汽車防撞梁碰撞問(wèn)題的數(shù)值模擬分析

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1、 編號(hào)：（ ）字 號(hào) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 汽車防撞梁碰撞問(wèn)題的數(shù)值模擬分析 題目:___________________________________ 姓名：___________ 學(xué)號(hào)： _______________ 班級(jí)：__________________________________  中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué) 本科生畢業(yè)論文 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 力

2、學(xué)與建筑工程學(xué)院 專 業(yè)： 工 論文題目： 汽車防撞梁碰撞問(wèn)題的數(shù)值模擬分析 指導(dǎo)教師： 職 稱： 講師 二○一三年六月 徐州  中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文任務(wù)書(shū) 學(xué)院 力學(xué)與建筑工程學(xué)院 專業(yè)年級(jí) 學(xué)生姓名 任務(wù)下達(dá)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(wèn)題的數(shù)值模擬分析 畢業(yè)論文專題題目： 畢業(yè)論文主要內(nèi)容和要求： 1. 通過(guò)圖書(shū)館及網(wǎng)絡(luò)查閱和整理汽車防撞梁分析相

3、關(guān)文獻(xiàn)資料，了解國(guó)能外研究現(xiàn)狀及研究方法。 2. 根據(jù)查閱的文獻(xiàn)內(nèi)容，建立符合實(shí)際的汽車防撞梁模型。 3. 掌握ANSYS/LS-DYNA軟件的使用，并對(duì)建立的模型進(jìn)行合理網(wǎng)格劃分、材料設(shè)定及加載。 4. 考慮不同設(shè)計(jì)方案下防撞梁的防沖擊特性，比較各個(gè)參數(shù)變化對(duì)碰撞的影響，得出相關(guān)規(guī)律。 5. 根據(jù)對(duì)防撞梁壁厚、截面形狀等參數(shù)的分析，制定優(yōu)化方案，按照中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）的要求，進(jìn)行分析，得出相關(guān)結(jié)論。 6. 翻譯1篇與課題相關(guān)的近三年內(nèi)發(fā)表的英文文獻(xiàn)，字?jǐn)?shù)3000左右。 院長(zhǎng)簽字：

4、 指導(dǎo)教師簽字：  中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)閱書(shū) 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)（①基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；②獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力；③研究?jī)?nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；④取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；⑤工作態(tài)度及工作量；⑥總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；⑦存在問(wèn)題；⑧是否同意答辯等）： 成 績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字：

5、 年 月 日  中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)閱教師評(píng)閱書(shū) 評(píng)閱教師評(píng)語(yǔ)（①選題的意義；②基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；③綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力；③工作量的大??；④取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；⑤寫(xiě)作的規(guī)范程度；⑥總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；⑦存在問(wèn)題；⑧是否同意答辯等）： 成 績(jī)： 評(píng)閱教師簽字：

6、 年 月 日  中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)閱教師評(píng)閱書(shū) 評(píng)閱教師評(píng)語(yǔ)（①選題的意義；②基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；③綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；⑤寫(xiě)作的規(guī)范程度；⑥總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；⑦存在問(wèn)題；⑧是否同意答辯等）： 成 績(jī)： 評(píng)閱教師簽字：

7、 年 月 日  中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯及綜合成績(jī) 答 辯 情 況 提 出 問(wèn) 題 回 答 問(wèn) 題 正確 基本 正確 有一般性錯(cuò)誤 有原則性錯(cuò)誤 沒(méi)有 回答 答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)及建議成績(jī)： 答辯委員會(huì)主任簽字：

8、 年 月 日 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評(píng)定成績(jī)： 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人： 年 月 日 摘 要 汽車防撞梁是發(fā)生碰撞時(shí)起到主要緩沖作用的構(gòu)件。主要由防撞橫梁和低速吸能盒兩個(gè)部分構(gòu)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(zhǎng)度等。通過(guò)調(diào)整上述這些參數(shù)可以得到緩沖性能最好的防撞梁結(jié)構(gòu)。本文使用數(shù)值模擬的方法，

9、分別對(duì)防撞梁和低速吸能盒的參數(shù)取不同值進(jìn)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(jìn)行對(duì)比。加速度相對(duì)小而吸收能量相對(duì)多的組合即為最優(yōu)組合。 由于整個(gè)過(guò)程中可變的參數(shù)很多，不可能將所有的組合都進(jìn)行分析。所以首先進(jìn)行單個(gè)參數(shù)的變化分析，從單個(gè)參數(shù)變化中得出規(guī)律，然后根據(jù)規(guī)律組合出相對(duì)較優(yōu)的防撞梁結(jié)構(gòu)并進(jìn)行驗(yàn)證。 通過(guò)上述的分析過(guò)程中最終得到研究結(jié)果大致為，低速吸能盒主要是通過(guò)薄壁梁的軸向潰縮吸能。防撞梁是通過(guò)材料發(fā)生失穩(wěn)彎曲后的塑性變形來(lái)吸收能量。防撞梁和吸能盒的各個(gè)參數(shù)之間存在著耦合現(xiàn)象。通過(guò)單獨(dú)參數(shù)變化來(lái)尋找規(guī)律，然后再根據(jù)規(guī)律進(jìn)行組合參數(shù)的方法，能夠較為高效準(zhǔn)確的得出整體

10、優(yōu)化結(jié)果。 關(guān)鍵字：防撞梁；汽車碰撞；數(shù)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(shù)值模擬計(jì)算的意義 1 1.3 目前的碰撞標(biāo)準(zhǔn) 2 1.3.1 國(guó)內(nèi)碰撞檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn) 2 1.3.2 國(guó)外碰撞標(biāo)準(zhǔn) 2 1.4 碰撞試驗(yàn)對(duì)比 2 1.5 新車碰撞測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(NCAP) 3 1.5.1 歐洲的新車評(píng)價(jià)規(guī)程（Euro-NCAP） 3 1.5.2 中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP） 4 1.6 碰撞試驗(yàn)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn) 5 1.6.1 C-NCAP評(píng)分 5 1.7 目前的汽車防撞梁研究現(xiàn)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(xiàn)狀 6 1.7.3 評(píng)價(jià)指標(biāo) 7 1.8 本文主要研究?jī)?nèi)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(shí)的力學(xué)性能 8 2.1.2 彈塑性模型的簡(jiǎn)化 9 2.1.3 材料的強(qiáng)化模型 9 2.2 用于碰撞過(guò)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(guò)程中的能量分析 12 2.3.1 能量的轉(zhuǎn)化 12 2.3.2 汽車吸能裝置的基本要求 13 2.4 薄壁構(gòu)件變形理論 13 2.5 小結(jié) 14 第三章 有限元數(shù)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(yùn)動(dòng)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(wèn)題 18 3.4.1 接觸類型 18 3.4.2 接觸算法 18 3.5 本次計(jì)算的相關(guān)軟件介紹 19 3.6 小結(jié) 19 第四章 基于中國(guó)汽車安全法規(guī)C-NCAP的防撞梁數(shù)值模擬分析 21 4.1 模型建立 21 4.2 材料參數(shù)定義 22 4.3 網(wǎng)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(wèn)題簡(jiǎn)化 24 4.4

19、.2 參數(shù)設(shè)置 24 4.4.3 計(jì)算結(jié)果分析 24 4.5 正面40%重疊剛性壁碰撞試驗(yàn)?zāi)M分析 28 4.6 小結(jié) 30 第五章 防撞梁的單個(gè)參數(shù)的優(yōu)化研究 31 5.1 防撞梁寬度對(duì)防撞梁緩沖效果的影響 31 5.1.1 結(jié)果對(duì)比 32 5.1.2 數(shù)據(jù)分析 33 5.2 緩沖盒邊長(zhǎng)對(duì)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(jié)果對(duì)比 34 5.2.3 能量結(jié)果對(duì)比 35 5.3 緩沖盒長(zhǎng)度對(duì)防撞梁性能好壞分析 35 5.3.1 整體加速度對(duì)比 35 5.3.2 能量對(duì)比 36 5.3.3 數(shù)據(jù)對(duì)比 37 5.4 緩沖盒厚

20、度對(duì)防撞梁性能的影響分析 38 5.4.1 整體加速度曲線對(duì)比 38 5.4.2 吸能對(duì)比 39 5.5 防撞梁薄壁結(jié)構(gòu)的厚度對(duì)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(duì)比分析 39 5.5.2 吸收能量對(duì)比 40 5.6 防撞梁截面形式對(duì)整體緩沖吸能效果的影響分析 41 5.6.1 整體加速度對(duì)比分析 41 5.6.2 數(shù)據(jù)對(duì)比分析 42 5.7 緩沖盒截面形式對(duì)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(duì)加速度的影響變化分析 43 5.7.2 能量吸收對(duì)比 44 5.8 小結(jié) 45 第六章 防撞梁的各個(gè)參數(shù)組合優(yōu)化 47

21、6.1 防撞梁各項(xiàng)參數(shù)間的相互影響驗(yàn)證 47 6.1.1 單個(gè)防撞梁參數(shù)變化下的最優(yōu)參數(shù)組合 47 6.1.2 加速度和吸能分析 47 6.2 各個(gè)參數(shù)間的組合優(yōu)化 48 6.2.1 各個(gè)參數(shù)間關(guān)系的綜合分析 48 6.2.2 結(jié)果分析 49 6.2.3 數(shù)據(jù)對(duì)比 50 6.2.4 變形圖和應(yīng)力圖分析 51 6.3 小結(jié) 51 結(jié)論和展望 53 參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………………...55 翻譯部分 ……………………………………………………………………………………...57 致 謝 ……………………………………………………………

22、………………………...73  汽車防撞梁碰撞問(wèn)題的數(shù)值模擬分析 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2013屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第75頁(yè) 第一章 緒 論 汽車作為當(dāng)今最流行的交通工具之一，在日常生活中也是越來(lái)越多的出現(xiàn)。而且隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車的數(shù)量和種類也開(kāi)始大大提升。我國(guó)汽車產(chǎn)量從1992年的年產(chǎn)22萬(wàn)量車，到2008年時(shí)已經(jīng)增長(zhǎng)到了年產(chǎn)935萬(wàn)量[1] 。而且由于汽車生產(chǎn)流水線的產(chǎn)生，汽車

23、的行駛速度也大大的提高。但是由于汽車數(shù)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(guò)改善車的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)車輛的安全性。為了能夠更快的計(jì)算出提高安全性的方法，采用軟件模擬的方式來(lái)進(jìn)行計(jì)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(lái)越多的情況下，發(fā)生車禍?zhǔn)遣豢杀苊獾摹ｋm然車身內(nèi)存在很多的保護(hù)措施，例如安全帶，安全氣囊等。但是由于車禍而產(chǎn)生的生命和財(cái)產(chǎn)損失仍然是十分巨大的。每年因?yàn)檐嚨湆?dǎo)致的財(cái)產(chǎn)損失高達(dá)數(shù)十億元[2] 。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2002年中國(guó)一共發(fā)生了773137次交通事故，導(dǎo)致118131人死亡，財(cái)產(chǎn)損失巨大。其他國(guó)家交通事故發(fā)生的次數(shù)同樣十分龐大

24、，美國(guó)共發(fā)生1967000起交通事故，死亡人數(shù)42825人，日本發(fā)生936721次交通事故，死亡9575人，歐盟國(guó)家共發(fā)生123294起交通事故，死亡人數(shù)38824人[3] ，并且以上數(shù)字每年都在增長(zhǎng)。如此龐大的數(shù)字讓人們不得不在購(gòu)買車輛時(shí)對(duì)車輛的安全性能進(jìn)行考核。 車輛的安全性可以通過(guò)技術(shù)改進(jìn)來(lái)提高，通常的汽車安全技術(shù)主要分為兩類：第一類是主動(dòng)安全技術(shù)，第二類是被動(dòng)安全技術(shù)。主動(dòng)安全技術(shù)是指通過(guò)利用控制技術(shù)或傳感器等提前的預(yù)知危險(xiǎn)，從而達(dá)到躲避危險(xiǎn)的目的。被動(dòng)安全技術(shù)是指通過(guò)在車內(nèi)及車身放置安全帶，安全氣囊，防撞梁等保護(hù)措施，在車輛碰撞后，起緩沖保護(hù)作用，從而達(dá)到保護(hù)車內(nèi)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(nèi)的人和車內(nèi)部構(gòu)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(duì)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(shí)候通過(guò)對(duì)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(shí)候產(chǎn)生的巨大能量。通過(guò)以上這些操作也可大大的減緩一次碰撞后二次碰撞所產(chǎn)生的巨大損害，同時(shí)也是增加了碰撞的時(shí)間，為安全氣囊等裝置爭(zhēng)取時(shí)間[4] [5] ，以便能夠最大效果的發(fā)揮保護(hù)作用。吸收一次碰撞所產(chǎn)生的巨大能量，最常用的吸能構(gòu)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(shí)候，

26、有效的吸收能量、增大碰撞時(shí)間，從簡(jiǎn)單的根據(jù)沖量定理可以得出，在以一定的速度發(fā)生碰撞的時(shí)候，作用時(shí)間越長(zhǎng)，那么作用于汽車的反作用力就越小。同時(shí)防撞梁的強(qiáng)度也一定程度上減少了汽車的變形，在給予汽車內(nèi)部人員一定生存空間的同時(shí)，也是保護(hù)了汽車內(nèi)部重要部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等不被損壞，給汽車的再次維修降低了費(fèi)用，減少了財(cái)產(chǎn)損失。 1.2 數(shù)值模擬計(jì)算的意義 由于車禍的高發(fā)性，導(dǎo)致各國(guó)對(duì)汽車的安全性逐漸形成了法規(guī)，如美國(guó)的 FMVSS 208 ( 美國(guó)聯(lián)邦車輛標(biāo)準(zhǔn)安全法規(guī)) ，還有我國(guó)的汽車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn) GB1155l-2003《乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)》 規(guī)定[6] 。這些試驗(yàn)都是需要做汽車實(shí)體試驗(yàn)

27、的。只有符合該試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的車輛才能繼續(xù)生產(chǎn)。但是直接使用實(shí)體碰撞的試驗(yàn)可重復(fù)性太弱，而且每次試驗(yàn)都需要耗費(fèi)巨大的資金。所以如果做生產(chǎn)之前的設(shè)計(jì)，采用這種方法是不行的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展。計(jì)算機(jī)模擬是一種進(jìn)行大型計(jì)算非常適合的工具。通過(guò)在計(jì)算機(jī)中建模、求解、改進(jìn)等方法，可以模擬真實(shí)的碰撞過(guò)程，雖然不能和實(shí)際的碰撞完全相同，但是也能大致的得到改進(jìn)汽車安全性能的可行方法，而且由于計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度極快，可以很快的重復(fù)多次計(jì)算而取得最優(yōu)值。顯然，這通過(guò)汽車實(shí)體實(shí)驗(yàn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，并且由于有限元的快速發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)能夠計(jì)算出很多通過(guò)理論無(wú)法計(jì)算出來(lái)的東西。例如汽車碰撞過(guò)程是十分復(fù)雜的，如果單純的通過(guò)理

28、論計(jì)算來(lái)得出結(jié)果顯然是不現(xiàn)實(shí)的，只能是用理論來(lái)輔助模擬計(jì)算。 1.3 目前的碰撞標(biāo)準(zhǔn) 汽車的碰撞標(biāo)準(zhǔn)是，采用汽車實(shí)體碰撞的方法，通過(guò)碰撞后汽車的變形、汽車發(fā)生碰撞時(shí)候的加速度、速度衰減以及汽車內(nèi)部假人模型的受損情況而綜合考慮后制定的一套測(cè)試汽車安全性的指標(biāo)。各個(gè)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)均不相同，但是目的都是測(cè)試汽車的安全性能。 1.3.1 國(guó)內(nèi)碰撞檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn) 我國(guó)的碰撞法規(guī)建立的比較晚，主要是參照外國(guó)的法規(guī)、結(jié)合我國(guó)的實(shí)情而制定的。我國(guó)于1999年由原國(guó)家機(jī)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(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)則》。經(jīng)過(guò)后來(lái)的完善和發(fā)展至2004年，我國(guó)參照歐洲ECE R94法規(guī)制

29、定了國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB11551-2003《乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)》正式實(shí)施，成為了我國(guó)第一個(gè)自己的汽車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)[7] 隨后的幾年里又相繼制定了側(cè)面碰撞標(biāo)準(zhǔn)和后碰撞標(biāo)準(zhǔn)。 圖 1. 1 我國(guó)的汽車碰撞試驗(yàn) 汽車碰撞檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)都建立了相應(yīng)的碰撞試驗(yàn)作為依據(jù)，分別有正面碰撞，側(cè)面碰撞等。正面碰撞一般分為主動(dòng)是碰撞和被動(dòng)碰撞。主動(dòng)碰撞是指由汽車以一定的速度，來(lái)撞擊靜止的剛性或者非剛性的墻壁。被動(dòng)碰撞是指將汽車通過(guò)鐵索固定，使用鋼塊進(jìn)行撞擊。我國(guó)的汽車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)GB11551-2003就是主動(dòng)碰撞。如圖 1. 1所示為我國(guó)的汽車做碰撞試驗(yàn)時(shí)候的照片。 1.3.2 國(guó)外碰撞標(biāo)準(zhǔn) 國(guó)外的碰撞

30、標(biāo)準(zhǔn)主要是由美國(guó)的FMVSS和歐盟的ECE兩個(gè)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，其他國(guó)家的安全法規(guī)，大部分是參考這兩個(gè)法規(guī)制定的，針對(duì)這兩個(gè)安全法規(guī)的出發(fā)點(diǎn)是不相同的。美國(guó)認(rèn)為“汽車是任何人都可以做的軟墊”，而歐洲人則認(rèn)為“汽車是駕車技術(shù)熟練者使用的工具”，所以美國(guó)的安全法規(guī)比較注重于汽車的被動(dòng)安全性，其技術(shù)要求普遍嚴(yán)格，而歐洲的安全法規(guī)偏重于汽車的主動(dòng)安全性。 1.4 碰撞試驗(yàn)對(duì)比 圖 1. 2 各個(gè)國(guó)家的碰撞試驗(yàn)示意圖 雖然碰撞試驗(yàn)的目的都是為提高汽車的安全性，但是由于各國(guó)的側(cè)重點(diǎn)不同，所以導(dǎo)致各國(guó)的碰撞試驗(yàn)的具體細(xì)節(jié)也不盡相同。如圖 1. 2所示，是各個(gè)國(guó)家的正面碰撞試驗(yàn)示意圖。每個(gè)國(guó)家碰撞試驗(yàn)的具體要求

31、也不相同，但整體都是結(jié)合了自己的實(shí)際情況， 表 1. 1各個(gè)國(guó)家的汽車碰撞試驗(yàn)要求對(duì)比 而制定的符合自己國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)。如表 1. 1[8] 中列舉了各個(gè)國(guó)家的汽車碰撞具體要求。 1.5 新車碰撞測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(NCAP) NCAP ( New Car Assessment Program ) 即新車評(píng)價(jià)規(guī)程。是由政府機(jī)關(guān)或者具有權(quán)威性的機(jī)構(gòu)，對(duì)市場(chǎng)上銷售的車型進(jìn)行碰撞安全性能測(cè)試、評(píng)分劃分等級(jí)，并向社會(huì)公開(kāi)評(píng)價(jià)結(jié)果的規(guī)程。NCAP是由1987年由美國(guó)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(shù)年內(nèi)其他各國(guó)也相繼的結(jié)合自己國(guó)家的公路情況、汽車保有量等建立適合自己國(guó)家的NCAP,

32、分別有美國(guó)的NHTSA-NCAP,歐洲的Euro-NCAP,日本的J-NCAP,澳大利亞的A-NCAP以及我國(guó)的C-NCAP。通過(guò)多年的試驗(yàn)，總結(jié)和驗(yàn)證，歐洲的Euro NCAP被公認(rèn)為是世界上最嚴(yán)格和最具有權(quán)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(guó)的C-NCAP。 1.5.1 歐洲的新車評(píng)價(jià)規(guī)程（Euro-NCAP） 歐洲的汽車安全法規(guī)，是由英國(guó)交通部的交通研究實(shí)驗(yàn)室研究成立的。該法規(guī)測(cè)試所需的經(jīng)費(fèi)全部是由歐盟提供。不定期的對(duì)已上市的新車和進(jìn)口車進(jìn)行測(cè)試。由于該法規(guī)的嚴(yán)格性和權(quán)威性，使得該法規(guī)得到了各國(guó)的廣泛支持和認(rèn)可，在全球影響力巨大。 Euro-NCA

33、P的主要測(cè)試內(nèi)容有： 1) 64km/h時(shí)40%正面偏置碰撞 2) 50km/h時(shí)可變形移動(dòng)壁障的側(cè)面碰撞。 3) 40km/h時(shí)的行人保護(hù)碰撞。 4) 29km/h時(shí)的撞柱子試驗(yàn)。 1.5.2 中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP） 中國(guó)的汽車安全法規(guī)主要是參照美國(guó)的NHTSA-NCAP和歐洲的 Euro-NCAP，再結(jié)合我國(guó)的汽車標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)以及我國(guó)的路況等各種因素，最終形成的檢測(cè)汽車安全性能的法規(guī)。 如下表 1. 2 中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）[10] 表 1. 2 中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）[10] 試驗(yàn)項(xiàng)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(yàn) 車輛以 50 km/h 的速度與剛性固定壁障進(jìn)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(cè)座位放置 Hybird 型第 5 百分位女性假人，試驗(yàn)時(shí)假人應(yīng)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(yàn) 車輛以 56 km/h 的速度對(duì)可變形壁障進(jìn)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(cè)座位放置 Hybird 型第 5 百分位女性假人，應(yīng)佩戴安全帶 可變形移動(dòng)壁障側(cè)面碰撞 可變形移動(dòng)壁障

35、以 50 km/h 的速度與車輛側(cè)面 （ 駕駛員側(cè)）進(jìn)行碰撞 在駕駛員位置放置Euro SID 型假人， 用以測(cè)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(gè)實(shí)驗(yàn)的碰撞試驗(yàn)圖 圖 1. 3正面 100% 重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn) 圖 1. 4可變形移動(dòng)壁障側(cè)面碰撞 圖 1. 5正面 40% 重疊可變形壁障碰撞試驗(yàn) 1.6 碰撞試驗(yàn)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn) 碰撞試驗(yàn)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)主要是通過(guò)，在實(shí)車碰撞試驗(yàn)中，通過(guò)加速度傳感器，速度傳感器，力傳感器等，全程的檢測(cè)汽車碰撞過(guò)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(guò)這些因素的綜合比重考慮，制定出的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。能

36、夠簡(jiǎn)單的通過(guò)分?jǐn)?shù)的高低來(lái)判斷汽車的安全性能。下面主要介紹C-NCAP的評(píng)分。 1.6.1 C-NCAP評(píng)分 C-NCAP評(píng)分的高低是，變相的反映了汽車安全性能的高低。評(píng)測(cè)的時(shí)候通過(guò)對(duì)汽車內(nèi)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(lái)設(shè)定不同部位的得分?jǐn)?shù)。 對(duì)于每個(gè)假人，基本的評(píng)分原則是： （1）設(shè)定高性能指標(biāo)限值和低性能指標(biāo)限值，分別對(duì)應(yīng)每個(gè)部位的最高得分和 0 分，處于兩者之間的測(cè)量值分別采用線性插值的方法得出相應(yīng)分?jǐn)?shù)； （2）若同一部位存在多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，則采用其中的最低得分來(lái)代表該部位的得分； （3）所有單項(xiàng)得分保

37、留到小數(shù)點(diǎn)后兩位。 C-NCAP的評(píng)測(cè)分?jǐn)?shù)是目前人們漸漸開(kāi)始關(guān)心的內(nèi)容。所以評(píng)測(cè)分?jǐn)?shù)也會(huì)成為影響汽車銷量的重要因素。提高分?jǐn)?shù)的方法很多，其中通過(guò)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(guò)程中的加速度，從而減小汽車內(nèi)假人所受的加速度，當(dāng)然相應(yīng)的假人受到的力和破壞也會(huì)減小，這樣就能提高評(píng)測(cè)分?jǐn)?shù)。所以說(shuō)防撞梁的優(yōu)劣決定著汽車碰撞試驗(yàn)評(píng)分的高低。 1.7 目前的汽車防撞梁研究現(xiàn)狀 防撞梁作為汽車碰撞時(shí)候的第一道防線，主要起到緩沖和防止過(guò)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(shí)間；這兩個(gè)緩沖效果可以在碰撞發(fā)生時(shí)有效的減小車內(nèi)的人受到的力，防止

38、過(guò)分變形，尤其是在發(fā)生撞擊柱子等事故時(shí)。目的有兩個(gè)方面，第一，給車內(nèi)的人員充分的生存空間；第二，保護(hù)車體內(nèi)重要部件，例如發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱等。這樣可以降低汽車的維修費(fèi)用。碰撞的時(shí)候起緩沖作用的主要部件是緩沖盒，通過(guò)緩沖盒的軸向潰縮，來(lái)吸收能量。同時(shí)防撞梁也會(huì)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(guò)在防撞梁前段加入一些緩沖材料，或者特殊的結(jié)構(gòu)，來(lái)起到緩沖作用。防止大變形主要是通過(guò)防撞梁來(lái)實(shí)現(xiàn)，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(nèi)凹進(jìn)去，而在防撞梁中間的撞擊力，會(huì)由于防撞梁的存在將力間接的傳遞到車架上，由此車會(huì)發(fā)生反彈，從而有力的保護(hù)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(diǎn)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(dá)到的目的有兩個(gè)：第一，具有良好的抗撞擊性能；第二，具有良好的吸能性質(zhì)。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(xué)侯淑娟等人，曾經(jīng)對(duì)上面的四種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗撞性能和緩沖性能的分析[11] 。通過(guò)研究計(jì)算機(jī)建模分析，對(duì)不同厚度和不同截面進(jìn)行壓力碰撞后發(fā)現(xiàn)，元胞數(shù)的增加會(huì)影響結(jié)構(gòu)的吸能增加，多元胞結(jié)構(gòu)的吸能效果要遠(yuǎn)好于單元胞結(jié)構(gòu)。四元胞結(jié)構(gòu)的吸能特性

40、最好。而且同時(shí)發(fā)現(xiàn)，軸向的吸能性能要遠(yuǎn)好于橫向的吸能特性。從而得到結(jié)論材料，在發(fā)生褶皺疊縮變形的時(shí)候，能夠提高結(jié)構(gòu)的吸能特性和抗撞特性，同時(shí)也能讓材料的利用率提高。同時(shí)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(duì)于防撞梁厚度的研究，前人也總結(jié)了很多的經(jīng)驗(yàn)，也是使用數(shù)值模擬的方式，通過(guò)在一定厚度范圍內(nèi)等間距取值然后使用軟件模擬撞擊過(guò)程。最后對(duì)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(jù)具體能夠允許的最大加速度和最大位移來(lái)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(zhì)很好的材料。吸能材料通常指薄壁管材、 泡沫鋁、 復(fù)合材料、聚氨酯泡沫等[15] [14] ?？紤]價(jià)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(xiàn)，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(jié)構(gòu)功能材料,兼有泡沫和金屬的特性。有較高的強(qiáng)度以及制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)[16] 。這種金屬材料的吸能特性非常好，而且強(qiáng)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(jù)汽車的外形和車內(nèi)構(gòu)件的形狀決定的。在這兩點(diǎn)已經(jīng)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(shí)候的接觸時(shí)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(huì)根據(jù)車型的不同而改變，比如，利用三段直線夠成外凸?fàn)罨蛘卟捎脠A弧外凸曲線，甚至?xí)Y(jié)合使用兩種模型。 1.7.2 汽車緩沖盒的研究現(xiàn)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(dǎo)槽等因素決定。同樣的厚度和材料對(duì)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(xué)夏銘等人，對(duì)吸能盒的截面形狀進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化[17

43、] 。通過(guò)數(shù)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(jié)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(shù)值模擬結(jié)果 同樣在2012年，中國(guó)汽車工程研究院的萬(wàn)鑫銘[18] 等人又通過(guò)對(duì)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(shù)值模擬分析，結(jié)果如圖 1. 8所示。得出正八邊形鋁管的吸能性質(zhì)十分突出，但是碰撞時(shí)候引起的碰撞力峰值太大，而正六變形的各項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)均衡。 2) 誘導(dǎo)槽 在緩沖盒上開(kāi)誘導(dǎo)槽對(duì)緩沖效果有著十分明顯的提高。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的曲明[19] 等人曾對(duì)誘導(dǎo)槽的研究及分

44、析發(fā)現(xiàn)，薄壁梁在撞擊的時(shí)候會(huì)發(fā)生潰縮變形。變形的過(guò)程中緩沖盒上有些部位會(huì)發(fā)生內(nèi)凹，有些部位會(huì)發(fā)生外凸。根據(jù)這種現(xiàn)象，如果在緩沖盒的表面本身設(shè)置向內(nèi)凹或者向外凸的槽，在發(fā)生碰撞的時(shí)候可以有效的減小撞擊力的峰值。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)置雙層的誘導(dǎo)槽薄壁梁的緩沖效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于不設(shè)置誘導(dǎo)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(dǎo)槽緩沖盒 緩沖盒的優(yōu)化還可以通過(guò)在緩沖盒內(nèi)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(nèi)容。其次除了采用緩沖盒的方式，也可以使用機(jī)械阻尼緩沖裝置來(lái)做緩沖器，雖然這樣的方

45、法可能會(huì)提高緩沖效果。但是可以想象得到，制作成本也肯定會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁制薄壁梁。 1.7.3 評(píng)價(jià)指標(biāo) 在碰撞過(guò)程中大多數(shù)碰撞試驗(yàn)采用加速度，能量吸收等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)。這些參數(shù)都是碰撞過(guò)程中體現(xiàn)碰撞激烈程度的因素，同時(shí)也是體現(xiàn)防撞梁結(jié)構(gòu)吸能緩沖效果的標(biāo)準(zhǔn)，且也可以使用更為直觀的撞擊力[21] ，位移等因素作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析。 1.8 本文主要研究?jī)?nèi)容 本文主要利用LS-DYNA做實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬計(jì)算。利用車架連接防撞梁的模型進(jìn)行碰撞，采用不同厚度，不同截面，不同材料的防撞梁進(jìn)行碰撞分析，通過(guò)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(lái)衡量防撞梁的緩沖效果。通過(guò)對(duì)碰撞后的整個(gè)防撞梁的

46、變形情況，來(lái)判定防撞梁是否符合碰撞最大位移要求。整個(gè)碰撞過(guò)程是為了給汽車防撞梁的實(shí)驗(yàn)做理論依據(jù)。同時(shí)也是給實(shí)驗(yàn)做有力驗(yàn)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(guò)汽車發(fā)生碰撞時(shí)防撞梁吸收能量的多少來(lái)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(zhì)，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(guò)程中的能量問(wèn)題。再次，由于汽車發(fā)生碰撞是一個(gè)碰撞過(guò)程，則需要?jiǎng)恿W(xué)分析。最后防撞梁的力學(xué)模型可以用薄壁梁來(lái)進(jìn)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(shí)候，都是先發(fā)生彈性變形，然后進(jìn)入屈服階段，最后進(jìn)入強(qiáng)化階段。每個(gè)階段的應(yīng)力應(yīng)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(huì)再次反彈，而有些能量則被永遠(yuǎn)的吸收。了解簡(jiǎn)單材料的變形才能了解復(fù)雜變形情況中能量的吸收情況。 2.1.1 金屬材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能 圖2. 1 力和伸長(zhǎng)量的關(guān)系圖 材料拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線能夠反映材料在受到拉力的作用下變形與力的關(guān)系。以簡(jiǎn)單的低碳鋼拉伸為例子[22] ，對(duì)低碳鋼做緩慢增加拉力作用。將拉力P和伸長(zhǎng)量DL的關(guān)系作圖，如圖2. 1 所示。為了消除尺寸對(duì)力學(xué)規(guī)律的影響，將拉力p

48、除以試樣橫截面積A0，得出正應(yīng)力： σ=P/A0；同時(shí)，把伸長(zhǎng)量DL除以總長(zhǎng)L0，可以得到應(yīng)變：ε=DL/L0。因?yàn)楦鼽c(diǎn)的應(yīng)變是均勻的，所以該應(yīng)變是平均應(yīng)變。然后再以σ為縱坐標(biāo)，以ε為橫坐標(biāo)，作圖表示σ和ε的關(guān)系，該關(guān)系為應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，該圖為應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。如圖2. 2圖2. 2所示。 圖2. 2應(yīng)力應(yīng)變曲線  根據(jù)上圖的結(jié)果，可以將變形分為幾個(gè)階段。 1) 彈性階段 在材料拉伸的初始階段，σ和ε是線性關(guān)系即上圖中的OA段。該段中應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系。即σ∝ε 將該式子寫(xiě)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(dāng)應(yīng)力增加超過(guò)B'時(shí)應(yīng)力有明顯的下降。然后在應(yīng)力應(yīng)變曲線上開(kāi)始形成像鋸齒一樣的變化情況。這種情況下，應(yīng)力基本保持不變，而應(yīng)變卻有顯著增加。在這個(gè)階段內(nèi)的最低應(yīng)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(lái)做計(jì)算。用σs表示。該參數(shù)在后面的有限元計(jì)算中，作為一個(gè)參數(shù)輸入。 3) 強(qiáng)化階段 金屬材料在屈服一段時(shí)間后，又恢復(fù)了抵抗變形的能力，能夠使應(yīng)力繼續(xù)增加。該種現(xiàn)象即為強(qiáng)化

50、。 2.1.2 彈塑性模型的簡(jiǎn)化 圖2. 3 多線性和雙線性的材料應(yīng)力應(yīng)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(shù)材料，發(fā)生變形的時(shí)候力與變形的關(guān)系。但是如果每次計(jì)算都使用該曲線進(jìn)行計(jì)算太過(guò)于繁瑣，所以可以將其簡(jiǎn)化為多線性，雙線性的特性。則應(yīng)力應(yīng)變曲線可簡(jiǎn)化為如下所示，這樣可以大大的簡(jiǎn)化計(jì)算。 該圖中的σs是材料的屈服強(qiáng)度。在有限元計(jì)算中該參數(shù)是雙線性材料的斜率轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 在有限元計(jì)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(qiáng)化模型 金屬材料在屈服一段時(shí)間后，能夠繼續(xù)恢復(fù)部分承載能力，這種現(xiàn)象稱之為強(qiáng)化，強(qiáng)化有很多種形式，比

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

52、是刻畫(huà)塑性變形歷史的參數(shù)，例如可以取ξ=dεp 為塑性應(yīng)變?cè)隽康膶?duì)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(yīng)力的絕對(duì)值提高。如圖2. 4 所示 圖2. 4 等向強(qiáng)化 圖2. 5 隨動(dòng)強(qiáng)化 2) 隨動(dòng)強(qiáng)化 等向硬化彈塑性模型雖然計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，但不能反映材料反向加載過(guò)程中存在的包氏效應(yīng)。因此，在較復(fù)雜地變形模式中，材料的特性通常選用隨動(dòng)硬化彈塑性模型。該模型表示，拉伸屈服應(yīng)力和壓縮屈服應(yīng)力的帶數(shù)值之差，始終不變。表達(dá)式可以寫(xiě)為： σ-φ(εp)=σs

53、 (2. 3) 其中ψ(εp)是塑性應(yīng)變?chǔ)舙的單調(diào)遞增函數(shù)。在線性強(qiáng)化的情況也可以寫(xiě)成： σ-hεp=σs (2. 4) 式中h=dφ/dε是一個(gè)常數(shù)。 3) 組合強(qiáng)化 圖2. 6 三種強(qiáng)化模型Mises屈服圓 將等向強(qiáng)化模型和隨動(dòng)強(qiáng)化模型組合起來(lái)，就構(gòu)成更為一般的組合強(qiáng)化模型。把上面的三種強(qiáng)化模型，使用mises屈服圓的方法，畫(huà)到π平面上。這樣可以更為直觀的看出三種強(qiáng)化模型的特性，如圖2. 6

54、所示。強(qiáng)化模型的確定是在有限元計(jì)算中材料模型選擇的基礎(chǔ)，本文中計(jì)算所使用的材料為鋁合金材料，該材料的強(qiáng)化模型和金屬的等向強(qiáng)化模型相似，所以有限元計(jì)算中選用等向強(qiáng)化模型。 2.2 用于碰撞過(guò)程的基本定理[23] 汽車碰撞的整個(gè)過(guò)程是在極短的時(shí)間內(nèi)完成的，因此不適合直接使用力來(lái)度量碰撞的作用，也不宜用運(yùn)動(dòng)微分方程描述每一瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)和力的變化關(guān)系，經(jīng)常使用的分析方式是分析碰撞前、后運(yùn)動(dòng)的變化。 在碰撞過(guò)程中會(huì)發(fā)生變形、發(fā)聲、發(fā)熱，甚至發(fā)光。因此在碰撞過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)機(jī)械能的損失。機(jī)械能損失的程度取決于碰撞物體的材料性質(zhì)以及其他因素。所以在碰撞過(guò)程中一般不便于應(yīng)用動(dòng)能定理，所以經(jīng)常采用動(dòng)量定理和動(dòng)量

55、矩定理的積分形式來(lái)確定力的作用與運(yùn)動(dòng)變化的關(guān)系。 2.2.1 沖量定理 假設(shè)有一質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量為m，碰撞過(guò)程開(kāi)始瞬時(shí)的速度為υ，碰撞結(jié)束時(shí)的速度為υ'，則該質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)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(jì)。 對(duì)于整個(gè)汽車，是無(wú)法簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)來(lái)計(jì)算的。但是可以簡(jiǎn)化為很多質(zhì)點(diǎn)的一個(gè)組合。所以可以看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)系，對(duì)于碰撞的質(zhì)點(diǎn)系，作用在第i個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的碰撞沖量可分為外碰撞沖量Ii(e)和內(nèi)碰撞沖量Ii(i)，按照上面的式子有：

56、 miυi'-miυi=Ii(e)+Ii(i) (2. 6) 設(shè)質(zhì)點(diǎn)系有n個(gè)質(zhì)點(diǎn)，對(duì)于每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都可以列出如上的方程，將n個(gè)方程相加，就可以得到整體的質(zhì)點(diǎn)系的沖量定理： i=1nmiυ'-i=1nmiυi=i=1nIie+i=1nIii (2. 7) 又因?yàn)閮?nèi)碰撞沖量總是大小相等，方向相反，一對(duì)一對(duì)的存在。所以Ii(i)=0,所以上式可以簡(jiǎn)化為： i=1nmiυ'-i=1nmiυi=i=1nIie (2. 8

57、) 該式即為整個(gè)汽車碰撞過(guò)程中質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)量定理。此式可以表示整個(gè)車體在碰撞前后速度變化與車體所受到的力的關(guān)系。沖量是力和時(shí)間的乘積，由此可以簡(jiǎn)單的得出，在汽車車速一定的情況下。碰撞所經(jīng)歷的時(shí)間越長(zhǎng)，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(zhì)點(diǎn)系動(dòng)量矩定理的一般表達(dá)式為導(dǎo)數(shù)形式，即： ddxLo=i=1nMiFie=i=1nri×Fie (2. 9) 式中Lo為質(zhì)點(diǎn)系對(duì)定點(diǎn)O的動(dòng)量矩矢，i=1nri×Fi(e)為作用與質(zhì)點(diǎn)系的外力對(duì)點(diǎn)O的住矩。 對(duì)上式進(jìn)行變形簡(jiǎn)化，可以得到：

58、 dLo=i=1nri×Fi(e)dt=i=1nr×dIi(e) (2. 10) 對(duì)上式進(jìn)行積分，則可以得到： Lo1Lo2dLo=i=1n0tri×dIi(e) (2. 11) 進(jìn)一步簡(jiǎn)化上式得： Lo2-Lo1=i=1n0tri×dIi(e) (2. 12) 如果將整個(gè)車身看成一個(gè)整體，那么在碰撞過(guò)程中，各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的位置都是不變的。因此可以將ri看作為一個(gè)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(zhì)點(diǎn)系對(duì)點(diǎn)O的動(dòng)量矩，Ii(e)是外碰撞沖量。ri×Ii(e)為沖量矩。 上式可以簡(jiǎn)單的用來(lái)計(jì)算汽車碰撞時(shí)力矩的關(guān)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(guò)程中會(huì)有力矩產(chǎn)生，這種力矩大小的計(jì)算，便可以通過(guò)該式子進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算而得到。由此同樣可以得出，碰撞時(shí)間越長(zhǎng)所產(chǎn)生的碰撞沖量就越大，在碰撞前后動(dòng)量矩差值一定的情況下，所產(chǎn)生的碰撞力就越大。但是汽車碰撞過(guò)程是復(fù)雜的變化過(guò)程。不能將其看作整體對(duì)待。所以簡(jiǎn)化的

60、式子只能是用于進(jìn)行大概計(jì)算，更為精確的值，還需要通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到。 2.3 汽車防撞梁變形過(guò)程中的能量分析 圖2. 7 實(shí)車碰撞圖片 汽車碰撞過(guò)程是在很快速的過(guò)程中發(fā)生大變形的過(guò)程，其能量交換的過(guò)程也十分的短暫。僅僅在百分之一秒到百分之十秒的時(shí)間內(nèi)，就需要將汽車的動(dòng)能完全的轉(zhuǎn)化為塑性變形能，熱能等其他能量的形式進(jìn)行釋放。這些能量大部分都是由汽車內(nèi)部的緩沖裝置吸收的，這樣就保護(hù)了汽車內(nèi)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(jīng)常采用汽車前部防撞梁和緩沖裝置的塑性變形進(jìn)行能量的吸收，所以在進(jìn)行汽車正面碰撞試驗(yàn)時(shí)，可以看到，大部分的車的前部會(huì)在汽車碰撞時(shí)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(dòng)能，才能保證汽車內(nèi)的人員，盡可能少的受到汽車碰撞的破壞。 2.3.1 能量的轉(zhuǎn)化 汽車在碰撞前有動(dòng)能T=1/2mv2，在發(fā)生碰撞時(shí)會(huì)發(fā)生彈性變形，則產(chǎn)生彈性勢(shì)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(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，即有熱能Q。還有因?yàn)槠囕喬ズ偷孛娴哪Σ亮ψ鞯墓f。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(guò)程中能量的轉(zhuǎn)換可以分為兩個(gè)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(dāng)汽車發(fā)生碰撞后，汽車的動(dòng)能第一次減為零，這時(shí)動(dòng)能T=0。彈性勢(shì)能最大。塑性變形能Vp同樣最大，并且已經(jīng)成為定值。這個(gè)

62、過(guò)程中有熱能的產(chǎn)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(fù)的，所以因擠壓發(fā)生的彈性變形會(huì)繼續(xù)回彈回來(lái)。對(duì)應(yīng)于汽車碰撞，即彈性勢(shì)能會(huì)再次轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。所以汽車在碰撞過(guò)程中造成的反彈現(xiàn)象全部都是由彈性變形造成的。而塑性變形是不可恢復(fù)的，所以在第一階段發(fā)生變形時(shí)，塑性變形能的轉(zhuǎn)化已經(jīng)結(jié)束了，產(chǎn)生的熱量在空氣中擴(kuò)散，最后消失。所以Q=0當(dāng)汽車反彈時(shí)。由于地面的摩擦力和汽車的動(dòng)能抵消，汽車最終停止下來(lái)。所以最后剩余的總能量只有塑性應(yīng)變能Vp。 整個(gè)過(guò)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(shí)間內(nèi)，更多的吸收汽車的動(dòng)能。 這樣

63、做之后塑性變形能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈性變形能，所以更多的時(shí)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(shí)雖然有熱能產(chǎn)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(jì)。 2.3.2 汽車吸能裝置的基本要求 汽車行業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)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(jiǎn)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(jiǎn)單，同時(shí)又能取得良好的吸能效果，所以在現(xiàn)在汽車工業(yè)中運(yùn)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(gè)條件的： 1) 能夠更多的產(chǎn)生塑性變形來(lái)存儲(chǔ)汽車

64、發(fā)生碰撞時(shí)候的動(dòng)能，因?yàn)檫@種存儲(chǔ)形式不會(huì)產(chǎn)生回彈等效應(yīng)。 2) 碰撞的變形模式，應(yīng)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(shí)發(fā)生碰撞時(shí)保證一定的吸能效果。 3) 碰撞過(guò)程中能夠控制加速度和撞擊力，保護(hù)車體內(nèi)部人員和車內(nèi)的重要結(jié)構(gòu)不受到嚴(yán)重破壞。 4) 結(jié)構(gòu)應(yīng)該輕巧，簡(jiǎn)便，利于生產(chǎn)，能夠提高單位質(zhì)量的比吸能效率，同時(shí)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(shí)最大程度的吸收能量，也能在汽車生產(chǎn)和制造中得到廣泛的應(yīng)用。 2.4 薄壁構(gòu)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(duì)其進(jìn)行理論研究。本文中對(duì)

65、薄壁的研究主要是針對(duì)其塑性變形吸收能量多少進(jìn)行研究。薄壁管軸向受到?jīng)_壓時(shí)，會(huì)發(fā)生擴(kuò)徑的褶皺壓縮，該過(guò)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(guò)兩個(gè)方面來(lái)衡量，一是在變形過(guò)程中的吸收能量，二是在變形過(guò)程中能承受的潰縮力。 薄壁管的吸能能力主要通過(guò)三個(gè)參數(shù)來(lái)決定[25] ，吸收的總能量W，單位體積吸收的能Wv量，單位質(zhì)量吸收的能量Wm?？梢酝ㄟ^(guò)以下幾個(gè)式子進(jìn)行計(jì)算； W=0sF(s)dδ (2. 14) 上式中：s為潰縮的長(zhǎng)度，F(xiàn)(s)為潰縮時(shí)受到的相應(yīng)的壓力。相對(duì)應(yīng)的

66、Wv和Wm主要除以對(duì)應(yīng)的體積和質(zhì)量即可。使用該式子來(lái)衡量薄壁管的能量吸收。 薄壁管的承載能力，主要是通過(guò)潰縮力來(lái)決定的。該力決定了碰撞過(guò)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(chǎn)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(shí)也可以使用在薄壁梁的兩側(cè)加入誘導(dǎo)槽的方法，來(lái)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(jié) 本章的內(nèi)容是通過(guò)理論分析的方式，對(duì)后面的數(shù)值模擬明確方向。包括在數(shù)值模擬中需要確定的材料模型，強(qiáng)化模型，也從整體上簡(jiǎn)單的分析了整個(gè)汽車的碰撞過(guò)程中力和能量的變化情況。最后是通過(guò)理論明確數(shù)值模擬最終需要得到的結(jié)果及評(píng)價(jià)結(jié)果好壞的標(biāo)準(zhǔn)等?？傊碚摬糠值姆治鍪菫榱溯o助數(shù)值模擬分析，并不能直接得到汽車碰撞的理論結(jié)果。  第三章 有限元數(shù)值模擬理論 汽車的碰撞過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。因?yàn)槠渲写嬖谥鞣N復(fù)雜的因素。單純的依靠理論計(jì)算是無(wú)法得到結(jié)果的。在有限元計(jì)算軟件還沒(méi)有發(fā)展起來(lái)之前，如果想要得到碰撞的結(jié)果，那么只能是通過(guò)實(shí)體汽車碰撞的方法。但是實(shí)體汽車碰撞是需要高昂的