量多少進行研究。薄壁管軸向受到沖壓時，會發(fā)生擴徑的褶皺壓縮，該過程吸收能量十分巨大，主要是塑性變形能。這種褶皺變形的好壞，主要通過兩個方面來衡量，一是在變形過程中的吸收能量，二是在變形過程中能承受的潰縮力。 薄壁管的吸能能力主要通過三個參數來決定[25] ，吸收的總能量W，單位體積吸收的能Wv量，單位質量吸收的能量Wm?？梢酝ㄟ^以下幾個式子進行計算； W=0sF(s)dδ (2. 14) 上式中：s為潰縮的長度，F(s)為潰縮時受到的相應的壓力。相對應的

66、Wv和Wm主要除以對應的體積和質量即可。使用該式子來衡量薄壁管的能量吸收。 薄壁管的承載能力，主要是通過潰縮力來決定的。該力決定了碰撞過程中，汽車所受最大撞擊力的大小。一般情況下求解平均潰壓載荷Fm Fm=1s0sF(s)ds (2. 15) 為了讓薄壁梁能夠產生穩(wěn)定的潰縮，通?？梢允褂米兘孛娴腻F形薄壁管作為緩沖盒。 同時也可以使用在薄壁梁的兩側加入誘導槽的方法，來確定薄壁梁變形的方向，以及降低最大撞擊力的效果。 2.5 小結 本章的內容是通過理論分析的方式，對后面的數值模擬明確方向。包括在數值模擬中需要確定的材料模型，強化模型，也從整體上簡單的分析了整個汽車的碰撞過程中力和能量的變化情況。最后是通過理論明確數值模擬最終需要得到的結果及評價結果好壞的標準等。總之，理論部分的分析是為了輔助數值模擬分析，并不能直接得到汽車碰撞的理論結果。  第三章 有限元數值模擬理論 汽車的碰撞過程是一個復雜的過程。因為其中存在著各種復雜的因素。單純的依靠理論計算是無法得到結果的。在有限元計算軟件還沒有發(fā)展起來之前，如果想要得到碰撞的結果，那么只能是通過實體汽車碰撞的方法。但是實體汽車碰撞是需要高昂的